吳繼彬，黃 偉

（1.江蘇沙鋼集團(tuán) 宏發(fā)煉鋼廠，江蘇 張家港 215600；2.鎮(zhèn)江高等專科學(xué)校 電子與信息工程系，江蘇 鎮(zhèn)江 212003）

可編程控制器（Programmable（Logical）Controller，簡(jiǎn)稱PC或PLC）是一種新型工業(yè)自動(dòng)化控制裝置。它是隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步與現(xiàn)代社會(huì)生產(chǎn)方式的轉(zhuǎn)變而發(fā)展起來(lái)的。PLC從1969年問(wèn)世以來(lái)發(fā)展迅猛。它具有通用靈活的控制性能，可以適應(yīng)各種復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境，入門簡(jiǎn)單且具有能夠承擔(dān)大規(guī)模系統(tǒng)控制的能力，通信方便，可以構(gòu)成各種網(wǎng)絡(luò)，在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域應(yīng)用廣泛［1］。PLC以微型計(jì)算機(jī)為核心，根據(jù)外部輸入信號(hào)形式的不同，可將PLC輸入模塊分為數(shù)字量輸入模塊和模擬量輸入模塊兩大類。目前，一般采用按鈕、行程開(kāi)關(guān)、接近開(kāi)關(guān)作等為PLC數(shù)字量輸入信號(hào)的元件。筆者以接近開(kāi)關(guān)為例進(jìn)行介紹。

接近開(kāi)關(guān)（proximity sensors）是一種具有數(shù)字量輸出與運(yùn)動(dòng)部件無(wú)接觸而能動(dòng)作的位置傳感器，亦稱無(wú)接觸開(kāi)關(guān)或無(wú)觸點(diǎn)行程開(kāi)關(guān)。具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、頻率響應(yīng)寬、重復(fù)精度高、無(wú)機(jī)械磨損、使用壽命長(zhǎng)、應(yīng)用廣泛等特點(diǎn)［2］。本文根據(jù)接近開(kāi)關(guān)的原理及特點(diǎn)，以NPN和PNP型接近開(kāi)關(guān)與三菱PLC數(shù)字量輸入模塊的連接為例，論述接近開(kāi)關(guān)與PLC數(shù)字量輸入模塊的連接方法及注意事項(xiàng)。

1 接近開(kāi)關(guān)類型

1.1 根據(jù)接近開(kāi)關(guān)工作原理分類

1.1.1 電感式接近開(kāi)關(guān)

1）原理。電感式接近開(kāi)關(guān)的感應(yīng)面為繞在鐵氧體磁芯上的線圈，它與內(nèi)部電路組成LC振蕩電路。接通電源后，在感應(yīng)面產(chǎn)生一個(gè)高頻交變電磁場(chǎng)，當(dāng)導(dǎo)電體或?qū)Т朋w材料靠近接近開(kāi)關(guān)感應(yīng)面時(shí)，進(jìn)入電磁場(chǎng)區(qū)，由于渦流效應(yīng)導(dǎo)致振蕩器振蕩能力衰減。通過(guò)信號(hào)處理裝置測(cè)量振蕩器的振蕩振幅，并轉(zhuǎn)化成一個(gè)開(kāi)關(guān)量信號(hào)輸出。

2）特點(diǎn)。只能用于金屬物體的檢測(cè)，具有無(wú)觸點(diǎn)、無(wú)機(jī)械磨損、可靠性高、開(kāi)關(guān)點(diǎn)準(zhǔn)確、工作壽命長(zhǎng)、多種開(kāi)關(guān)速度高等特點(diǎn)。

3）應(yīng)用場(chǎng)合。多用于金屬物體的定位、計(jì)數(shù)、掃描、旋轉(zhuǎn)和頻率測(cè)量等。

1.1.2 電容式接近開(kāi)關(guān)

1）原理。電容式接近開(kāi)關(guān)的感應(yīng)表面為電容的2個(gè)電極，它與高頻振蕩器的反饋回路相連。接通電源后，當(dāng)物體靠近接近開(kāi)關(guān)的感應(yīng)表面時(shí)，進(jìn)入電極區(qū)的電場(chǎng)，從而引起耦合電容增加，振蕩器工作。通過(guò)信號(hào)處理裝置測(cè)量振蕩器的振蕩振幅，并轉(zhuǎn)化成一個(gè)開(kāi)關(guān)量信號(hào)輸出。

2）特點(diǎn)。不僅能檢測(cè)金屬物體，也能檢測(cè)絕緣的液體或粉狀物體，具有無(wú)觸點(diǎn)、無(wú)機(jī)械磨損、可靠性高、開(kāi)關(guān)點(diǎn)準(zhǔn)確、工作壽命長(zhǎng)、檢測(cè)距離可調(diào)節(jié)等特點(diǎn)。

3）應(yīng)用場(chǎng)合。主要用于塑料或玻璃容器內(nèi)的液位控制、透明包裝材料的液位監(jiān)控、繞組線斷線信號(hào)檢測(cè)等。

1.2 根據(jù)接近開(kāi)關(guān)接線方式分類

1.2.1 二線制接近開(kāi)關(guān)

二線制接近開(kāi)關(guān)的2根線分別是信號(hào)線和電源線0V端。二線制接近開(kāi)關(guān)有2種輸出類型，即NPN型和PNP型。圖1是二線制NPN型接近開(kāi)關(guān)輸出簡(jiǎn)化電路，當(dāng)接近開(kāi)關(guān)處于檢測(cè)信號(hào)時(shí)，NPN型三極管飽和導(dǎo)通，信號(hào)輸出端和0V端相通，輸出接近0V的低電平信號(hào)。圖2是二線制PNP型接近開(kāi)關(guān)輸出簡(jiǎn)化電路，當(dāng)接近開(kāi)關(guān)處于檢測(cè)信號(hào)時(shí)，PNP型三極管飽和導(dǎo)通，輸出端與電源端正極相通，輸出接近+V的高電平信號(hào)［3-4］。二線制接近開(kāi)關(guān)安裝簡(jiǎn)單，接線方便，應(yīng)用比較廣泛，但有殘余電壓和漏電流大的缺點(diǎn)。

圖1 二線制NPN型接近開(kāi)關(guān)輸出簡(jiǎn)化電路

圖2 二線制PNP型接近開(kāi)關(guān)輸出簡(jiǎn)化電路

1.2.2 三線制接近開(kāi)關(guān)

三線制接近開(kāi)關(guān)的3根線分別是信號(hào)線、電源線+V端和0V端。三線制接近開(kāi)關(guān)有2種輸出類型，即NPN型和PNP型。圖3是三線制NPN型接近開(kāi)關(guān)輸出簡(jiǎn)化電路圖。NPN集電極開(kāi)路輸出端通過(guò)三極管和0V端連接，當(dāng)接近開(kāi)關(guān)處于檢測(cè)信號(hào)時(shí)，三極管飽和導(dǎo)通，輸出端和0V端相通，輸出接近0V的低電平信號(hào)。圖4是三線制PNP型接近開(kāi)關(guān)輸出簡(jiǎn)化電路圖。PNP集電極開(kāi)路輸出端通過(guò)三極管和+V端連接，當(dāng)接近開(kāi)關(guān)處于檢測(cè)信號(hào)時(shí)，三極管飽和導(dǎo)通，輸出端和+V相通，輸出接近+V的高電平信號(hào)。

圖3 三線制NPN型接近開(kāi)關(guān)輸出簡(jiǎn)化電路

圖4 三線制PNP型接近開(kāi)關(guān)輸出簡(jiǎn)化電路

1.2.3 四線制接近開(kāi)關(guān)

四線制接近開(kāi)關(guān)有2種情況。一是有雙NPN或雙PNP，甚至是NPN和PNP結(jié)合的四線制接近開(kāi)關(guān)。二是帶傳感器校驗(yàn)線的四線制接近開(kāi)關(guān)。圖5是NPN和PNP結(jié)合的四線制接近開(kāi)關(guān)輸出簡(jiǎn)化電路圖。它的2個(gè)輸出端中，一個(gè)為常開(kāi)，一個(gè)為常閉，供用戶根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要選擇。

圖5 NPN和PNP結(jié)合的四線制接近開(kāi)關(guān)輸出簡(jiǎn)化電路圖

2 PLC數(shù)字量輸入電路形式

PLC數(shù)字量輸入電路，根據(jù)外接電源類型可以分為直流輸入電路和交流輸入電路，如圖6所示。日式（如三菱）PLC和歐式（如西門子）PLC關(guān)于“漏輸入”和“源輸入”電路的劃分正好相反，筆者以日式三菱PLC為例進(jìn)行劃分［5］。

圖6 PLC數(shù)字量輸入電路的分類

2.1 直流輸入電路

一般PLC內(nèi)部都能提供DC24V電源，各個(gè)組件消耗的電流總和在供給電源的容量之內(nèi)，方能插接擴(kuò)展模塊。此外，剩余電源也可用作有限數(shù)量的傳感器或負(fù)載等方面的電源。若需要使用的傳感器數(shù)量較多，在內(nèi)部電源無(wú)法供給的情況下，可以使用外接電源供電。外部傳感器可使用PLC內(nèi)部電源容量的計(jì)算公式為［5］

式（1）中，I表示供給電源總?cè)萘?，I1表示一個(gè)輸入模塊所分電流，N1表示輸入模塊個(gè)數(shù)，I2表示一個(gè)輸出模塊所分電流，N2表示輸出模塊個(gè)數(shù)，I3表示剩余電源容量。

I3＞0時(shí)，剩余電源容量可以供有限數(shù)量的傳感器或負(fù)載用。I3＜0時(shí)，容量不夠，可以在中途使用擴(kuò)展單元。

2.1.1 漏型-共陽(yáng)極輸入電路

漏型輸入電路，電流從PLC輸入端流出，從公共端流入。如圖7所示，當(dāng)外部輸入開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，電流從PLC輸入端流出，從公共端流入，光敏三極管飽和導(dǎo)通，導(dǎo)通信號(hào)通過(guò)光電耦合器傳給CPU，則CPU認(rèn)為該路有信號(hào)輸入。反之，CPU認(rèn)為該路沒(méi)有信號(hào)輸入。因?yàn)槁┬洼斎腚娐犯鬏斎牖芈返墓饷羧龢O管陽(yáng)極都接在24V正極端，所以構(gòu)成漏型-共陽(yáng)極輸入電路。三菱PLC A系列的AX40/41/42/50/60及Q系列的QX40/41/42等數(shù)字量輸入模塊的輸入電路均屬于漏型-共陽(yáng)極輸入電路。

圖7 漏型-共陽(yáng)極輸入電路

2.1.2 源型-共陰極輸入電路

源型輸入電路，電流從PLC公共端流出，從輸入端流進(jìn)。如圖8所示，當(dāng)外部輸入開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，電流從PLC公共端流出，從輸入端流進(jìn)，光敏三極管飽和導(dǎo)通，導(dǎo)通信號(hào)通過(guò)光電耦合器傳給CPU，則CPU認(rèn)為該路有信號(hào)輸入。反之，CPU認(rèn)為該路沒(méi)有信號(hào)輸入。因?yàn)樵葱洼斎腚娐犯鬏斎牖芈返墓饷羧龢O管陰極都接在公共端，所以構(gòu)成源型-共陰極輸入電路。三菱PLC A系列的AX80/81/82及Q系列的QX80/81等數(shù)字量輸入模塊的輸入電路均屬于源型-共陰極輸入電路。

圖8 源型-共陰極輸入電路

2.1.3 混合型-共陰/共陽(yáng)極輸入電路

混合型輸入電路，同時(shí)具有漏輸入電路和源輸入電路的特點(diǎn)。如圖9所示，作為源輸入時(shí)，電流從公共端流出；作為漏輸入時(shí)，電流從公共端流進(jìn)。這樣，可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況選擇合適的接近開(kāi)關(guān)作為輸入信號(hào)來(lái)接線。三菱PLC A系列的AX50-S1/60-S1/70/71/81-S1，Q系列的QX70/71/72及FX3U系列等數(shù)字量輸入模塊的輸入電路均屬于混合型輸入電路。

圖9 混合型-共陰/共陽(yáng)輸入電路

2.2 交流輸入電路

交流輸入電路PLC的內(nèi)部是在直流輸入電路的基礎(chǔ)上增加一個(gè)整流環(huán)節(jié)。交流輸入電路的額定輸入電壓一般為AC 100～240V。如圖10所示，交流電先經(jīng)過(guò)RC濾波器，再經(jīng)過(guò)橋式整流電路變?yōu)橹绷麟?，其后工作原理和直流輸入電路一樣?］。

圖10 交流輸入電路

由于交流輸入電路中增加了濾波和整流2個(gè)環(huán)節(jié)，輸入信號(hào)的延遲時(shí)間比直流輸入電路的要長(zhǎng)，由于其輸入端是交流高電壓，因此輸入信號(hào)的可靠性比直流輸入電路高。

一般地，交流輸入電路用于環(huán)境惡劣、響應(yīng)性要求不高的場(chǎng)所，而直流輸入電路用于環(huán)境較好、響應(yīng)性要求高的場(chǎng)所［6］。

3 接近開(kāi)關(guān)和PLC數(shù)字量輸入模塊的連接

對(duì)于不同類型的PLC數(shù)字量輸入模塊，使用NPN輸入還是PNP輸入有時(shí)會(huì)感到無(wú)所適從。

3.1 NPN集電極開(kāi)路輸出和PLC數(shù)字量輸入模

塊的連接

由以上分析可知，NPN集電極開(kāi)路輸出0V，當(dāng)輸出端和PLC輸入端連接時(shí)，電流從PLC的公共端流入，輸入端流出。此為PLC的漏型-共陽(yáng)極輸入電路形式，即NPN集電極開(kāi)路輸出只能接漏型和混合式輸入電路形式的PLC，連接圖見(jiàn)圖11。

圖11 NPN集電極開(kāi)路輸出和PLC數(shù)字量輸入模塊的連接

3.2 PNP集電極開(kāi)路輸出和PLC數(shù)字量輸入模塊的連接

PNP集電極開(kāi)路輸出為+V高電平，當(dāng)輸出端和PLC輸入端相連時(shí)，電流從PLC的輸入端流入，公共端流出。此為PLC的源型-共陰極輸入電路形式，即PNP集電極開(kāi)路輸出只能接源型或混合型輸入電路形式的PLC，連接圖見(jiàn)圖12。

圖12 PNP集電極開(kāi)路輸出和PLC數(shù)字量輸入模塊的連接

4 結(jié)論

隨著自動(dòng)化水平的發(fā)展，接近開(kāi)關(guān)在PLC控制系統(tǒng)中的應(yīng)用日益廣泛。盡管PLC數(shù)字量輸入模塊內(nèi)部電路和外接接近開(kāi)關(guān)輸出信號(hào)存在多樣性，但在功能和應(yīng)用角度上是相通的。只有在接線前充分了解PLC數(shù)字量輸入模塊內(nèi)部電路的類型和外接接近開(kāi)關(guān)輸出信號(hào)的形式，才能確保PLC數(shù)字量輸入模塊接收接近開(kāi)關(guān)從現(xiàn)場(chǎng)傳回的準(zhǔn)確信號(hào)［6］，為后續(xù)的設(shè)備調(diào)試工作打下良好的基礎(chǔ)。

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