擴展PLC控制系統I/O點的方法探討

分類：技術教程日期：2007-03-29 00:00:00

1 引言
可編程序控制器(Programmable Logic Controller)簡稱為PLC，它具有可靠性高、抗干擾能力強等突出優點，因而廣泛應用于工業控制領域，已經成為現代工業自動化的主要支柱之一。在PLC控制系統的設計中，經常會遇到I/O點資源緊張以及性價比矛盾的問題。有些被控設備需要具有手動、自動的工作方式，且手動部分控制按鈕較多;有些自動生產線中，進行位置檢測的行程開關或者用于系統工作狀態指示的輸出比較多，都會使占用的I/O點大為增加。一般通過增加擴展模塊來解決，但PLC的I/O點價格昂貴，且還有擴展模塊數目和I/O點數目的限制，如SIEMENS的CPU 226最大擴展模塊數目為7，最大擴展168路數字量I/O點或35路模擬量I/O點。若此時再增加CPU，勢必使得系統性價比大為降低，在這種情況下，擴展I/O點數具有較大的實際意義。本文以SIEMENS的S7-200 PLC為例，探討如何擴展PLC控制系統中I/O點數的方法。

2 硬件電路I/O點擴展方法
2.1 分時分組輸入
對于既有手動方式又有自動方式，而二者不可能同時執行的PLC工作方式，不同工作方式的輸入可以共用一個PLC的輸入點。分時分組輸入擴展I／O點數接線圖如圖l所示。I1.0用來輸入自動/手動命令信號，供自動和手動程序切換用;二極管用來切斷寄生電路，避免錯誤信號的產生;SA用來切換自動和手動操作方式。

圖1 分時分組輸入接線圖

2.2 共用輸出觸點
對于通斷狀態完全相同的負載，在輸出點功率允許的情況下，可以并聯于同一輸出點上，即用一個輸出點帶動多個負載，需特別注意的是不能超出每個輸出點的允許負載能力。接線方式如圖2所示。

圖2 共用輸出點接線圖

2.3 合并輸入觸點
對于一個由如圖3所示的按鈕和接觸器實現的電動機多點起動、停止的控制要求，例如可在三處實現啟動和停止，其中，SB1、SB2、SB3為起動按鈕，SB11、SB12、SB13為停止按鈕。可以將每個按鈕接PLC的一個輸入點，很容易便可實現。若PLC的輸入點較為緊張，則可以用圖4所示的方式接線，與每個按鈕占用一個輸入點的方式相比，該方法的軟件編程更為簡單。

圖3 電動機電氣控制原理圖

圖4 電動機PLC控制接線圖

3 軟件編程I/O點擴展方法
軟件擴展的基本思想是一點兩用或輪序復用。即當按鈕初次按下時，輸出要求為高;當按鈕再次按下時，輸出要求為低;再按下時又為高，依此類推。這樣就可以節省一個輸入點，當系統有較多開關量控制時可節省較多輸入點，如主機ON和主機OFF，紙料座上和紙料座下，都可以只用一個輸入點來控制。實現“一點兩用”的編程方法較多，如利用內部輔助繼電器、定時器、計數器、移位指令等，本文僅介紹幾種簡便方法。
3.1 利用邊沿檢測、輸出指令
若按鈕SB連到I0.0上，輸出控制Q0.0，利用邊沿檢測和輸出指令實現“一點兩用”，用STEP7 V5.3編制的STL程序如下。
A I0.0
FP M0.0
= M0.1
A M0.1
A Q0.0
= M0.2
A(
O M0.1
O Q0.0
)
AN M0.2
= Q0.0
程序說明:當第1次按下按鈕SB時，I0.0的常開觸點閉合，在RLO邊沿檢測指令FP的作用下，輔助繼電器M0.1接通一個掃描周期，從而輸出繼電器Q0.0的線圈得電，且Q0.0構成自鎖(保持)電路，同時Q0.0另一對常開觸點閉合，為M0.2接通做準備;當第2次按下按鈕SB時，在FP指令的作用下，M0.1的常開觸點接通M0.2的線圈回路，M0.2的常閉觸點切斷了PLC的輸出，從而實現一點兩用。
3.2 利用邊沿檢測、跳轉指令
若利用邊沿檢測和跳轉指令，實現起來較為簡便，其STL程序如下。
A I0.0
FP M0.0
JNB OUT
AN Q0.0
= Q0.0
OUT: NOP0
程序說明:第4、5個語句的功能是實現Q0.0的自取反，但若沒有前面的跳轉指令，則程序每個掃描周期都會將Q0.0的狀態取反一次;第1、2句的作用是限定只有當I0.0的上升沿到時取反一次，否則跳出取反程序段，從而實現一點兩用。
3.3 利用邊沿檢測、異或指令
若利用邊沿檢測和異或指令實現起來更為簡便，程序如下。
A I 0.0
FP M0.0
X Q0.0
= Q0.0
程序說明:當第1次檢測到I0.0的上升沿，此時Q0.0為0，所以異或后輸出Q0.0為1，第2個掃描周期來時，已經不是I0.0的上升沿了，因此為0，然而此時Q0.0確為1，所以異或后保持結果仍為1;第2次檢測到上升沿時，Q0.0為1，異或后輸出Q0.0的結果為0，等到下一個掃描周期到時，已經不是上升沿了，而此時Q0.0還是為0，因此異或保持輸出仍為0。

4 硬件和軟件結合I/O點擴展方法
4.1 硬件編碼和軟件譯碼，擴展輸入點
在控制系統輸入信號較多的情況下，可以利用編碼器對輸入信號編碼，然后引到PLC的輸入端，再通過PLC內部程序配合進行譯碼，對各個輸入信號加以識別，可以大大減少對輸入點的占用。PLC的外部接線如圖5所示。由于普通編碼器在有多個信號同時輸入時會出現亂碼，故可采用8線-3線優先編碼器74LS148，設定好信號的優先權，有時還要將編碼器的選通輸出端和擴展端也接入PLC中，配合程序減少誤判斷。另外，還要注意的是電平的匹配問題(信號電路的＋5V和PLC的＋24V之間)以及PLC的輸入口對信號識別所要求的技術規范(驅動電流和電壓能識別的范圍)，有時還需增加適當的信號放大和隔離電路。

圖5 硬件編碼接線圖

下面以按鈕SB2按下為例，說明PLC內部軟件譯碼的程序識別方法。由74LS148的功能表可知，該芯片低電平有效，因此圖5中用3個非門將輸出電平轉換成正邏輯。若SB2按下，無論SB0和SB1是否按下，但SB3～SB7均未按下;此時，ABC的輸出為101，經過非門后I0.0，I0.1，I0.2的狀態分別為0，1，0;對應的STL譯碼程序如下。
LDN I0.0
A I0.1
AN I0.2
= M0.2
這樣，筆者在程序里用M0.2的常開觸點代替了按鈕SB2。即當按鈕SB2按下，M0.2為1;SB2彈起，M0.2又為0，從而實現了軟件譯碼的功能。另外需要指出，該方法在PLC的每一個掃描周期只能讀入8個輸入中的一個輸入狀態，若有2個以上開關閉合，PLC只能檢測出優先權高的那個信號。

4.2 軟件編碼和硬件譯碼，擴展輸出點
在控制系統輸出信號較多的情況下，可以通過PLC的內部程序對輸出信號進行編碼，然后通過硬件譯碼器進行譯碼，驅動負載工作，這可以大大的減少對輸出點的占用。PLC的外部接線如圖6所示，采用3線-8線譯碼器74LS138。此時，同樣存在電平匹配的問題，即PLC的直流模塊典型輸出為＋24V，而信號電路的工作電壓一般為＋5V，因此，有時同樣需要增加信號電路以及功率放大電路以驅動負載工作。

圖6 PLC接線圖

下面以如何讓Q2為1為例，說明PLC內部軟件的編碼方法。由74LS138的功能表可知，若要使輸出Q2為1，應該使Y2輸出為0;即對應的ABC應該為010，從而得到只要讓PLC的Q0.0，Q0.1，Q0.2分別為0，1，0即可;對應的STL編碼程序如下，其中M1.2為置位輸出Q2的條件。
LD M1.2
S Q0.0, 1
R Q0.1, 1
S Q0.2, 1
這樣，只需對Q0.0，Q0.1，Q0.2進行組合就可以實現對輸出Q0～Q7分別置為1。本方法存在一個明顯的缺點，即每一個掃描周期只能輸出八種狀態中的一種，若要同時置位輸出Q0和Q1是不能實現的。
4.3 用N個輸入點識別N×(N＋1)/2個輸入信號
若我們將輸入信號接成圖7的形式，再配合以軟件編程便可以實現用3個輸入點識別3×(3＋1)/2＝6個輸入信號。其基本思想是:當SB1按下時，PLC只檢測到了I0.0為“1”，此時I0.1和I0.2的狀態均為“0”，那么在程序里就將I0.0的常開觸點和I0.1、I0.2的常閉觸點相與來識別SB1的狀態;若SB2按下時，I0.0和I0.1均為“1”，I0.2為“0”，此時識別程序應該為I0.0和I0.1的常開觸點與上I0.2的常閉觸點;其它點的情況類似，輸入信號SB1和SB2的STL識別程序如下，其中，M2.1、M2.2的狀態就代表了信號SB1、SB2的狀態。
LD I0.0
AN I0.1
AN I0.2
= M2.1
//信號SB1的識別
LDN I0.0
A I0.1
A I0.2
= M2.2
//信號SB2的識別
需要指出:這種方法不能識別2個及2個以上的信號同時為1的情況，如SB1和SB3同時接通，程序會把它當成SB2接通的情況識別。圖7中二極管的作用是為了隔斷寄生電流形成通路。其實，用3個輸入點最多可以7個信號的識別，如果在圖7中再加一個SB7，用3個二極管連到I0.0、I0.1、I0.2上，則可以通過將3個點的常開觸點相與來識別SB7，但這樣過于繁瑣，因此一般不采用。

圖7 硬件接線圖

4.4 用輸入/輸出口組成矩陣式鍵盤
若控制系統需要設計鍵盤，常規的思路是每個按鍵接一個輸入口。然而，當鍵數增加時，極為浪費輸入點，因此仿照微機系統中制作矩陣式鍵盤的思路，在PLC系統中利用I/O點組成矩陣式鍵盤，如圖8所示為3×3鍵盤結構圖。編程思路:首先，判斷整個鍵盤上有無鍵按下，方法是將行全輸出為1，然后讀入列的狀態，如果列讀入的狀態全為0，則無鍵按下，不全為0則有鍵按下;其次，逐列掃描，方法是依次將行線送1，檢查對應列線的狀態，若列線全為0，則按鍵不在此行;若不全為0，則按鍵必在此行，且是與1電平列線相交的那個鍵。由此可見，對應的軟件編程比較復雜，但是在有些小型的控制系統中可以避免增加操作屏或觸摸屏，從而提高系統性價比。若需要詳細的硬件設計圖和軟件程序可與作者聯系。