常用PLC数字量输入模块与现场仪表接线问题的研究

    本文主要分析了plc数字量输入模块（DI模块）和传感器仪表的几种常见的接口电路形式，针对DI模块内部输入电路和传感器输出接口电部的不同结构，给出了其相互连接时的接线方法，确保在以后的工程设计中仪表选型和现场施工接线的正确性。
    1 引言
    在工程设计和现场施工中，常会遇到各种各样的仪表接线的问题，只有完全理解了仪表传感器的内部接线方式，以及PLC内部电路结构，才能正确的选型，保证所选仪表与厂家的PLC的正确接线。因此，就必须对PLC输入输出模块内部的输入输出电路和常用仪表输出接口有一个比较清楚系统的了解。
    为了防止外界线路产生的干扰引起PLC的非正常工作，甚至对PLC内部元器件造成损坏，PLC数字量输入模块（简称DI模块）的输入接口电路常采用光电耦合元件来隔离输入信号与内部电路之间的联系。输入端的信号驱动光电耦合器内部发光二极管，发光二极管发光，光敏三极管导通，即可将外部输入信号可靠地传输至处理器。
　　各厂商PLC DI模块公共端的接口电路，有光电耦合器正极共点与负极共点之分，而各种仪器仪表的输出电路，有干接点、有源输出、高电平和低电平输出之分，因此，我们在选配外部仪表传感器时，需要对所选PLC DI模块的输出电路，以及传感器仪表输出电路的结构进行区分和了解，才能正确的选型，以保证后期现场施工时与PLC厂家DI模块的正确接线。
    2  PLC  DI模块按输入类型分类
    PLC DI模块的输入接口电路，按外接电源类别，可分为直流和交流输入电路；按输入公共端电流的流向分，可分为源输入和漏输入电路；按光耦发光二极管公共端的连接方式可分为共阳极和共阴极输入电路。
    3 按外接电源的类型分类
    3．1  直流输入电路

    图1为直流输入电路（只画出了一路输入电路），直流输入电路的输入电压一般为DC24V。直流输入电路要求外部输入信号为无源的干接点（直流电源由PLC柜内部提供）或直流有源的无触点开关接点，当外部输入接点信号闭合时，输入端与直流电源正极接通，电流通过电阻R1，光电耦合器内部LED，VD1（接口指示）到COM端形成回路；光敏三极管饱和导通，该导通信号传送至处理器，从而CPU 认为该路有信号输入。当外部输入元件与直流电源正极断开时，光耦中的发光二极管熄灭，光敏三极管截止，CPU 认为该路没有信号输入。直流电源可以由PLC柜内部提供，也可以是外接直流电源。
    3．2  交流输入电路

    如图2为交流输入电路，交流输入端的输入电压一般为120V 或230V。电路要求外部输入信号的接点为无源干接点信号或交流有源的无触点开关接点信号。它与直流输入电路的区别在于：光电耦合器前增加了一级降压电路和整流桥电路。交流电流经电阻R的限流和电容C的滤波（滤去电源中的直流部分)，再经过桥式整流，变成降压后的直流电流，后续的电路原理与直流输入电路一致。从图中可以看出，由于交流输入电路中增加了限流、隔离和整流三个环节，输入信号的延迟时间要比直流输入电路长，这是其不足之处。但由于其输入端是高电压，其输入信号的可靠性比直流输入电路高。交流输入电路一般多用于油雾、粉尘等恶劣环境中，对响应性要求不高的场合，而直流输入方式用于环境较好，电磁干扰不严重，对响应时间要求较高的场合。
    4 按流入公共端电流的流向分类
    PLC DI模块内部将所有输入电路（光电耦合器）的一端连接到公共端（COM或M），各输入电路的另一端接到其对应的输入端，也称此结构为单端共点输入。这种做法可以减少输入端子。
    电流从DI模块的输入端流出，流入电源负极，即为拉电流（Sink Current）或漏型输入；电流由电源正极流入公共端，电源正极与公共端相连，即共阳极；传感器为低电平有效。
    电流由电源正极流入DI模块输入端，即为灌电流（Source Current）或灌型输入；电流由公共端流入电源负极，电源负极与公共端相连，即共阴极；传感器为高电平有效。
    4．1  漏型拉电流输入电路
    漏型拉电流输入电路如图3所示，此时，电流从输入端流出，流入直流电源的负极，由直流电源的正极流入PLC公共端（COM端或M端）。

    4．2  源型灌电流输入电路
    源型输入电路如图1所示，此时，电流的流向正好和漏型的电路相反。电流从直流电源正极流入DI模块的输入端，并由公共端流入直流电源的负极。
    4．3 切换型输入电路
    为了适应各地区的使用习惯，有些厂家PLC DI模块的内部公共端子是采用S/S端子，此端子可以与电源的24V+（正极）或24V-（负极）相连，结合外部仪表接线的变化，使DI模块的输入电路既可以是漏型输入电路，也可以是源型输入电路。较采用公共端（COM端或M端）的DI模块更灵活。S/S端子的发展是为了适用日系与欧系PLC混合使用的工控场合，起到通用的作用，S/S端子也称之 SINK/SRCE可切换型。其电路形式如图4所示。作为源输入时，公共端接电源的负极；作为漏输入时，公共端接电源的正极。这样，可以根据现场的需要来接线，给接线工作带来极大的灵活。 通过选择可以将基本单元的所有输入设置为漏型输入或是源型输入，但不能混合使用。

    漏型拉电流输入电路、源型灌电流输入电路以及切换型输入电路，均为直流输入电路。
    5 传感器开关量信号的内部电路及其与PLC输入电路的连接
    在工程设计过程中，常会遇到各种各样的输出为开关量信号的仪表，如：压力开关、流量开关、物位开关、温度开关、阀门状态反馈、电机的运行状态、故障状态等。这些传感器的输出电路的样式多种多样。因此，需要对它们充分了解，才能保证与所选的PLC的DI模块进行匹配接线。
    5．1无源干接点
    阀门等的限位开关、行程开关、电机远程/就地按钮开关、拉线开关、跑偏开关、电机运行状态的继电器触点等，属于无源干接点信号，不存在电源的极性因素，比较简单，接线容易，可应用于以上各种类型的DI输入模块。

    5．2有源两线制传感器
    有源两线传感器（如接近开关等），分直流与交流，直流两线制开关分二极管极性保护图5与桥整流极性保护图6，前者在接PLC时需要注意极性，后者就不需要注意极性。
    直流两线制开关量仪表与漏型拉电流PLC DI模块的接线如图7所示：

    直流两线制开关量仪表与源型灌电流PLC DI模块的接线如图8所示：

    交流两线制开关量仪表与源型灌电流PLC的接线如图9所示：

    5．3 有源三线传感器
    传感器的输出信号，除了像行程开关、继电器触点等一些干接点信号外，一些传感器还提供NPN和PNP集电极开路输出信号。其实质就是利用三极管的饱和和截止，输出两种状态，即高电平和低电平信号，属于开关型传感器。PNP与NPN型传感器的输出信号是截然相反的。对于不同厂商的PLC DI模块输入电路，选用NPN还是PNP型输出的传感器，有时会感到无所适从。下面主要介绍一下这两种输出类型的传感器与PLC DI模块输入电路的接线。
    5．3．1  NPN和PNP输出电路的形式

    图10为NPN型传感器输出电路：NPN集电极开路输出电路的输出端（OUT端）通过三级管和直流电源负极连接。在初始状态，传感器未动作时，三极管处于截止状态，输出端（OUT端）接近直流电正极，为高电平；当传感器动作时，三极管饱和导通，OUT端的电流流向直流电源负极，输出—低电平信号，OUT端（输出端）电位接近负极，也就是通常说的高电平翻转成低电平。
    图11为PNP型传感器输出电路：PNP集电极开路输出电路的输出端（OUT端）通过三极管和直流电源正极连接。当传感器动作时，三极管饱和导通，直流电源正极电流流向OUT端，OUT端（输出端）电位接近直流电源正极，输出高电平信号，也就是通常说的低电平翻转成高电平。
    5．3．2  NPN和PNP输出电路和PLC输入模块的连接
    1）NPN集电极开路输出
    由以上分析可知，NPN集电极导通时输出为0V，当输出OUT端和PLC DI模块输入相连时，电流从PLC的输入端流出，从DI模块的公共端流入，PLC DI模块的输入电路为漏型输入电路，即：NPN型输出的传感器只能接漏型或切换型输入电路的DI模块，如图12所示：

    2）PNP集电极开路输出
    PNP集电极导通时输出为+V高电平，当输出OUT端和 PLC DI模块输入相连时，电流从DI模块的输入端流入，从DI模块的公共端流出， PLC DI模块的输入电路为源型输入电路，即：PNP型输出的传感器只能接源型或切换型输入电路的DI模块，如图13所示：

    6 结束语
    正是由于传感器输出信号和PLC DI模块输入电路形式的多样性，我们在做工程设计的过程中，要充分了解PLC DI模块输入电路的类型和传感器输出信号的形式，只有这样，才能确保在PLC厂商确定之后，仪表传感器选型的正确性，才能保证在不增加额外元器件的情况下，传感器与PLC输入模块接线正确性，才能在实际的应用中游刃有余。