接近开关与PLC数字量输入模块的配型与连接

吴继彬，黄 伟

（1.江苏沙钢集团 宏发炼钢厂，江苏 张家港 215600；2.镇江高等专科学校 电子与信息工程系，江苏 镇江 212003）

可编程控制器（Programmable（Logical）Controller，简称PC或PLC）是一种新型工业自动化控制装置。它是随着科学技术的进步与现代社会生产方式的转变而发展起来的。PLC从1969年问世以来发展迅猛。它具有通用灵活的控制性能，可以适应各种复杂的工业环境，入门简单且具有能够承担大规模系统控制的能力，通信方便，可以构成各种网络，在工业自动化领域应用广泛［1］。PLC以微型计算机为核心，根据外部输入信号形式的不同，可将PLC输入模块分为数字量输入模块和模拟量输入模块两大类。目前，一般采用按钮、行程开关、接近开关作等为PLC数字量输入信号的元件。笔者以接近开关为例进行介绍。

接近开关（proximity sensors）是一种具有数字量输出与运动部件无接触而能动作的位置传感器，亦称无接触开关或无触点行程开关。具有结构简单、体积小、频率响应宽、重复精度高、无机械磨损、使用寿命长、应用广泛等特点［2］。本文根据接近开关的原理及特点，以NPN和PNP型接近开关与三菱PLC数字量输入模块的连接为例，论述接近开关与PLC数字量输入模块的连接方法及注意事项。

1 接近开关类型

1.1 根据接近开关工作原理分类

1.1.1 电感式接近开关

1）原理。电感式接近开关的感应面为绕在铁氧体磁芯上的线圈，它与内部电路组成LC振荡电路。接通电源后，在感应面产生一个高频交变电磁场，当导电体或导磁体材料靠近接近开关感应面时，进入电磁场区，由于涡流效应导致振荡器振荡能力衰减。通过信号处理装置测量振荡器的振荡振幅，并转化成一个开关量信号输出。

2）特点。只能用于金属物体的检测，具有无触点、无机械磨损、可靠性高、开关点准确、工作寿命长、多种开关速度高等特点。

3）应用场合。多用于金属物体的定位、计数、扫描、旋转和频率测量等。

1.1.2 电容式接近开关

1）原理。电容式接近开关的感应表面为电容的2个电极，它与高频振荡器的反馈回路相连。接通电源后，当物体靠近接近开关的感应表面时，进入电极区的电场，从而引起耦合电容增加，振荡器工作。通过信号处理装置测量振荡器的振荡振幅，并转化成一个开关量信号输出。

2）特点。不仅能检测金属物体，也能检测绝缘的液体或粉状物体，具有无触点、无机械磨损、可靠性高、开关点准确、工作寿命长、检测距离可调节等特点。

3）应用场合。主要用于塑料或玻璃容器内的液位控制、透明包装材料的液位监控、绕组线断线信号检测等。

1.2 根据接近开关接线方式分类

1.2.1 二线制接近开关

二线制接近开关的2根线分别是信号线和电源线0V端。二线制接近开关有2种输出类型，即NPN型和PNP型。图1是二线制NPN型接近开关输出简化电路，当接近开关处于检测信号时，NPN型三极管饱和导通，信号输出端和0V端相通，输出接近0V的低电平信号。图2是二线制PNP型接近开关输出简化电路，当接近开关处于检测信号时，PNP型三极管饱和导通，输出端与电源端正极相通，输出接近+V的高电平信号［3-4］。二线制接近开关安装简单，接线方便，应用比较广泛，但有残余电压和漏电流大的缺点。

图1 二线制NPN型接近开关输出简化电路

图2 二线制PNP型接近开关输出简化电路

1.2.2 三线制接近开关

三线制接近开关的3根线分别是信号线、电源线+V端和0V端。三线制接近开关有2种输出类型，即NPN型和PNP型。图3是三线制NPN型接近开关输出简化电路图。NPN集电极开路输出端通过三极管和0V端连接，当接近开关处于检测信号时，三极管饱和导通，输出端和0V端相通，输出接近0V的低电平信号。图4是三线制PNP型接近开关输出简化电路图。PNP集电极开路输出端通过三极管和+V端连接，当接近开关处于检测信号时，三极管饱和导通，输出端和+V相通，输出接近+V的高电平信号。

图3 三线制NPN型接近开关输出简化电路

图4 三线制PNP型接近开关输出简化电路

1.2.3 四线制接近开关

四线制接近开关有2种情况。一是有双NPN或双PNP，甚至是NPN和PNP结合的四线制接近开关。二是带传感器校验线的四线制接近开关。图5是NPN和PNP结合的四线制接近开关输出简化电路图。它的2个输出端中，一个为常开，一个为常闭，供用户根据现场需要选择。

图5 NPN和PNP结合的四线制接近开关输出简化电路图

2 PLC数字量输入电路形式

PLC数字量输入电路，根据外接电源类型可以分为直流输入电路和交流输入电路，如图6所示。日式（如三菱）PLC和欧式（如西门子）PLC关于“漏输入”和“源输入”电路的划分正好相反，笔者以日式三菱PLC为例进行划分［5］。

图6 PLC数字量输入电路的分类

2.1 直流输入电路

一般PLC内部都能提供DC24V电源，各个组件消耗的电流总和在供给电源的容量之内，方能插接扩展模块。此外，剩余电源也可用作有限数量的传感器或负载等方面的电源。若需要使用的传感器数量较多，在内部电源无法供给的情况下，可以使用外接电源供电。外部传感器可使用PLC内部电源容量的计算公式为［5］

式（1）中，I表示供给电源总容量，I1表示一个输入模块所分电流，N1表示输入模块个数，I2表示一个输出模块所分电流，N2表示输出模块个数，I3表示剩余电源容量。

I3＞0时，剩余电源容量可以供有限数量的传感器或负载用。I3＜0时，容量不够，可以在中途使用扩展单元。

2.1.1 漏型-共阳极输入电路

漏型输入电路，电流从PLC输入端流出，从公共端流入。如图7所示，当外部输入开关闭合时，电流从PLC输入端流出，从公共端流入，光敏三极管饱和导通，导通信号通过光电耦合器传给CPU，则CPU认为该路有信号输入。反之，CPU认为该路没有信号输入。因为漏型输入电路各输入回路的光敏三极管阳极都接在24V正极端，所以构成漏型-共阳极输入电路。三菱PLC A系列的AX40/41/42/50/60及Q系列的QX40/41/42等数字量输入模块的输入电路均属于漏型-共阳极输入电路。

图7 漏型-共阳极输入电路

2.1.2 源型-共阴极输入电路

源型输入电路，电流从PLC公共端流出，从输入端流进。如图8所示，当外部输入开关闭合时，电流从PLC公共端流出，从输入端流进，光敏三极管饱和导通，导通信号通过光电耦合器传给CPU，则CPU认为该路有信号输入。反之，CPU认为该路没有信号输入。因为源型输入电路各输入回路的光敏三极管阴极都接在公共端，所以构成源型-共阴极输入电路。三菱PLC A系列的AX80/81/82及Q系列的QX80/81等数字量输入模块的输入电路均属于源型-共阴极输入电路。

图8 源型-共阴极输入电路

2.1.3 混合型-共阴/共阳极输入电路

混合型输入电路，同时具有漏输入电路和源输入电路的特点。如图9所示，作为源输入时，电流从公共端流出；作为漏输入时，电流从公共端流进。这样，可以根据现场实际情况选择合适的接近开关作为输入信号来接线。三菱PLC A系列的AX50-S1/60-S1/70/71/81-S1，Q系列的QX70/71/72及FX3U系列等数字量输入模块的输入电路均属于混合型输入电路。

图9 混合型-共阴/共阳输入电路

2.2 交流输入电路

交流输入电路PLC的内部是在直流输入电路的基础上增加一个整流环节。交流输入电路的额定输入电压一般为AC 100～240V。如图10所示，交流电先经过RC滤波器，再经过桥式整流电路变为直流电，其后工作原理和直流输入电路一样［6］。

图10 交流输入电路

由于交流输入电路中增加了滤波和整流2个环节，输入信号的延迟时间比直流输入电路的要长，由于其输入端是交流高电压，因此输入信号的可靠性比直流输入电路高。

一般地，交流输入电路用于环境恶劣、响应性要求不高的场所，而直流输入电路用于环境较好、响应性要求高的场所［6］。

3 接近开关和PLC数字量输入模块的连接

对于不同类型的PLC数字量输入模块，使用NPN输入还是PNP输入有时会感到无所适从。

3.1 NPN集电极开路输出和PLC数字量输入模

块的连接

由以上分析可知，NPN集电极开路输出0V，当输出端和PLC输入端连接时，电流从PLC的公共端流入，输入端流出。此为PLC的漏型-共阳极输入电路形式，即NPN集电极开路输出只能接漏型和混合式输入电路形式的PLC，连接图见图11。

图11 NPN集电极开路输出和PLC数字量输入模块的连接

3.2 PNP集电极开路输出和PLC数字量输入模块的连接

PNP集电极开路输出为+V高电平，当输出端和PLC输入端相连时，电流从PLC的输入端流入，公共端流出。此为PLC的源型-共阴极输入电路形式，即PNP集电极开路输出只能接源型或混合型输入电路形式的PLC，连接图见图12。

图12 PNP集电极开路输出和PLC数字量输入模块的连接

4 结论

随着自动化水平的发展，接近开关在PLC控制系统中的应用日益广泛。尽管PLC数字量输入模块内部电路和外接接近开关输出信号存在多样性，但在功能和应用角度上是相通的。只有在接线前充分了解PLC数字量输入模块内部电路的类型和外接接近开关输出信号的形式，才能确保PLC数字量输入模块接收接近开关从现场传回的准确信号［6］，为后续的设备调试工作打下良好的基础。

［1］吴继彬，黄伟.可编程控制器梯形图顺序控制设计法概述［J］.PLC＆FA，2011（1）：31.

［2］钱金川，朱守敏.接近开关在自动化控制中的应用［J］.江苏电器，2006（5）：30.

［3］冯春增.拆页机预置系统的自动控制设计［D］.北京：北京工业大学机械工程与应用电子技术学院，2008：27-28.

［4］杨正勇.开关量传感器与PLC输入模块的配型和链接分析［J］.机床电器，2009，36（4）：48-50.

［5］陈楚雄.PLC数字量输入模块与外接信号源的联接方式［J］.今日科苑，2010（8）：221-222.

［6］三菱电机自动化（上海）有限公司.FX2N系列微型可编程控制器使用手册［Z］.上海：三菱电机自动化（上海）有限公司，2007：13.