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扩展PLC控制系统I/O点的方法探讨
[正文]: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。
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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。
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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。
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图3 电动机电气控制原理图
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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 i0.0fp 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 i0.0fp 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。
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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 i0.0a 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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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= m2.2//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个点的常开触点相与来识别sb7，但这样过于繁琐，因此一般不采用。
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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3×3键盘结构图。
编程思路: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，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。
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图8 3×3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。
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