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扩展PLC控制系统I/O点的方法探讨

扩展PLC控制系统I/O点的方法探讨

点击数:7481 次   录入时间:03-04 11:57:49   整理:http://www.55dianzi.com   PLC工业控制

 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。 

分时分组输入接线图
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。 

共用输出点接线图
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、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。 

电动机电气控制原理图
图3 电动机电气控制原理图 

电动机PLC控制接线图
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     I0.0
    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

    若利用边沿检测和跳转指令,实现起来较为简便,其STL程序如下。

    A  I0.0
    FP M0.0
    JNB OUT
    AN Q0.0
    =  Q0.0
    OUT:  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 0.0
    FP    M0.0
    X     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。 

硬件编码接线图
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SB3~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 I0.0
    A  I0.1
    AN 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-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。 

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