3.1 開關量輸入系統生產生活實例

3.1.1 機械產品計數

1.應用背景

工廠零件加工完成后，在裝箱之前需要計數，以統計生產工作量。除了現場采用專門的計數器外，有時還需要傳送到計算機中進行存儲記錄和報表統計等工作。

2.計數系統

圖3-1是對鋼球進行計數的工作示意圖，圖3-2是對鋼球計數的電路原理示意圖。

圖3-1 鋼球計數工作示意圖

圖3-1中對鋼球進行檢測采用霍爾開關傳感器（包括配套的磁鐵），它能感受到很小的磁場變化。當鋼球不在傳感器上方時，穿過霍爾傳感器霍爾元件的磁場較弱，輸出電壓較小，圖3-2電路中三極管基極電位較低，三極管處于截止狀態，N點處于高電平，計數器不計數。

當鋼球輸送到傳感器上方時，穿過傳感器霍爾元件的磁場變強，傳感器可輸出峰值20mV的脈沖電壓，該電壓經運算放大器A放大后，使電路中三極管基極電位升高，三極管導通，其集電極N點變為低電平，計數器開始計數，并由顯示器顯示檢測數值。同時三極管集電極低電平信號通過輸入模塊被送入計算機，計數程序進行計數。

圖3-2 鋼球計數電路原理示意圖

3.1.2 銀行防盜報警

1.應用背景

銀行、博物館等重要場所，安全保衛工作非常重要。為防止不法人員闖入，除了配備必要的保安人員外，還安裝有防盜報警系統。

當報警系統傳感器檢測到有人員闖入時，現場會出聲光報警信號，還會將報警信號傳到銀行或公安監控室的計算機中，及時發現警情進行處置。

2.報警系統

某銀行防盜報警系統主要由傳感器、檢測電路、輸入裝置、聲光報警器和計算機等部分組成，如圖3-3所示。

圖3-3 防盜報警系統

傳感器采用透射式紅外光電傳感器，需要配套的紅外光源。光源發出的紅外光人體肉眼看不到。光源和傳感器安裝在過道兩側，正常情況下無物體遮擋，光源發出的紅外光照射在傳感器接收元件上，檢測電路輸出高電平，聲光報警器和計算機不響應。

當有人闖入時，人體經過傳感器會遮擋紅外線，此時傳感器的接收元件沒有紅外線照射，檢測電路輸出低電平，現場的聲光報警器發出聲光報警信號，監控室計算機做出響應，產生報警信息，通知安保人員快速處置。

為了使報警系統更加安全可靠，會安裝多個紅外傳感器組成光幕，如圖3-4所示。

在機械加工中，為了保護沖壓機床操作人員安全，可以利用光幕組成檢測控制系統，如圖3-5所示。當機床工作時，操作人員手臂伸到危險部位，光幕中光線被遮擋，計算機控制機床停止沖壓工作。

圖3-4 光幕示意圖

圖3-5 沖壓機床光幕安全保護示意圖

3.1.3 自動感應門控制

1.應用背景

自動感應門是指門的開、關控制是通過感應方式實現的。它的特點是當有人或物體靠近時，門會自動打開。使用自動感應門除了方便人進出外，還可以節約空調能源、降低噪音、防風和防塵等。它廣泛用于銀行、大型商場、酒店及企事業單位等場所。

自動感應門按開門方式主要分為平移式和旋轉式，如圖3-6所示。

圖3-6 自動感應門產品圖

2.控制系統

某平移式自動感應門控制系統由計算機、傳感器、輸入裝置、輸出裝置、驅動電路、減速器、電動機和其他裝置組成，如圖3-7所示。

傳感器采用反射式紅外光電傳感器，它對物體存在進行反應，不管人員移動與否，只要處于傳感器的掃描范圍內，它都會產生觸點（開關）信號。

自動感應門的工作過程是：安裝在門上的反射式紅外光電傳感器的光源發射紅外線，當有人接近時，紅外線照射在人體并反射到傳感器的接收元件上，產生開門觸點信號，并經輸入裝置傳給計算機。計算機接收開關信號后進行判斷，通過輸出裝置發出控制信號驅動電動機正向運行，再通過執行裝置將門開啟；當人離開后由計算機做出判斷，通知電動機作反向運動，將門關閉。

自動感應門還設置了安全輔助裝置，當門正關閉時，安裝在門側的反射式紅外光電傳感器檢測到有人進出，則控制門停止關閉并打開，防止夾人。

圖3-7 自動感應門控制系統組成示意圖

3.1.4 駕考汽車壓線監測

1.應用背景

小型汽車駕照考試包括三個科目：科目一、科目二和科目三。

科目一是理論考試，考試分為兩個部分：第一部分主要考道路交通安全法律法規、交通信號和通行規則等最基本的知識，在學員接受場內駕駛技能培訓之前進行；第二部分主要考核安全文明駕駛要求、復雜條件下的安全駕駛知識及緊急情況下的臨危處置方法等，作為科目三的一個考試項目，放在路考后進行。

科目二是場地駕駛技能考試，包括倒車入庫、坡道定點停車和起步、側方停車、曲線行駛及直角轉彎等5項內容。

科目三是路考，主要是實際道路駕駛技能考試，還有科目一的第二部分考核。

學員在科目二的5項考試中，都要求不得壓碰庫位和車道的邊線，不得中途停止，保持連續運行的狀態。學員在考試中一旦車輪壓邊線或中途停下，就會判定為考試不通過。

科目二一般在車管所指定的考試場地進行，場地內設有監測中心，對學員操作及考試車輛行駛狀態進行全程自動化監測，并實時給出考試結果的判定。

2.監測系統

某小型汽車駕考科目二自動監測系統主要由傳感器、信息采集裝置、無線數傳模塊、觸摸屏（顯示器）、輸入/輸出裝置和計算機等部分組成，如圖3-8所示。

倒車入庫、坡道定點停車和起步、側方停車、曲線行駛及直角轉彎等5個考試項目的場地或車道邊線下均埋設了感應線圈或壓電電纜傳感器。

圖3-8 小型汽車駕考科目二自動監測系統組成框圖

當汽車壓上邊線，傳感器感受到壓力變化產生高電平（開關）信號，信息采集裝置獲得該信號，經過處理后通過安裝在考試汽車上的無線數傳模塊傳送到監測中心，再由無線數傳模塊接收壓線信號，并經輸入裝置送入計算機。

計算機獲得汽車壓線信號后給出考試成績判定，考核信息通過輸出裝置和無線數傳模塊傳送到考試汽車駕駛室的觸摸屏（顯示器），顯示“汽車壓線，考試不通過！”信息，并通過語音告知駕考學員。

圖3-9是科目二直角轉彎和倒車入庫考試示意圖。

圖3-9 小型汽車駕考科目二考試示意圖

3.1.5 開關量輸入系統總結

1.開關量信號

開關量信號又稱為數字量信號，是指在有限的離散瞬時上取值間斷的信號，只有兩種狀態，相對于開和關一樣，可用“0”和“1”表達。

在二進制系統中，數字信號是由有限字長的數字組成，其中每位數字不是“0”就是“1”。數字信號的特點是，它只代表某個瞬時的量值，是不連續的信號。

開關量信號反映了生產過程、設備運行的現行狀態，又稱為狀態量。例如：行程開關可以指示出某個部件是否到達規定的位置，如果已經到位，則行程開關接通，并向工控機系統輸入1個開關量信號；又如工控機系統欲輸出報警信號，則可以輸出1個開關量信號，通過繼電器或接觸器驅動報警設備，發出聲光報警。如果開關量信號的幅值為TTL/CMOS電平，有時又將一組開關量信號稱之為數字量信號。

有許多的現場設備往往只對應于兩種狀態，開關信號的處理主要是監測開關器件的狀態變化。例如，按鈕、行程開關的閉合和斷開，馬達、電動機的起動和停止，指示燈的亮和滅，繼電器或接觸器的釋放和吸合，晶閘管的通和斷，閥門的打開和關閉等，可以用開關輸出信號去控制或者對開關量輸入信號進行檢測。

開關（數字）量輸入有觸點輸入和電平輸入兩種方式；開關（數字）量輸出信號也有觸點輸出和電平輸出兩種方式。一般把觸點輸入/輸出信號稱為開關信號，把電平/輸出輸入信號稱為數字信號。它們的共同點是都可以用“0”和“1”表達。

電平有“高”和“低”之分，對于具體設備的狀態和計算機的邏輯值可以事先約定，即電平“高”為“1”，電平“低”為“0”，或者相反。

觸點又有常開和常閉之分，其邏輯關系正好相反，猶如數字電路中的正邏輯和負邏輯。工控機系統實際上是按電平進行邏輯運算和處理的，因此工控機系統必須為輸入觸點提供電源，將觸點輸入轉換為電平輸入。

對于開關量輸出信號，可以分為兩種形式：一種是電壓輸出，另一種是繼電器輸出。電壓輸出一般是通過晶體管的通斷來直接對外部提供電壓信號，繼電器輸出則是通過繼電器觸點的通斷來提供信號。電壓輸出方式的速度比較快且外部接線簡單，但帶負載能力弱；繼電器輸出方式則與之相反。對于電壓輸出，又可分為直流電壓和交流電壓，相應的電壓幅值可以有5V、12V、24V和48V等。

2.開關量輸入系統

上述實例中，有一個共同點，即鋼球計數、防盜報警、感應自動門及駕考汽車壓線等檢測系統中，傳感器檢測信號經過檢測電路變換輸出的都是開關（數字）量信號，通過開關量輸入裝置送入計算機進行處理。上述實例的開關量的檢測系統都可以用圖3-10來表示。

圖3-10 開關量檢測系統組成框圖

計算機完成開關信號的采集、處理和顯示需要通過程序來實現。

下面的實訓中，分別采用PLC、數據采集卡和遠程I/O模塊作為開關量輸入裝置，使用MCGS組態軟件編寫計算機端程序以實現開關量的采集和處理。