接近開關(guān)在PLC控制系統(tǒng)中運用概述

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，其工作原理是與機械運動部件之間通過運動距離的無限接近同時觸發(fā)操作的開關(guān)。當(dāng)機械運動部件之間達到無機械接觸位置時可以通過產(chǎn)生信號，對控制系統(tǒng)下達連動操作指令。接近開關(guān)無觸點而觸發(fā)控制信號的裝置特點等同于位移傳感器工作原理，機械運動部件的移近和位移傳感器達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)來達到數(shù)字化自動控制的目的。接近開關(guān)應(yīng)用PLC控制系統(tǒng)中最大的優(yōu)點是通過無觸點接觸測量以適應(yīng)各種不同類型的控制系統(tǒng)并且完成使命，對于不同領(lǐng)域的應(yīng)用項目需求而言是極其高效的運用類型。

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)電物體作為機械運動部件的被測物體，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)體機械運動接近信號傳感器時，信號傳感器上的LC高頻振蕩器上的感應(yīng)頭中產(chǎn)生高頻交流磁場，高頻交流磁場再經(jīng)過傳感器的感應(yīng)面釋放出輸出磁場，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，信號觸發(fā)器則負(fù)責(zé)探測電路參數(shù)的衰減現(xiàn)象，以確定金屬導(dǎo)體接近距離并及時轉(zhuǎn)換成電信號，由電信號控制開關(guān)的啟閉活動。由于電感式接近開關(guān)對金屬導(dǎo)體檢測的特征，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傳感器的測量頭，而機械運動部件則起到另一個極板的作用，當(dāng)兩個極板相互接近時，測量頭上的等效電容會發(fā)生變化，從而使二者的介電常數(shù)發(fā)生變化，該常數(shù)變化會被信號觸發(fā)器所探測，信號探測器產(chǎn)生并發(fā)送電信號控制開關(guān)的啟閉活動。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、粉狀物體等作為機械運動部件的被測物體，而且在檢測介電常數(shù)方面信號觸發(fā)器具有更高的靈敏度，一般都通過對多圈電位器的調(diào)節(jié)可以對電容式接近開關(guān)的靈敏度進行調(diào)整，所以當(dāng)前PLC控制系統(tǒng)中常用于對靜電、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)達到一定強度時會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，磁輸入信號通過輸出端的晶體管轉(zhuǎn)換成電信號。霍爾接近開關(guān)的感應(yīng)距離與所選磁鋼有較強關(guān)系，因此具有較高的響應(yīng)頻率，具有無觸電、低功耗、長使用壽命、響應(yīng)頻率高等特點，其內(nèi)部為分子化合物集成封裝成一體化結(jié)構(gòu)，具有較強的耐腐蝕性，適應(yīng)相對惡劣的工作環(huán)境，例如高溫高壓、連續(xù)工作狀態(tài)等。但其機械運動檢測對象必須具有磁性，因此外部磁場對于霍爾接近開關(guān)的敏感性也有較強的影響。

2 PLC控制系統(tǒng)簡介與發(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)進步。PLC控制系統(tǒng)采用信息化存儲器進行程序的編制與運營管理，在當(dāng)前還擴展了大數(shù)據(jù)和機器學(xué)習(xí)方法，能夠做到定時控制、采集信息、發(fā)出指令、模擬過程、模塊化技術(shù)等自動化操作過程，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、抗干擾性能優(yōu)良，具有較強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)存條塊等計算機數(shù)字設(shè)備，這些計算機設(shè)備具有可編程解碼功能，并可作為計算機終端進行遠(yuǎn)程控制，使工業(yè)控制系統(tǒng)從繼電器為主的電子時代跨越到編碼程序為主的數(shù)控時代。

2.2 PLC控制系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r

PLC控制系統(tǒng)的發(fā)展是隨著計算機技術(shù)與信息化網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展而穩(wěn)步前進的，歐美國家由于計算機和信息技術(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，逐步擴大了控制系統(tǒng)市場份額并代替了繼電器控制系統(tǒng)，基本上實現(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。隨著進入20世紀(jì)微電子工業(yè)的快速進步，PLC控制系統(tǒng)能夠搭載運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，被譽為從設(shè)計到生產(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)進一步數(shù)字化趨勢，通過搭載物聯(lián)化的終端控制元件使得整個系統(tǒng)的效率進一步提升，在自動化、智能化方面對電子行業(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PLC控制系統(tǒng)方面的技術(shù)研究與競爭，并將PLC控制系統(tǒng)與接近開關(guān)進一步設(shè)計為相對完整的現(xiàn)代化系統(tǒng)設(shè)備，但與主要發(fā)達國家相比，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）、主機箱、擴展機箱、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、信號線、保護線等構(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)鍵因素在于對智能化設(shè)備的輸入和輸出部分進行考察和評估。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PLC控制系統(tǒng)的可靠性設(shè)計具有重要意義，有利于控制系統(tǒng)設(shè)計成本加，提高系統(tǒng)運行可靠性、降低系統(tǒng)維護和運行費用。

3 接近開關(guān)在項目中的應(yīng)用

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

PLC控制系統(tǒng)中對開關(guān)量的控制很大程度上影響了系統(tǒng)的可靠性，其對接近開關(guān)的控制能力基于繼電器控制系統(tǒng)動作而進行革新，通過CPU進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營方面應(yīng)用PLC應(yīng)用開關(guān)量控制對一個雄鷹展翅的畫面與實務(wù)模型進行同步操作，只需要對應(yīng)用軟件中的雄鷹建模翅膀進行“開”和“收”的信號采集、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，可利用定時軟件或視頻軟件進行雄鷹翅膀的開與收作一信號采集，采集后的信號自動上傳到西門子公司生產(chǎn)的s7-200PLC控制系統(tǒng)中處理。同時可以在雄鷹模型的翅膀上通過設(shè)計開收點位，將兩個工作電壓為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)安裝好并將兩個繼電器的常開輔助觸點中的接近開關(guān)接入PLC控制系統(tǒng)，調(diào)試好感測距離，當(dāng)分別接近輸入端口時，控制信號產(chǎn)生，中間繼電器線圈得電，常開輔助觸點閉合，雄鷹模型的展翅活動與計算機軟件顯示同步一致。

3.2 接近開關(guān)在PLC位置控制中的運用

位置控制常見于步進電動機控制作業(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)計為向電機繞組發(fā)出脈沖來確定步進電機的位移情況，根據(jù)位移情況搭載接近開關(guān)以實現(xiàn)位置控制。實際應(yīng)用時可靈活運用信號燈、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線，反向端接電源正極以防止NPN型接近開關(guān)輸出信號電平過低，防止出現(xiàn)信號感應(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)計與維護提供非常大的方便。例如某電子設(shè)備生產(chǎn)項目的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，采用單端共點設(shè)計，公共輸入端電源流從輸入模塊流出進入正極共點，從負(fù)極共點流出。

3.4 接近開關(guān)在PLC電動機變頻調(diào)速控制中的運用

在以電機驅(qū)動為主的工業(yè)生產(chǎn)實務(wù)當(dāng)中，PLC控制系統(tǒng)中通過變頻器對電機的工作黃臺進行控制，包括運轉(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現(xiàn)。在加入電壓平滑電路后，還可以對PWM指令里的T數(shù)值進行設(shè)置從而對轉(zhuǎn)速進行控制，這時接近開關(guān)主要通過接受輸出電壓文波而對轉(zhuǎn)速進行調(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)中主要通過自動調(diào)節(jié)T數(shù)值與脈沖周期的正比例關(guān)系進行動作，當(dāng)前我國已經(jīng)開始在數(shù)字化設(shè)備中應(yīng)用自動控制設(shè)備進行電機工作數(shù)據(jù)的自動收集與信息反饋，在中央集中控制系統(tǒng)對電機的工作狀態(tài)分析基礎(chǔ)上對電機工作效率進行調(diào)節(jié)，在T數(shù)值或脈沖周期維持較高水平時對電容式接觸開關(guān)發(fā)出指令，通過啟閉動作下調(diào)電機轉(zhuǎn)速，反之則進行上調(diào)。除此之外，我國一些知名自動化公司還對DCS系統(tǒng)進行了產(chǎn)品設(shè)計與技術(shù)研發(fā)，進一步加強了電容式接近開關(guān)的應(yīng)用率，使得電容式接近開關(guān)的市場占有率有了趕超電感式接近開關(guān)的趨勢。

3.5 接近開關(guān)在PLC系統(tǒng)集中控制中的運用

PLC控制系統(tǒng)中除了能夠?qū)I(yè)生產(chǎn)過程實現(xiàn)自動化控制意外，其內(nèi)部也有設(shè)置系統(tǒng)集中控制模塊，可以對自身系統(tǒng)進行控制，例如工作狀態(tài)監(jiān)測功能、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檢測、邏輯錯誤檢測等工作方法搭載接近開關(guān)以完成系統(tǒng)監(jiān)控動作，一般采用敏感性較高的光電式接近開關(guān)，系統(tǒng)控制器可以對機床設(shè)備的執(zhí)工序行進行時間設(shè)定，并根據(jù)定時器做出自動啟閉動作，除此之外，當(dāng)系統(tǒng)在檢測環(huán)節(jié)中當(dāng)發(fā)現(xiàn)了設(shè)備運行故障后，定時器也可以將其輸出信號用作于啟動報警信號以及自動停機信號回饋給集中控制系統(tǒng)，由集中控制系統(tǒng)進行分析并組織動作。

4 結(jié)束語

通過對常見的接近開關(guān)類型與工作原理進行闡述，并對PLC控制系統(tǒng)的發(fā)展史及影響因素進行了分析，以實際項目在PLC控制系統(tǒng)中搭載接近開關(guān)并對其輸入、輸出、負(fù)載情況進行分析及說明，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，例如自動門、旋轉(zhuǎn)門、開閉所、制冷設(shè)備等自動及半自動控制設(shè)備及場所的貢獻都十分突出，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。