接近開關在PLC控制系統中運用概述

段軍剛，羅德虎

（河南工程學院，河南 鄭州 450000）

接近開關常用于PLC控制系統中，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操作的開關。當機械運動部件之間達到無機械接觸位置時可以通過產生信號，對控制系統下達連動操作指令。接近開關無觸點而觸發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控制系統多應用接近開關來達到數字化自動控制的目的。接近開關應用PLC控制系統中最大的優點是通過無觸點接觸測量以適應各種不同類型的控制系統并且完成使命，對于不同領域的應用項目需求而言是極其高效的運用類型。

1 接近開關類型概述

1.1 電感式接近開關概述

電感式接近開關亦稱渦流式接近開關，其工作原理是利用導電物體作為機械運動部件的被測物體，通常是金屬導體，而開關本身是有振蕩電路線圈的位置傳感器，金屬導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頭中產生高頻交流磁場，高頻交流磁場再經過傳感器的感應面釋放出輸出磁場，從而使金屬導體內部產生渦流，渦流反作用于接近開關中的開關放大器導致內部電路參數產生衰減變動，信號觸發器則負責探測電路參數的衰減現象，以確定金屬導體接近距離并及時轉換成電信號，由電信號控制開關的啟閉活動。由于電感式接近開關對金屬導體檢測的特征，因此當前PLC控制系統中電感式接近開關常用于工作狀態處于干燥環境下的工業控制領域。

1.2 電容式接近開關概述

電容式接近開關工作原理是利用構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，當兩個極板相互接近時，測量頭上的等效電容會發生變化，從而使二者的介電常數發生變化，該常數變化會被信號觸發器所探測，信號探測器產生并發送電信號控制開關的啟閉活動。由于電容極板的材料并不限于金屬導體，所以電容式接近開關可以應用除金屬導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方面信號觸發器具有更高的靈敏度，一般都通過對多圈電位器的調節可以對電容式接近開關的靈敏度進行調整，所以當前PLC控制系統中常用于對靜電、粉塵現象較為敏感的工業控制領域。

1.3 霍爾接近開關概述

霍爾接近開關屬于一種磁性接近開關，其工作原理是利用霍爾效應原理而設計的一種有源磁/電轉換器件，其內部開關部分設置磁鋼，輸入端設置磁感應器，當磁感應達到一定強度時會在磁力作用下使觸發器發生翻轉，例如磁性物件移近檢測面上的磁鋼，磁鋼發生霍爾效應，改變接近開關的輸出電平狀態，從而使內部電路狀態發生改變，磁輸入信號通過輸出端的晶體管轉換成電信號。霍爾接近開關的感應距離與所選磁鋼有較強關系，因此具有較高的響應頻率，具有無觸電、低功耗、長使用壽命、響應頻率高等特點，其內部為分子化合物集成封裝成一體化結構，具有較強的耐腐蝕性，適應相對惡劣的工作環境，例如高溫高壓、連續工作狀態等。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的敏感性也有較強的影響。

2 PLC控制系統簡介與發展狀況概述

2.1 PLC控制系統概述

PLC控制系統當前比較普遍的定義是“數字化運作電子系統”，是信息化技術在電子控制系統中的應用與技術進步。PLC控制系統采用信息化存儲器進行程序的編制與運營管理，在當前還擴展了大數據和機器學習方法，能夠做到定時控制、采集信息、發出指令、模擬過程、模塊化技術等自動化操作過程，由于PLC控制系統關聯到工業生產中的諸多控制器，對于提高工業生產方面的效率幫助非常之大，比傳統的電子化控制系統更為方便快捷、通用性好、環境適應性強、抗干擾性能優良，具有較強的搭載能力和可塑性。當前PLC控制系統的核心是CPU、可視化顯示屏、電源、內存條塊等計算機數字設備，這些計算機設備具有可編程解碼功能，并可作為計算機終端進行遠程控制，使工業控制系統從繼電器為主的電子時代跨越到編碼程序為主的數控時代。

2.2 PLC控制系統的發展狀況

PLC控制系統的發展是隨著計算機技術與信息化網絡的發展而穩步前進的，歐美國家由于計算機和信息技術起步較早，因此也較早發明了PLC控制系統很并應用于被工業生產領域，逐步擴大了控制系統市場份額并代替了繼電器控制系統，基本上實現了控制系統的更新換代，目前較為著名的生產商有以色列的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世紀微電子工業的快速進步，PLC控制系統能夠搭載運算更為快速的專用芯片，PLC控制系統產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中起到了提高生產效率、降低故障率的重要作用，被譽為從設計到生產協調一體化的現代化控制系統。在當前PLC控制系統呈現進一步數字化趨勢，通過搭載物聯化的終端控制元件使得整個系統的效率進一步提升，在自動化、智能化方面對電子行業和信息行業的融合使PLC控制系統一定程度上代表了工業數控技術的發展方向。當前我國和國際上都加緊了對PLC控制系統方面的技術研究與競爭，并將PLC控制系統與接近開關進一步設計為相對完整的現代化系統設備，但與主要發達國家相比，我國PLC控制系統起步較晚，研究與生產周期相對較短，產品還不夠完善。

2.3 影響PLC控制系統可靠性的因素

PLC控制系統的智能化設備一般由中央處理器（CPU）、主機箱、擴展機箱、帶有通信協議的內部網絡、外部網關設備等組成部分，電子化設備由開關、接觸器、繼電器、安全保護、信號線、保護線等構成，可見智能化設備與電子化設備共通構成了PLC控制系統的統一整體，兩個大類的設備相互協調與架構系統工作。與傳統的電子繼電器控制系統相比，根據數據表明，PLC控制系統的故障率要比電子繼電器控制系統低3%~5%，具有更高的安全行、可靠性，其中系統性故障僅為7%，生產設備部分故障占93%，可見PLC控制系統可靠性的關鍵因素在于對智能化設備的輸入和輸出部分進行考察和評估。接近開關是主要的輸入和輸出部分，因此其質量和靈敏度對PLC控制系統的可靠性設計具有重要意義，有利于控制系統設計成本加，提高系統運行可靠性、降低系統維護和運行費用。

3 接近開關在項目中的應用

3.1 接近開關在PLC應用開關量控制中的運用

PLC控制系統中對開關量的控制很大程度上影響了系統的可靠性，其對接近開關的控制能力基于繼電器控制系統動作而進行革新，通過CPU進行集中控制并將順序控制器公式植入程序編制，因此其系統設計兼具了信息科學的規范性，通過信息采集及反饋能夠理想地達到應用開關量控制接近開關從而完成智能啟閉。例如在大型廣告屏的日常運營方面應用PLC應用開關量控制對一個雄鷹展翅的畫面與實務模型進行同步操作，只需要對應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的s7-200PLC控制系統中處理。同時可以在雄鷹模型的翅膀上通過設計開收點位，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安裝好并將兩個繼電器的常開輔助觸點中的接近開關接入PLC控制系統，調試好感測距離，當分別接近輸入端口時，控制信號產生，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當中，因此在PLC控制系統中屬于較為廣泛的一種應用方式。其初步設計為向電機繞組發出脈沖來確定步進電機的位移情況，根據位移情況搭載接近開關以實現位置控制。實際應用時可靈活運用信號燈、繼電器線圈、數字量輸入模塊等作為負載。以電容式接近開關接負載方法為例，例如一只NPN型接近開關在其負載端要接黑或白色信號線，反向端接電源正極以防止NPN型接近開關輸出信號電平過低，防止出現信號感應器敏感度不足導致無法啟閉。同理PNP型接近開關則要將負載端與電源負極相連，防止負載兩端出現壓降導致輸出信號不能生成與正常發出。

3.3 接近開關在PLC模擬量控制中的運用

PLC控制系統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，通過已經編寫的邏輯程序控制系統功能執行模塊指令，能夠實現敏捷、精準的批量化系統控制，應用選型合適的接近開關能夠提高整體系統的抗干擾能力、為控制設計與維護提供非常大的方便。例如某電子設備生產項目的PLC控制系統中選取敏感性較高的光電模塊，由于室內具有一定的溫度條件，使的光電式接近開關在-5~+55 ℃環境溫度中保持動作敏捷性與穩定性，系統數字量輸入接口設置光電耦合器，采用單端共點設計，公共輸入端電源流從輸入模塊流出進入正極共點，從負極共點流出。

3.4 接近開關在PLC電動機變頻調速控制中的運用

在以電機驅動為主的工業生產實務當中，PLC控制系統中通過變頻器對電機的工作黃臺進行控制，包括運轉、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。在加入電壓平滑電路后，還可以對PWM指令里的T數值進行設置從而對轉速進行控制，這時接近開關主要通過接受輸出電壓文波而對轉速進行調整，從而控制脈沖周期的大小。例如電容式接近開關在PLC控制系統中主要通過自動調節T數值與脈沖周期的正比例關系進行動作，當前我國已經開始在數字化設備中應用自動控制設備進行電機工作數據的自動收集與信息反饋，在中央集中控制系統對電機的工作狀態分析基礎上對電機工作效率進行調節，在T數值或脈沖周期維持較高水平時對電容式接觸開關發出指令，通過啟閉動作下調電機轉速，反之則進行上調。除此之外，我國一些知名自動化公司還對DCS系統進行了產品設計與技術研發，進一步加強了電容式接近開關的應用率，使得電容式接近開關的市場占有率有了趕超電感式接近開關的趨勢。

3.5 接近開關在PLC系統集中控制中的運用

PLC控制系統中除了能夠對工業生產過程實現自動化控制意外，其內部也有設置系統集中控制模塊，可以對自身系統進行控制，例如工作狀態監測功能、組件故障預警功能、設備狀態顯示功能，等等。PLC系統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以完成系統監控動作，一般采用敏感性較高的光電式接近開關，系統控制器可以對機床設備的執工序行進行時間設定，并根據定時器做出自動啟閉動作，除此之外，當系統在檢測環節中當發現了設備運行故障后，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，由集中控制系統進行分析并組織動作。

4 結束語

通過對常見的接近開關類型與工作原理進行闡述，并對PLC控制系統的發展史及影響因素進行了分析，以實際項目在PLC控制系統中搭載接近開關并對其輸入、輸出、負載情況進行分析及說明，揭示了合理的負載連接方法及接近開關選型的重要性。綜上所述，接近開關在PLC控制系統中的應用范圍十分廣泛，廣泛應用于各種工業控制系統，在民用設備設施的應用中也有著十分重要的地位，例如自動門、旋轉門、開閉所、制冷設備等自動及半自動控制設備及場所的貢獻都十分突出，需要根據設備設施的工作環境和條件進行接近開關的選型，在PLC控制系統中要充分考慮接近開關的結構和材料，并確保設備要求及技術參數的準確性。