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1
引言
在設計PLC控制系統或對老設備進(jìn)行PLC技術(shù)改造時(shí)，設計人員經(jīng)常會(huì )發(fā)現系統的輸入/輸出信號太多，需占用大量的PLC輸入/輸出點(diǎn)，在原先預計的輸入/輸出點(diǎn)不夠用的情況下，當然可以通過(guò)I/O擴展單元或I/O模塊來(lái)解決，被迫提高PLC的選用檔次，進(jìn)而使系統的硬件配置增加，體積變大，設備初投資也隨之大大增加。筆者認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(guò)一定的設計技術(shù)來(lái)擴展輸入/輸出點(diǎn)的數量，而又不降低PLC系統的可靠性，從而達到降低設備初投資成本的目的。
2
對輸入點(diǎn)的擴展技術(shù)
2.1
合并輸入擴展技術(shù)
一臺棉紡織設備中常常有幾個(gè)起動(dòng)控制按鈕和幾個(gè)停止控制按鈕，且它們分別設置在機臺的不同位置，形成一種多地控制系統。圖1為三地控制的繼電器控制線(xiàn)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(dòng)機停轉;有3只起動(dòng)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(dòng)機正常運轉;還有一過(guò)載檢測元件FR，只要主電路有過(guò)負荷故障，其串聯(lián)在圖1中的FR常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，也使KM失電，電動(dòng)機停轉，從而切斷過(guò)負荷故障。
圖1
三地控制的繼電器控制線(xiàn)路
若對該設備進(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所示合并輸入擴展技術(shù):即在PLC外部將4個(gè)常閉(動(dòng)斷)觸點(diǎn)串聯(lián)，3個(gè)常開(kāi)(動(dòng)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)，節省了5個(gè)輸入點(diǎn)，同樣能達到對其7個(gè)輸入信號的處理目的。轉化為梯形圖如圖３所示即可。
圖2
合并輸入擴展技術(shù)線(xiàn)路圖
圖3
采取合并輸入擴展技術(shù)的梯形圖
圖4
油泵電機起?？刂频奶菪螆D
2.2
狀態(tài)變換擴展技術(shù)
通常對于工作狀態(tài)屬于0/1或者開(kāi)/關(guān)量變化的動(dòng)作(如油泵電機的起停、冷卻液的開(kāi)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(kāi)和關(guān)。
圖4為某機床油泵電機起?？刂频奶菪螆D，占用了PLC
2個(gè)輸入點(diǎn)X0、X1，其中X0為油泵電機開(kāi)按鈕輸入信號，X1為油泵電機關(guān)按鈕輸入信號，Y0為油泵電機開(kāi)輸出信號。
對圖4采用狀態(tài)變換擴展技術(shù)，則只需一個(gè)按鈕X0即可，每按一下按鈕X0，就將當前的油泵電機的工作狀態(tài)翻轉一次，其實(shí)現的PLC梯形圖程序有三種電路，分別如圖5、圖6、圖7所示。
圖5
用計數器的梯形圖
圖6
不用計數器的梯形圖
圖7
用功能指令的梯形圖
圖5為用計數器進(jìn)行控制的狀態(tài)變換技術(shù)。從圖5可以看出，當第一次按下X0時(shí)，使Y0=1且自保持，油泵電機運轉，同時(shí)X0的下降沿啟動(dòng)C0計數一次;當第二次按下X0又松開(kāi)時(shí)，它的下降沿又使C0計數一次，此時(shí)的計數值達到C0的設定值(K2)，計數器C0動(dòng)作，其動(dòng)斷觸點(diǎn)斷開(kāi)Y0回路，油泵電機停轉，實(shí)現了輸出狀態(tài)的翻轉，在接下來(lái)的一個(gè)掃描周期內，計數器的動(dòng)合觸點(diǎn)使C0復位，為下次計數做準備，從而實(shí)現了用一只按鈕啟停的單數次計數、雙數次計數復位的控制。
圖6為不用計數器進(jìn)行控制的狀態(tài)變換技術(shù)。從圖6可以看出，初始運行時(shí)，M0=M1=Y0=0，當第一次按下X0時(shí)，其上升沿即使Y0=1且自保持，油泵電機運轉，此時(shí)M0=1，M1=0;當第二次按下X0時(shí)的掃描周期內，M0=1，M1=1，Y0=0，油泵電機停轉，實(shí)現了輸出狀態(tài)的翻轉，在接下來(lái)的一個(gè)掃描周期內，M0=M1=Y0=0，又恢復為初始狀態(tài)，為下一次的狀態(tài)變換作好了準備。從而也實(shí)現了用一只按鈕啟停的單數次運轉、雙數次停轉的控制[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，每執行一次ALT指令，目標元件的輸出狀態(tài)取反，即目標元件的狀態(tài)在ON和OFF之間交替變換。初始運行時(shí)，Y0=0，當第一次按下X0時(shí)，其上升沿即使Y0=1且自保持，油泵電機運轉，當第二次按下X0時(shí)的掃描周期內，Y0＝0，油泵電機停轉，實(shí)現了輸出狀態(tài)的翻轉[2>。
2.3
條件分隔擴展技術(shù)
在各種數控裝置中，自動(dòng)和手動(dòng)是最常用的兩種控制方式。手動(dòng)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(dòng)方式準備的，仔細分析會(huì )發(fā)現有些手動(dòng)控制中使用的按鈕在自動(dòng)方式中根本就不會(huì )出現。因此，我們可將這些不會(huì )同時(shí)出現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)，從而達到節省輸入點(diǎn)的目的，這種方法即為條件分隔擴展技術(shù)。具體方法如圖８所示。
圖8中，HK為工作方式轉換開(kāi)關(guān)(如1位為自動(dòng)，2位為手動(dòng)方式)，必須占用一個(gè)點(diǎn)X0，以便在梯形圖中區分不同的作用;X1、X2、X3為重復使用的輸入點(diǎn)，這3個(gè)點(diǎn)分別接不同作用的開(kāi)關(guān)，通過(guò)轉換開(kāi)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(kāi)關(guān)必須通過(guò)二極管或門(mén)再接到輸入點(diǎn)上。像圖８所示電路可節省6－4=2個(gè)輸入點(diǎn)，達到了節省輸入點(diǎn)的目的。
圖8
采用條件分隔擴展技術(shù)的線(xiàn)路圖
2.4
輸入點(diǎn)組合應用擴展技術(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(chēng)為輸入點(diǎn)組合應用擴展技術(shù)。這種技術(shù)中，當n增加時(shí)，被擴展點(diǎn)數量增加很快。如n=6，當m=2時(shí)，新形成點(diǎn)數量為C62=15，這樣就從n=6點(diǎn)擴展為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(guò)繁。具體實(shí)現辦法如圖9所示:
圖9
采用輸入點(diǎn)組合應用擴展技術(shù)的線(xiàn)路圖
圖9為n=5，m=2的組合應用圖。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(mén)，其每個(gè)或門(mén)扇輸入數為(n－1)=5－1=4，且每m個(gè)(本圖為2)或門(mén)各與一個(gè)輸入端相連，一直不重復地接完，直至形成Ｃnm(本圖為C52)條連接線(xiàn)，這每一條連接線(xiàn)便是一個(gè)新的控制點(diǎn)。[3>
2.5
利用比較指令的輸入擴展技術(shù)
比較指令的功能是比較兩個(gè)數的大小。其指令格式如圖10所示。當X0＝ON時(shí)，則將K1(S1)與計數器C0(S2)的內容進(jìn)行比較:
當K1>C0，M0=1;
K1=C0, M1=1; K1
圖10
利用比較指令輸入擴展技術(shù)的梯形圖
圖10中，當按一下X0=ON，M1=1，Y0=1且自保持，第一臺電動(dòng)機起動(dòng);再按一下X0=ON，M2=1，Y1=1且自保持，第二臺電動(dòng)機起動(dòng);第三次按下X0=ON，M0=1，Y2=1且自保持，第三臺電動(dòng)機起動(dòng)，起動(dòng)過(guò)程完成。同理，當要求逆序停車(chē)時(shí)，按一下X1=ON，M11=1，Y2=0，第三臺電動(dòng)機停車(chē);再按一下X1=ON，M12=1，Y2=Y1=0，第二臺電動(dòng)機停車(chē);第三次按下X1=ON，M10=1，Y2=Y1=Y0，第一臺電動(dòng)機停車(chē),
停車(chē)過(guò)程按要求完成。
3
對輸出點(diǎn)的擴展技術(shù)
3.1
合并輸出擴展技術(shù)
目前，用PLC來(lái)實(shí)現控制的領(lǐng)域越來(lái)越多，像舞臺的藝術(shù)燈、大型戶(hù)外廣告屏、節日燈的控制等，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)及以上的負載，可以采用并聯(lián)連接的合并輸出擴展技術(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(dòng)或手動(dòng)工作方式)或者通過(guò)外部開(kāi)關(guān)的轉換，有些輸出點(diǎn)不會(huì )同時(shí)出現的場(chǎng)合，也可以采用合并輸出擴展技術(shù)，使每個(gè)PLC輸出點(diǎn)可以控制兩個(gè)及以上不同時(shí)工作的負載。具體實(shí)現方法如圖11所示。
圖11
采用合并輸出擴展技術(shù)的線(xiàn)路圖
圖11中，如果KM1、KM2所帶負載的狀態(tài)完全相同，只需把KM1、KM2的線(xiàn)圈并聯(lián)連接，只占用1個(gè)輸出點(diǎn)Y0，可節省1個(gè)輸出點(diǎn);同樣圖11中，如果Q1、Q2不會(huì )同時(shí)為接通狀態(tài)，則可以1個(gè)輸出點(diǎn)Y1來(lái)帶動(dòng)兩路不會(huì )同時(shí)有輸出的負載KM3、KM4的輸出，從而也節省了一個(gè)輸出點(diǎn)。
3.2
輸出點(diǎn)組合應用擴展技術(shù)
輸出點(diǎn)組合應用擴展技術(shù)的要點(diǎn)是將n個(gè)輸出繼電器號分為兩組，每組個(gè)數各為n/2個(gè)，通過(guò)外部接線(xiàn)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)負載，這種技術(shù)可節省(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)可以驅動(dòng)9(3×3)個(gè)負載，節省了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)負載，每一個(gè)負載由行線(xiàn)和列線(xiàn)所在的輸出繼電器號共同承擔。
3.3
機外處置擴展技術(shù)
PLC控制器有基本單元、擴展單元、擴展模塊之分，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)行擴展處理或需要選用更大點(diǎn)數的基本單元時(shí)，價(jià)格問(wèn)題顯得尤為突出，因此在對某些控制邏輯簡(jiǎn)單而又不參與工作循環(huán)的電氣設備或者在工作循環(huán)之前須先工作的設備而言，在用PLC進(jìn)行總體控制設計時(shí)，這些設備可以不用PLC來(lái)控制其輸出，而采用PLC機外處置的辦法仍用繼電器－接觸器來(lái)進(jìn)行控制，從而也達到了節省輸出點(diǎn)的目的，并且可大大降低投資成本。[1>
圖12
采用輸出點(diǎn)組合應用擴展技術(shù)的線(xiàn)路圖
4
結束語(yǔ)
上述介紹的這些技術(shù)，雖經(jīng)筆者在電氣實(shí)驗室調試取得了成功，證明是切實(shí)可行的，但在實(shí)際應用過(guò)程中仍要注意進(jìn)行模擬調試和系統聯(lián)調，確保萬(wàn)無(wú)一失。這些技術(shù)方法應當是在迫不得已的情況下考慮的方法，因為在考慮節約投資成本等經(jīng)濟性的同時(shí)，這些技術(shù)難免會(huì )帶來(lái)實(shí)踐操作、維護的復雜性，即使是非用不可，也一定要確保設備安全可靠，將復雜程度降到最低限度，并注意做好設計資料的保管工作，以便提供維護人員隨時(shí)查閱。
參考文獻
[1>
胡學(xué)林.
可編程控制器應用技術(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.
可編程控制器應用中節省輸入點(diǎn)的方法.
制造技術(shù)與機床,2002(9).
作者簡(jiǎn)介
顧子明(1968-)
男
講師/在職碩士生
研究方向:電氣自動(dòng)控制與工廠(chǎng)供電的教學(xué)與研究。