PLC控制系统输入/输出回路的隔离设计

（1）开关量输入电路的隔离 考虑控制电路的抗干扰性能，开关量输入、输出电路均应采用光电耦合器。带光电耦合器的开关量输入电路如图1所示。外电路电源电压为+15V，plc的电源电压为+5V，两个电源是隔离的。当开关K断开时，光电耦合器的发光二极管熄灭，光敏管呈高阻特性，A点为低电平，经与门后输出电压为低电平。当开关K闭合时，光电耦合器的发光二极管发光，光敏管呈低阻特性，A点为高电平，经与门电路后输出电压为高电平。

图1 带光电耦合器的开关量输入电路

（2）开关量输出电路的隔离 采用光电耦合器的开关量输出电路如图2所示。+5V电源为PLC的电源，+24V电源为开关量输出电源，两个电源是隔离的。当DO接口端输出高电平时，经与非门电路之后，A点为低电平，经光电耦合器使驱动晶体管VT导通，出口继电器J得电吸合。当DO接口端输出低电平时，经与非门电路后，A点输出高电平，经光电耦合器使VT截止，J释放。

图2 带光电耦合器的开关量输出电路

2．模拟量输入/输出电路的隔离
对于速度检测通常采用测速发电机将速度信号变成电压信号Un，Un=n（为速度反馈系数）。电流检测通常采用电流互感器或霍尔效应电流检测器实现，将电流信号变成电压信号Ui，Ui=Id（为电流反馈系数）。
若采用A/D转换电路，可直接将模拟电压信号接到PLC的模入端，如图3所示。模入信号为测速发电机的输出电压，分压后将输入电压Un限制为0～5V。

图3 A/D口直接连接测速反馈电路

这种模拟输入电路的特点是结构简单，但存在不安全因素，测速发电机的电枢电压高达100多伏，直接与PLC的输入引脚相连，一方面会给微处理器芯片带来干扰，另一方面瞬时过电压会损坏微处理器芯片。
考虑变频调速系统的抗干扰能力及可靠性，需要将检测的模拟量Un、Ui与PLC电路之间进行隔离。模拟量隔离电路的方式有变压器隔离及光电耦合器隔离两种。
（1）变压器隔离
采用变压器隔离的典型电路是隔离放大器，隔离放大器AD289的结构如图4（a）所示。

图4 隔离放大器AD289的结构

隔离放大器所需电源是直流15V，15V电源经振荡器加到变压器T1的初级绕组N1上，T1的次级绕组N2、N3提供脉冲电源，经整流滤波形成的控制电源分别供A2、A1放大器。T1的次级绕组N5、N4分别为调制器和解调器提供脉冲电源。很小的输入信号（毫伏级）经放大器A1放大后，再经调制器调制成交流信号。经变压器T2后，再经解调器还原成A1的输出电压，经A2放大，在⑨、⑩两端输出被放大的电压。

图4（b）给出了AD289的图形符号，控制电源端⑥、⑦与信号输入端⑤、①及信号输出端⑨、⑩三个回路之间是相互隔离的，隔离耐压达2 500V。如果检测电枢电流，电枢回路的分流器（额定电压为75mV）两端的电压接信号输入端⑤、①，信号输出端⑩、⑨接PLC的输入端，可实现电枢回路的高压（约1 000V）与PLC的低压回路的隔离。
（2）光电耦合器隔离
光电耦合器隔离的方法分以下3种。

① 线性光电耦合器隔离。精密线性光电耦合器TIL300及其应用电路如图5所示。TIL300由红外发光二极管（LED）以及分叉配置的隔离反馈光电二极管和输出光电二极管组成。该器件所采用的特殊技术可补偿LED的时间和温度特性的非线性，使输出信号与LED发出的伺服光通量成线性。

图5 TIL300精密线性光电耦合器及其应用电路

令电流增益K₁=I_p1/I_f，正向增益K₂=I_p2/I_f，传输增益K₃=I_p2/I_p1=K₂/K₁。则图5所示电路的输出电压U_o为：



式中：U_i为输入的模拟量。

显然，传输电路的输出电压U_o与输入电压U_i的关系取决于传输增益K₃，由于K₃=K₂/K₁，即使K₂、K₁在I_f变化时不是线性的，但其比值K₃也可以成线性。也就是说，图5所示电路的传输比是线性的，同时也达到了U_i与U_o之间电气隔离的目的。

② A/D转换后光电耦合器隔离。A/D转换后光电耦合器隔离方案也可以实现模拟量输入信号与计算机的隔离。典型产品如CKE公司的G-01AD模块，其电路结构如图6所示，为8通道模拟量输入通道。

图6 A/D转换后光电耦合器隔离结构图

在图6中，输入的模拟量经切换回路选通后进入放大器，经A/D转换后变成12位的二进制数字信号，再经12只光电耦合器后进入CPU的数据总线。A/D转换电路与CPU之间的控制信号及输入切换电路的控制信号共8位，也是经8只光电耦合器与CPU相连接的。显然8路模拟量输入信号与CPU之间经20只光电耦合器相连接，模入信号与CPU之间没有任何电气连接。
③ V/F变换后光电耦合器隔离。这种方案是将被检测的模拟量Ui经V/F变换电路转换成频率F，再经光电耦合器隔离后连接到PLC的输入端。CPU通过检测频率的大小计算出对应的模拟量Ui。电路结构如图7所示。
对于一路模拟量输入电路，仅用一只光电耦合器即可实现电气隔离。因此，这种方案具有体积小、造价低的特点。西门子公司的SIEMADYD全数字控制系统就采用了这种方案。

图7 V/F变换后光电耦合器隔离结构