接近开关在PLC控制系统中运用概述

段军刚，罗德虎

（河南工程学院，河南 郑州 450000）

接近开关常用于PLC控制系统中，其工作原理是与机械运动部件之间通过运动距离的无限接近同时触发操作的开关。当机械运动部件之间达到无机械接触位置时可以通过产生信号，对控制系统下达连动操作指令。接近开关无触点而触发控制信号的装置特点等同于位移传感器工作原理，机械运动部件的移近和位移传感器达到感知的距离即检出距离，因此PLC控制系统多应用接近开关来达到数字化自动控制的目的。接近开关应用PLC控制系统中最大的优点是通过无触点接触测量以适应各种不同类型的控制系统并且完成使命，对于不同领域的应用项目需求而言是极其高效的运用类型。

1 接近开关类型概述

1.1 电感式接近开关概述

电感式接近开关亦称涡流式接近开关，其工作原理是利用导电物体作为机械运动部件的被测物体，通常是金属导体，而开关本身是有振荡电路线圈的位置传感器，金属导体机械运动接近信号传感器时，信号传感器上的LC高频振荡器上的感应头中产生高频交流磁场，高频交流磁场再经过传感器的感应面释放出输出磁场，从而使金属导体内部产生涡流，涡流反作用于接近开关中的开关放大器导致内部电路参数产生衰减变动，信号触发器则负责探测电路参数的衰减现象，以确定金属导体接近距离并及时转换成电信号，由电信号控制开关的启闭活动。由于电感式接近开关对金属导体检测的特征，因此当前PLC控制系统中电感式接近开关常用于工作状态处于干燥环境下的工业控制领域。

1.2 电容式接近开关概述

电容式接近开关工作原理是利用构成电容器的极板作为信号传感器的测量头，而机械运动部件则起到另一个极板的作用，当两个极板相互接近时，测量头上的等效电容会发生变化，从而使二者的介电常数发生变化，该常数变化会被信号触发器所探测，信号探测器产生并发送电信号控制开关的启闭活动。由于电容极板的材料并不限于金属导体，所以电容式接近开关可以应用除金属导体以外的绝缘体或液体、粉状物体等作为机械运动部件的被测物体，而且在检测介电常数方面信号触发器具有更高的灵敏度，一般都通过对多圈电位器的调节可以对电容式接近开关的灵敏度进行调整，所以当前PLC控制系统中常用于对静电、粉尘现象较为敏感的工业控制领域。

1.3 霍尔接近开关概述

霍尔接近开关属于一种磁性接近开关，其工作原理是利用霍尔效应原理而设计的一种有源磁/电转换器件，其内部开关部分设置磁钢，输入端设置磁感应器，当磁感应达到一定强度时会在磁力作用下使触发器发生翻转，例如磁性物件移近检测面上的磁钢，磁钢发生霍尔效应，改变接近开关的输出电平状态，从而使内部电路状态发生改变，磁输入信号通过输出端的晶体管转换成电信号。霍尔接近开关的感应距离与所选磁钢有较强关系，因此具有较高的响应频率，具有无触电、低功耗、长使用寿命、响应频率高等特点，其内部为分子化合物集成封装成一体化结构，具有较强的耐腐蚀性，适应相对恶劣的工作环境，例如高温高压、连续工作状态等。但其机械运动检测对象必须具有磁性，因此外部磁场对于霍尔接近开关的敏感性也有较强的影响。

2 PLC控制系统简介与发展状况概述

2.1 PLC控制系统概述

PLC控制系统当前比较普遍的定义是“数字化运作电子系统”，是信息化技术在电子控制系统中的应用与技术进步。PLC控制系统采用信息化存储器进行程序的编制与运营管理，在当前还扩展了大数据和机器学习方法，能够做到定时控制、采集信息、发出指令、模拟过程、模块化技术等自动化操作过程，由于PLC控制系统关联到工业生产中的诸多控制器，对于提高工业生产方面的效率帮助非常之大，比传统的电子化控制系统更为方便快捷、通用性好、环境适应性强、抗干扰性能优良，具有较强的搭载能力和可塑性。当前PLC控制系统的核心是CPU、可视化显示屏、电源、内存条块等计算机数字设备，这些计算机设备具有可编程解码功能，并可作为计算机终端进行远程控制，使工业控制系统从继电器为主的电子时代跨越到编码程序为主的数控时代。

2.2 PLC控制系统的发展状况

PLC控制系统的发展是随着计算机技术与信息化网络的发展而稳步前进的，欧美国家由于计算机和信息技术起步较早，因此也较早发明了PLC控制系统很并应用于被工业生产领域，逐步扩大了控制系统市场份额并代替了继电器控制系统，基本上实现了控制系统的更新换代，目前较为著名的生产商有以色列的MANET公司、德国MVV公司、德国西门子公司、美国lntelogis公司、瑞典的CJInternational公司等。随着进入20世纪微电子工业的快速进步，PLC控制系统能够搭载运算更为快速的专用芯片，PLC控制系统产品的更新迭代速度进一步提高，其需求量越来越大，尤其是在微电子行业中起到了提高生产效率、降低故障率的重要作用，被誉为从设计到生产协调一体化的现代化控制系统。在当前PLC控制系统呈现进一步数字化趋势，通过搭载物联化的终端控制元件使得整个系统的效率进一步提升，在自动化、智能化方面对电子行业和信息行业的融合使PLC控制系统一定程度上代表了工业数控技术的发展方向。当前我国和国际上都加紧了对PLC控制系统方面的技术研究与竞争，并将PLC控制系统与接近开关进一步设计为相对完整的现代化系统设备，但与主要发达国家相比，我国PLC控制系统起步较晚，研究与生产周期相对较短，产品还不够完善。

2.3 影响PLC控制系统可靠性的因素

PLC控制系统的智能化设备一般由中央处理器（CPU）、主机箱、扩展机箱、带有通信协议的内部网络、外部网关设备等组成部分，电子化设备由开关、接触器、继电器、安全保护、信号线、保护线等构成，可见智能化设备与电子化设备共通构成了PLC控制系统的统一整体，两个大类的设备相互协调与架构系统工作。与传统的电子继电器控制系统相比，根据数据表明，PLC控制系统的故障率要比电子继电器控制系统低3%~5%，具有更高的安全行、可靠性，其中系统性故障仅为7%，生产设备部分故障占93%，可见PLC控制系统可靠性的关键因素在于对智能化设备的输入和输出部分进行考察和评估。接近开关是主要的输入和输出部分，因此其质量和灵敏度对PLC控制系统的可靠性设计具有重要意义，有利于控制系统设计成本加，提高系统运行可靠性、降低系统维护和运行费用。

3 接近开关在项目中的应用

3.1 接近开关在PLC应用开关量控制中的运用

PLC控制系统中对开关量的控制很大程度上影响了系统的可靠性，其对接近开关的控制能力基于继电器控制系统动作而进行革新，通过CPU进行集中控制并将顺序控制器公式植入程序编制，因此其系统设计兼具了信息科学的规范性，通过信息采集及反馈能够理想地达到应用开关量控制接近开关从而完成智能启闭。例如在大型广告屏的日常运营方面应用PLC应用开关量控制对一个雄鹰展翅的画面与实务模型进行同步操作，只需要对应用软件中的雄鹰建模翅膀进行“开”和“收”的信号采集、镜头切换与监控既可，软件模型与电脑屏幕上的图案信息同步，可利用定时软件或视频软件进行雄鹰翅膀的开与收作一信号采集，采集后的信号自动上传到西门子公司生产的s7-200PLC控制系统中处理。同时可以在雄鹰模型的翅膀上通过设计开收点位，将两个工作电压为24 V，输出额定电流为300 mA、中间继电器额定电流为40 mA的NPN型常开电感式接近开关安装好并将两个继电器的常开辅助触点中的接近开关接入PLC控制系统，调试好感测距离，当分别接近输入端口时，控制信号产生，中间继电器线圈得电，常开辅助触点闭合，雄鹰模型的展翅活动与计算机软件显示同步一致。

3.2 接近开关在PLC位置控制中的运用

位置控制常见于步进电动机控制作业当中，因此在PLC控制系统中属于较为广泛的一种应用方式。其初步设计为向电机绕组发出脉冲来确定步进电机的位移情况，根据位移情况搭载接近开关以实现位置控制。实际应用时可灵活运用信号灯、继电器线圈、数字量输入模块等作为负载。以电容式接近开关接负载方法为例，例如一只NPN型接近开关在其负载端要接黑或白色信号线，反向端接电源正极以防止NPN型接近开关输出信号电平过低，防止出现信号感应器敏感度不足导致无法启闭。同理PNP型接近开关则要将负载端与电源负极相连，防止负载两端出现压降导致输出信号不能生成与正常发出。

3.3 接近开关在PLC模拟量控制中的运用

PLC控制系统中的是模拟量控制模块的主要工作原理是基于控制对象特征，通过已经编写的逻辑程序控制系统功能执行模块指令，能够实现敏捷、精准的批量化系统控制，应用选型合适的接近开关能够提高整体系统的抗干扰能力、为控制设计与维护提供非常大的方便。例如某电子设备生产项目的PLC控制系统中选取敏感性较高的光电模块，由于室内具有一定的温度条件，使的光电式接近开关在-5~+55 ℃环境温度中保持动作敏捷性与稳定性，系统数字量输入接口设置光电耦合器，采用单端共点设计，公共输入端电源流从输入模块流出进入正极共点，从负极共点流出。

3.4 接近开关在PLC电动机变频调速控制中的运用

在以电机驱动为主的工业生产实务当中，PLC控制系统中通过变频器对电机的工作黄台进行控制，包括运转、提速、限速等命令通过向变频器中加入电压平滑电路而实现。在加入电压平滑电路后，还可以对PWM指令里的T数值进行设置从而对转速进行控制，这时接近开关主要通过接受输出电压文波而对转速进行调整，从而控制脉冲周期的大小。例如电容式接近开关在PLC控制系统中主要通过自动调节T数值与脉冲周期的正比例关系进行动作，当前我国已经开始在数字化设备中应用自动控制设备进行电机工作数据的自动收集与信息反馈，在中央集中控制系统对电机的工作状态分析基础上对电机工作效率进行调节，在T数值或脉冲周期维持较高水平时对电容式接触开关发出指令，通过启闭动作下调电机转速，反之则进行上调。除此之外，我国一些知名自动化公司还对DCS系统进行了产品设计与技术研发，进一步加强了电容式接近开关的应用率，使得电容式接近开关的市场占有率有了赶超电感式接近开关的趋势。

3.5 接近开关在PLC系统集中控制中的运用

PLC控制系统中除了能够对工业生产过程实现自动化控制意外，其内部也有设置系统集中控制模块，可以对自身系统进行控制，例如工作状态监测功能、组件故障预警功能、设备状态显示功能，等等。PLC系统集中控制可以通过限时检测、逻辑错误检测等工作方法搭载接近开关以完成系统监控动作，一般采用敏感性较高的光电式接近开关，系统控制器可以对机床设备的执工序行进行时间设定，并根据定时器做出自动启闭动作，除此之外，当系统在检测环节中当发现了设备运行故障后，定时器也可以将其输出信号用作于启动报警信号以及自动停机信号回馈给集中控制系统，由集中控制系统进行分析并组织动作。

4 结束语

通过对常见的接近开关类型与工作原理进行阐述，并对PLC控制系统的发展史及影响因素进行了分析，以实际项目在PLC控制系统中搭载接近开关并对其输入、输出、负载情况进行分析及说明，揭示了合理的负载连接方法及接近开关选型的重要性。综上所述，接近开关在PLC控制系统中的应用范围十分广泛，广泛应用于各种工业控制系统，在民用设备设施的应用中也有着十分重要的地位，例如自动门、旋转门、开闭所、制冷设备等自动及半自动控制设备及场所的贡献都十分突出，需要根据设备设施的工作环境和条件进行接近开关的选型，在PLC控制系统中要充分考虑接近开关的结构和材料，并确保设备要求及技术参数的准确性。