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1、扩展 PLC 控制系统 I/O 点的方法探讨返回文章列表 作者： 时间：03-27 来源： 字体:【大 中 小】 第 1页1 引 言可 编 程 序 控 制 器 (Programmable Logic Controller)简 称 为 PLC， 它 具 有 可 靠 性 高 、 抗干 扰 能 力 强 等 突 出 优 点 ， 因 而 广 泛 应 用 于 工 业 控 制 领 域 ， 已 经 成 为 现 代 工 业 自 动 化 的 主 要 支柱 之 一 。 在 PLC 控 制 系 统 的 设 计 中 ， 经 常 会 遇 到 I/O 点 资 源 紧 张 以 及 性 价 比 矛 盾 的 问 题 。有 些 被

2、 控 设 备 需 要 具 有 手 动 、 自 动 的 工 作 方 式 ， 且 手 动 部 分 控 制 按 钮 较 多 ;有 些 自 动生 产 线 中 ， 进 行 位 置 检 测 的 行 程 开 关 或 者 用 于 系 统 工 作 状 态 指 示 的 输 出 比 较 多 ， 都 会 使 占 用的 I/O 点 大 为 增 加 。 一 般 通 过 增 加 扩 展 模 块 来 解 决 ， 但 PLC 的 I/O 点 价 格 昂 贵 ， 且 还有 扩 展 模 块 数 目 和 I/O 点 数 目 的 限 制 ， 如 SIEMENS 的 CPU 226 最 大 扩 展 模 块 数 目 为7， 最 大 扩 展

3、 168 路 数 字 量 I/O 点 或 35 路 模 拟 量 I/O 点 。 若 此 时 再 增 加 CPU， 势 必 使得 系 统 性 价 比 大 为 降 低 ， 在 这 种 情 况 下 ， 扩 展 I/O 点 数 具 有 较 大 的 实 际 意 义 。 本 文 以SIEMENS 的 S7-200 PLC 为 例 ， 探 讨 如 何 扩 展 PLC 控 制 系 统 中 I/O 点 数 的 方 法 。2 硬 件 电 路 I/O 点 扩 展 方 法2.1 分 时 分 组 输 入对 于 既 有 手 动 方 式 又 有 自 动 方 式 ， 而 二 者 不 可 能 同 时 执 行 的 PLC 工 作

4、 方 式 ， 不 同 工 作方 式 的 输 入 可 以 共 用 一 个 PLC 的 输 入 点 。 分 时 分 组 输 入 扩 展 I O 点 数 接 线 图 如 图l 所 示 。 I1.0 用 来 输 入 自 动 /手 动 命 令 信 号 ， 供 自 动 和 手 动 程 序 切 换 用 ;二 极 管 用 来 切断 寄 生 电 路 ， 避 免 错 误 信 号 的 产 生 ;SA 用 来 切 换 自 动 和 手 动 操 作 方 式 。图 1 分 时 分 组 输 入 接 线 图2.2 共 用 输 出 触 点对 于 通 断 状 态 完 全 相 同 的 负 载 ， 在 输 出 点 功 率 允 许 的

5、情 况 下 ， 可 以 并 联 于 同 一 输 出 点 上 ， 即用 一 个 输 出 点 带 动 多 个 负 载 ， 需 特 别 注 意 的 是 不 能 超 出 每 个 输 出 点 的 允 许 负 载 能 力 。 接 线 方式 如 图 2 所 示 。图 2 共 用 输 出 点 接 线 图2.3 合 并 输 入 触 点对 于 一 个 由 如 图 3 所 示 的 按 钮 和 接 触 器 实 现 的 电 动 机 多 点 起 动 、 停 止 的 控 制 要 求 ， 例 如 可在 三 处 实 现 启 动 和 停 止 ， 其 中 ， SB1、 SB2、 SB3 为 起 动 按 钮 ， SB11、 SB12

6、、 SB13 为停 止 按 钮 。 可 以 将 每 个 按 钮 接 PLC 的 一 个 输 入 点 ， 很 容 易 便 可 实 现 。 若 PLC 的 输 入点 较 为 紧 张 ， 则 可 以 用 图 4 所 示 的 方 式 接 线 ， 与 每 个 按 钮 占 用 一 个 输 入 点 的 方 式 相 比 ， 该方 法 的 软 件 编 程 更 为 简 单 。图 3 电 动 机 电 气 控 制 原 理 图图 4 电 动 机 PLC 控 制 接 线 图 3 软 件 编 程 I/O 点 扩 展 方 法软 件 扩 展 的 基 本 思 想 是 一 点 两 用 或 轮 序 复 用 。 即 当 按 钮 初 次

7、 按 下 时 ， 输 出 要 求 为 高 ;当 按 钮 再 次 按 下 时 ， 输 出 要 求 为 低 ;再 按 下 时 又 为 高 ， 依 此 类 推 。 这 样 就 可 以 节 省 一 个 输入 点 ， 当 系 统 有 较 多 开 关 量 控 制 时 可 节 省 较 多 输 入 点 ， 如 主 机 ON 和 主 机 OFF， 纸 料座 上 和 纸 料 座 下 ， 都 可 以 只 用 一 个 输 入 点 来 控 制 。 实 现 “一 点 两 用 ”的 编 程 方 法 较 多 ，如 利 用 内 部 辅 助 继 电 器 、 定 时 器 、 计 数 器 、 移 位 指 令 等 ， 本 文 仅 介

8、绍 几 种 简 便 方 法 。3.1 利 用 边 沿 检 测 、 输 出 指 令若 按 钮 SB 连 到 I0.0 上 ， 输 出 控 制 Q0.0， 利 用 边 沿 检 测 和 输 出 指 令 实 现 “一 点 两 用 ”， 用 STEP7 V5.3 编 制 的 STL 程 序 如 下 。A I0.0FP M0.0= M0.1A M0.1A Q0.0= M0.2A( O M0.1O Q0.0) AN M0.2= Q0.0程 序 说 明 :当 第 1 次 按 下 按 钮 SB 时 ， I0.0 的 常 开 触 点 闭 合 ， 在 RLO 边 沿 检 测 指 令FP 的 作 用 下 ， 辅 助

9、继 电 器 M0.1 接 通 一 个 扫 描 周 期 ， 从 而 输 出 继 电 器 Q0.0 的 线 圈 得电 ， 且 Q0.0 构 成 自 锁 (保 持 )电 路 ， 同 时 Q0.0 另 一 对 常 开 触 点 闭 合 ， 为 M0.2 接 通 做准 备 ;当 第 2 次 按 下 按 钮 SB 时 ， 在 FP 指 令 的 作 用 下 ， M0.1 的 常 开 触 点 接 通 M0.2 的线 圈 回 路 ， M0.2 的 常 闭 触 点 切 断 了 PLC 的 输 出 ， 从 而 实 现 一 点 两 用 。3.2 利 用 边 沿 检 测 、 跳 转 指 令若 利 用 边 沿 检 测 和

10、跳 转 指 令 ， 实 现 起 来 较 为 简 便 ， 其 STL 程 序 如 下 。A I0.0FP M0.0JNB OUTAN Q0.0= Q0.0OUT: NOP0程 序 说 明 :第 4、 5 个 语 句 的 功 能 是 实 现 Q0.0 的 自 取 反 ， 但 若 没 有 前 面 的 跳 转 指 令 ， 则程 序 每 个 扫 描 周 期 都 会 将 Q0.0 的 状 态 取 反 一 次 ;第 1、 2 句 的 作 用 是 限 定 只 有 当I0.0 的 上 升 沿 到 时 取 反 一 次 ， 否 则 跳 出 取 反 程 序 段 ， 从 而 实 现 一 点 两 用 。3.3 利 用 边

11、 沿 检 测 、 异 或 指 令若 利 用 边 沿 检 测 和 异 或 指 令 实 现 起 来 更 为 简 便 ， 程 序 如 下 。A I 0.0FP M0.0X Q0.0= Q0.0程 序 说 明 :当 第 1 次 检 测 到 I0.0 的 上 升 沿 ， 此 时 Q0.0 为 0， 所 以 异 或 后 输 出 Q0.0为 1， 第 2 个 扫 描 周 期 来 时 ， 已 经 不 是 I0.0 的 上 升 沿 了 ， 因 此 为 0， 然 而 此 时 Q0.0确 为 1， 所 以 异 或 后 保 持 结 果 仍 为 1;第 2 次 检 测 到 上 升 沿 时 ， Q0.0 为 1， 异 或

12、 后 输 出Q0.0 的 结 果 为 0， 等 到 下 一 个 扫 描 周 期 到 时 ， 已 经 不 是 上 升 沿 了 ， 而 此 时 Q0.0 还 是为 0， 因 此 异 或 保 持 输 出 仍 为 0。4 硬 件 和 软 件 结 合 I/O 点 扩 展 方 法4.1 硬 件 编 码 和 软 件 译 码 ， 扩 展 输 入 点在 控 制 系 统 输 入 信 号 较 多 的 情 况 下 ， 可 以 利 用 编 码 器 对 输 入 信 号 编 码 ， 然 后 引 到PLC 的 输 入 端 ， 再 通 过 PLC 内 部 程 序 配 合 进 行 译 码 ， 对 各 个 输 入 信 号 加 以

13、识 别 ， 可 以 大 大减 少 对 输 入 点 的 占 用 。 PLC 的 外 部 接 线 如 图 5 所 示 。 由 于 普 通 编 码 器 在 有 多 个 信 号 同 时输 入 时 会 出 现 乱 码 ， 故 可 采 用 8 线 -3 线 优 先 编 码 器 74LS148， 设 定 好 信 号 的 优 先 权 ，有 时 还 要 将 编 码 器 的 选 通 输 出 端 和 扩 展 端 也 接 入 PLC 中 ， 配 合 程 序 减 少 误 判 断 。 另 外 ，还 要 注 意 的 是 电 平 的 匹 配 问 题 (信 号 电 路 的 5V 和 PLC 的 24V 之 间 )以 及 PLC

14、 的 输入 口 对 信 号 识 别 所 要 求 的 技 术 规 范 (驱 动 电 流 和 电 压 能 识 别 的 范 围 )， 有 时 还 需 增 加 适当 的 信 号 放 大 和 隔 离 电 路 。图 5 硬 件 编 码 接 线 图下 面 以 按 钮 SB2 按 下 为 例 ， 说 明 PLC 内 部 软 件 译 码 的 程 序 识 别 方 法 。 由 74LS148 的功 能 表 可 知 ， 该 芯 片 低 电 平 有 效 ， 因 此 图 5 中 用 3 个 非 门 将 输 出 电 平 转 换 成 正 逻 辑 。 若SB2 按 下 ， 无 论 SB0 和 SB1 是 否 按 下 ， 但 S

15、B3 SB7 均 未 按 下 ;此 时 ， ABC 的 输 出 为101， 经 过 非 门 后 I0.0， I0.1， I0.2 的 状 态 分 别 为 0， 1， 0;对 应 的 STL 译 码 程 序 如下 。LDN I0.0A I0.1AN I0.2= M0.2这 样 ， 笔 者 在 程 序 里 用 M0.2 的 常 开 触 点 代 替 了 按 钮 SB2。 即 当 按 钮 SB2 按 下 ， M0.2为 1;SB2 弹 起 ， M0.2 又 为 0， 从 而 实 现 了 软 件 译 码 的 功 能 。 另 外 需 要 指 出 ， 该 方 法 在 PLC的 每 一 个 扫 描 周 期 只

16、 能 读 入 8 个 输 入 中 的 一 个 输 入 状 态 ， 若 有 2 个 以 上 开 关 闭 合 ，PLC 只 能 检 测 出 优 先 权 高 的 那 个 信 号 。4.2 软 件 编 码 和 硬 件 译 码 ， 扩 展 输 出 点在 控 制 系 统 输 出 信 号 较 多 的 情 况 下 ， 可 以 通 过 PLC 的 内 部 程 序 对 输 出 信 号 进 行 编 码 ， 然后 通 过 硬 件 译 码 器 进 行 译 码 ， 驱 动 负 载 工 作 ， 这 可 以 大 大 的 减 少 对 输 出 点 的 占 用 。PLC 的 外 部 接 线 如 图 6 所 示 ， 采 用 3 线

17、-8 线 译 码 器 74LS138。 此 时 ， 同 样 存 在 电 平 匹配 的 问 题 ， 即 PLC 的 直 流 模 块 典 型 输 出 为 24V， 而 信 号 电 路 的 工 作 电 压 一 般 为 5V， 因 此 ， 有 时 同 样 需 要 增 加 信 号 电 路 以 及 功 率 放 大 电 路 以 驱 动 负 载 工 作 。图 6 PLC 接 线 图下 面 以 如 何 让 Q2 为 1 为 例 ， 说 明 PLC 内 部 软 件 的 编 码 方 法 。 由 74LS138 的 功 能 表 可知 ， 若 要 使 输 出 Q2 为 1， 应 该 使 Y2 输 出 为 0;即 对 应

18、 的 ABC 应 该 为 010， 从 而 得 到 只要 让 PLC 的 Q0.0， Q0.1， Q0.2 分 别 为 0， 1， 0 即 可 ;对 应 的 STL 编 码 程 序 如 下 ， 其 中M1.2 为 置 位 输 出 Q2 的 条 件 。LD M1.2S Q0.0, 1R Q0.1, 1S Q0.2, 1这 样 ， 只 需 对 Q0.0， Q0.1， Q0.2 进 行 组 合 就 可 以 实 现 对 输 出 Q0 Q7 分 别 置 为 1。本 方 法 存 在 一 个 明 显 的 缺 点 ， 即 每 一 个 扫 描 周 期 只 能 输 出 八 种 状 态 中 的 一 种 ， 若 要

19、同 时 置 位输 出 Q0 和 Q1 是 不 能 实 现 的 。4.3 用 N 个 输 入 点 识 别 N(N 1)/2 个 输 入 信 号若 我 们 将 输 入 信 号 接 成 图 7 的 形 式 ， 再 配 合 以 软 件 编 程 便 可 以 实 现 用 3 个 输 入 点 识 别3(3 1)/2 6 个 输 入 信 号 。 其 基 本 思 想 是 :当 SB1 按 下 时 ， PLC 只 检 测 到 了 I0.0为 “1”， 此 时 I0.1 和 I0.2 的 状 态 均 为 “0”， 那 么 在 程 序 里 就 将 I0.0 的 常 开 触 点和 I0.1、 I0.2 的 常 闭 触

20、点 相 与 来 识 别 SB1 的 状 态 ;若 SB2 按 下 时 ， I0.0 和 I0.1 均为 “1”， I0.2 为 “0”， 此 时 识 别 程 序 应 该 为 I0.0 和 I0.1 的 常 开 触 点 与 上 I0.2 的常 闭 触 点 ;其 它 点 的 情 况 类 似 ， 输 入 信 号 SB1 和 SB2 的 STL 识 别 程 序 如 下 ， 其 中 ，M2.1、 M2.2 的 状 态 就 代 表 了 信 号 SB1、 SB2 的 状 态 。LD I0.0AN I0.1AN I0.2= M2.1/信 号 SB1 的 识 别LDN I0.0A I0.1A I0.2= M2.

21、2/信 号 SB2 的 识 别需 要 指 出 :这 种 方 法 不 能 识 别 2 个 及 2 个 以 上 的 信 号 同 时 为 1 的 情 况 ， 如 SB1 和 SB3同 时 接 通 ， 程 序 会 把 它 当 成 SB2 接 通 的 情 况 识 别 。 图 7 中 二 极 管 的 作 用 是 为 了 隔 断 寄生 电 流 形 成 通 路 。 其 实 ， 用 3 个 输 入 点 最 多 可 以 7 个 信 号 的 识 别 ， 如 果 在 图 7 中 再加 一 个 SB7， 用 3 个 二 极 管 连 到 I0.0、 I0.1、 I0.2 上 ， 则 可 以 通 过 将 3 个 点 的 常

22、 开触 点 相 与 来 识 别 SB7， 但 这 样 过 于 繁 琐 ， 因 此 一 般 不 采 用 。 图 7 硬 件 接 线 图 4.4 用 输 入 /输 出 口 组 成 矩 阵 式 键 盘若 控 制 系 统 需 要 设 计 键 盘 ， 常 规 的 思 路 是 每 个 按 键 接 一 个 输 入 口 。 然 而 ， 当 键 数 增 加 时 ， 极为 浪 费 输 入 点 ， 因 此 仿 照 微 机 系 统 中 制 作 矩 阵 式 键 盘 的 思 路 ， 在 PLC 系 统 中 利 用I/O 点 组 成 矩 阵 式 键 盘 ， 如 图 8 所 示 为 33 键 盘 结 构 图 。 编 程 思

23、路 :首 先 ， 判 断 整 个键 盘 上 有 无 键 按 下 ， 方 法 是 将 行 全 输 出 为 1， 然 后 读 入 列 的 状 态 ， 如 果 列 读 入 的 状 态 全为 0， 则 无 键 按 下 ， 不 全 为 0 则 有 键 按 下 ;其 次 ， 逐 列 扫 描 ， 方 法 是 依 次 将 行 线 送1， 检 查 对 应 列 线 的 状 态 ， 若 列 线 全 为 0， 则 按 键 不 在 此 行 ;若 不 全 为 0， 则 按 键 必 在此 行 ， 且 是 与 1 电 平 列 线 相 交 的 那 个 键 。 由 此 可 见 ， 对 应 的 软 件 编 程 比 较 复 杂 ，

24、但 是 在 有些 小 型 的 控 制 系 统 中 可 以 避 免 增 加 操 作 屏 或 触 摸 屏 ， 从 而 提 高 系 统 性 价 比 。 若 需 要 详 细 的 硬件 设 计 图 和 软 件 程 序 可 与 作 者 联 系 。图 8 33 键 盘 结 构 图5 结 束 语本 文 从 硬 件 设 计 、 软 件 编 程 以 及 硬 件 软 件 结 合 三 个 方 面 探 讨 了 扩 展 PLC I/O 点 的 方法 。 在 具 体 应 用 时 ， 还 需 考 虑 每 种 扩 展 方 法 的 一 些 优 缺 点 以 及 抗 干 扰 能 力 等 问 题 。 若 能 合 理的 利 用 这 些 方 法 ， 必 能 有 效 的 节 省 PLC 的 I/O 点 数 ， 降 低 系 统 成 本 ， 提 供 性 价 比 ， 更 为充 分 的 发 挥 PLC 的 优 势 。