對多輸出點PLC設計與編程的實例展示與解析

對多輸出點PLC設計與編程的實例展示與解析

有這樣一個PLC編程課題：某設備有六十個電磁閥，序號為L1～L60。按下啟動按鈕，設備將從序號為1的電磁閥開始依次循環(huán)啟動下去，即：L1、L2……L60、L1、L2……, 每個電磁閥的動作時間皆=1秒，相鄰2個電磁閥啟動間隔時間為10秒。當按下停止按鈕設備停車。應如何進行PLC的硬件設計與編程 。能否不用60個輸出口也能實現對60個電磁閥的順序控制？

這是一個多輸出點的PLC編程，按正常的PLC設計與編程，硬件上要求PLC至少應有60個輸出口，來分別對60個電磁閥進行循環(huán)驅動。一般的中小型PLC是沒有這么多的輸出端口的，需外擴多個輸出模塊才能實現。這樣就會使設備的設計費用大大提高。能否用較少的輸出口來實現對這60各電磁閥的循環(huán)控制呢，這就是本文重點討論的問題。

本文用二種方案對此命題進行設計與編程，并對電路原理與程序進行解析，供大家參考與分析。

第一設計方案：即常規(guī)的PLC設計與編程

1、硬件選擇：(1)、PLC選用為S7-200的CPU226一臺，其輸入點為24，輸出點為16。（2）、擴展輸出模塊選用EM222（8點輸出），共選用6塊。合計輸出口16+8×6=64個。輸出地址為：Q0.0、Q0.1、Q0.2 …… Q0.7、Q1.0、Q1.1 ……Q1.7、……Q7.0、Q7.1、Q7.2、Q7.3，共占用8個輸出通道，60個輸出點。剩下4點輸出可作它用。

2、編程考慮：第一編程方案：

（1）、編程令輸出口Q0.0為第一電磁閥輸出口，Q0.1為第二電磁閥輸出口，Q0.2為第三電磁閥輸出口……，這樣當輸出由Q0.0開始輸出1秒寬脈沖后，Q0.1、Q0.2……每隔10秒依次輸出1秒寬的脈沖。如是這樣，編程只能用字節(jié)左移指令來完成，而不能用字或雙字左移指令來編程。（2）、60個輸出口占據8個字節(jié)輸出通道，為將Q0.0=1依次左移到Q7.3=1，需選用QB0、QB1……QB8這8個字節(jié)的左移指令來編程。字節(jié)左移指令是不會將=1的移出位自動移入下一字節(jié)的最低位，故編程時應考慮字節(jié)之間的移位應如何進行。請見下面梯形圖：

第二編程方案： 將第一電磁閥與輸出口Q7.3連接，第二電磁閥與輸出口Q7.4 連接……第60電磁閥與輸出口Q0.0 連接（即與第一方案輸出口與電磁閥的連接順序正相反），這樣編程就不必用8個字節(jié)的左移指令一一執(zhí)行，而只用2個雙字左移指令就可實現對60個電磁閥的順序移位控制，使編寫程序大大簡化。見下梯形圖：

    可見，該命題編程的簡繁與輸出口的順序選擇有很大關系，從中也給編程者一個啟示：編程時要多思路、多對比，方可選擇最優(yōu)最簡練的好方案。

第二設計方案：用硬件電路配合，僅用7個輸出口的PLC設計與編程

從第一設計方案的硬件選擇可知，為實現60個電磁閥循環(huán)啟動，PLC需用60個輸出口，這樣除選用40點的CPU226外，還得擴展6個8點輸出的I/O模塊EM222。其設計成本是很昂貴的（高達7～8千元）。本設計方案借助硬件電路，僅用10點輸出的CPU224一臺，無需擴展I/O模塊，就可實現對60個電磁閥的循環(huán)啟動控制，大大降低設計費用。而且PLC的編程也變得簡單。見下圖：

   1、硬件電路構成：

該硬件電路是選用集成電路4514、 4555及1413集成塊各一片，NPN型功率管（BD137）16只，PNP型功率管（BD138）4只，及電阻等元件組成一個可控制60個電磁閥循環(huán)啟動的控制電路。其4514的輸入腳D1~D4接PLC的輸出口Q0.0~Q0.3，其4555的輸入腳A、B接PLC的輸出口Q0.4與Q0.5，4514的INH引腳與4555的E腳相連，接PLC的輸出口Q0.6。

60個電磁閥按序號分為4組，前3組每組16個，第4組為12個電磁閥（L49~L60）。將各組所有的電磁閥線圈的一端各自連接在一起，分別接圖中G01~G03四只晶體管的發(fā)射極：第一組（L1~L16）接G01發(fā)射極，第二組（L17~L32）接G02發(fā)射極，第三組（L33~L48）接G03發(fā)射極，第四組（L49~L60）接G04發(fā)射極。再將四組中對應排列順序相同電磁閥線圈的另一端并接一起，分別接圖中G1~G16這16只晶體管的集電極。如：將L1、L17、L33、L49的另一端接在一起，接G1集電極，將L2、L18、L34、L50的另一端接在一起，接G2集電極，將L3、L19、L35、L51的另一端接在一起，接G3集電極……，將L16、L32、L48的另一端接在一起，接G16集電極。

4514的16個輸出點S0~S15分別接晶體管G1~G16管的基極電阻R1~R16，而G1~G16管的集電極，接4個電磁閥線圈的一端，如上所述：其G1的集電極接L1、L17、L33、L49線圈的一端，G2的集電極接L2、L18、L34、L50線圈的一端……，G16的集電極接L16、L32、L48線圈的一端。其L1~L16的上端并接一起，接G01管的集電極，其L17~L32的上端并接一起，接G02管的集電極，其L33~L48的上端并接一起，接G03管的集電極，其L49~L60的上端并接一起，接G04管的集電極，由于圖面所限，上圖僅畫出4514的S0、S8、S15的3個輸出點的控制電路。

4555的輸出點Q0~Q3分別接1413塊的1~4腳，1413是由7個反向器組成集成電路，其1~7腳分別為7個反向器的輸入端，其對應輸出管腳分別為16、15、14、13、12、11、10。由于1413的各反向器輸出無上拉電阻，故1～4腳對應的反向器輸出16、15、14、13腳分別外接5K電阻，這4個5K電阻的上端接24V電源正極。同時1413這4個輸出腳又各接一20K電阻，去G01～G04管的基極。這里1413起反相與電平轉換作用：如當4555的輸出點Q0輸出=0時，即使1413的1腳電壓=0V，使該反向器截止，其輸出16腳輸出電壓為+24V,通過R01加在G01管的基極上，由于此時G01管的基極與發(fā)射極電位相等，故使G01管截止，相當開關斷開，使24V電壓與L1～L16線圈斷開。如當Q0輸出=1時，使1413的1腳電壓=+15V，使該反向器導通，即1413的輸出16腳輸出電壓=0V,該0V通過R01使G01管的基極產生足夠大的注入電流，使G01管飽和導通（管壓降≈0V），相當開關閉合，將24V電壓加在L1～L16的上端。

即：G01相當L1～L16的電源開關,它受4555的Q0控制：Q0=0時使G01截止，使L1～L16處于斷電源狀態(tài)，Q0=1時使G01導通，使L1～L16的上端接通+24V電源。 同理G02相當L17～L32的電源開關,它受4555的Q1控制；G03相當L133～L48的電源開關,它受4555的Q2控制；G04相當L49～L60的電源開關,它受4555的Q3控制；

4514與4555是COS電路。其最高工作電壓≤18V，實選15V供電，該15V電源是用一只7815穩(wěn)壓塊從24V電源中獲取的。

PLC輸出口Q0.0~Q0.6 分別接一3K電阻的一端，電阻的另一端接1M與2M。PLC輸出測的1L+與2L+接15V電源的正極，1M與2M接15V電源的負極。這樣連接會使PLC輸出為1時使其電壓=+15V，與接口元件4514、4555的輸入電平匹配。

2、COS集成電路功能介紹：

4514 為為高電平輸出的4線-16線譯碼器，其輸入 為 D1、D2、D3、D4 共4點，其輸出 為S0~S15 共16點。 4514的1腳（即STR端）接+15V，而其23腳（INH端）的電位是可控制S0~S15輸出有效的使能端，如 INH=0，容許S0~S15按輸入信號（D1~D4）使對應輸出點輸出=1。如 INH=1，不管D1~D4為何種輸入，都將強迫S0~S15輸出狀態(tài)皆=0。

D1~D4這4位輸入點其輸入信號可從0000~1111，共有16種不同的輸入狀態(tài)，在INH=0時，其每一種輸入，都會使其對應輸出端的輸出=1 （即+15V輸出），如：輸入為0000時，其對應輸出點S0=1，而其它輸出點輸出=0。當輸入為0111時，其對應輸出點S7=1，而其它輸出點輸出=0。當輸入為1111時，其對應輸出點S15=1，而其它輸出點輸出=0。

4555 為高電平輸出的雙2線-4線譯碼器（本電路只用其一個2-4譯碼器），其輸入 為A、B 2點，其輸出為Q0~Q3 共4點，其1腳（E端）為控制Q0~Q3 輸出的使能端，當E=1時將強迫Q0~Q3皆=0，當E=0時，將容許輸出使能：如A、B輸入為00時，其對應輸出點Q0=1，而Q1、Q2、Q3各點輸出皆=0。A、B輸入為01時，其對應輸出點Q1=1，而Q1、Q2、Q3各點輸出皆=0 ……。

3、電路工作原理解析：

設計構思：用PLC的Q0.0~Q0.5做輸出，其輸出狀態(tài)為000000 ~111111，共有64種不同輸出狀態(tài)，設計時將它分為兩組：（1）、低4位Q0.0~Q0.3為一組，其輸出數為0000~1111 ，（2）、高2位Q0.4~Q0.5 為另一組，它可輸出 00~11。

從數學觀點來看，Q0.0~Q0.3 代表二進制數的低4位數值， Q0.4~Q0.5 代表二進制數的第5與第6二位的數值：當Q0.4與Q0,5=00 時，其6位輸出數的值為十進制數0~15，即二進制數的00       _0000 ~ 00_1111。當Q0.4與Q0.5=01 （即=10進制數16）時，其6位輸出數的值為十進制數16+（0~15）=16~31，即二進制數的01_0000 ~ 01_1111。當Q0.4與Q0,5=10 （即=10進制數32）時，其6位輸出數的值為十進制數32+（0~15）= 32~47，即二進制數的10_0000 ~ 10_1111。當Q0.4與Q0,5=11（即=10進制數48） 時，其6位輸出數的值為十進制數48+（0~15）= 48~64，即二進制數的11_0000 ~ 11_1111。。由于輸出最大數為60 ，故在Q04與Q0.5=11時，Q0.0~Q0.3 取值為0000~1011之間（即十進制數的0~11）。

硬件處理： 用4514輸入點D1、D2、D3、D4接PLC的Q0.0～Q0.3,作為6位二進制數的的低4位數輸入點，用4555輸入點A、B接PLC的Q0.4～Q0.5,作為6位二進制數的的高2位數輸入點，當4514的1腳（即STR端）接+15V，其23腳（INH端）接0V時，D1~D4的輸入值，會使S0~S15這16個輸出點有一個輸出=1，其輸出點的序號與D1~D4的輸入值相同。如：D1~D4輸入值=0000，則輸出口S0=1，如D1~D4輸入值=1000，則輸出口S8=1……如D1~D4輸入值=1111，則輸出口S15=1。

4555當其1腳E =0時，會使其一位輸出點=1，其輸出點的序號與其輸入值相同。如：A、B輸入為00時，其對應輸出點Q0=1，而Q1、Q2、Q3各點輸出皆=0。如A、B輸入為01時，其對應輸出點Q1=1，而Q0、Q2、Q3各點輸出皆=0……

硬件這樣處理的目的，是盡量減小硬件個數，使線路簡化：通常60個電磁閥，要用60個晶體管來驅動，采用本電路卻可只用20個晶體管就可實現對64個電磁閥的驅動。請見以下分析：

當PLC的6位輸出值=00_0000時，其高2位數 00 輸入給4555 A B輸入點，使4555的輸出Q0=1，Q1～Q4輸出=0。這將使G01管導通，而G02～G04管截止，從電路圖可知：此時只有電磁閥L1～L16線圈接通24V電源， 而L17～L60處于斷電源狀態(tài)。其低4位數 0000 輸入給4514的D1～D4輸入點，使4514輸出點S0=1（即+15V），輸入給G01管的基極電阻R1，使G01導通，即使電磁閥L1得電動作。如PLC的6位輸出值=01_0100時，其高2位數 01將使G02管導通，使L17～L32接通24V電源，而其它電磁閥處于斷電源狀態(tài)，輸出值的低4位數=0100輸入給4514輸入端，將使4514的S4輸出=1，即使L21得電動作。

4514的16個輸出點（S0～S15）分別與16個晶體管（G1、G2……G16）的基極電阻相連接，而這16個晶體管的集電極分別4個電磁閥線圈，見下圖：

 上圖是僅畫出4514的輸出點S0一路的電路圖：其晶體管G1的基極通過R1與S0相接，G1的集電極與L1、L17、L33、L49這4個電磁閥的下端相連接，這4個電磁閥的上端分別與G01～G04的集電極相連。當PLC的6為輸入值為 00_0000時，其低4為使S0=1, 進而使G1導通，其高2為使Q0=1,進而使G01管導通，顯然只有L1得電動作。當PLC的6為輸入值為 10_0000時，其低4仍使S0=1,進而使G1導通，其高2卻使Q2=1,進而使G03管導通，顯然只有L33得電動作。

 對硬件電路就講解到此，下面再講講配合該電路的PLC應如何編程：

4、編程說明：用該硬接電路作控制60個電磁閥依次循環(huán)動作，PLC編程只需編寫一個6位輸出60進制數的計數器即可。用計數器的6位值送入QB0的低6位。計數脈沖周期為10秒，即每隔10秒，使計數器加1，計數器計到61時立即使計數器清0。

在計數脈沖觸發(fā)后的頭1秒內，使Q0.6=0, 使4514與4555的譯碼輸出有效（即容許電磁閥動作1秒），之后的9秒時間，使Q0.6=1，即4514與4555的譯碼輸出無效，電磁閥皆處于斷電狀態(tài)。具體編程請見下面梯形圖：

5、梯形圖：

    程序說明：網絡1將16#40送入QB0的目的將Q0.6=1，即使4514與4555的各個輸出點=0，確保開機后60個電磁閥皆為不動作狀態(tài)。網絡2～網絡4為啟動運行：清QB0，使M8.0=1，T101與T102開始振蕩。網絡5：T102=1(只存在1個掃描周期)使MB0計數加1，且確保MB0為60進制計數器。網絡6：在M8.0=1、T101=0為1秒間隔，此間隔內，其Q0.6輸出=0，硬件電路4514及4555輸出使能，即總有一路電磁閥動作，在M8.0=1、T101=1為9秒間隔，此間隔內，其Q0.6輸出=1，使硬件電路4514及4555輸出皆=0，即60個電磁閥皆停止。網絡7為按停止按鈕，設備運行停。

6、二種設計方案比較：

1、用60個輸出口的PLC設計比用硬件配合僅用7個輸出口的PLC設計從元件成本上要高于1～2倍。如前面所講：第一方案選用CPU226，為40點PLC，價格要比24點CPU224要高出1000多元，還需外配8個8輸出擴展模塊，僅從PLC與模塊的費用就高到7,～8千元。而第二方案選用CPU224與一塊硬件電路板，其費用可在2～3千元：4514、4555及1413價格為10元左右，20個晶體管費用20元，再加上印刷板，加上電阻及印刷板，整個硬件成本只需幾十元錢，低于PLC的一個輸出口的價錢。

2、如電磁閥工作電流較大，第一方案就不能直接用PLC的輸出口接電磁閥，需外加60個中間繼電器或60只晶體功率管及電阻等元件，這樣不僅費用增大，而且也要增加一塊印刷電路板來安放60個繼電器或60只晶體管與電阻等元件。其面積要大于第二方案的硬件電路板。而第二方案的硬件電路，只用3個集成電路，20只晶體功率管及電阻等件，其印刷板面積不大。由于電路中的20只晶體管（BD137與BD138）是功率管，其輸出電流可達1A，故對電磁閥工作電流較大的情況下，也不需再增加繼電器或晶體管。

3、第一方案適應一般PLC的編程者，而第二方案要求PLC的編程者要有一定的電子線路知識與技能。

從中可以看出，多學點電子電路知識，會擴大我們的編程視野與能力，對PLC的設計編程是大有益處的。本文到此結束，謝謝大家！