PLC与接近光电开关的接线问题.docx

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PLC与接近光电开关的接线问题

PLC与接近、光电开关的接线问题

　一:

引言

　　PLC的数字量输入接口并不复杂，我们都知道PLC为了提高抗干扰能力，输入接口都采用光电耦合器来隔离输入信号与内部处理电路的传输。

因此，输入端的信号只是驱动光电耦合器的内部LED导通，被光电耦合器的光电管接收，即可使外部输入信号可靠传输。

　　目前PLC数字量输入端口一般分单端共点与双端输入，各厂商的单端共点（Com）的接口有光电耦合器正极共点与负极共点之分，日系PLC通常采用正极共点，欧系PLC习惯采用负极共点；日系PLC供应欧洲市场也按欧洲习惯采用负极共点；为了能灵活使用又发展了单端共点（S/S）可选型，根据需要单端共点可以接负极也可以接正极。

　　由于这些区别，用户在选配外部传感器时接法上需要一定的区分与了解才能正确使用传感器与PLC为后期的编程工作和系统稳定奠定基础。

　二：

输入电路的形式

　　1、输入类型的分类

　　PLC的数字量输入端子，按电源分直流与交流，按输入接口分类由单端共点输入与双端输入，单端共点接电源正极为SINK（sinkCurrent拉电流），单端共点接电源负极为SRCE（sourceCurrent灌电流）。

　　2、术语的解释

　　SINK漏型

　　SOURCE源型

　　SINK漏型为电流从输入端流出，那么输入端与电源负极相连即可，说明接口内部的光电耦合器为单端共点为电源正极，可接NPN型传感器。

　　SOURCE源型为电流从输入端流进，那么输入端与电源正极相连即可，说明接口内部的光电耦合器为单端共点为电源负极，可接PNP型传感器。

　　国内对这两种方式的说法有各种表达：

　　1）、根据TI的定义，sinkCurrent为拉电流，sourceCurrent为灌电流，

　　2）、由按接口的单端共点的极性，共正极与共负极。

这样的表述比较容易分清楚。

　　3）、SINK为NPN接法，SOURCE为PNP接法（按传感器的输出形式的表述）。

　　4）、SINK为负逻辑接法，SOURCE为正逻辑接法（按传感器的输出形式的表述）。

　　5）、SINK为传感器的低电平有效，SOURCE为传感器的高电平有效（按传感器的输出状态的表述）。

　　这种表述的笔者接触的最多，也是最容易引起混淆的说法。

　　接近开关与光电开关三、四线输出分NPN与PNP输出，对于无检测信号时NPN的接近开关与光电开关输出为高电平（对内部有上拉电阻而言），当有检测信号，内部NPN管导通，开关输出为低电平。

　　对于无检测信号时PNP的接近开关与光电开关输出为低电平（对内部有下拉电阻而言），当有检测信号，内部PNP管导通，开关输出为高电平。

　　以上的情况只是针对，传感器是属于常开的状态下。

目前可厂商生产的传感器有常开与常闭之分；常闭型NPN输出为低电平，常闭型PNP输出为高电平。

因此用户在选型上与供应商配合上经常产生偏差。

　　另一种情况，用户也遇到SINK接PNP型传感器，SOURCE接NPN型传感器，也能驱动PLC接口，对于PLC输入信号状态则由PLC程序修改。

原因是传感器输出有个上拉电阻与下拉电阻的缘故，对于集电极开路的传感器，这样的接法是无效的；另外输出的上拉电阻与下拉电阻阻值与PLC接口漏电流参数有很大关系。

并非所有的传感器与PLC都可以通用，对于此类问题可以参考笔者的另一文《接近开关、光电开关的输出与负载接口问题》，在此不再赘述。

　　SINK漏型、SOURCE源型在下文有详细图解描述。

三、按电源配置类型

　　3.1、直流输入电路

　　如图1，直流输入电路要求外部输入信号的元件为无源的干接点或直流有源的无触点开关接点，当外部输入元件与电源正极导通，电流通过R1，光电耦合器内部LED，VD1（接口指示）到COM端形成回路，光电耦合器内部接收管接受外部元件导通的信号，传输到内部处理；这种由直流电提供电源的接口方式，叫直流输入电路；直流电可以由PLC内部提供也可以外接直流电源提供给外部输入信号的元件。

R2在电路中的作用是旁路光电耦合器内部LED的电流，保证光电耦合器LED不被两线制接近开关的静态泄漏电流导通。

　　3.2、交流输入电路

　　如图2，交流输入电路要求外部输入信号的元件为无源的干接点或交流有源的无触点开关接点，它与直流接口的区分在光电耦合器前加一级降压电路与桥整流电路。

外部元件与交流电接通后，电流通过R1，C2经过桥整流，变成降压后的直流电，后续电路的原理与直流的一致。

交流PLC主要适用相对环境恶劣，，布线技改变动不大等场合；如接近开关就用交流两线直接替代原来行程开关。

　　4：

按端口类型

　　4.1单端共点（Comcon）数字量输入方式

　　为了节省输入端子，单端共点输入的结构是在PLC内部将所有输入电路（光电耦合器）的一端连接在一起接到标示为COM的内部公共端子（internalcomconterminal），各输入电路的另一端才接到其对应的输入端子X0、X1、X2、....，com共点与N个单端输入就可以做N个数字量的输入（N+1个端子），因此我们称此结构为"单端共点"输入。

用户在做外部数字量输入组件的接线时也需要同样的作法，需要将所有输入组件的一端连接在一起，叫输入组件的的外部共线（externalcomconwire）；输入组件的另一端才接到PLC的输入端子X0、X1、X2、....。

如果COM为电源24V+（正极），外部共线就要接24V-（负极），此接法称SINK（sinkCurrent拉电流）输入方式；也称之PLC接口共电源正极。

如果COM为电源24V-（负极），外部共线就要接24V+（正极），此接法称SRCE（sourceCurrent灌电流）输入方式；也称之PLC接口共电源负极。

SINK（sinkCurrent拉电流）输入方式，可接NPN型传感器，即X端口与负极相连。

SRCE（sourceCurrent灌电流）输入方式，可接PNP型传感器。

即X端口与整机极相连。

为了适应各地区的使用习惯,内部公共端子有的厂家的PLC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，结合外部共线接线变化使PLC可以SINK（sinkCurrent拉电流）输入方式，可接NPN型传感器和SRCE（sourceCurrent灌电流）输入方式，可接PNP型传感器。

较采用COM端的PLC更灵活。

S/S端子的发展是为了适用日系与欧系PLC混合使用工控场合,起到通用的作用,S/S端子也称之SINK/SRCE可切换型。

（外部输入组件可以为按钮开关、行程开关、舌簧开关、霍尔开关、接近开关、光电开关、光幕传感器、继电器触点、接触器触电等开关量的元件。

）

　　4.1.1SINK（sinkCurrent拉电流）输入方式

●单端共点SINK输入接线（内部共点端子COM→24V+，外部共线→24V-）。

如图3:

　　4.1.2SRCE（sourceCurrent灌电流）输入方式

●单端共点SRCE输入接线（内部共点端子COM→24V-，外部共线→24V+）。

如图4:

　　4.1.3SINK/SRCE可切换输入方式

　　S/S端子与COM端不同的是,COM是与内部电源正极或负极固定相连，S/S端子是非固定相连的，根据需要才与内部电源或外部电源的正极或者负极相连。

●单端共点SINK输入接线（内部共点端子S/S→24V+，外部共线→24V-）。

●单端共点SRCE输入接线（内部共点端子S/S→24V-，外部共线→24V+）。

　4.1.4：

当有源输入元件（霍尔开关、接近开关、光电开关、光幕传感器等）数量比较多，消耗功率比较大，PLC内置电源不能满足时，需要配置外置电源。

根据需求可以配24VDC，一定功率的开关电源。

外置电源原则上不能与内置电源并联，根据COM与外部共线的特点，SINK（sinkCurrent拉电流）输入方式时，外置电源与内置电源正极相连接；SRCE（sourceCurrent灌电流）输入方式时，外置电源与内置电源负极相连接。

4.1.5：

简单判断SINK（sinkCurrent拉电流）输入方式，只需要Xn端与负极短路，如果接口指示灯亮就说明是SINK输入方式。

共正极的光藕合器，可接NPN型的传感器。

SRCE（sourceCurrent灌电流）输入方式，将Xn端与正极短路，如果接口指示灯亮就说明是SRCE输入方式。

共负极的光藕合器，可接PNP型的传感器。

4.1.6：

对于2线式的开关量输入，如果是无源触点，SINK与SRCE按上图的输入元件接法，对于2线式的接近开关，需要判断接近开关的极性，正确接入。

我公司部分2线式的LJK系列接近开关也有不分极性即可接入接口的，具体参考附带产品说明书。

4.2、超高速双端输入电路

主要用于硬件高速计数器（HHSC）的输入使用，接口电压为5VDC，在应用上为确保高速及高噪音抗性通常采用双线驱动方式（Line-Drive）。

如果工作频率不高与噪音低也可以采用5VDC的单端SINK或者SRCE接法，串联一个限流电阻转换成24VDC的单端SINK或者SRCE接法。

4.2.2、5VDC的单端SINK或者SRCE接法。

注：

24VDC供电的传感器,在输入回路上需要串联限流电阻，R1为10Ω，R2为2KΩ，不串联限流电阻，将烧毁接口回路，限流电阻取值2.7KΩ。

四：

外部输入元件

1：

无源干接点（按钮开关、行程开关、舌簧磁性开关、继电器触点等）

无源干接点比较简单，接线容易。

不存在电源的极性，压降等因素，上图3-6中的输入元件这是此类型。

这里不重复介绍。

2：

有源两线制传感器（接近开关、有源舌簧磁性开关）

有源两线接近开关分直流与交流，此传感器的特点就是两根线，传器输出端导通后，为了保证电路正常工作需要一个保持电压来维持电路工作，通常在3.5-5V的压降，静态泄露电流要小于1mA，这个指标很重要；如果过大，在接近开关没检测信号时，就使PLC的输入端的光电耦合器导通。

我公司的LJK系列两线制接近开关静态泄露电流控制在0.35-0.5mA之间适应各类型PLC。

直流两线制接近开关分二极管极性保护与桥整流极性保护，前者在接PLC时需要注意极性，后者就不需要注意极性。

有源舌簧磁性开关主要用在汽缸上做位置检测，由于需要信号指示，内部有双向二极管回路，因此也不需要注意极性；交流两线制接近开关就不需要注意极性。

如图10：

2.1、单端共点SINK输入接线（内部共点端子COM→24V+，外部共线→24V-）。

如图11

2.2、单端共点SRCE输入接线（内部共点端子COM→24V-，外部共线→24V+）。

如图12:

2.3、S/S端子接法参考图5-图6以及图11-图12。

3：

有源三线传感器（电感接近开关、电容接近开关、霍尔接近开关、光电开关等）

直流有源三制线接近开关与光电开关输出管使用三极管输出，因此传感器分NPN和PNP输出，有的产品是四线制，有双NPN或双PNP，只是状态刚好相反，也有NPN和PNP结合的四线输出。

NPN型当传感器有检测信号VT导通，输出端OUT的电流流向负极，输出端OUT电位接近负极，通常说的高电平翻转成低电平。

PNP型当传感器有检测信号VT导通，正极的电流流向输出端OUT,输出端OUT电位接近正极，通常说的低电平翻转成高电平。

电路中三极管的发射极上的电阻为短路保护采样电阻2-3Ω不影响输出电流。

三极管的集电极的电阻为上拉与下拉电阻，提供输出电位，方便电平接口的电路，另一种输出的三极管集电极开路输出不接上拉与下拉电阻，更多问题可以参考《接近开关、光电开关的输出与负载接口问题》的文章。

简单说当三极管VT导通,相当与一个接点导通，如图13：

3.1单端共点SINK输入接线（内部共点端子COM→24V+，外部共线→24V-）。

如图14:

2.2、单端共点SRCE输入接线（内部共点端子COM→24V-，外部共线→24V+）。

如图15:

2.3、S/S端子接法参考图5-图6、图11-图12以及图14-图15。

五、结束语

PLC输入接口电路形式和外接元件（传感器）输出信号形式的多样性，因此在PLC输入模块接线前必要了解PLC输入电路形式和传感器输出信号的形式，才能确保PLC输入模块接线正确无误，在实际应用中才能游刃有余，后期的编程工作和系统稳定奠定基础。

六、参考文献

1：

《接近开关、光电开关手册》TEOPTO2005年电子版

2：

《FETEK-PLC使用手册》

3：

《MITSUBISHI-PLC手册》

4：

《SIEMENS-PLC手册》

光电开关原理

光电开关的定义：

此种产品以光源为介质、应用光电效应，当光源受物体遮蔽或发生反射、辐射和遮光导致受光量变化来检测对象的有无、大小和明暗，而向产生接点和无接点输出信号的开关元件。

光电开关包括几种类型，自身不具备光源，利用被测物体发射的光的变化量进行检测的；利用自然光对光电开关的照射，物体遮蔽自然光产生的关变化量；光电开关自身具备光源，发射的光源对被检测物体反射、吸收、和透射光的变化量进行检测。

常用的光源为紫外光、可见光、红外光等波段的光源，光源的类型有灯泡、LED、激光管等；输出信号有开关量或模拟量和通讯数据信息等。

光电开关的叫法，主要是输出为开关量的开关元件。

光电传感器的叫法，涵盖了输出开关量、模拟量、通讯数据等。

目前市面光电开关的叫法有分光源、检测形式、用途、结构等命名的。

如：

利用红外光源的叫红外光电开关、红外线光电开关、红外线光电传感器等。

利用自然光的叫光控开关、光电继电器等。

利用激光为光源的叫激光光电开关、激光光电传感器等。

利用检测形式叫热金属检测器，俗称热检等。

利用用途的叫光电距离传感器、安全光幕传感器等。

利用结构的叫光幕传感器等。

这里就简要举几个例子，还有很多的叫法，在此无法一一介绍。

一、光电开关原理与分类

1：

按检测形式的分类

（1）对射式

对射式是由一个发射器与一个接收器相对配置的，发射器发射出的光指向接收器，发射器与接收器之间组成一个闭合光路，通过对光路的光被遮断或光衰减来进行检测的一种检测形式。

这种检测形式作用距离比较长，但需要一个发射器并需要配电；在某些应用场合比如空间狭小，不合适配电的运用上比较麻烦。

如图1a：

图1a

②发射器与接收器一体化，光传输为直流方式的非调制信号，主要小型缝隙光电开关，如U型、C型的槽型光电开关。

如图1b:

图1b

（2）直接反射式

这种方式是把发射器与接收器构为一体，发射器发射的光直接照射到被检测物上，根据反射光的变化情况来进行检测的。

可以说是近似人的眼睛的一种检测器。

与对射式相比作用距离比较短，只需要单线配电即可，属于通用检测器。

如图2：

图2

（3）镜面反射式

①这种方式是把发射器与接收器构为一体，光电开关对置反角矩阵射镜，发射器的光被反射镜后反馈回接收器，光电开关与角矩阵反射镜（多棱镜）形成闭合光路，通过对光路的光被遮断或光衰减来进行检测的一种检测形式，这种检测形式作用距离比对射式短，比直接反射式较长。

只需要单线配电即可，由于采用反射镜光轴的调整比对射式容易；反射镜由多棱镜角矩阵板或微晶玻璃颗粒反射膜等。

如图3a：

图3a

②°，采用互相垂直的偏振光膜片放在双镜头前，所以使用角矩阵反射器，光路闭合。

如果是平面镜或反光率比较的物体（如：

玻璃瓶等）不能改变偏振方向，由它阻挡而产生的反射光不能进入受光器，因此它可以很容易被检测到，从而解决了由它表面反射而它引起的误动作问题。

如图3b:

图3b

（4）辐射光检测形式

通过对被检测物体辐射出的光进行检测的形式。

如用于钢铁行业的对加热的铁辐射出的红外线进行检测的光电开关。

如图4：

图4

（5）限定反射式

这种方式是把发射器与接收器构为一体，发射器与接收器形成一个角度，发射光轴与接收光轴交叉区域灵敏度最佳。

如图5：

图5

（6）夹角式

这种方式是把发射器与接收器构为一体，发射器与接收器形成一个角度，发射光聚焦点与接收光聚焦交叉区域检测物体，用于精细检测，如标记检测等。

如图6：

图6

（7）同轴检测式（单镜头）

这种方式是把发射器与接收器构为一体，发射光通过镀膜的半透明镜片45°折射后通过镜头聚焦发射出去，接收光线通过聚焦镜头入射到接收器，主要用于标志检测。

目前主流的颜色传感器、标志传感器大多采用这样方式。

如图7：

图7

（8）光导纤维式

光导纤维简称光纤，目前光纤式光电开关的光纤基本是两种，一种塑料光纤，价位比较低，普通检测使用；另一种玻璃光纤，价位比较高，一些检测精度比较高的场合。

①：

对射式，把光纤套入发射器，把光纤套入接收器，光纤检测头相对安置。

如图8a：

图8a

②：

直接反射式，发射器与接收器构为一体，把光纤套入发射器与接收器（光纤放大器），光纤头为两根光纤并行，直接检测物体。

如图8b：

图8b

③：

同轴反射，发射器与接收器构为一体，把光纤套入发射器与接收器（光纤放大器）。

光纤头为两根光纤并为一根的形式，发射光纤在中间，接受光纤围着其圆周排列。

可以直接反射与镜面反射，取决于光纤放大器的光学结构。

如图8c：

图8c

2：

按检测方法的分类

（1）光量法

目前大多数光电开关用来检测物体有无的均为光量方式，既光源受物体遮蔽或发生反射、辐射和遮光导致受光量变化来检测对象的有无。

（2）三角测距法

光量方式容易受到物体表面的光洁度、粗糙度、颜色所影响，因此在一些要求比较高的场合就需要采用距离法检测。

（3）激光测量法

由激光器对被测目标发射一个光信号，然后接受目标反射回来的光信号，通过测量光信号往返经过的时间，计算出目标的距离。

3：

按光源种类的分类

光源目前采用的大多是发光二极管（LED），根据不同使用目的的区别使用。

（1）白炽灯式（可见光）

用于需要白光的标志检测器，由于寿命与抗震性能，现在使用比较少。

（2）发光二极管（LED）式（可见光、近红外光）

具有调制容易、寿命长、小型、功耗小、抗震等优点是光电开关理想的光源，可用于各种用途。

（3）荧光式（可见光）

主要用于需要长度的光电系统（图像传感器等）

（4）紫外光式（不可见光）

通过照射紫外线用于检测发生可见光的物体（荧光整理疵点、食品中的异物等）。

（5）气体激光式（可见光）

光束比较强，用于探伤系统、条形码系统、及强光衰减大的场合，如蒸汽、烟雾、火焰等场合。

（6）半导体激光式（红光、近红外光）

具有较强的透射率和容易调制的特性，用于如蒸汽、烟雾、火焰等场合钢铁行业与安防。

4：

按光源调制种类的分类

（1）直流光式

使发射器的光线为不变的直流光，包括白炽灯和用直流驱动的发光二极管。

这种方式有线路简单、响应速度快的特点，但是抗光干扰比较弱，目前仅在较短的距离检测中使用。

（2）调制式

①、脉冲调制式

使发射器发的出光线为具有一定频率的脉冲波，一般称为调制光，采用这种方式除了可以获得峰值很高的光脉冲功率外，还可以对接收器输出采用具有频率选择的交流放大器进行放大，从而减少周围光线和电气噪声的影响，这是目前国内外使用最广的一种方式。

②机械旋转调制式

对光源用棱镜或转盘孔旋转后，提取脉冲信号，如用于区域检测和热金属辐射的扫描检测等。

③、扫描式

将多个发射器与接收器组合，通过同步信号逐一扫描，防止相互干扰。

如用于光幕传感器。

5：

按供电种类的分类

（1）直流式

采用直流电压供电的形式，一般大多采用12-24V（10-30V）的直流电压的供电。

（2）交流式

采用交流电压供电，电压范围为90-240V交流电，满足110VAC与220VAC场合的供电

（3）直流交流混合式

直流电压与交流电压都可以直接接入同一个供电回路的形式，直流电压范围12-240V，交流电压范围24-240V，此形式适应性比较灵活，不需要考虑配电的问题。

6：

按输出种类的分类

（1）三极管NPN输出

（2）三极管PNP输出

（3）三极管NPN与PNP混合输出

（4）固态隔离无触点输出

（5）继电器触点输出

（6）可控硅输出

（7）模拟电压

（8）模拟电流

（9）数据信号

7：

按结构种类的分类

（1）内藏放大器式

即把发光、感光元件和放大电路、信号处理电路、开关驱动电路装配在一个壳体里，接通直流电源就可以获取ON-OFF开关输出，不需要专用放大器，抗噪音能力强，寿命长，电缆线可延长等优点，是主流的一种光电开关。

（2）放大器分离式

这是种早期采用比较多的方式，发光、感光元件装在探头内，用屏蔽线与专用放大器（光电开关主体）连接。

主要是探头可以安装在比较狭小的空间对比较小的物体进行检测，但是有抗噪声能力的问题。

随着技术的发展，内藏放大器式的光电开关的体积越来越小；这种形式采用相对较少，尤其是光纤传感器的发展。

（3）光纤式

这种光电开关是放大器分离式与内藏放大器式结合的产品，通过光纤才传输光信号，光电开关主体上套上光纤线，另一头光纤探头可以对被检测物体进行检测，其优点光纤探头比较小，可以检测比较微小的物体，光纤线传输的只是光信号，所以不用考虑放大器分离式那样需要考虑抗噪声能力的问题。

（4）自控式

这种光电开关是具有一定功能性的。

把发光、感光元件和放大电路、信号处理电路、开关驱动电路、电源、继电器等都装配在一起，接上交流或直流电源就可以工作。

同时还具有其他一些功能如动作信号的延时、光电开关的信号灵敏度调节等。

光电开关工作原理（红外传感器原理）

光电开关是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的。

光电开关在一般情况下，有三部分构成，它们分为：

发送器、接收器和检测电路。

发送器对准目标发射光束，发射的光束一般来源于半导体光源，发光二极管（LED）、激光二极管及红外发射二极管。

光束不间断地发射，或者改变脉冲宽度。

接收器有光电二极管、光电三极管、光电池组成。

在接收器的前面，装有光学元件如透镜和光圈等。

在其后面是检测电路，它能滤出有效信号和应用该信号。

此外，光电开关的结构元件中还有发射板和光导纤维。

三角反射板是结构牢固的发射装置。

它由很小的三角锥体反射材料组成，能够使光束准确地从反射板中返回，具有实用意义。

它可以在与光轴0到25的范围改变发射角，使光束几乎是从一根发射线，经过反射后，还是从这根反射线返回。

分类和工作方式

⑴槽型光电开关

把一个光发射器和一个接收器面对面地装在一个槽的两侧的是槽形光电。

发光器能发出红外光或可见光，在无阻情况下光接收器能收到光。

但当被检测物体从槽中通过时，光被遮挡，光电开关便动作。

输出一个开关控制信号，切断或接通负载电流，从而完成一次控制动作。

槽形开关的检测距离因为受整体结构的限制一般只有几厘米。

⑵对射型光电开关

若把发光器和收光器分离开，就可使检测距离加大。

由一个发光器和一个收光器组成的光电开关就称为对射分离式光电开关，简称对射式光电开关。

它的检测距离可达几米乃至几十米。

使用时把发光器和收光器分别装在检测物通过路径的两侧，检测物通过时阻挡光路，收光器就动作输出一个开关控制信号。

⑶反光板型光电开关

把发光器和收光器装入同一个装置内，在它的前方装一块反光板，利用反射原理完成光电控制作用的称为反光板反射式（或反射镜反射式）光电开关。

正常情况下，发光器发出的光被反光板反射回来被收光器收到；一旦光路被检测物挡住，收光器收不到光时，光电开关就动作，输出一个开关控制信号。

⑷扩散反射型光电开关

它的检测头里也装有一个发光器和一个收光器，但前方没有反光板。

正常情况下发光器发出的光收光器是找不到的。

当检测物通过时挡住了光，并把光部分反射回来，收光器就收到光信号，输出一个开关信号

一、光电开关特点：

1、检测距离长：

与电感式