擴(kuò)展PLC控制系統(tǒng)I/O點(diǎn)的方法探討

1 引言
可編程序控制器(Programmable Logic Controller)簡(jiǎn)稱為PLC，它具有可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)等突出優(yōu)點(diǎn)，因而廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域，已經(jīng)成為現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化的主要支柱之一。在PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，經(jīng)常會(huì)遇到I/O點(diǎn)資源緊張以及性價(jià)比矛盾的問題。有些被控設(shè)備需要具有手動(dòng)、自動(dòng)的工作方式，且手動(dòng)部分控制按鈕較多;有些自動(dòng)生產(chǎn)線中，進(jìn)行位置檢測(cè)的行程開關(guān)或者用于系統(tǒng)工作狀態(tài)指示的輸出比較多，都會(huì)使占用的I/O點(diǎn)大為增加。一般通過增加擴(kuò)展模塊來解決，但PLC的I/O點(diǎn)價(jià)格昂貴，且還有擴(kuò)展模塊數(shù)目和I/O點(diǎn)數(shù)目的限制，如SIEMENS的CPU 226最大擴(kuò)展模塊數(shù)目為7，最大擴(kuò)展168路數(shù)字量I/O點(diǎn)或35路模擬量I/O點(diǎn)。若此時(shí)再增加CPU，勢(shì)必使得系統(tǒng)性價(jià)比大為降低，在這種情況下，擴(kuò)展I/O點(diǎn)數(shù)具有較大的實(shí)際意義。本文以SIEMENS的S7-200 PLC為例，探討如何擴(kuò)展PLC控制系統(tǒng)中I/O點(diǎn)數(shù)的方法。

2 硬件電路I/O點(diǎn)擴(kuò)展方法
2.1 分時(shí)分組輸入
對(duì)于既有手動(dòng)方式又有自動(dòng)方式，而二者不可能同時(shí)執(zhí)行的PLC工作方式，不同工作方式的輸入可以共用一個(gè)PLC的輸入點(diǎn)。分時(shí)分組輸入擴(kuò)展I／O點(diǎn)數(shù)接線圖如圖l所示。I1.0用來輸入自動(dòng)/手動(dòng)命令信號(hào)，供自動(dòng)和手動(dòng)程序切換用;二極管用來切斷寄生電路，避免錯(cuò)誤信號(hào)的產(chǎn)生;SA用來切換自動(dòng)和手動(dòng)操作方式。

圖1 分時(shí)分組輸入接線圖

2.2 共用輸出觸點(diǎn)
對(duì)于通斷狀態(tài)完全相同的負(fù)載，在輸出點(diǎn)功率允許的情況下，可以并聯(lián)于同一輸出點(diǎn)上，即用一個(gè)輸出點(diǎn)帶動(dòng)多個(gè)負(fù)載，需特別注意的是不能超出每個(gè)輸出點(diǎn)的允許負(fù)載能力。接線方式如圖2所示。

圖2 共用輸出點(diǎn)接線圖

2.3 合并輸入觸點(diǎn)
對(duì)于一個(gè)由如圖3所示的按鈕和接觸器實(shí)現(xiàn)的電動(dòng)機(jī)多點(diǎn)起動(dòng)、停止的控制要求，例如可在三處實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)和停止，其中，SB1、SB2、SB3為起動(dòng)按鈕，SB11、SB12、SB13為停止按鈕。可以將每個(gè)按鈕接PLC的一個(gè)輸入點(diǎn)，很容易便可實(shí)現(xiàn)。若PLC的輸入點(diǎn)較為緊張，則可以用圖4所示的方式接線，與每個(gè)按鈕占用一個(gè)輸入點(diǎn)的方式相比，該方法的軟件編程更為簡(jiǎn)單。

圖3 電動(dòng)機(jī)電氣控制原理圖

圖4 電動(dòng)機(jī)PLC控制接線圖

3 軟件編程I/O點(diǎn)擴(kuò)展方法
軟件擴(kuò)展的基本思想是一點(diǎn)兩用或輪序復(fù)用。即當(dāng)按鈕初次按下時(shí)，輸出要求為高;當(dāng)按鈕再次按下時(shí)，輸出要求為低;再按下時(shí)又為高，依此類推。這樣就可以節(jié)省一個(gè)輸入點(diǎn)，當(dāng)系統(tǒng)有較多開關(guān)量控制時(shí)可節(jié)省較多輸入點(diǎn)，如主機(jī)ON和主機(jī)OFF，紙料座上和紙料座下，都可以只用一個(gè)輸入點(diǎn)來控制。實(shí)現(xiàn)“一點(diǎn)兩用”的編程方法較多，如利用內(nèi)部輔助繼電器、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器、移位指令等，本文僅介紹幾種簡(jiǎn)便方法。
3.1 利用邊沿檢測(cè)、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(cè)和輸出指令實(shí)現(xiàn)“一點(diǎn)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(dāng)?shù)?次按下按鈕SB時(shí)，I0.0的常開觸點(diǎn)閉合，在RLO邊沿檢測(cè)指令FP的作用下，輔助繼電器M0.1接通一個(gè)掃描周期，從而輸出繼電器Q0.0的線圈得電，且Q0.0構(gòu)成自鎖(保持)電路，同時(shí)Q0.0另一對(duì)常開觸點(diǎn)閉合，為M0.2接通做準(zhǔn)備;當(dāng)?shù)?次按下按鈕SB時(shí)，在FP指令的作用下，M0.1的常開觸點(diǎn)接通M0.2的線圈回路，M0.2的常閉觸點(diǎn)切斷了PLC的輸出，從而實(shí)現(xiàn)一點(diǎn)兩用。
3.2 利用邊沿檢測(cè)、跳轉(zhuǎn)指令
若利用邊沿檢測(cè)和跳轉(zhuǎn)指令，實(shí)現(xiàn)起來較為簡(jiǎn)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(gè)語句的功能是實(shí)現(xiàn)Q0.0的自取反，但若沒有前面的跳轉(zhuǎn)指令，則程序每個(gè)掃描周期都會(huì)將Q0.0的狀態(tài)取反一次;第1、2句的作用是限定只有當(dāng)I0.0的上升沿到時(shí)取反一次，否則跳出取反程序段，從而實(shí)現(xiàn)一點(diǎn)兩用。
3.3 利用邊沿檢測(cè)、異或指令
若利用邊沿檢測(cè)和異或指令實(shí)現(xiàn)起來更為簡(jiǎn)便，程序如下。
A I 0.0
FP M0.0
X Q0.0
= Q0.0
程序說明:當(dāng)?shù)?次檢測(cè)到I0.0的上升沿，此時(shí)Q0.0為0，所以異或后輸出Q0.0為1，第2個(gè)掃描周期來時(shí)，已經(jīng)不是I0.0的上升沿了，因此為0，然而此時(shí)Q0.0確為1，所以異或后保持結(jié)果仍為1;第2次檢測(cè)到上升沿時(shí)，Q0.0為1，異或后輸出Q0.0的結(jié)果為0，等到下一個(gè)掃描周期到時(shí)，已經(jīng)不是上升沿了，而此時(shí)Q0.0還是為0，因此異或保持輸出仍為0。

4 硬件和軟件結(jié)合I/O點(diǎn)擴(kuò)展方法
4.1 硬件編碼和軟件譯碼，擴(kuò)展輸入點(diǎn)
在控制系統(tǒng)輸入信號(hào)較多的情況下，可以利用編碼器對(duì)輸入信號(hào)編碼，然后引到PLC的輸入端，再通過PLC內(nèi)部程序配合進(jìn)行譯碼，對(duì)各個(gè)輸入信號(hào)加以識(shí)別，可以大大減少對(duì)輸入點(diǎn)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(gè)信號(hào)同時(shí)輸入時(shí)會(huì)出現(xiàn)亂碼，故可采用8線-3線優(yōu)先編碼器74LS148，設(shè)定好信號(hào)的優(yōu)先權(quán)，有時(shí)還要將編碼器的選通輸出端和擴(kuò)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(hào)電路的＋5V和PLC的＋24V之間)以及PLC的輸入口對(duì)信號(hào)識(shí)別所要求的技術(shù)規(guī)范(驅(qū)動(dòng)電流和電壓能識(shí)別的范圍)，有時(shí)還需增加適當(dāng)?shù)男盘?hào)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(nèi)部軟件譯碼的程序識(shí)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(gè)非門將輸出電平轉(zhuǎn)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(shí)，ABC的輸出為101，經(jīng)過非門后I0.0，I0.1，I0.2的狀態(tài)分別為0，1，0;對(duì)應(yīng)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(diǎn)代替了按鈕SB2。即當(dāng)按鈕SB2按下，M0.2為1;SB2彈起，M0.2又為0，從而實(shí)現(xiàn)了軟件譯碼的功能。另外需要指出，該方法在PLC的每一個(gè)掃描周期只能讀入8個(gè)輸入中的一個(gè)輸入狀態(tài)，若有2個(gè)以上開關(guān)閉合，PLC只能檢測(cè)出優(yōu)先權(quán)高的那個(gè)信號(hào)。

4.2 軟件編碼和硬件譯碼，擴(kuò)展輸出點(diǎn)
在控制系統(tǒng)輸出信號(hào)較多的情況下，可以通過PLC的內(nèi)部程序?qū)敵鲂盘?hào)進(jìn)行編碼，然后通過硬件譯碼器進(jìn)行譯碼，驅(qū)動(dòng)負(fù)載工作，這可以大大的減少對(duì)輸出點(diǎn)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(shí)，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(hào)電路的工作電壓一般為＋5V，因此，有時(shí)同樣需要增加信號(hào)電路以及功率放大電路以驅(qū)動(dòng)負(fù)載工作。

圖6 PLC接線圖

下面以如何讓Q2為1為例，說明PLC內(nèi)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(yīng)該使Y2輸出為0;即對(duì)應(yīng)的ABC應(yīng)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(duì)應(yīng)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(duì)Q0.0，Q0.1，Q0.2進(jìn)行組合就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出Q0～Q7分別置為1。本方法存在一個(gè)明顯的缺點(diǎn)，即每一個(gè)掃描周期只能輸出八種狀態(tài)中的一種，若要同時(shí)置位輸出Q0和Q1是不能實(shí)現(xiàn)的。
4.3 用N個(gè)輸入點(diǎn)識(shí)別N×(N＋1)/2個(gè)輸入信號(hào)
若我們將輸入信號(hào)接成圖7的形式，再配合以軟件編程便可以實(shí)現(xiàn)用3個(gè)輸入點(diǎn)識(shí)別3×(3＋1)/2＝6個(gè)輸入信號(hào)。其基本思想是:當(dāng)SB1按下時(shí)，PLC只檢測(cè)到了I0.0為“1”，此時(shí)I0.1和I0.2的狀態(tài)均為“0”，那么在程序里就將I0.0的常開觸點(diǎn)和I0.1、I0.2的常閉觸點(diǎn)相與來識(shí)別SB1的狀態(tài);若SB2按下時(shí)，I0.0和I0.1均為“1”，I0.2為“0”，此時(shí)識(shí)別程序應(yīng)該為I0.0和I0.1的常開觸點(diǎn)與上I0.2的常閉觸點(diǎn);其它點(diǎn)的情況類似，輸入信號(hào)SB1和SB2的STL識(shí)別程序如下，其中，M2.1、M2.2的狀態(tài)就代表了信號(hào)SB1、SB2的狀態(tài)。
LD I0.0
AN I0.1
AN I0.2
= M2.1
//信號(hào)SB1的識(shí)別
LDN I0.0
A I0.1
A I0.2
= M2.2
//信號(hào)SB2的識(shí)別
需要指出:這種方法不能識(shí)別2個(gè)及2個(gè)以上的信號(hào)同時(shí)為1的情況，如SB1和SB3同時(shí)接通，程序會(huì)把它當(dāng)成SB2接通的情況識(shí)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(shí)，用3個(gè)輸入點(diǎn)最多可以7個(gè)信號(hào)的識(shí)別，如果在圖7中再加一個(gè)SB7，用3個(gè)二極管連到I0.0、I0.1、I0.2上，則可以通過將3個(gè)點(diǎn)的常開觸點(diǎn)相與來識(shí)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(tǒng)需要設(shè)計(jì)鍵盤，常規(guī)的思路是每個(gè)按鍵接一個(gè)輸入口。然而，當(dāng)鍵數(shù)增加時(shí)，極為浪費(fèi)輸入點(diǎn)，因此仿照微機(jī)系統(tǒng)中制作矩陣式鍵盤的思路，在PLC系統(tǒng)中利用I/O點(diǎn)組成矩陣式鍵盤，如圖8所示為3×3鍵盤結(jié)構(gòu)圖。編程思路:首先，判斷整個(gè)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(tài)，如果列讀入的狀態(tài)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(duì)應(yīng)列線的狀態(tài)，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(gè)鍵。由此可見，對(duì)應(yīng)的軟件編程比較復(fù)雜，但是在有些小型的控制系統(tǒng)中可以避免增加操作屏或觸摸屏，從而提高系統(tǒng)性價(jià)比。若需要詳細(xì)的硬件設(shè)計(jì)圖和軟件程序可與作者聯(lián)系。

圖8 3×3鍵盤結(jié)構(gòu)圖

5 結(jié)束語
本文從硬件設(shè)計(jì)、軟件編程以及硬件軟件結(jié)合三個(gè)方面探討了擴(kuò)展PLC I/O點(diǎn)的方法。在具體應(yīng)用時(shí)，還需考慮每種擴(kuò)展方法的一些優(yōu)缺點(diǎn)以及抗干擾能力等問題。若能合理的利用這些方法，必能有效的節(jié)省PLC的I/O點(diǎn)數(shù)，降低系統(tǒng)成本，提供性價(jià)比，更為充分的發(fā)揮PLC的優(yōu)勢(shì)。