PLC的數字量I/O連接之電流回路分析法

李中帥

（中山職業技術學院 機電工程學院，廣東 中山 528404）

PLC的數字量I/O連接之電流回路分析法

李中帥

（中山職業技術學院 機電工程學院，廣東 中山 528404）

針對PLC的數字量I/O連接問題，文章從電流流向及有效電平的概念入手，摒棄“源型漏型”的說法，提出“放之四海而皆準”的電流回路分析法，結合不同廠家的PLC與變頻器具體連接實例說明該方法的應用，對PLC的數字量I/O連接達到有效的指導。

PLC；I/O連接；電流回路法；有效電平

很多教材或網絡上關于PLC的數字量I/O連接方法，往往說明的不夠徹底，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型傳感器之類的話，筆者認為有誤導讀者的嫌疑，并未從本質上說明和解決問題。特別對于一些理論基礎薄弱的讀者來說，僅記住某種情況下的連接方法，當遇到新的情況時又束手無策！況且，各大PLC廠商的手冊對這一問題說明并非一致的，例如兩大主流PLC品牌三菱與西門子對輸入端子連接的源型、漏型的說法正好就是對立的。

1 光耦與MOSFET

適當的了解PLC輸入輸出接口電路的結構，就能從本質上掌握PLC接入傳感器、控制變頻器或驅動器等負載的方法。下文中簡要介紹PLC輸入輸出電路常用的關鍵器件：光耦合器與MOSFET。

為了減小干擾和保護PLC，PLC的輸入輸出電路中一般采用光耦對輸入、輸出電信號進行隔離。光耦一般有兩個用途：線性光耦和邏輯光耦。PLC的數字量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：光的發射、光的接收及信號放大。輸入的電信號驅動發光二極管（LED），使之發出一定波長的光，被光探測器接收而產生光電流，再經過進一步放大后輸出。這就完成了電—光—電的轉換，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，電信號傳輸具有單向性等特點，因而具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力。

業界針對PLC的特殊用途開發了PLC專用雙極性輸入光耦，如東芝公司光耦芯片TLP2395、TLP2398。

場效應管（MOSFET）、三極管同屬于晶體管，就開關性能來說，前者優于后者，且前者具有一定的驅動功率、開關速度快，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，但是這款在中國銷售的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。通過拆解電路，筆者發現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，它只能向某個輸入端（如X0）提供低電平（0V）才算有效的輸入。因為NPN型傳感器動作時信號端提供的是低電平，所以這類PLC只能連接NPN型傳感器。

其實，在圖1中若短接JP3位置，JP1、JP2斷開的情形，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，西門子S7-200系列PLC的輸入端均可以連接NPN型或PNP型傳感器。當然，共用一個公共端（1M、2M）的同一組輸入端子只能連接同一類型傳感器。

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，如圖3所示，電流流出的稱為漏型輸入，電流流入的稱為源型輸入。

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，如圖4所示，電流流出的稱為源型輸入，電流流入的稱為漏型輸入。

可以看出三菱PLC與西門子PLC對輸入的漏、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用中會相互混淆。僅憑記憶不靠譜，我們應另尋出路。

仔細思考一下，什么是有效的輸入？點亮相應輸入點光耦的發光二極管就代表有輸入。“發光”其本質是有電流流過，有電流流過則必須形成電流回路。用另外一種說法，在圖3（a）中給輸入端子提供低電平（0V），則光耦的發光二極管能夠點亮，即是有效的輸入；在圖3（b）中給輸入端子提供高電平（0V），則光耦的發光二極管能夠點亮，即是有效的輸入。因此，向PLC的輸入端子提供有效的電平構成電流回路點亮光耦的發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→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→X→光耦→S/S→0V。

圖3 三菱PLC輸入的漏、源型定義

圖4 西門子PLC輸入的漏、源型定義

筆者將這種方法稱之為電流回路分析法。此說法并非什么新鮮術語，而正是源于電工基礎或電路分析此類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生和工程人員應該打好堅實的基礎。

以FX3U系列PLC為例，應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，電流流向為24V→S/S→光耦→X0→傳感器OUT端→傳感器CE結→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，電流流向為24V→傳感器CE結→X0→傳感器信號輸出端→光耦→S/S→0V。

4 PLC輸出接口連接實例

（1）西門子PLC輸出接口電路。圖6為西門子PLC典型的信號源輸出方式，輸出有效時輸出端子（如Q.00）向外提供高電平。以下，運用電流回路分析法完成西門子PLC驅動三菱變頻器多段速運行的連接。

圖6 S7-200系列PLC輸出接口電路

圖7 多段速運行連接

（2）S7-200 PLC驅動三菱變頻器的連接。首先應該明確的是，西門子S7-200的輸出端子（如Q0.0）是高電平輸出有效的。Q0.0應處于電路中電位最高處，接下去流入相應變頻器的控制端子（如STF），再流過變頻器內部的限流電阻和雙向光耦，最后從變頻器公共端子SD流出，參見圖7。注意三菱變頻器上的SINK位置的跳線塊應拆除并改至SOURCE，這一點讀者可運用電流回路法自行分析得出。

可見，電流回路分析法同樣適用于PLC輸出端子連接時的分析。

5 結語

一般來說，在現代的電氣控制系統當中所用的PLC、變頻器、伺服驅動器等工控產品的輸入端子均設計使用了雙向光耦芯片。在實際做工程時，可以不再去記憶“漏源型”概念和一些固定連接方法，只要根據產品的說明手冊，遵循電流回路分析法，PLC與各種工控產品輸入輸出端子的連接方法就會變得靈活而又簡單。

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

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

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

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

［5］三菱電機自動化（上海）有限公司.三菱通用變頻器FR-E700使用手冊（應用篇）［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應用等方面的教學與研究工作。