關于PLC輸出類型的選擇及使用中的注意事項

　1. 引言

　　科技發(fā)展到當今，對PLC的應用已經非常多了。今天我們來介紹PLC的輸出類型繼電器和晶體管。它們兩者的工作參數(shù)差別較大，使用前需加以區(qū)別，以免誤用而導致產品損壞。本文簡要介紹了繼電器和晶體管輸出的特點及使用中的注意事項。

　　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），通常應用于自動控制電路中，它實際上是用較小的電流去控制較大電流的一種“自動開關”。電磁式繼電器一般由鐵芯、線圈、銜鐵、觸點簧片等組成的（如圖1所示）。只要在線圈兩端加上一定的電壓，線圈中就會流過一定的電流，從而產生電磁效應，銜鐵就會在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力吸向鐵芯，從而帶動銜鐵的動觸點與靜觸點（常開觸點）吸合。當線圈斷電后，電磁的吸力也隨之消失，銜鐵就會在彈簧的反作用力返回原來的位置，使動觸點與原來的靜觸點（常閉觸點）吸合。這樣吸合、釋放，從而達到了在電路中的導通、切斷的目的。從繼電器的工作原理可以看出，它是一種機電元件，通過機械動作來實現(xiàn)觸點的通斷，是有觸點元件。

圖1 電磁式繼電器結構圖

晶體管是一種電子元件，它是通過基極電流來控制集電極與發(fā)射極的導通。它是無觸點元件。

　　3. 繼電器與晶體管輸出的主要差別

　　（1）繼電器輸出

　　優(yōu)點是不同公共點之間可帶不同的交、直流負載，且電壓也可不同，帶負載電流可達2A／點；但繼電器輸出方式不適用于高頻動作的負載，這是由繼電器的壽命決 定的。其壽命隨帶負載電流的增加而減少，一般在幾十萬次至Jl百萬次之間，有的公司產品可達1000萬次以上，響應時間為10ms。

　　（2）晶體管輸出

　　最大優(yōu)點是適應于高頻動作，響應時間短，一般為0.2ms左右，但它只能帶 DC 5-30V的負載，最大輸出負載電流為0.5A/點，但每4點不得大于0.8A。

　　當你的系統(tǒng)輸出頻率為每分鐘6次以下時，應首選繼電器輸出，因其電路設計簡單，抗干擾和帶負載能力強。當頻率為10次／min以下時，既可采用繼電器輸出方式；也可采用PLC輸出驅動達林頓三極管（5-10A），再驅動負載，可大大減小。

　　繼電器

優(yōu)點：交流及直流負載都可以驅動；負載額定電流大；

　　缺點：動作頻率不能太高，同時繼電器是有壽命的，一般100萬次；

　　晶體管

優(yōu)點：動作頻率可以達到幾百KHZ，無觸點，因此不存在機械壽命的說法；

　　缺點：只能接直流負載（一般DC30V以下），電流比較小；

　　雙向可控硅（晶閘管輸出）：只能接交流的負載，動作頻率比較高，壽命長，但負載的額定電流也比較小

　　晶體管主要用于定位控制，要用晶體的輸出來發(fā)出脈沖。而繼電器是不能用發(fā)出脈沖的，也就不能定位控制了。如果用繼電器去控制定位伺服或是步進的話就還要加定位模塊，經濟上不劃算。而用一個晶體管輸出的就可以控制伺服等。就這么回事。 依據(jù)生產工藝要求，各種指示燈、變頻器/數(shù)字直流調速器的啟動停止應采用晶體管輸出，它適應于高頻動作，并且響應時間短；如果PLC 系統(tǒng)輸出頻率為每分鐘6 次以下，應首選繼電器輸出，采用這種方法，輸出電路的設計簡單，抗干擾和帶負載能力強。

　　1.負載電壓、電流類型不同

　　負載類型：晶體管只能帶直流負載，而繼電器帶交、直流負載均可。

　　電流：晶體管電流0.2A-0.3A，繼電器2A。

　　電壓：晶體管可接直流24V（一般最大在直流30V左右，繼電器可以接直流24V或交流220V。

　　2.負載能力不同

　　晶體管帶負載的能力小于繼電器帶負載的能力，用晶體管時，有時候要加其他東西來帶動大負載（如繼電器，固態(tài)繼電器等）。

表1 輸出端口規(guī)格

　　3.晶體管過載能力小于繼電器過載的能力

　　一般來說，存在沖擊電流較大的情況時（例如燈泡、感性負載等），晶體管過載能力較小，需要降額更多。

　　4.晶體管響應速度快于繼電器

　　繼電器輸出型原理是CPU驅動繼電器線圈，令觸點吸合，使外部電源通過閉合的觸點驅動外部負載，其開路漏電流為零，響應時間慢（約10ms）。

　　晶體管輸出型原理是CPU通過光耦合使晶體管通斷，以控制外部直流負載，響應時間快（約0.2ms甚至更小）。晶體管輸出一般用于高速輸出，如伺服／步進等，用于動作頻率高的輸出：如溫度ＰＩＤ控制， 主要用在步進電機控制，也有伺服控制，還有電磁閥控制（閥動作頻率高）。

　　5.在額定工作情況下，繼電器有動作次數(shù)壽命，晶體管只有老化沒有使用次數(shù)限制

　　繼電器是機械元件所以有動作壽命，晶體管是電子元件，只有老化，沒有使用次數(shù)限制。繼電器的每分鐘開關次數(shù)也是有限制的，而晶體管則沒有。

　　6.使用壽命不同

　　繼電器由于是機械元件受到動作次數(shù)的壽命限制，且與負載容量有關，詳見表2，從表中可以看出，隨著負載容量的增加，觸點壽命幾乎按級數(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

　　7.價格不同

　　晶體管輸出的價格稍貴一點。

　　4. 繼電器與晶體管輸出選型原則

　　繼電器型輸出驅動電流大，響應慢，有機械壽命，適用于驅動中間繼電器、接觸器的線圈、指示燈等動作頻率不高的場合。晶體管輸出驅動電流小，頻率高，壽命長，適用于控制伺服控制器、固態(tài)繼電器等要求頻率高、壽命長的應用場合。在高頻應用場合，如果同時需要驅動大負載，可以加其他設備（如中間繼電器，固態(tài)繼電器等）方式驅動。

　　4.1驅動感性負載的影響

圖2 驅動感性負載時產生的瞬間高壓

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

　　因此當驅動感性負載時應在負載兩端接入吸收保護電路。當驅動直流回路的感性負載（如繼電器線圈）時，用戶電路需并聯(lián)續(xù)流二極管（需注意二極管極性）；若驅動交流回路的感性負載時，用戶電路需并聯(lián)RC浪涌吸收電路，以保護PLC的輸出觸點。PLC輸出觸點的保護電路如圖3所示。

圖3 PLC輸出觸點的保護電路

　　4.2使用中應注意的事項

　　目前市場上經常出現(xiàn)繼電器問題的客戶現(xiàn)場有一個共同的特點就是：出現(xiàn)故障的輸出點動作頻率比較快，驅動的負載都是繼電器、電磁閥或接觸器等感性負載而且沒有吸收保護電路。因此建議在PLC輸出類型選擇和使用時應注意以下幾點：

　　（1）一定要關注負載容量。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載容量有關，當負載容量增加時，觸點壽命將大大降低（如表2所示），因此要特別關注。

　　（2）一定要關注負載性質。根據(jù)第4節(jié)的分析，感性負載在開合瞬間會產生瞬間高壓，因此表面上看負載容量可能并不大，但是實際上負載容量很大，繼電器的壽命將大大縮短，因此當驅動感性負載時應在負載兩端接入吸收保護電路。尤其在工作頻率比較高時務必增加保護電路。從客戶的使用情況來看，增加吸收保護電路后的改善效果十分明顯。

　　根據(jù)電容的特性，如果直接驅動電容負載，在導通瞬間將產生沖擊浪涌電流，因此原則上輸出端口不宜接入容性負載，若有必要，需保證其沖擊浪涌電流小于規(guī)格（見表1?說明中的最大電流。

　　（3）一定要關注動作頻率。當動作頻率較高時，建議選擇晶體管輸出類型，如果同時還要驅動大電流則可以使用晶體管輸出驅動中間繼電器的模式。當控制步進電機/伺服系統(tǒng)，或者用到高速輸出/PWM波，或者用于動作頻率高的節(jié)點等場合，只能選用晶體管型。PLC對擴展模塊與主模塊的輸出類型并不要求一致，因此當系統(tǒng)點數(shù)較多而功能各異時，可以考慮繼電器輸出的主模塊擴展晶體管輸出或晶體管輸出主模塊擴展繼電器輸出以達到最佳配合。

　　5. 結論

　　本文簡要比較了PLC的繼電器和晶體管兩種輸出類型的工作原理及特點，提出了在選型和使用中應注意的事項。 事實證明，根據(jù)負載性質和容量以及工作頻率進行正確選型和系統(tǒng)設計，輸出口的故障率明顯下降，客戶十分滿意。