關(guān)于PLC輸出類型的選擇及使用中的注意事項(xiàng)

關(guān)于PLC輸出類型的選擇及使用中的注意事項(xiàng)

本文簡(jiǎn)要比較了PLC的繼電器和晶體管兩種輸出類型的工作原理及特點(diǎn),提出了在選型和使用中應(yīng)注意的事項(xiàng)。
關(guān)鍵詞：PLC輸出類型、繼電器、晶體管

1．引言

PLC的輸出類型有繼電器和晶體管兩種類型，兩者的工作參數(shù)差別較大，使用前需加以區(qū)別，以免誤用而導(dǎo)致產(chǎn)品損壞。本文簡(jiǎn)要介紹了繼電器和晶體管輸出的特點(diǎn)及使用中的注意事項(xiàng)。

2． 繼電器和晶體管輸出工作原理

繼電器是一種電子控制器件，它具有控制系統(tǒng)（又稱輸入回路）和被控制系統(tǒng)（又稱輸出回路），通常應(yīng)用于自動(dòng)控制電路中，它實(shí)際上是用較小的電流去控制較大電流的一種“自動(dòng)開關(guān)”。電磁式繼電器一般由鐵芯、線圈、銜鐵、觸點(diǎn)簧片等組成的（如圖1所示）。只要在線圈兩端加上一定的電壓，線圈中就會(huì)流過一定的電流，從而產(chǎn)生電磁效應(yīng)，銜鐵就會(huì)在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力吸向鐵芯，從而帶動(dòng)銜鐵的動(dòng)觸點(diǎn)與靜觸點(diǎn)（常開觸點(diǎn)）吸合。當(dāng)線圈斷電后，電磁的吸力也隨之消失，銜鐵就會(huì)在彈簧的反作用力返回原來(lái)的位置，使動(dòng)觸點(diǎn)與原來(lái)的靜觸點(diǎn)（常閉觸點(diǎn)）吸合。這樣吸合、釋放，從而達(dá)到了在電路中的導(dǎo)通、切斷的目的。從繼電器的工作原理可以看出，它是一種機(jī)電元件，通過機(jī)械動(dòng)作來(lái)實(shí)現(xiàn)觸點(diǎn)的通斷，是有觸點(diǎn)元件。

圖1 電磁式繼電器結(jié)構(gòu)圖

晶體管是一種電子元件，它是通過基極電流來(lái)控制集電極與發(fā)射極的導(dǎo)通。它是無(wú)觸點(diǎn)元件。

3． 繼電器與晶體管輸出的主要差別

由于繼電器與晶體管工作原理的不同，導(dǎo)致了兩者的工作參數(shù)存在了較大的差異，下面以艾默生EC系列PLC相關(guān)數(shù)據(jù)為例進(jìn)行比較說(shuō)明（輸出口主要規(guī)格參見表1）

（1）驅(qū)動(dòng)負(fù)載不同

繼電器型可接交流220V或直流24V負(fù)載，沒有極性要求；晶體管型只能接直流24V負(fù)載，有極性要求。

繼電器的負(fù)載電流比較大可以達(dá)到2A，晶體管負(fù)載電流為0.2-0.3A。同時(shí)與負(fù)載類型有關(guān)，具體參見表1。

表1 輸出端口規(guī)格

（2）響應(yīng)時(shí)間不同

繼電器響應(yīng)時(shí)間比較慢（約10ms-20ms），晶體管響應(yīng)時(shí)間比較快，約0.2ms-0.5ms，Y0、Y1甚至可以達(dá)到10 us。

（3）使用壽命不同

繼電器由于是機(jī)械元件受到動(dòng)作次數(shù)的壽命限制，且與負(fù)載容量有關(guān)，詳見表2，從表中可以看出，隨著負(fù)載容量的增加，觸點(diǎn)壽命幾乎按級(jí)數(shù)減少。晶體管是電子原件只有老化，沒有使用壽命限制。

表2 繼電器使用壽命

4．繼電器與晶體管輸出選型原則

繼電器型輸出驅(qū)動(dòng)電流大，響應(yīng)慢，有機(jī)械壽命，適用于驅(qū)動(dòng)中間繼電器、接觸器的線圈、指示燈等動(dòng)作頻率不高的場(chǎng)合。晶體管輸出驅(qū)動(dòng)電流小，頻率高，壽命長(zhǎng)，適用于控制伺服控制器、固態(tài)繼電器等要求頻率高、壽命長(zhǎng)的應(yīng)用場(chǎng)合。在高頻應(yīng)用場(chǎng)合，如果同時(shí)需要驅(qū)動(dòng)大負(fù)載，可以加其他設(shè)備（如中間繼電器，固態(tài)繼電器等）方式驅(qū)動(dòng)。

5． 驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載的影響

圖2 驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載時(shí)產(chǎn)生的瞬間高壓

繼電器控制接觸器等感性負(fù)載的開合瞬間，由于電感具有電流具有不可突變的特點(diǎn)，因此根據(jù)U=L*(dI/dt)，將產(chǎn)生一個(gè)瞬間的尖峰電壓在繼電器的兩個(gè)觸點(diǎn)之間，該電壓幅值超過繼電器的觸點(diǎn)耐壓的降額；繼電器采用的電磁式繼電器，觸點(diǎn)間的耐受電壓是1000V（1min），若觸點(diǎn)間的電壓長(zhǎng)期的工作在1000V左右的話，容易造成觸點(diǎn)金屬遷移和氧化，出現(xiàn)接觸電阻變大、接觸不良和觸點(diǎn)粘接的現(xiàn)象。而且動(dòng)作頻率越快現(xiàn)象越嚴(yán)重。瞬間高壓如下圖2所示，持續(xù)的時(shí)間在1ms以內(nèi)，幅值為1KV以上。晶體管輸出為感性負(fù)載時(shí)也同樣存在這個(gè)問題，該瞬時(shí)高壓可能導(dǎo)致晶體管的損壞。

因此當(dāng)驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載時(shí)應(yīng)在負(fù)載兩端接入吸收保護(hù)電路。當(dāng)驅(qū)動(dòng)直流回路的感性負(fù)載（如繼電器線圈）時(shí)，用戶電路需并聯(lián)續(xù)流二極管（需注意二極管極性）；若驅(qū)動(dòng)交流回路的感性負(fù)載時(shí)，用戶電路需并聯(lián)RC浪涌吸收電路，以保護(hù)PLC的輸出觸點(diǎn)。PLC輸出觸點(diǎn)的保護(hù)電路如圖3所示。

圖3 PLC輸出觸點(diǎn)的保護(hù)電路

6． 使用中應(yīng)注意的事項(xiàng)

目前市場(chǎng)上經(jīng)常出現(xiàn)繼電器問題的客戶現(xiàn)場(chǎng)有一個(gè)共同的特點(diǎn)就是：出現(xiàn)故障的輸出點(diǎn)動(dòng)作頻率比較快，驅(qū)動(dòng)的負(fù)載都是繼電器、電磁閥或接觸器等感性負(fù)載而且沒有吸收保護(hù)電路。因此建議在PLC輸出類型選擇和使用時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

（1） 一定要關(guān)注負(fù)載容量。輸出端口須遵守允許最大電流限制（如表1所示），以保證輸出端口的發(fā)熱限制在允許范圍。繼電器的使用壽命與負(fù)載容量有關(guān)，當(dāng)負(fù)載容量增加時(shí)，觸點(diǎn)壽命將大大降低（如表2所示），因此要特別關(guān)注。

（2） 一定要關(guān)注負(fù)載性質(zhì)。根據(jù)第4節(jié)的分析，感性負(fù)載在開合瞬間會(huì)產(chǎn)生瞬間高壓，因此表面上看負(fù)載容量可能并不大，但是實(shí)際上負(fù)載容量很大，繼電器的壽命將大大縮短，因此當(dāng)驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載時(shí)應(yīng)在負(fù)載兩端接入吸收保護(hù)電路。尤其在工作頻率比較高時(shí)務(wù)必增加保護(hù)電路。從客戶的使用情況來(lái)看，增加吸收保護(hù)電路后的改善效果十分明顯。

根據(jù)電容的特性，如果直接驅(qū)動(dòng)電容負(fù)載，在導(dǎo)通瞬間將產(chǎn)生沖擊浪涌電流，因此原則上輸出端口不宜接入容性負(fù)載，若有必要，需保證其沖擊浪涌電流小于規(guī)格（見表1）說(shuō)明中的最大電流。

（3） 一定要關(guān)注動(dòng)作頻率。當(dāng)動(dòng)作頻率較高時(shí)，建議選擇晶體管輸出類型，如果同時(shí)還要驅(qū)動(dòng)大電流則可以使用晶體管輸出驅(qū)動(dòng)中間繼電器的模式。當(dāng)控制步進(jìn)電機(jī)/伺服系統(tǒng)，或者用到高速輸出/PWM波，或者用于動(dòng)作頻率高的節(jié)點(diǎn)等場(chǎng)合，只能選用晶體管型。PLC對(duì)擴(kuò)展模塊與主模塊的輸出類型并不要求一致，因此當(dāng)系統(tǒng)點(diǎn)數(shù)較多而功能各異時(shí)，可以考慮繼電器輸出的主模塊擴(kuò)展晶體管輸出或晶體管輸出主模塊擴(kuò)展繼電器輸出以達(dá)到最佳配合。

事實(shí)證明，根據(jù)負(fù)載性質(zhì)和容量以及工作頻率進(jìn)行正確選型和系統(tǒng)設(shè)計(jì)，輸出口的故障率明顯下降，客戶十分滿意。