3.1 开关量输入系统生产生活实例
3.1.1 机械产品计数
1.应用背景
工厂零件加工完成后，在装箱之前需要计数，以统计生产工作量。除了现场采用专门的计数器外，有时还需要传送到计算机中进行存储记录和报表统计等工作。
2.计数系统
图3-1是对钢球进行计数的工作示意图，图3-2是对钢球计数的电路原理示意图。
图3-1 钢球计数工作示意图
图3-1中对钢球进行检测采用霍尔开关传感器（包括配套的磁铁），它能感受到很小的磁场变化。当钢球不在传感器上方时，穿过霍尔传感器霍尔元件的磁场较弱，输出电压较小，图3-2电路中三极管基极电位较低，三极管处于截止状态，N点处于高电平，计数器不计数。
当钢球输送到传感器上方时，穿过传感器霍尔元件的磁场变强，传感器可输出峰值20mV的脉冲电压，该电压经运算放大器A放大后，使电路中三极管基极电位升高，三极管导通，其集电极N点变为低电平，计数器开始计数，并由显示器显示检测数值。同时三极管集电极低电平信号通过输入模块被送入计算机，计数程序进行计数。
图3-2 钢球计数电路原理示意图
3.1.2 银行防盗报警
1.应用背景
银行、博物馆等重要场所，安全保卫工作非常重要。为防止不法人员闯入，除了配备必要的保安人员外，还安装有防盗报警系统。
当报警系统传感器检测到有人员闯入时，现场会出声光报警信号，还会将报警信号传到银行或公安监控室的计算机中，及时发现警情进行处置。
2.报警系统
某银行防盗报警系统主要由传感器、检测电路、输入装置、声光报警器和计算机等部分组成，如图3-3所示。
图3-3 防盗报警系统
传感器采用透射式红外光电传感器，需要配套的红外光源。光源发出的红外光人体肉眼看不到。光源和传感器安装在过道两侧，正常情况下无物体遮挡，光源发出的红外光照射在传感器接收元件上，检测电路输出高电平，声光报警器和计算机不响应。
当有人闯入时，人体经过传感器会遮挡红外线，此时传感器的接收元件没有红外线照射，检测电路输出低电平，现场的声光报警器发出声光报警信号，监控室计算机做出响应，产生报警信息，通知安保人员快速处置。
为了使报警系统更加安全可靠，会安装多个红外传感器组成光幕，如图3-4所示。
在机械加工中，为了保护冲压机床操作人员安全，可以利用光幕组成检测控制系统，如图3-5所示。当机床工作时，操作人员手臂伸到危险部位，光幕中光线被遮挡，计算机控制机床停止冲压工作。
图3-4 光幕示意图
图3-5 冲压机床光幕安全保护示意图
3.1.3 自动感应门控制
1.应用背景
自动感应门是指门的开、关控制是通过感应方式实现的。它的特点是当有人或物体靠近时，门会自动打开。使用自动感应门除了方便人进出外，还可以节约空调能源、降低噪音、防风和防尘等。它广泛用于银行、大型商场、酒店及企事业单位等场所。
自动感应门按开门方式主要分为平移式和旋转式，如图3-6所示。
图3-6 自动感应门产品图
2.控制系统
某平移式自动感应门控制系统由计算机、传感器、输入装置、输出装置、驱动电路、减速器、电动机和其他装置组成，如图3-7所示。
传感器采用反射式红外光电传感器，它对物体存在进行反应，不管人员移动与否，只要处于传感器的扫描范围内，它都会产生触点（开关）信号。
自动感应门的工作过程是：安装在门上的反射式红外光电传感器的光源发射红外线，当有人接近时，红外线照射在人体并反射到传感器的接收元件上，产生开门触点信号，并经输入装置传给计算机。计算机接收开关信号后进行判断，通过输出装置发出控制信号驱动电动机正向运行，再通过执行装置将门开启；当人离开后由计算机做出判断，通知电动机作反向运动，将门关闭。
自动感应门还设置了安全辅助装置，当门正关闭时，安装在门侧的反射式红外光电传感器检测到有人进出，则控制门停止关闭并打开，防止夹人。
图3-7 自动感应门控制系统组成示意图
3.1.4 驾考汽车压线监测
1.应用背景
小型汽车驾照考试包括三个科目：科目一、科目二和科目三。
科目一是理论考试，考试分为两个部分：第一部分主要考道路交通安全法律法规、交通信号和通行规则等最基本的知识，在学员接受场内驾驶技能培训之前进行；第二部分主要考核安全文明驾驶要求、复杂条件下的安全驾驶知识及紧急情况下的临危处置方法等，作为科目三的一个考试项目，放在路考后进行。
科目二是场地驾驶技能考试，包括倒车入库、坡道定点停车和起步、侧方停车、曲线行驶及直角转弯等5项内容。
科目三是路考，主要是实际道路驾驶技能考试，还有科目一的第二部分考核。
学员在科目二的5项考试中，都要求不得压碰库位和车道的边线，不得中途停止，保持连续运行的状态。学员在考试中一旦车轮压边线或中途停下，就会判定为考试不通过。
科目二一般在车管所指定的考试场地进行，场地内设有监测中心，对学员操作及考试车辆行驶状态进行全程自动化监测，并实时给出考试结果的判定。
2.监测系统
某小型汽车驾考科目二自动监测系统主要由传感器、信息采集装置、无线数传模块、触摸屏（显示器）、输入/输出装置和计算机等部分组成，如图3-8所示。
倒车入库、坡道定点停车和起步、侧方停车、曲线行驶及直角转弯等5个考试项目的场地或车道边线下均埋设了感应线圈或压电电缆传感器。
图3-8 小型汽车驾考科目二自动监测系统组成框图
当汽车压上边线，传感器感受到压力变化产生高电平（开关）信号，信息采集装置获得该信号，经过处理后通过安装在考试汽车上的无线数传模块传送到监测中心，再由无线数传模块接收压线信号，并经输入装置送入计算机。
计算机获得汽车压线信号后给出考试成绩判定，考核信息通过输出装置和无线数传模块传送到考试汽车驾驶室的触摸屏（显示器），显示“汽车压线，考试不通过！”信息，并通过语音告知驾考学员。
图3-9是科目二直角转弯和倒车入库考试示意图。
图3-9 小型汽车驾考科目二考试示意图
3.1.5 开关量输入系统总结
1.开关量信号
开关量信号又称为数字量信号，是指在有限的离散瞬时上取值间断的信号，只有两种状态，相对于开和关一样，可用“0”和“1”表达。
在二进制系统中，数字信号是由有限字长的数字组成，其中每位数字不是“0”就是“1”。数字信号的特点是，它只代表某个瞬时的量值，是不连续的信号。
开关量信号反映了生产过程、设备运行的现行状态，又称为状态量。例如：行程开关可以指示出某个部件是否到达规定的位置，如果已经到位，则行程开关接通，并向工控机系统输入1个开关量信号；又如工控机系统欲输出报警信号，则可以输出1个开关量信号，通过继电器或接触器驱动报警设备，发出声光报警。如果开关量信号的幅值为TTL/CMOS电平，有时又将一组开关量信号称之为数字量信号。
有许多的现场设备往往只对应于两种状态，开关信号的处理主要是监测开关器件的状态变化。例如，按钮、行程开关的闭合和断开，马达、电动机的起动和停止，指示灯的亮和灭，继电器或接触器的释放和吸合，晶闸管的通和断，阀门的打开和关闭等，可以用开关输出信号去控制或者对开关量输入信号进行检测。
开关（数字）量输入有触点输入和电平输入两种方式；开关（数字）量输出信号也有触点输出和电平输出两种方式。一般把触点输入/输出信号称为开关信号，把电平/输出输入信号称为数字信号。它们的共同点是都可以用“0”和“1”表达。
电平有“高”和“低”之分，对于具体设备的状态和计算机的逻辑值可以事先约定，即电平“高”为“1”，电平“低”为“0”，或者相反。
触点又有常开和常闭之分，其逻辑关系正好相反，犹如数字电路中的正逻辑和负逻辑。工控机系统实际上是按电平进行逻辑运算和处理的，因此工控机系统必须为输入触点提供电源，将触点输入转换为电平输入。
对于开关量输出信号，可以分为两种形式：一种是电压输出，另一种是继电器输出。电压输出一般是通过晶体管的通断来直接对外部提供电压信号，继电器输出则是通过继电器触点的通断来提供信号。电压输出方式的速度比较快且外部接线简单，但带负载能力弱；继电器输出方式则与之相反。对于电压输出，又可分为直流电压和交流电压，相应的电压幅值可以有5V、12V、24V和48V等。
2.开关量输入系统
上述实例中，有一个共同点，即钢球计数、防盗报警、感应自动门及驾考汽车压线等检测系统中，传感器检测信号经过检测电路变换输出的都是开关（数字）量信号，通过开关量输入装置送入计算机进行处理。上述实例的开关量的检测系统都可以用图3-10来表示。
图3-10 开关量检测系统组成框图
计算机完成开关信号的采集、处理和显示需要通过程序来实现。
下面的实训中，分别采用PLC、数据采集卡和远程I/O模块作为开关量输入装置，使用MCGS组态软件编写计算机端程序以实现开关量的采集和处理。