關於 PLC 的數位輸入，我們可以做哪些假設？
本文將介紹如何以及為何將 PNP 型和 NPN 型工業感測器連接到典型的可編程邏輯控制器（PLC）。我們將重點介紹具有 24VDC 數位輸入的 PLC。我們也假設 PLC 具有數位正邏輯閾值，其定義為：
- 小於 5VDC 的電壓被視為邏輯 0
- 大於 15 VDC 的電壓被視為邏輯 1
最後，我們假設 PLC 的每個 I/O 引腳都具有 10kohm 的靜態輸入電阻。
請務必根據 PLC 的規格書驗證這些規格，因為有些 PLC 的規格超出了此典型範圍。此外，請注意，某些 PLC 具有負邏輯輸入。本文不會討論這個問題，除非在本中會特別指明，以免訊息混亂。
什麼是 PNP 和 NPN 工業感測器？
PNP 和 NPN 指的是感測器的輸出配置。三線工業感測器通常以 NPN 或 PNP 類型出售，分別具有汲極輸出和源極輸出。許多感測器都提供這兩種配置。
NPN 和 PNP 感測器外觀相同，而且零件編號通常也非常接近。這可能會導致採購錯誤和延誤。在 PLC 應用中尤其如此，因為人們通常更傾向於選擇 PNP 類型。
NPN 和 PNP 指的是感測器的內部結構，具體來說是指輸出級所使用的電晶體類型。回想一下，電晶體有兩種類型，分別是 NPN 和 PNP。也許您曾經在諸如經典的 2N3904 之類的專案中使用過 NPN 電晶體。經典配置是將 NPN 電晶體的發射極接地，將負載置於正電源和集電極之間，然後透過限流電阻驅動基極。在這種配置下，電晶體將負載拉至接地（吸收電流）。
使用 PNP 電晶體的配置略有不同。現在，PNP 電晶體的發射極連接到正電源。負載連接在集電極和接地之間。當基極啟動時，電晶體將負載拉至正電壓軌（拉電流）。
我們可以簡單地總結一下：
- PNP 拉高
- NPN 拉低
用 PLC 和工業控制的語言來說：
- PNP 拉電流
- NPN 吸收電流
為什麼首選 PNP 感測器到 PLC 的介面？
PNP 型感測器到 PLC 的配置如圖 1 所示。三線感測器以包含通用感測器模組和 PNP 輸出電晶體的塊形式呈現。這是一個相對簡單的配置，尤其是考慮到開頭部分提到的限制條件。
活化時，PNP 電晶體會拉高 PLC 的輸入電阻。理想情況下，PNP 電晶體將完全導通，黑線上的電壓為 24VDC。PLC 會將其識別為邏輯 1，因為它遠高於先前識別的 15VDC 閾值。
停用時，PNP 電晶體不會拉高。因此，黑線上的電壓為零，PLC 會記錄邏輯零。
圖 1：典型的 PNP 感測器至 PLC 介面示意圖
技術提示：三線集電極開路配置允許使用有線「或」配置並聯感測器。您可以在此相關文章中找到有關此類配置的更多資訊。雖然這是一種有效的配置，但如果每個感測器連接到獨立的 PLC 通道，系統故障排除將更容易。
NPN 感測器與 PLC 接口
圖 2 展示了 NPN 感測器與 PLC 介面。增加的複雜性顯而易見。現在您可以理解，考慮到我們之前確定的限制條件，為什麼 PNP 感測器是首選解決方案。PNP 感測器電路得以簡化，因為感測器的輸出會上拉至 PLC 的輸入電阻。
外部上拉電阻的必要性
回想一下，NPN 電晶體會將負載拉低。外部 1kohm 電阻是必不可少的元件，因為它為 NPN 電晶體提供了關鍵的拉高負載。如果沒有這個外部電阻，感測器的輸出（黑色）線將始終為零。許多技術人員和工程師都曾陷入這樣的困境：為什麼感測器在配置錯誤的情況下會「故障」。
此時，我們需要退一步，運用歐姆定律來確保外部電阻足夠。我們暫時忽略感測器。剩下的就是外部 1kohm 電阻和 PLC 內部 10kohm 電阻之間的分壓器。利用分壓器規則，我們可以計算出 PLC 的輸入電壓：
V_{PLC} = 24 * \dfrac{10 }{1 + 10} \approx 22\ VDC
此電壓將被 PLC 安全地解讀為邏輯 1。
現在我們可以啟動感測器了。它會將這個 22VDC 分壓器的中心拉至地。理想情況下，PLC 的輸入電壓現在為零。
圖 2：典型的 NPN 感測器與 PLC 介面示意圖，具有外部上拉電阻
如何修正 PNP 與 NPN 邏輯反轉
此時，您可能會傾向於認為 NPN 和 PNP 感測器可以互換。這幾乎是正確的。回顧一下，我們將主動 PNP 感測器解釋為邏輯 1。而主動 NPN 感測器則被解釋為邏輯 0。
更改感測器類型需要修改 PLC 程式以解決反轉問題。希望程式設計師使用了輸入對應，並且關聯的 I/O 引腳只出現在一個位置。有了 I/O 對應，更改起來就簡單多了，您可以放心地進行。如果沒有對應，也許只需等待正確的感測器到達即可，但那是另一回事。
附註：在 PNP 和 NPN 之間選擇感測器時，應考慮故障安全因素。務必考慮如果發生斷線或感測器故障會發生什麼情況。這與緊急停止的概念有關。通常，用於停止機器的裝置應使用常閉觸點進行接線，以便在斷線時關閉機器。