節(jié)省PLC I/O點(diǎn)的實(shí)用技術(shù)

1 引言

在設(shè)計(jì)PLC控制系統(tǒng)或?qū)显O(shè)備進(jìn)行PLC技術(shù)改造時(shí)，設(shè)計(jì)人員經(jīng)常會發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的輸入/輸出信號太多，需占用大量的PLC輸入/輸出點(diǎn)，在原先預(yù)計(jì)的輸入/輸出點(diǎn)不夠用的情況下，當(dāng)然可以通過I/O擴(kuò)展單元或I/O模塊來解決，被迫提高PLC的選用檔次，進(jìn)而使系統(tǒng)的硬件配置增加，體積變大，設(shè)備初投資也隨之大大增加。筆者認(rèn)為在對不是需要增加很多輸入/輸出點(diǎn)的情況下，可以通過一定的設(shè)計(jì)技術(shù)來擴(kuò)展輸入/輸出點(diǎn)的數(shù)量，而又不降低PLC系統(tǒng)的可靠性，從而達(dá)到降低設(shè)備初投資成本的目的。

2 對輸入點(diǎn)的擴(kuò)展技術(shù)

2.1 合并輸入擴(kuò)展技術(shù)
一臺棉紡織設(shè)備中常常有幾個(gè)起動控制按鈕和幾個(gè)停止控制按鈕，且它們分別設(shè)置在機(jī)臺的不同位置，形成一種多地控制系統(tǒng)。圖1為三地控制的繼電器控制線路，從圖1中可以看出:在不同的地方裝有3只停止按鈕SB1、SB2、SB3，按下其中任一按鈕都使KM失電，電動機(jī)停轉(zhuǎn);有3只起動按鈕SB4、SB5、SB6，按下其中任一按鈕都使KM得電并自保持，使電動機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn);還有一過載檢測元件FR，只要主電路有過負(fù)荷故障，其串聯(lián)在圖1中的FR常閉觸點(diǎn)斷開，也使KM失電，電動機(jī)停轉(zhuǎn)，從而切斷過負(fù)荷故障。

圖1 三地控制的繼電器控制線路

若對該設(shè)備進(jìn)行PLC改造，對輸入信號不加任何處理，將有SB1～SB6、FR共7個(gè)輸入信號要占用PLC 7個(gè)輸入點(diǎn)，在輸入／輸出點(diǎn)相對緊張時(shí)，對輸入信號可以采取圖2所示合并輸入擴(kuò)展技術(shù):即在PLC外部將4個(gè)常閉(動斷)觸點(diǎn)串聯(lián)，3個(gè)常開(動合)觸點(diǎn)并聯(lián)后再分別接入PLC的輸入端子，這樣只需占用2個(gè)輸入點(diǎn)，節(jié)省了5個(gè)輸入點(diǎn)，同樣能達(dá)到對其7個(gè)輸入信號的處理目的。轉(zhuǎn)化為梯形圖如圖３所示即可。

圖2 合并輸入擴(kuò)展技術(shù)線路圖

圖3 采取合并輸入擴(kuò)展技術(shù)的梯形圖 圖4 油泵電機(jī)起停控制的梯形圖

2.2 狀態(tài)變換擴(kuò)展技術(shù)
通常對于工作狀態(tài)屬于0/1或者開/關(guān)量變化的動作(如油泵電機(jī)的起停、冷卻液的開關(guān)、燈的亮熄等)進(jìn)行PLC控制時(shí),一般情況下要由2個(gè)按鈕分別控制它們的開和關(guān)。
圖4為某機(jī)床油泵電機(jī)起?？刂频奶菪螆D，占用了PLC 2個(gè)輸入點(diǎn)X0、X1，其中X0為油泵電機(jī)開按鈕輸入信號，X1為油泵電機(jī)關(guān)按鈕輸入信號，Y0為油泵電機(jī)開輸出信號。
對圖4采用狀態(tài)變換擴(kuò)展技術(shù)，則只需一個(gè)按鈕X0即可，每按一下按鈕X0，就將當(dāng)前的油泵電機(jī)的工作狀態(tài)翻轉(zhuǎn)一次，其實(shí)現(xiàn)的PLC梯形圖程序有三種電路，分別如圖5、圖6、圖7所示。

圖5 用計(jì)數(shù)器的梯形圖 圖6 不用計(jì)數(shù)器的梯形圖

圖7 用功能指令的梯形圖

圖5為用計(jì)數(shù)器進(jìn)行控制的狀態(tài)變換技術(shù)。從圖5可以看出，當(dāng)?shù)谝淮伟聪?/span>X0時(shí)，使Y0=1且自保持，油泵電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)X0的下降沿啟動C0計(jì)數(shù)一次;當(dāng)?shù)诙伟聪?/span>X0又松開時(shí)，它的下降沿又使C0計(jì)數(shù)一次，此時(shí)的計(jì)數(shù)值達(dá)到C0的設(shè)定值(K2)，計(jì)數(shù)器C0動作，其動斷觸點(diǎn)斷開Y0回路，油泵電機(jī)停轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)了輸出狀態(tài)的翻轉(zhuǎn)，在接下來的一個(gè)掃描周期內(nèi)，計(jì)數(shù)器的動合觸點(diǎn)使C0復(fù)位，為下次計(jì)數(shù)做準(zhǔn)備，從而實(shí)現(xiàn)了用一只按鈕啟停的單數(shù)次計(jì)數(shù)、雙數(shù)次計(jì)數(shù)復(fù)位的控制。
圖6為不用計(jì)數(shù)器進(jìn)行控制的狀態(tài)變換技術(shù)。從圖6可以看出，初始運(yùn)行時(shí)，M0=M1=Y0=0，當(dāng)?shù)谝淮伟聪?/span>X0時(shí)，其上升沿即使Y0=1且自保持，油泵電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，此時(shí)M0=1，M1=0;當(dāng)?shù)诙伟聪?/span>X0時(shí)的掃描周期內(nèi)，M0=1，M1=1，Y0=0，油泵電機(jī)停轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)了輸出狀態(tài)的翻轉(zhuǎn)，在接下來的一個(gè)掃描周期內(nèi)，M0=M1=Y0=0，又恢復(fù)為初始狀態(tài)，為下一次的狀態(tài)變換作好了準(zhǔn)備。從而也實(shí)現(xiàn)了用一只按鈕啟停的單數(shù)次運(yùn)轉(zhuǎn)、雙數(shù)次停轉(zhuǎn)的控制[1>。
圖7為用功能指令進(jìn)行控制的狀態(tài)變換技術(shù)。圖7中，ALT為交替輸出指令，其實(shí)際上是一個(gè)二分頻電路，每執(zhí)行一次ALT指令，目標(biāo)元件的輸出狀態(tài)取反，即目標(biāo)元件的狀態(tài)在ON和OFF之間交替變換。初始運(yùn)行時(shí)，Y0=0，當(dāng)?shù)谝淮伟聪?/span>X0時(shí)，其上升沿即使Y0=1且自保持，油泵電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)?shù)诙伟聪?/span>X0時(shí)的掃描周期內(nèi)，Y0＝0，油泵電機(jī)停轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)了輸出狀態(tài)的翻轉(zhuǎn)[2>。

2.3 條件分隔擴(kuò)展技術(shù)
在各種數(shù)控裝置中，自動和手動是最常用的兩種控制方式。手動工作方式的大量按鈕，占用了很多的輸入點(diǎn)，操作面板上的控制按鈕大多是為手動方式準(zhǔn)備的，仔細(xì)分析會發(fā)現(xiàn)有些手動控制中使用的按鈕在自動方式中根本就不會出現(xiàn)。因此，我們可將這些不會同時(shí)出現(xiàn)的輸入信號按工作方式分成兩組，使它們在不同的工作方式中接入相同的輸入點(diǎn)，從而達(dá)到節(jié)省輸入點(diǎn)的目的，這種方法即為條件分隔擴(kuò)展技術(shù)。具體方法如圖８所示。
圖8中，HK為工作方式轉(zhuǎn)換開關(guān)(如1位為自動，2位為手動方式)，必須占用一個(gè)點(diǎn)X0，以便在梯形圖中區(qū)分不同的作用;X1、X2、X3為重復(fù)使用的輸入點(diǎn)，這3個(gè)點(diǎn)分別接不同作用的開關(guān)，通過轉(zhuǎn)換開關(guān)方式的選擇，使點(diǎn)在不同時(shí)期起不同的作用，又為了避免寄生電路引起各點(diǎn)互相牽扯，各開關(guān)必須通過二極管或門再接到輸入點(diǎn)上。像圖８所示電路可節(jié)省6－4=2個(gè)輸入點(diǎn)，達(dá)到了節(jié)省輸入點(diǎn)的目的。

圖8 采用條件分隔擴(kuò)展技術(shù)的線路圖

2.4 輸入點(diǎn)組合應(yīng)用擴(kuò)展技術(shù)
將n個(gè)輸入點(diǎn)取m個(gè)點(diǎn)組合，可得到Ｃnm個(gè)組合組，其每一個(gè)組合組便是一個(gè)新的輸入點(diǎn)，從而使輸入點(diǎn)從n個(gè)擴(kuò)展為Ｃnm個(gè)，在不改變PLC原始配置的情況下使輸入點(diǎn)凈增Ｃnm－n個(gè)，這種技術(shù)稱為輸入點(diǎn)組合應(yīng)用擴(kuò)展技術(shù)。這種技術(shù)中，當(dāng)n增加時(shí)，被擴(kuò)展點(diǎn)數(shù)量增加很快。如n=6，當(dāng)m=2時(shí)，新形成點(diǎn)數(shù)量為C62=15，這樣就從n=6點(diǎn)擴(kuò)展為15個(gè)點(diǎn)。在此技術(shù)中，一般取m＝2，這樣不致使梯形圖過繁。具體實(shí)現(xiàn)辦法如圖9所示:

圖9 采用輸入點(diǎn)組合應(yīng)用擴(kuò)展技術(shù)的線路圖

圖9為n=5，m=2的組合應(yīng)用圖。圖9中，在每個(gè)參與組合的點(diǎn)(X0到X4)上接一個(gè)二極管或門，其每個(gè)或門扇輸入數(shù)為(n－1)=5－1=4，且每m個(gè)(本圖為2)或門各與一個(gè)輸入端相連，一直不重復(fù)地接完，直至形成Ｃnm(本圖為C52)條連接線，這每一條連接線便是一個(gè)新的控制點(diǎn)。[3>

2.5 利用比較指令的輸入擴(kuò)展技術(shù)
比較指令的功能是比較兩個(gè)數(shù)的大小。其指令格式如圖10所示。當(dāng)X0＝ON時(shí)，則將K1(S1)與計(jì)數(shù)器C0(S2)的內(nèi)容進(jìn)行比較:
當(dāng)K1>C0，M0=1; K1=C0, M1=1; K1
工廠生產(chǎn)線上經(jīng)常有這么一種要求，即要求n臺電動機(jī)隨時(shí)隨地順序起動，隨時(shí)隨地可逆序停車。如n=3時(shí)，若不采用任何輸入擴(kuò)展技術(shù)，則需3只起動按鈕、3只停止按鈕，要占用PLC 6個(gè)輸入點(diǎn)?，F(xiàn)采用比較指令設(shè)計(jì)技術(shù)，按圖10所示梯形圖設(shè)計(jì)，則只需占用X0、X1 2個(gè)輸入點(diǎn)，即可實(shí)現(xiàn)上述功能。[2>

圖10 利用比較指令輸入擴(kuò)展技術(shù)的梯形圖

圖10中，當(dāng)按一下X0=ON，M1=1，Y0=1且自保持，第一臺電動機(jī)起動;再按一下X0=ON，M2=1，Y1=1且自保持，第二臺電動機(jī)起動;第三次按下X0=ON，M0=1，Y2=1且自保持，第三臺電動機(jī)起動，起動過程完成。同理，當(dāng)要求逆序停車時(shí)，按一下X1=ON，M11=1，Y2=0，第三臺電動機(jī)停車;再按一下X1=ON，M12=1，Y2=Y1=0，第二臺電動機(jī)停車;第三次按下X1=ON，M10=1，Y2=Y1=Y0，第一臺電動機(jī)停車, 停車過程按要求完成。

3 對輸出點(diǎn)的擴(kuò)展技術(shù)

3.1 合并輸出擴(kuò)展技術(shù)
目前，用PLC來實(shí)現(xiàn)控制的領(lǐng)域越來越多，像舞臺的藝術(shù)燈、大型戶外廣告屏、節(jié)日燈的控制等，在這些燈光的控制邏輯中，有一些燈的控制邏輯完全相同，對于通斷狀態(tài)完全相同的2個(gè)及以上的負(fù)載，可以采用并聯(lián)連接的合并輸出擴(kuò)展技術(shù)，只需占用PLC的一個(gè)輸出點(diǎn)即可;對于在不同的工作方式下(如自動或手動工作方式)或者通過外部開關(guān)的轉(zhuǎn)換，有些輸出點(diǎn)不會同時(shí)出現(xiàn)的場合，也可以采用合并輸出擴(kuò)展技術(shù)，使每個(gè)PLC輸出點(diǎn)可以控制兩個(gè)及以上不同時(shí)工作的負(fù)載。具體實(shí)現(xiàn)方法如圖11所示。

圖11 采用合并輸出擴(kuò)展技術(shù)的線路圖

圖11中，如果KM1、KM2所帶負(fù)載的狀態(tài)完全相同，只需把KM1、KM2的線圈并聯(lián)連接，只占用1個(gè)輸出點(diǎn)Y0，可節(jié)省1個(gè)輸出點(diǎn);同樣圖11中，如果Q1、Q2不會同時(shí)為接通狀態(tài)，則可以1個(gè)輸出點(diǎn)Y1來帶動兩路不會同時(shí)有輸出的負(fù)載KM3、KM4的輸出，從而也節(jié)省了一個(gè)輸出點(diǎn)。

3.2 輸出點(diǎn)組合應(yīng)用擴(kuò)展技術(shù)
輸出點(diǎn)組合應(yīng)用擴(kuò)展技術(shù)的要點(diǎn)是將n個(gè)輸出繼電器號分為兩組，每組個(gè)數(shù)各為n/2個(gè)，通過外部接線的技術(shù)組合，使每組每次有一個(gè)繼電器有輸出，則其可帶(n/2)×(n/2)個(gè)負(fù)載，這種技術(shù)可節(jié)省(n/2)×(n/2)－n個(gè)輸出點(diǎn)。如圖12所示:用6個(gè)(注:n=6)輸出點(diǎn)可以驅(qū)動9(3×3)個(gè)負(fù)載，節(jié)省了3個(gè)輸出點(diǎn)，在梯形圖編程時(shí)，需要用編碼的方法確定每一個(gè)負(fù)載，每一個(gè)負(fù)載由行線和列線所在的輸出繼電器號共同承擔(dān)。

3.3 機(jī)外處置擴(kuò)展技術(shù)
PLC控制器有基本單元、擴(kuò)展單元、擴(kuò)展模塊之分，其相對繼電器－接觸器控制電路而言，價(jià)格相對較高，尤其是在需要占用大量輸出點(diǎn)時(shí)，還要對PLC基本單元進(jìn)行擴(kuò)展處理或需要選用更大點(diǎn)數(shù)的基本單元時(shí)，價(jià)格問題顯得尤為突出，因此在對某些控制邏輯簡單而又不參與工作循環(huán)的電氣設(shè)備或者在工作循環(huán)之前須先工作的設(shè)備而言，在用PLC進(jìn)行總體控制設(shè)計(jì)時(shí)，這些設(shè)備可以不用PLC來控制其輸出，而采用PLC機(jī)外處置的辦法仍用繼電器－接觸器來進(jìn)行控制，從而也達(dá)到了節(jié)省輸出點(diǎn)的目的，并且可大大降低投資成本。[1>

圖12 采用輸出點(diǎn)組合應(yīng)用擴(kuò)展技術(shù)的線路圖

4 結(jié)束語

上述介紹的這些技術(shù)，雖經(jīng)筆者在電氣實(shí)驗(yàn)室調(diào)試取得了成功，證明是切實(shí)可行的，但在實(shí)際應(yīng)用過程中仍要注意進(jìn)行模擬調(diào)試和系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，確保萬無一失。這些技術(shù)方法應(yīng)當(dāng)是在迫不得已的情況下考慮的方法，因?yàn)樵诳紤]節(jié)約投資成本等經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)，這些技術(shù)難免會帶來實(shí)踐操作、維護(hù)的復(fù)雜性，即使是非用不可，也一定要確保設(shè)備安全可靠，將復(fù)雜程度降到最低限度，并注意做好設(shè)計(jì)資料的保管工作，以便提供維護(hù)人員隨時(shí)查閱。
參考文獻(xiàn)
[1> 胡學(xué)林. 可編程控制器應(yīng)用技術(shù). 北京:高等教育出版社,2001.
[2> FX2系列PLC使用手冊.
[3> 黃新宇,張福潤. 可編程控制器應(yīng)用中節(jié)省輸入點(diǎn)的方法. 制造技術(shù)與機(jī)床,2002(9).

作者簡介
顧子明(1968-) 男 講師/在職碩士生 研究方向:電氣自動控制與工廠供電的教學(xué)與研究。