段軍剛，羅德虎

（河南工程學(xué)院，河南 鄭州 450000）

接近開關(guān)常用于PLC控制系統(tǒng)中，其工作原理是與機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件之間通過運(yùn)動(dòng)距離的無限接近同時(shí)觸發(fā)操作的開關(guān)。當(dāng)機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件之間達(dá)到無機(jī)械接觸位置時(shí)可以通過產(chǎn)生信號(hào)，對(duì)控制系統(tǒng)下達(dá)連動(dòng)操作指令。接近開關(guān)無觸點(diǎn)而觸發(fā)控制信號(hào)的裝置特點(diǎn)等同于位移傳感器工作原理，機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件的移近和位移傳感器達(dá)到感知的距離即檢出距離，因此PLC控制系統(tǒng)多應(yīng)用接近開關(guān)來達(dá)到數(shù)字化自動(dòng)控制的目的。接近開關(guān)應(yīng)用PLC控制系統(tǒng)中最大的優(yōu)點(diǎn)是通過無觸點(diǎn)接觸測(cè)量以適應(yīng)各種不同類型的控制系統(tǒng)并且完成使命，對(duì)于不同領(lǐng)域的應(yīng)用項(xiàng)目需求而言是極其高效的運(yùn)用類型。

1 接近開關(guān)類型概述

1.1 電感式接近開關(guān)概述

電感式接近開關(guān)亦稱渦流式接近開關(guān)，其工作原理是利用導(dǎo)電物體作為機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件的被測(cè)物體，通常是金屬導(dǎo)體，而開關(guān)本身是有振蕩電路線圈的位置傳感器，金屬導(dǎo)體機(jī)械運(yùn)動(dòng)接近信號(hào)傳感器時(shí)，信號(hào)傳感器上的LC高頻振蕩器上的感應(yīng)頭中產(chǎn)生高頻交流磁場(chǎng)，高頻交流磁場(chǎng)再經(jīng)過傳感器的感應(yīng)面釋放出輸出磁場(chǎng)，從而使金屬導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生渦流，渦流反作用于接近開關(guān)中的開關(guān)放大器導(dǎo)致內(nèi)部電路參數(shù)產(chǎn)生衰減變動(dòng)，信號(hào)觸發(fā)器則負(fù)責(zé)探測(cè)電路參數(shù)的衰減現(xiàn)象，以確定金屬導(dǎo)體接近距離并及時(shí)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，由電信號(hào)控制開關(guān)的啟閉活動(dòng)。由于電感式接近開關(guān)對(duì)金屬導(dǎo)體檢測(cè)的特征，因此當(dāng)前PLC控制系統(tǒng)中電感式接近開關(guān)常用于工作狀態(tài)處于干燥環(huán)境下的工業(yè)控制領(lǐng)域。

1.2 電容式接近開關(guān)概述

電容式接近開關(guān)工作原理是利用構(gòu)成電容器的極板作為信號(hào)傳感器的測(cè)量頭，而機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件則起到另一個(gè)極板的作用，當(dāng)兩個(gè)極板相互接近時(shí)，測(cè)量頭上的等效電容會(huì)發(fā)生變化，從而使二者的介電常數(shù)發(fā)生變化，該常數(shù)變化會(huì)被信號(hào)觸發(fā)器所探測(cè)，信號(hào)探測(cè)器產(chǎn)生并發(fā)送電信號(hào)控制開關(guān)的啟閉活動(dòng)。由于電容極板的材料并不限于金屬導(dǎo)體，所以電容式接近開關(guān)可以應(yīng)用除金屬導(dǎo)體以外的絕緣體或液體、粉狀物體等作為機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件的被測(cè)物體，而且在檢測(cè)介電常數(shù)方面信號(hào)觸發(fā)器具有更高的靈敏度，一般都通過對(duì)多圈電位器的調(diào)節(jié)可以對(duì)電容式接近開關(guān)的靈敏度進(jìn)行調(diào)整，所以當(dāng)前PLC控制系統(tǒng)中常用于對(duì)靜電、粉塵現(xiàn)象較為敏感的工業(yè)控制領(lǐng)域。

1.3 霍爾接近開關(guān)概述

霍爾接近開關(guān)屬于一種磁性接近開關(guān)，其工作原理是利用霍爾效應(yīng)原理而設(shè)計(jì)的一種有源磁/電轉(zhuǎn)換器件，其內(nèi)部開關(guān)部分設(shè)置磁鋼，輸入端設(shè)置磁感應(yīng)器，當(dāng)磁感應(yīng)達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)會(huì)在磁力作用下使觸發(fā)器發(fā)生翻轉(zhuǎn)，例如磁性物件移近檢測(cè)面上的磁鋼，磁鋼發(fā)生霍爾效應(yīng)，改變接近開關(guān)的輸出電平狀態(tài)，從而使內(nèi)部電路狀態(tài)發(fā)生改變，磁輸入信號(hào)通過輸出端的晶體管轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。霍爾接近開關(guān)的感應(yīng)距離與所選磁鋼有較強(qiáng)關(guān)系，因此具有較高的響應(yīng)頻率，具有無觸電、低功耗、長(zhǎng)使用壽命、響應(yīng)頻率高等特點(diǎn)，其內(nèi)部為分子化合物集成封裝成一體化結(jié)構(gòu)，具有較強(qiáng)的耐腐蝕性，適應(yīng)相對(duì)惡劣的工作環(huán)境，例如高溫高壓、連續(xù)工作狀態(tài)等。但其機(jī)械運(yùn)動(dòng)檢測(cè)對(duì)象必須具有磁性，因此外部磁場(chǎng)對(duì)于霍爾接近開關(guān)的敏感性也有較強(qiáng)的影響。

2 PLC控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介與發(fā)展?fàn)顩r概述

2.1 PLC控制系統(tǒng)概述

PLC控制系統(tǒng)當(dāng)前比較普遍的定義是“數(shù)字化運(yùn)作電子系統(tǒng)”，是信息化技術(shù)在電子控制系統(tǒng)中的應(yīng)用與技術(shù)進(jìn)步。PLC控制系統(tǒng)采用信息化存儲(chǔ)器進(jìn)行程序的編制與運(yùn)營管理，在當(dāng)前還擴(kuò)展了大數(shù)據(jù)和機(jī)器學(xué)習(xí)方法，能夠做到定時(shí)控制、采集信息、發(fā)出指令、模擬過程、模塊化技術(shù)等自動(dòng)化操作過程，由于PLC控制系統(tǒng)關(guān)聯(lián)到工業(yè)生產(chǎn)中的諸多控制器，對(duì)于提高工業(yè)生產(chǎn)方面的效率幫助非常之大，比傳統(tǒng)的電子化控制系統(tǒng)更為方便快捷、通用性好、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、抗干擾性能優(yōu)良，具有較強(qiáng)的搭載能力和可塑性。當(dāng)前PLC控制系統(tǒng)的核心是CPU、可視化顯示屏、電源、內(nèi)存條塊等計(jì)算機(jī)數(shù)字設(shè)備，這些計(jì)算機(jī)設(shè)備具有可編程解碼功能，并可作為計(jì)算機(jī)終端進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，使工業(yè)控制系統(tǒng)從繼電器為主的電子時(shí)代跨越到編碼程序?yàn)橹鞯臄?shù)控時(shí)代。

2.2 PLC控制系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r

PLC控制系統(tǒng)的發(fā)展是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與信息化網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展而穩(wěn)步前進(jìn)的，歐美國家由于計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)起步較早，因此也較早發(fā)明了PLC控制系統(tǒng)很并應(yīng)用于被工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，逐步擴(kuò)大了控制系統(tǒng)市場(chǎng)份額并代替了繼電器控制系統(tǒng)，基本上實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)的更新?lián)Q代，目前較為著名的生產(chǎn)商有以色列的MANET公司、德國MVV公司、德國西門子公司、美國lntelogis公司、瑞典的CJInternational公司等。隨著進(jìn)入20世紀(jì)微電子工業(yè)的快速進(jìn)步，PLC控制系統(tǒng)能夠搭載運(yùn)算更為快速的專用芯片，PLC控制系統(tǒng)產(chǎn)品的更新迭代速度進(jìn)一步提高，其需求量越來越大，尤其是在微電子行業(yè)中起到了提高生產(chǎn)效率、降低故障率的重要作用，被譽(yù)為從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)協(xié)調(diào)一體化的現(xiàn)代化控制系統(tǒng)。在當(dāng)前PLC控制系統(tǒng)呈現(xiàn)進(jìn)一步數(shù)字化趨勢(shì)，通過搭載物聯(lián)化的終端控制元件使得整個(gè)系統(tǒng)的效率進(jìn)一步提升，在自動(dòng)化、智能化方面對(duì)電子行業(yè)和信息行業(yè)的融合使PLC控制系統(tǒng)一定程度上代表了工業(yè)數(shù)控技術(shù)的發(fā)展方向。當(dāng)前我國和國際上都加緊了對(duì)PLC控制系統(tǒng)方面的技術(shù)研究與競(jìng)爭(zhēng)，并將PLC控制系統(tǒng)與接近開關(guān)進(jìn)一步設(shè)計(jì)為相對(duì)完整的現(xiàn)代化系統(tǒng)設(shè)備，但與主要發(fā)達(dá)國家相比，我國PLC控制系統(tǒng)起步較晚，研究與生產(chǎn)周期相對(duì)較短，產(chǎn)品還不夠完善。

2.3 影響PLC控制系統(tǒng)可靠性的因素

PLC控制系統(tǒng)的智能化設(shè)備一般由中央處理器（CPU）、主機(jī)箱、擴(kuò)展機(jī)箱、帶有通信協(xié)議的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)、外部網(wǎng)關(guān)設(shè)備等組成部分，電子化設(shè)備由開關(guān)、接觸器、繼電器、安全保護(hù)、信號(hào)線、保護(hù)線等構(gòu)成，可見智能化設(shè)備與電子化設(shè)備共通構(gòu)成了PLC控制系統(tǒng)的統(tǒng)一整體，兩個(gè)大類的設(shè)備相互協(xié)調(diào)與架構(gòu)系統(tǒng)工作。與傳統(tǒng)的電子繼電器控制系統(tǒng)相比，根據(jù)數(shù)據(jù)表明，PLC控制系統(tǒng)的故障率要比電子繼電器控制系統(tǒng)低3%~5%，具有更高的安全行、可靠性，其中系統(tǒng)性故障僅為7%，生產(chǎn)設(shè)備部分故障占93%，可見PLC控制系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵因素在于對(duì)智能化設(shè)備的輸入和輸出部分進(jìn)行考察和評(píng)估。接近開關(guān)是主要的輸入和輸出部分，因此其質(zhì)量和靈敏度對(duì)PLC控制系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)具有重要意義，有利于控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本加，提高系統(tǒng)運(yùn)行可靠性、降低系統(tǒng)維護(hù)和運(yùn)行費(fèi)用。

3 接近開關(guān)在項(xiàng)目中的應(yīng)用

3.1 接近開關(guān)在PLC應(yīng)用開關(guān)量控制中的運(yùn)用

PLC控制系統(tǒng)中對(duì)開關(guān)量的控制很大程度上影響了系統(tǒng)的可靠性，其對(duì)接近開關(guān)的控制能力基于繼電器控制系統(tǒng)動(dòng)作而進(jìn)行革新，通過CPU進(jìn)行集中控制并將順序控制器公式植入程序編制，因此其系統(tǒng)設(shè)計(jì)兼具了信息科學(xué)的規(guī)范性，通過信息采集及反饋能夠理想地達(dá)到應(yīng)用開關(guān)量控制接近開關(guān)從而完成智能啟閉。例如在大型廣告屏的日常運(yùn)營方面應(yīng)用PLC應(yīng)用開關(guān)量控制對(duì)一個(gè)雄鷹展翅的畫面與實(shí)務(wù)模型進(jìn)行同步操作，只需要對(duì)應(yīng)用軟件中的雄鷹建模翅膀進(jìn)行“開”和“收”的信號(hào)采集、鏡頭切換與監(jiān)控既可，軟件模型與電腦屏幕上的圖案信息同步，可利用定時(shí)軟件或視頻軟件進(jìn)行雄鷹翅膀的開與收作一信號(hào)采集，采集后的信號(hào)自動(dòng)上傳到西門子公司生產(chǎn)的s7-200PLC控制系統(tǒng)中處理。同時(shí)可以在雄鷹模型的翅膀上通過設(shè)計(jì)開收點(diǎn)位，將兩個(gè)工作電壓為24 V，輸出額定電流為300 mA、中間繼電器額定電流為40 mA的NPN型常開電感式接近開關(guān)安裝好并將兩個(gè)繼電器的常開輔助觸點(diǎn)中的接近開關(guān)接入PLC控制系統(tǒng)，調(diào)試好感測(cè)距離，當(dāng)分別接近輸入端口時(shí)，控制信號(hào)產(chǎn)生，中間繼電器線圈得電，常開輔助觸點(diǎn)閉合，雄鷹模型的展翅活動(dòng)與計(jì)算機(jī)軟件顯示同步一致。

3.2 接近開關(guān)在PLC位置控制中的運(yùn)用

位置控制常見于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制作業(yè)當(dāng)中，因此在PLC控制系統(tǒng)中屬于較為廣泛的一種應(yīng)用方式。其初步設(shè)計(jì)為向電機(jī)繞組發(fā)出脈沖來確定步進(jìn)電機(jī)的位移情況，根據(jù)位移情況搭載接近開關(guān)以實(shí)現(xiàn)位置控制。實(shí)際應(yīng)用時(shí)可靈活運(yùn)用信號(hào)燈、繼電器線圈、數(shù)字量輸入模塊等作為負(fù)載。以電容式接近開關(guān)接負(fù)載方法為例，例如一只NPN型接近開關(guān)在其負(fù)載端要接黑或白色信號(hào)線，反向端接電源正極以防止NPN型接近開關(guān)輸出信號(hào)電平過低，防止出現(xiàn)信號(hào)感應(yīng)器敏感度不足導(dǎo)致無法啟閉。同理PNP型接近開關(guān)則要將負(fù)載端與電源負(fù)極相連，防止負(fù)載兩端出現(xiàn)壓降導(dǎo)致輸出信號(hào)不能生成與正常發(fā)出。

3.3 接近開關(guān)在PLC模擬量控制中的運(yùn)用

PLC控制系統(tǒng)中的是模擬量控制模塊的主要工作原理是基于控制對(duì)象特征，通過已經(jīng)編寫的邏輯程序控制系統(tǒng)功能執(zhí)行模塊指令，能夠?qū)崿F(xiàn)敏捷、精準(zhǔn)的批量化系統(tǒng)控制，應(yīng)用選型合適的接近開關(guān)能夠提高整體系統(tǒng)的抗干擾能力、為控制設(shè)計(jì)與維護(hù)提供非常大的方便。例如某電子設(shè)備生產(chǎn)項(xiàng)目的PLC控制系統(tǒng)中選取敏感性較高的光電模塊，由于室內(nèi)具有一定的溫度條件，使的光電式接近開關(guān)在-5~+55 ℃環(huán)境溫度中保持動(dòng)作敏捷性與穩(wěn)定性，系統(tǒng)數(shù)字量輸入接口設(shè)置光電耦合器，采用單端共點(diǎn)設(shè)計(jì)，公共輸入端電源流從輸入模塊流出進(jìn)入正極共點(diǎn)，從負(fù)極共點(diǎn)流出。

3.4 接近開關(guān)在PLC電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速控制中的運(yùn)用

在以電機(jī)驅(qū)動(dòng)為主的工業(yè)生產(chǎn)實(shí)務(wù)當(dāng)中，PLC控制系統(tǒng)中通過變頻器對(duì)電機(jī)的工作黃臺(tái)進(jìn)行控制，包括運(yùn)轉(zhuǎn)、提速、限速等命令通過向變頻器中加入電壓平滑電路而實(shí)現(xiàn)。在加入電壓平滑電路后，還可以對(duì)PWM指令里的T數(shù)值進(jìn)行設(shè)置從而對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，這時(shí)接近開關(guān)主要通過接受輸出電壓文波而對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整，從而控制脈沖周期的大小。例如電容式接近開關(guān)在PLC控制系統(tǒng)中主要通過自動(dòng)調(diào)節(jié)T數(shù)值與脈沖周期的正比例關(guān)系進(jìn)行動(dòng)作，當(dāng)前我國已經(jīng)開始在數(shù)字化設(shè)備中應(yīng)用自動(dòng)控制設(shè)備進(jìn)行電機(jī)工作數(shù)據(jù)的自動(dòng)收集與信息反饋，在中央集中控制系統(tǒng)對(duì)電機(jī)的工作狀態(tài)分析基礎(chǔ)上對(duì)電機(jī)工作效率進(jìn)行調(diào)節(jié)，在T數(shù)值或脈沖周期維持較高水平時(shí)對(duì)電容式接觸開關(guān)發(fā)出指令，通過啟閉動(dòng)作下調(diào)電機(jī)轉(zhuǎn)速，反之則進(jìn)行上調(diào)。除此之外，我國一些知名自動(dòng)化公司還對(duì)DCS系統(tǒng)進(jìn)行了產(chǎn)品設(shè)計(jì)與技術(shù)研發(fā)，進(jìn)一步加強(qiáng)了電容式接近開關(guān)的應(yīng)用率，使得電容式接近開關(guān)的市場(chǎng)占有率有了趕超電感式接近開關(guān)的趨勢(shì)。

3.5 接近開關(guān)在PLC系統(tǒng)集中控制中的運(yùn)用

PLC控制系統(tǒng)中除了能夠?qū)I(yè)生產(chǎn)過程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制意外，其內(nèi)部也有設(shè)置系統(tǒng)集中控制模塊，可以對(duì)自身系統(tǒng)進(jìn)行控制，例如工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)功能、組件故障預(yù)警功能、設(shè)備狀態(tài)顯示功能，等等。PLC系統(tǒng)集中控制可以通過限時(shí)檢測(cè)、邏輯錯(cuò)誤檢測(cè)等工作方法搭載接近開關(guān)以完成系統(tǒng)監(jiān)控動(dòng)作，一般采用敏感性較高的光電式接近開關(guān)，系統(tǒng)控制器可以對(duì)機(jī)床設(shè)備的執(zhí)工序行進(jìn)行時(shí)間設(shè)定，并根據(jù)定時(shí)器做出自動(dòng)啟閉動(dòng)作，除此之外，當(dāng)系統(tǒng)在檢測(cè)環(huán)節(jié)中當(dāng)發(fā)現(xiàn)了設(shè)備運(yùn)行故障后，定時(shí)器也可以將其輸出信號(hào)用作于啟動(dòng)報(bào)警信號(hào)以及自動(dòng)停機(jī)信號(hào)回饋給集中控制系統(tǒng)，由集中控制系統(tǒng)進(jìn)行分析并組織動(dòng)作。

4 結(jié)束語

通過對(duì)常見的接近開關(guān)類型與工作原理進(jìn)行闡述，并對(duì)PLC控制系統(tǒng)的發(fā)展史及影響因素進(jìn)行了分析，以實(shí)際項(xiàng)目在PLC控制系統(tǒng)中搭載接近開關(guān)并對(duì)其輸入、輸出、負(fù)載情況進(jìn)行分析及說明，揭示了合理的負(fù)載連接方法及接近開關(guān)選型的重要性。綜上所述，接近開關(guān)在PLC控制系統(tǒng)中的應(yīng)用范圍十分廣泛，廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)控制系統(tǒng)，在民用設(shè)備設(shè)施的應(yīng)用中也有著十分重要的地位，例如自動(dòng)門、旋轉(zhuǎn)門、開閉所、制冷設(shè)備等自動(dòng)及半自動(dòng)控制設(shè)備及場(chǎng)所的貢獻(xiàn)都十分突出，需要根據(jù)設(shè)備設(shè)施的工作環(huán)境和條件進(jìn)行接近開關(guān)的選型，在PLC控制系統(tǒng)中要充分考慮接近開關(guān)的結(jié)構(gòu)和材料，并確保設(shè)備要求及技術(shù)參數(shù)的準(zhǔn)確性。