PLC的數(shù)字量I/O連接之電流回路分析法

李中帥

（中山職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，廣東 中山 528404）

PLC的數(shù)字量I/O連接之電流回路分析法

李中帥

（中山職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，廣東 中山 528404）

針對(duì)PLC的數(shù)字量I/O連接問(wèn)題，文章從電流流向及有效電平的概念入手，摒棄“源型漏型”的說(shuō)法，提出“放之四海而皆準(zhǔn)”的電流回路分析法，結(jié)合不同廠家的PLC與變頻器具體連接實(shí)例說(shuō)明該方法的應(yīng)用，對(duì)PLC的數(shù)字量I/O連接達(dá)到有效的指導(dǎo)。

PLC；I/O連接；電流回路法；有效電平

很多教材或網(wǎng)絡(luò)上關(guān)于PLC的數(shù)字量I/O連接方法，往往說(shuō)明的不夠徹底，只讓讀者記住輸入輸出是源型還是漏型，僅給出某種PLC只能連接NPN型傳感器或者PNP型傳感器之類(lèi)的話，筆者認(rèn)為有誤導(dǎo)讀者的嫌疑，并未從本質(zhì)上說(shuō)明和解決問(wèn)題。特別對(duì)于一些理論基礎(chǔ)薄弱的讀者來(lái)說(shuō)，僅記住某種情況下的連接方法，當(dāng)遇到新的情況時(shí)又束手無(wú)策！況且，各大PLC廠商的手冊(cè)對(duì)這一問(wèn)題說(shuō)明并非一致的，例如兩大主流PLC品牌三菱與西門(mén)子對(duì)輸入端子連接的源型、漏型的說(shuō)法正好就是對(duì)立的。

1 光耦與MOSFET

適當(dāng)?shù)牧私釶LC輸入輸出接口電路的結(jié)構(gòu)，就能從本質(zhì)上掌握PLC接入傳感器、控制變頻器或驅(qū)動(dòng)器等負(fù)載的方法。下文中簡(jiǎn)要介紹PLC輸入輸出電路常用的關(guān)鍵器件：光耦合器與MOSFET。

為了減小干擾和保護(hù)PLC，PLC的輸入輸出電路中一般采用光耦對(duì)輸入、輸出電信號(hào)進(jìn)行隔離。光耦一般有兩個(gè)用途：線性光耦和邏輯光耦。PLC的數(shù)字量I/O接口電路中光耦芯片就屬于邏輯光耦的用法。

光耦一般由三部分組成：光的發(fā)射、光的接收及信號(hào)放大。輸入的電信號(hào)驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管（LED），使之發(fā)出一定波長(zhǎng)的光，被光探測(cè)器接收而產(chǎn)生光電流，再經(jīng)過(guò)進(jìn)一步放大后輸出。這就完成了電—光—電的轉(zhuǎn)換，從而起到輸入、輸出隔離的作用。由于光耦合器輸入輸出間互相隔離，電信號(hào)傳輸具有單向性等特點(diǎn)，因而具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力。

業(yè)界針對(duì)PLC的特殊用途開(kāi)發(fā)了PLC專(zhuān)用雙極性輸入光耦，如東芝公司光耦芯片TLP2395、TLP2398。

場(chǎng)效應(yīng)管（MOSFET）、三極管同屬于晶體管，就開(kāi)關(guān)性能來(lái)說(shuō)，前者優(yōu)于后者，且前者具有一定的驅(qū)動(dòng)功率、開(kāi)關(guān)速度快，適合在PLC的輸出接口電路中使用。

2 輸入接口電路分析

圖1為型號(hào)FX2N-32MR三菱PLC的所有輸入端子的電路圖。在電路中有3處跳線塊，分別決定了輸入端采用的是僅源型、僅漏型還是源漏型均可的連接方法。讀者請(qǐng)注意，輸入接口電路中所用的光耦全部是雙向光耦，但是這款在中國(guó)銷(xiāo)售的PLC輸入僅能按源型接法，即只能接入NPN型傳感器或普通接點(diǎn)。通過(guò)拆解電路，筆者發(fā)現(xiàn)原因在于三菱公司在FX2N系列PLC出廠前將其作了“閹割”，即將圖1中JP1位置焊接了短路條。這樣，它只能向某個(gè)輸入端（如X0）提供低電平（0V）才算有效的輸入。因?yàn)镹PN型傳感器動(dòng)作時(shí)信號(hào)端提供的是低電平，所以這類(lèi)PLC只能連接NPN型傳感器。

其實(shí)，在圖1中若短接JP3位置，JP1、JP2斷開(kāi)的情形，PLC即能連接NPN型傳感器，也能連接PNP型傳感器。

圖1 FX2N-32MR-001輸入接口電路

再如圖2所示為西門(mén)子S7-200系列PLC的輸入接口電路。電路中仍然有雙向光耦，分析后不難得出，西門(mén)子S7-200系列PLC的輸入端均可以連接NPN型或PNP型傳感器。當(dāng)然，共用一個(gè)公共端（1M、2M）的同一組輸入端子只能連接同一類(lèi)型傳感器。

圖2 S7-200 CPU226CN輸入接口電路

3 電流回路分析法

圖3為FX3U系列PLC輸入的漏、源型定義。以輸入端子（如X0）為參考點(diǎn)，如圖3所示，電流流出的稱(chēng)為漏型輸入，電流流入的稱(chēng)為源型輸入。

圖4為S7-200系列PLC輸入的漏、源型定義。以輸入端子（如I0.0）為參考點(diǎn)，如圖4所示，電流流出的稱(chēng)為源型輸入，電流流入的稱(chēng)為漏型輸入。

可以看出三菱PLC與西門(mén)子PLC對(duì)輸入的漏、源型定義正好相反。所以，我們死記硬背下的一些原則在具體的工程應(yīng)用中會(huì)相互混淆。僅憑記憶不靠譜，我們應(yīng)另尋出路。

仔細(xì)思考一下，什么是有效的輸入？點(diǎn)亮相應(yīng)輸入點(diǎn)光耦的發(fā)光二極管就代表有輸入?！鞍l(fā)光”其本質(zhì)是有電流流過(guò)，有電流流過(guò)則必須形成電流回路。用另外一種說(shuō)法，在圖3（a）中給輸入端子提供低電平（0V），則光耦的發(fā)光二極管能夠點(diǎn)亮，即是有效的輸入；在圖3（b）中給輸入端子提供高電平（0V），則光耦的發(fā)光二極管能夠點(diǎn)亮，即是有效的輸入。因此，向PLC的輸入端子提供有效的電平構(gòu)成電流回路點(diǎn)亮光耦的發(fā)光二極管才是有效的輸入。再如圖3（a）所示，給輸入端X提供低電平形成的電流回路是為24V→S/S→光耦→X→接點(diǎn)→0V。在圖3(b)中給輸入端X提供高電平形成的電流回路是為24V→接點(diǎn)→X→光耦→S/S→0V。

圖3 三菱PLC輸入的漏、源型定義

圖4 西門(mén)子PLC輸入的漏、源型定義

筆者將這種方法稱(chēng)之為電流回路分析法。此說(shuō)法并非什么新鮮術(shù)語(yǔ)，而正是源于電工基礎(chǔ)或電路分析此類(lèi)課程里面最基本的概念和方法。這一方法的使用也在提醒學(xué)生和工程人員應(yīng)該打好堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

以FX3U系列PLC為例，應(yīng)用電流回路分析法及有效電平的概念就不難分析PLC混合接入按鈕、傳感器時(shí)的連接方法。如圖5所示。

圖5 3線傳感器接入PLC

NPN型傳感器向輸入端口X0提供低電平才能形成電流回路，電流流向?yàn)?4V→S/S→光耦→X0→傳感器OUT端→傳感器CE結(jié)→0V。

PNP型傳感器向輸入端口X0提供高電平才能形成電流回路，電流流向?yàn)?4V→傳感器CE結(jié)→X0→傳感器信號(hào)輸出端→光耦→S/S→0V。

4 PLC輸出接口連接實(shí)例

（1）西門(mén)子PLC輸出接口電路。圖6為西門(mén)子PLC典型的信號(hào)源輸出方式，輸出有效時(shí)輸出端子（如Q.00）向外提供高電平。以下，運(yùn)用電流回路分析法完成西門(mén)子PLC驅(qū)動(dòng)三菱變頻器多段速運(yùn)行的連接。

圖6 S7-200系列PLC輸出接口電路

圖7 多段速運(yùn)行連接

（2）S7-200 PLC驅(qū)動(dòng)三菱變頻器的連接。首先應(yīng)該明確的是，西門(mén)子S7-200的輸出端子（如Q0.0）是高電平輸出有效的。Q0.0應(yīng)處于電路中電位最高處，接下去流入相應(yīng)變頻器的控制端子（如STF），再流過(guò)變頻器內(nèi)部的限流電阻和雙向光耦，最后從變頻器公共端子SD流出，參見(jiàn)圖7。注意三菱變頻器上的SINK位置的跳線塊應(yīng)拆除并改至SOURCE，這一點(diǎn)讀者可運(yùn)用電流回路法自行分析得出。

可見(jiàn)，電流回路分析法同樣適用于PLC輸出端子連接時(shí)的分析。

5 結(jié)語(yǔ)

一般來(lái)說(shuō)，在現(xiàn)代的電氣控制系統(tǒng)當(dāng)中所用的PLC、變頻器、伺服驅(qū)動(dòng)器等工控產(chǎn)品的輸入端子均設(shè)計(jì)使用了雙向光耦芯片。在實(shí)際做工程時(shí)，可以不再去記憶“漏源型”概念和一些固定連接方法，只要根據(jù)產(chǎn)品的說(shuō)明手冊(cè)，遵循電流回路分析法，PLC與各種工控產(chǎn)品輸入輸出端子的連接方法就會(huì)變得靈活而又簡(jiǎn)單。

［1］MITSUBISHI ELECTRIC CORPORATION.FX3U系列微型可編程控制器硬件手冊(cè)［Z］.2011，（7）.

［2］西門(mén)子（中國(guó)）有限公司.S7-200可編程控制器產(chǎn)品樣本［Z］.2008，（4）．

［3］Toshiba Corporation,Photocoupler TLP2395 datasheet.2013，（9）．

［4］Toshiba Corporation,Photocoupler TLP2398 datasheet.2013，（9）．

［5］三菱電機(jī)自動(dòng)化（上海）有限公司.三菱通用變頻器FR-E700使用手冊(cè)（應(yīng)用篇）［Z］.2009，（1）.

Analysis of Current Loop in PLC Digital IO Connections

LI Zhong-shuai
（College of Mechanical and Electrical Engineering，Zhongshan Polytechnic，Zhongshan，Guangdong 528404，China）

For the PLC digital I/O connectivity issues，this article starts from the concept of current flow and the effective level，gets rid of“source-drain type”argument，and proposes “one size fits all”current loop.Combing with the application of thismethod in the concrete connection between PLC and inverter.this paper aims to provide effective guidance for the PLC digital I/O connection.

PLC；I/O connections；current loop method；active electrical level

TN86

A

2095-980X（2015）08-0072-02

2015-07-15

李中帥（1978-），男，江西南昌人，講師，碩士，主要從事電氣控制、PLC應(yīng)用等方面的教學(xué)與研究工作。