PLC如何與各種傳感器進(jìn)行連接？（附20個(gè)經(jīng)典案例）
2023-10-27新聞
PLC的數(shù)字量輸入接口并不復(fù)雜，PLC 為了提高抗干擾能力，輸入接口都采用光電耦合器來隔離輸入信號與內(nèi)部處理電路的傳輸。因此，輸入端的信號只是驅(qū)動(dòng)光電耦合器的內(nèi)部 LED 導(dǎo)通，被光電耦合器的光電管接收，即可使外部輸入信號可靠傳輸。
目前 PLC 數(shù)字量輸入端口一般分單端共點(diǎn)與雙端輸入，由于有區(qū)別，用戶在選配外部傳感器時(shí)接法上需要一定的區(qū)分與了解才能正確使用傳感器與 PLC 為后期的編程工作和系統(tǒng)穩(wěn)定奠定基礎(chǔ)。
1、輸入類型的分類
PLC的數(shù)字量輸入端子，按電源分直流與交流，按輸入接口分類由單端共點(diǎn)輸入與雙端輸入，單端共點(diǎn)接電源正極為SINK（sink Current 拉電流），單端共點(diǎn)接電源負(fù)極為SRCE（source Current 灌電流）。
2、詞語的概述
SINK漏型為電流從輸入端流出，那么輸入端與電源負(fù)極相連即可，說明接口內(nèi)部的光電耦合器為單端共點(diǎn)為電源正極，可接NPN型傳感器。
SOURCE源型為電流從輸入端流進(jìn)，那么輸入端與電源正極相連即可，說明接口內(nèi)部的光電耦合器為單端共點(diǎn)為電源負(fù)極，可接PNP型傳感器。
接近開關(guān)與光電開關(guān)三、四線輸出分 NPN 與 PNP 輸出，對于無檢測信號時(shí) NPN 的接近開關(guān)與光電開關(guān)輸出為高電平（對內(nèi)部有上拉電阻而言），當(dāng)有檢測信號，內(nèi)部NPN 管導(dǎo)通，開關(guān)輸出為低電平。
對于無檢測信號時(shí) PNP 的接近開關(guān)與光電開關(guān)輸出為低電平（對內(nèi)部有下拉電阻而言），當(dāng)有檢測信號，內(nèi)部 PNP 管導(dǎo)通，開關(guān)輸出為高電平。
以上的情況只是針對傳感器是屬于常開的狀態(tài)下。
3、按電源配置類型
（1） 直流輸入電路
如圖1，直流輸入電路要求外部輸入信號的元件為無源的干接點(diǎn)或直流有源的無觸點(diǎn)開關(guān)接點(diǎn)，當(dāng)外部輸入元件與電源正極導(dǎo)通，電流通過R1，光電耦合器內(nèi)部LED，VD1（接口指示）到COM端形成回路，光電耦合器內(nèi)部接收管接受外部元件導(dǎo)通的信號，傳輸?shù)絻?nèi)部處理；這種由直流電提供電源的接口方式，叫直流輸入電路；
直流電可以由PLC內(nèi)部提供也可以外接直流電源提供給外部輸入信號的元件。R2在電路中的作用是旁路光電耦合器內(nèi)部LED的電流，保證光電耦合器LED不被兩線制接近開關(guān)的靜態(tài)泄漏電流導(dǎo)通。
（2）交流輸入電路
如圖2，交流輸入電路要求外部輸入信號的元件為無源的干接點(diǎn)或交流有源的無觸點(diǎn)開關(guān)接點(diǎn)，它與直流接口的區(qū)分在光電耦合器前加一級降壓電路與橋整流電路。外部元件與交流電接通后，電流通過R1，C2經(jīng)過橋整流，變成降壓后的直流電，后續(xù)電路的原理與直流的一致。
交流PLC主要適用相對環(huán)境惡劣，布線技改變動(dòng)不大等場合；如接近開關(guān)就用交流兩線直接替代原來行程開關(guān)。
4、按端口類型
（1）單端共點(diǎn)（Comcon）數(shù)字量輸入方式
為了節(jié)省輸入端子，單端共點(diǎn)輸入的結(jié)構(gòu)是在 PLC 內(nèi)部將所有輸入電路（光電耦合器）的一端連接在一起接到標(biāo)示為 COM 的內(nèi)部公共端子，各輸入電路的另一端才接到其對應(yīng)的輸入端子 X0、X1、X2、....
com 共點(diǎn)與 N 個(gè)單端輸入就可以做 N 個(gè)數(shù)字量的輸入（N+1 個(gè)端子），因此我們稱此結(jié)構(gòu)為"單端共點(diǎn)"輸入。用戶在做外部數(shù)字量輸入組件的接線時(shí)也需要同樣的做法，需要將所有輸入組件的一端連接在一起，叫輸入組件的的外部共線；輸入組件的另一端才接到 PLC 的輸入端子 X0、X1、X2、....
SINK輸入方式，可接 NPN 型傳感器，即 X 端口與負(fù)極相連。
SRCE輸入方式，可接 PNP 型傳感器。即 X 端口與整機(jī)極相連。（外部輸入組件可以為按鈕開關(guān)、行程開關(guān)、舌簧開關(guān)、霍爾開關(guān)、接近開關(guān)、光電開關(guān)、光幕傳感器、繼電器觸點(diǎn)、接觸器觸電等開關(guān)量的元件。）
（2）SINK（sink Current 拉電流）輸入方式
●單端共點(diǎn)SINK輸入接線（內(nèi)部共點(diǎn)端子COM→24V+，外部共線→24V-）。如圖3：
（3） SRCE（source Current 灌電流）輸入方式
● 單端共點(diǎn)SRCE輸入接線（內(nèi)部共點(diǎn)端子COM→24V-，外部共線→24V+）。如圖4：
（4）SINK/SRCE可切換輸入方式
S/S端子與COM端不同的是,COM是與內(nèi)部電源正極或負(fù)極固定相連，S/S端子是非固定相連的，根據(jù)需要才與內(nèi)部電源或外部電源的正極或者負(fù)極相連。
● 單端共點(diǎn)SINK輸入接線（內(nèi)部共點(diǎn)端子S/S→24V+，外部共線→24V-）。
● 單端共點(diǎn)SRCE輸入接線（內(nèi)部共點(diǎn)端子S/S→24V-，外部共線→24V+）。
（5）當(dāng)有源輸入元件（霍爾開關(guān)、接近開關(guān)、光電開關(guān)、光幕傳感器等）數(shù)量比較多，消耗功率比較大，PLC內(nèi)置電源不能滿足時(shí)，需要配置外置電源。根據(jù)需求可以配24VDC，一定功率的開關(guān)電源。
外置電源原則上不能與內(nèi)置電源并聯(lián)，根據(jù)COM與外部共線的特點(diǎn)， SINK（sink Current 拉電流）輸入方式時(shí)，外置電源與內(nèi)置電源正極相連接；SRCE（source Current 灌電流）輸入方式時(shí)，外置電源與內(nèi)置電源負(fù)極相連接。
（6）簡單判斷SINK（sink Current 拉電流）輸入方式，只需要Xn端與負(fù)極短路，如果接口指示燈亮就說明是SINK輸入方式。共正極的光藕合器，可接NPN型的傳感器。SRCE（source Current 灌電流）輸入方式，將Xn端與正極短路，如果接口指示燈亮就說明是SRCE輸入方式。共負(fù)極的光藕合器，可接PNP型的傳感器。
（7）對于2線式的開關(guān)量輸入，如果是無源觸點(diǎn)，SINK與SRCE按上圖的輸入元件接法，對于2線式的接近開關(guān)，需要判斷接近開關(guān)的極性，正確接入。
（8）超高速雙端輸入電路
主要用于硬件高速計(jì)數(shù)器（HHSC）的輸入使用，接口電壓為5VDC，在應(yīng)用上為確保高速及高噪音抗性通常采用雙線驅(qū)動(dòng)方式（Line-Drive）。如果工作頻率不高與噪音低也可以采用5VDC的單端SINK或者SRCE接法，串聯(lián)一個(gè)限流電阻轉(zhuǎn)換成24VDC的單端SINK或者SRCE接法。
（9）雙輸入端雙線驅(qū)動(dòng)方式（Line-Drive）。
（10）5VDC的單端SINK或者SRCE接法。
（11）24VDC的單端SINK或者SRCE接法。
注：24VDC供電的傳感器,在輸入回路上需要串聯(lián)限流電阻，R1為10Ω，R2為2KΩ，不串聯(lián)限流電阻，將燒毀接口回路，限流電阻取值2.7KΩ。
1、無源干接點(diǎn)（按鈕開關(guān)、行程開關(guān)、舌簧磁性開關(guān)、繼電器觸點(diǎn)等）；無源干接點(diǎn)比較簡單，接線容易。不存在電源的極性，壓降等因素，上圖3-6中的輸入元件正是此類型。這里不重復(fù)介紹。
2、有源兩線制傳感器（接近開關(guān)、有源舌簧磁性開關(guān)）
有源兩線接近開關(guān)分直流與交流，此傳感器的特點(diǎn)就是兩根線，傳器輸出端導(dǎo)通后，為了保證電路正常工作需要一個(gè)保持電壓來維持電路工作，通常在3.5-5V的壓降，靜態(tài)泄露電流要小于1mA，這個(gè)指標(biāo)很重要；如果過大，在接近開關(guān)沒檢測信號時(shí)，就使PLC的輸入端的光電耦合器導(dǎo)通。
直流兩線制接近開關(guān)分二極管極性保護(hù)與橋整流極性保護(hù)，前者在接PLC時(shí)需要注意極性，后者就不需要注意極性。有源舌簧磁性開關(guān)主要用在汽缸上做位置檢測，由于需要信號指示，內(nèi)部有雙向二極管回路，因此也不需要注意極性；交流兩線制接近開關(guān)就不需要注意極性。如圖10：
（1）單端共點(diǎn)SINK輸入接線（內(nèi)部共點(diǎn)端子COM→24V+，外部共線→24V-）。如圖11
（2）單端共點(diǎn)SRCE輸入接線（內(nèi)部共點(diǎn)端子COM→24V-，外部共線→24V+）。如圖12:
（3）S/S端子接法參考圖5-圖6以及圖11-圖12
3、有源三線傳感器（電感接近開關(guān)、電容接近開關(guān)、霍爾接近開關(guān)、光電開關(guān)等）；直流有源三制線接近開關(guān)與光電開關(guān)輸出管使用三極管輸出，因此傳感器分NPN和PNP輸出，有的產(chǎn)品是四線制，有雙NPN或雙PNP，只是狀態(tài)剛好相反，也有NPN和PNP結(jié)合的四線輸出。
NPN型當(dāng)傳感器有檢測信號VT導(dǎo)通，輸出端OUT的電流流向負(fù)極，輸出端OUT電位接近負(fù)極，通常說的高電平翻轉(zhuǎn)成低電平。
PNP型當(dāng)傳感器有檢測信號VT導(dǎo)通，正極的電流流向輸出端OUT,輸出端OUT電位接近正極，通常說的低電平翻轉(zhuǎn)成高電平。
電路中三極管的發(fā)射極上的電阻為短路保護(hù)采樣電阻2-3Ω不影響輸出電流。三極管的集電極的電阻為上拉與下拉電阻，提供輸出電位，方便電平接口的電路，另一種輸出的三極管集電極開路輸出不接上拉與下拉電阻。
簡單說當(dāng)三極管VT導(dǎo)通,相當(dāng)于一個(gè)接點(diǎn)導(dǎo)通，如圖13：
（1）單端共點(diǎn)SINK輸入接線（內(nèi)部共點(diǎn)端子COM→24V+，外部共線→24V-）。如圖14：
（2）單端共點(diǎn)SRCE輸入接線（內(nèi)部共點(diǎn)端子COM→24V-，外部共線→24V+）。如圖15：
（3）S/S端子接法參考圖5-圖6、圖11-圖12以及圖14-圖15
PLC輸入接口電路形式和外接元件（傳感器）輸出信號形式的多樣性，因此在PLC輸入模塊接線前必要了解PLC輸入電路形式和傳感器輸出信號的形式，才能確保PLC輸入模塊接線正確無誤，在實(shí)際應(yīng)用中才能游刃有余，后期的編程工作和系統(tǒng)穩(wěn)定奠定基礎(chǔ)。
在工業(yè)現(xiàn)場中，壓力、位移、溫度、流量、轉(zhuǎn)速等各類模擬量傳感器因設(shè)計(jì)使用的技術(shù)方法不同。
傳感器工作配電的方式主要分為兩線制和四線制，其輸出的模擬信號也各有差異，而常見的有0-20mA、4-20mA電流信號和0-75mV、0-5V、1-5V電壓信號。
要把各類傳感器模擬信號成功采集到PLC/DCS/FCS/MCU/FA/PC系統(tǒng)，就要根據(jù)傳感器與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的功能和技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行匹配選型，同時(shí)也要考慮到工業(yè)現(xiàn)場傳感器與PLC等數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的供電差異及各種EMC干擾的影響，通常把傳感器輸出的模擬信號隔離、放大、轉(zhuǎn)換后送到PLC等數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
PLC通過信號線采集傳感器的模擬或數(shù)字信號，然后進(jìn)行處理，如果傳感器是模擬輸出，PLC就要接模擬輸入接口，如果傳感器是數(shù)字信號輸出，PLC就要接數(shù)字輸入接口。
開關(guān)量傳感器就是一個(gè)無觸點(diǎn)的開關(guān)，開關(guān)量傳感器可作為PLC的開關(guān)量輸入信號。一般用于開關(guān)量控制的設(shè)備，機(jī)床，機(jī)器等。
模擬量傳感器是把不同的物理量(如壓力、流量、溫度)轉(zhuǎn)換成模擬量(4-20MA的電流或1-5V的電壓)。模擬量傳感器作為PLC的模擬量輸入模塊的輸入信號。一般用于過程控制。
數(shù)字傳感器是指將傳統(tǒng)的模擬式傳感器經(jīng)過加裝或改造A/D轉(zhuǎn)換模塊，使之輸出信號為數(shù)字量(或數(shù)字編碼)的傳感器，主要包括：放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、微處理器（CPU）、存儲器、通訊接口電路等。
常用的模擬量傳感器分為兩線制和四線制，兩線制和四線制都只有兩根信號線，它們之間的主要區(qū)別在于：兩線制的兩根信號線既要給傳感器或者變送器供電，又要提供電流電壓信號；而四線制的兩根信號線只提供電流信號。通常提供兩線制電流電壓信號的傳感器或者變送器是無源的；而提供四線制電流信號的傳感器或者變送器是有源的。
因此，當(dāng)PLC等數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的模板輸入通道設(shè)定為連接四線制傳感器時(shí)，PLC只從模板通道的端子上采集模擬信號，而當(dāng)PLC等數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的模板輸入通道設(shè)定為連接二線制傳感器時(shí)，PLC的模擬輸入模板的通道上還要向外輸出一個(gè)直流24V的電源，以驅(qū)動(dòng)兩線制傳感器工作。
4-20mA和電工標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)，4-20mA信號制是國際電工委員會(huì)(IEC)過程控制系統(tǒng)用模擬信號標(biāo)準(zhǔn)。我國從DDZ-Ⅲ型電動(dòng)儀表開始采用這一國際標(biāo)準(zhǔn)信號制，儀表傳輸信號采用4-20mA,聯(lián)絡(luò)信號采用1-5VDC，即采用電流傳輸、電壓接收的信號系統(tǒng)。
因?yàn)樾盘柶瘘c(diǎn)電流為4mA，為變送器提供了靜態(tài)工作電流，同時(shí)儀表電氣零點(diǎn)為4mA，不與機(jī)械零點(diǎn)重合，這種活零點(diǎn)有利于識別斷電和斷線等故障。
根據(jù)模擬信號傳感器的性能選型搜索
1、兩線制電流/電壓輸出傳感器(無供電電源，由負(fù)載提供16—24V配電，輸出4-20mA/0-5V)。
1.1 兩線制無源4-20mA輸入型傳感器，經(jīng)電流隔離配電器配電后與PLC連接。如圖1所示，稱重、測距傳感器正端接16—24VDC,負(fù)端輸出4-20mA電流。
▲圖1 兩線制4-20mA隔離配電器典型應(yīng)用圖
1.2 兩線制無源電壓信號輸入型傳感器，經(jīng)電壓配電器配電后與PLC連接。如圖2、圖3所示，位移、電子尺傳感器正端、負(fù)端接16—24VDC電壓。
▲圖2 非隔離兩線無源電壓配電器
▲圖3 隔離型電壓配電器
如圖4、圖5所示，應(yīng)力片、稱重電橋傳感器正端、負(fù)端接16—24VDC電壓。
▲圖4 隔離型電壓信號轉(zhuǎn)換放大
▲圖5 隔離型電橋電壓配電器
1.3 兩線制傳感器輸出4-20mA電流環(huán)路經(jīng)隔離器隔離后與PLC連接。如圖6所示，壓力、流量傳感器正端接9—32VDC,負(fù)端輸出4-20mA電流。
▲圖6 兩線制4-20mA電流環(huán)路隔離器典型應(yīng)用圖
1.4 兩線制傳感器輸出4-20mA電流經(jīng)隔離調(diào)理匹配（解決輸入輸出間沖突）后與PLC連接。如圖7所示，溫度、轉(zhuǎn)速傳感器正端接12—24VDC,負(fù)端輸出4-20mA電流。
▲圖7 兩線制4-20mA信號與PLC匹配隔離調(diào)理典型應(yīng)用圖
2、四線制電流/電壓(輸入/輸出)型傳感器(有自己的供電電源24VDC，輸入/輸出:4-20mA或0-5V)。
2.1 四線制電流輸出型傳感器經(jīng)模擬信號隔離放大后與PLC連接。
如圖8所示，溫度、濕度傳感器正端接24VDC,負(fù)端輸出4-20mA電流。
▲圖8 四線制傳感器信號I/I隔離放大后與PLC連接典型應(yīng)用圖
如圖9所示，壓力、轉(zhuǎn)速傳感器正端接24VDC,負(fù)端輸出4-20mA電流。
▲圖9 四線制傳感器信號I/V轉(zhuǎn)換后與PLC連接典型應(yīng)用圖
2.2 四線制電壓輸出型傳感器經(jīng)模擬信號隔離放大后與PLC連接。如圖10所示，壓力、轉(zhuǎn)速傳感器正、負(fù)端接24V電源,輸出端輸出0-5V電壓。
▲圖10 四線制傳感器信號V/I轉(zhuǎn)換后與PLC連接典型應(yīng)用圖
如圖11所示，液位、流量傳感器正、負(fù)端接24V電源,輸出端輸出0-5V電壓。
▲圖11 四線制傳感器信號V/V隔離后與PLC連接典型應(yīng)用圖
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