数字量输入输出模块：功能、特点与应用

1.数字量输入模块的输入电路

数字量输入（DI）模块用于连接外部的机械触点和电子数字式传感器，例如光电开关和接近开关，将来自现场的外部数字量信号的电平转换为PLC内部的信号电平。

图2-23是直流输入模块的内部电路和外部接线图，图中只画出了一路输入电路，M或N是同一输入组内各内部输入电路的公共点。当图中的外部电路接通时，光耦合器中的发光二极管（LED）点亮，光敏晶体管饱和导通，相当于开关接通；外部电路断开时，光耦合器中的LED熄灭，光敏晶体管截止，相当于开关断开。信号经背板总线接口传送给CPU模块。

交流输入模块的额定输入电压为AC 120 V或230 V。图2-24的电路用电阻限流，交流电流经桥式整流电路转换为直流电流。信号经光耦合器和背板总线接口传送给CPU模块。

图2-23 数字量输入模块电路

图2-24 数字量输入模块电路

直流输入电路的延迟时间较短，可以直接连接接近开关、光电开关等电子传感器。DC 24V是一种安全电压。如果信号线不是很长，PLC所处的物理环境较好，应考虑优先选用DC 24V的输入模块。交流输入方式适合于在有油雾、粉尘的恶劣环境下使用。

直流输入的DI模块可以直接连接两线式BERO接近开关，后者的输出信号为0状态时，其输出电流（空载电流）不为0。在选型时应保证两线式接近开关的空载电流小于输入模块允许的静态电流，否则将会产生错误的输入信号。

根据输入电流的流向，可以将输入电路分为源输入电路和漏输入电路。漏输入电路（见图2-23）的输入回路电流从模块的信号输入端流进来，从模块内部输入电路的公共点M流出去。PNP集电极开路输出的传感器应接到漏输入的DI模块。

在源输入电路的输入回路中，电流从模块的信号输入端流出去，从模块内部输入电路的公共点M流进来。NPN集电极开路输出的传感器应接到源输入的DI模块。

数字量模块的输入/输出电缆的最大长度为1000m（屏蔽电缆）或600m（非屏蔽电缆）。

2.DI模块的参数设置

输入/输出模块的参数在STEP 7的硬件组态工具中设置，保存和编译后，应将“系统数据”中的参数下载到CPU。从STOP模式转换为RUN模式时，CPU将参数传送到每个模块。

选中SIMATIC管理器中的S7-300站点，双击右边窗口中的“硬件”图标，进入HW Config界面。双击机架中的DI模块“DI16xDC 24V，Interrupt”，打开它的模块属性对话框，“常规”选项卡里有模块的基本信息。

单击“地址”选项卡中的“系统默认”复选框（见图2-25的左图），其中的“√”消失，“开始”文本框的背景由灰色变为白色，可以用它来修改模块的起始地址。建议采用STEP 7自动分配的模块地址，不要修改它们，但是在编程时必须使用组态时分配的地址。

图2-25 数字量输入模块的参数设置

在“输入”选项卡（见图2-25的右图），用鼠标单击复选框，可以设置是否启用诊断中断和硬件中断，复选框内出现钩表示启用中断。出现诊断事件时，CPU的操作系统将会调用诊断中断组织块OB82。

启用硬件中断后，可以用复选框在“硬件中断触发器”区设置上升沿中断、下降沿中断，或上升沿和下降沿均产生中断。出现硬件中断时，操作系统将调用硬件中断组织块（例如OB40）。

机械触点接通和断开时，由于触点的抖动，实际的波形如图2-26所示。这样的波形可能会影响程序的正常执行，例如扳动一次开关，触点的抖动使计数器多次计数。有的DI模块有数字滤波功能，以防止由于外接的机械触点抖动或外部干扰脉冲引起的错误的输入信号。

图2-26 波形图(www.xing528.com)

单击“输入延迟”选择框，在弹出的菜单中选择以ms为单位的用于整个模块的数字滤波的输入延迟时间。为了防止机械触点抖动的影响，延迟时间应设置为15或20ms。

3.数字量输出模块

SM 322数字量输出（DO）模块用于驱动电磁阀、接触器、小功率电动机、灯和电动机起动器等负载。DO模块将内部信号电平转化为控制过程所需的外部信号电平，同时有隔离和功率放大的作用。输出模块的功率放大元件有驱动直流负载的大功率晶体管和场效应晶体管、驱动交流负载的双向晶闸管或固态继电器，以及既可以驱动交流负载又可以驱动直流负载的小型继电器。输出电流的额定值为0.5～8A（与模块型号有关），负载电源由电源模块或外部现场提供。

图2-27是继电器输出电路，某一输出点Q为1状态时，梯形图中对应的线圈“通电”，通过背板总线接口和光耦合器，使模块中对应的微型继电器的线圈通电，其常开触点闭合，使外部负载工作。输出点为0状态时，梯形图中的线圈“断电”，微型继电器的线圈也断电，其常开触点断开。

图2-28是固态继电器（SSR）输出电路，虚线框内的光敏双向晶闸管和虚线框外的双向晶闸管等组成固态继电器。SSR的输入功耗低，输入信号电平与CPU内部的电平相同，同时又实现了隔离，并且有一定的带负载能力。梯形图中某一输出点Q为1状态时，其线圈“通电”，通过背板总线接口和光耦合器，使光敏晶闸管中的发光二极管点亮，光敏双向晶闸管导通，使另一个容量较大的双向晶闸管导通，模块外部的负载得电工作。图2-28中的RC电路用来抑制晶闸管的关断过电压和外部的浪涌电压。这类模块只能用于交流负载，其响应速度较快，工作寿命长。S7-300还有使用光耦合器作隔离器件的双向晶闸管DO模块。

图2-27 继电器输出模块电路

图2-28 固态继电器输出模块电路

双向晶闸管由关断变为导通的延迟时间小于1ms，由导通变为关断的最大延迟时间为10ms（工频半周期）。负载电流过小可能使晶闸管不能导通，可以在负载两端并联电阻。

图2-29是晶体管或场效应晶体管输出电路，只能驱动直流负载。输出信号经光耦合器送给输出元件，图中用一个带三角形符号的小方框表示输出元件。输出元件的饱和导通状态和截止状态相当于触点的接通和断开。

图2-29 晶体管或场效应管输出模块电路

继电器输出模块的负载电压范围宽，导通压降小，承受瞬时过电压和瞬时过电流的能力较强。但是动作速度较慢，寿命（动作次数）有一定的限制。如果负载的状态变化不是很频繁，建议优先选用继电器型输出模块。

固态继电器型输出模块只能用于交流负载，晶体管型、场效应晶体管型输出模块只能用于直流负载，它们的可靠性高，响应速度快，寿命长，但是过载能力稍差。在选择DO模块时，应注意负载电压的种类和大小、工作频率和负载的类型（电阻性、电感性负载或白炽灯）。除了每一点的输出电流外，还应注意每一组的最大输出电流。

4.数字量输入/输出模块

SM 323是S7-300的数字量输入/输出模块，有8点输入/8点输出和16点输入/16点输出两种。输入、输出的额定电压均为DC 24 V。SM 327有8点输入，此外还有8点可以独立组态为输入或输出。

5.DO模块的参数设置

双击机架中的4点DO模块，出现图2-30所示的属性对话框。用“输出”选项卡的“诊断中断”复选框设置是否启用诊断中断，在“诊断”区逐点设置是否诊断断线、无负载电压和对接地点短路的故障。低档的DO模块的属性对话框没有“输出”选项卡。

图2-30 数字量输出模块的参数设置

“对CPU STOP模式的响应”选择框用来选择CPU进入STOP模式时，模块各输出点的处理方式。如果选择“保持前一个有效的值”，CPU进入STOP模式后，模块将保持最后的输出值。如果选中“替换值”，CPU进入STOP模式后，可以使各输出点分别输出“0”或“1”。在对话框下面的“替换值”区的“替换值‘1’：”所在的行，为每个输出点设置替换值。复选框内的“√”表示CPU进入STOP后该点为1状态，反之为0状态。应按确保系统安全的原则来组态替换值。