对多输出点PLC设计与编程的实例展示与解析_COS集成电路_4线-16线译码器

对多输出点PLC设计与编程的实例展示与解析

2013/9/21 14:21:58

对多输出点PLC设计与编程的实例展示与解析

有这样一个PLC编程课题：某设备有六十个电磁阀，序号为L1～L60。按下启动按钮，设备将从序号为1的电磁阀开始依次循环启动下去，即：L1、L2……L60、L1、L2……, 每个电磁阀的动作时间皆=1秒，相邻2个电磁阀启动间隔时间为10秒。当按下停止按钮设备停车。应如何进行PLC的硬件设计与编程。能否不用60个输出口也能实现对60个电磁阀的顺序控制？

这是一个多输出点的PLC编程，按正常的PLC设计与编程，硬件上要求PLC至少应有60个输出口，来分别对60个电磁阀进行循环驱动。一般的中小型PLC是没有这么多的输出端口的，需外扩多个输出模块才能实现。这样就会使设备的设计费用大大提高。能否用较少的输出口来实现对这60各电磁阀的循环控制呢，这就是本文重点讨论的问题。

本文用二种方案对此命题进行设计与编程，并对电路原理与程序进行解析，供大家参考与分析。

第一设计方案：即常规的PLC设计与编程

1、硬件选择：(1)、PLC选用为S7-200的CPU226一台，其输入点为24，输出点为16。（2）、扩展输出模块选用EM222（8点输出），共选用6块。合计输出口16+8×6=64个。输出地址为：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个输出通道，60个输出点。剩下4点输出可作它用。

2、编程考虑：第一编程方案：

（1）、编程令输出口Q0.0为第一电磁阀输出口，Q0.1为第二电磁阀输出口，Q0.2为第三电磁阀输出口……，这样当输出由Q0.0开始输出1秒宽脉冲后，Q0.1、Q0.2……每隔10秒依次输出1秒宽的脉冲。如是这样，编程只能用字节左移指令来完成，而不能用字或双字左移指令来编程。（2）、60个输出口占据8个字节输出通道，为将Q0.0=1依次左移到Q7.3=1，需选用QB0、QB1……QB8这8个字节的左移指令来编程。字节左移指令是不会将=1的移出位自动移入下一字节的最低位，故编程时应考虑字节之间的移位应如何进行。请见下面梯形图：

第二编程方案：将第一电磁阀与输出口Q7.3连接，第二电磁阀与输出口Q7.4 连接……第60电磁阀与输出口Q0.0 连接（即与第一方案输出口与电磁阀的连接顺序正相反），这样编程就不必用8个字节的左移指令一一执行，而只用2个双字左移指令就可实现对60个电磁阀的顺序移位控制，使编写程序大大简化。见下梯形图：

可见，该命题编程的简繁与输出口的顺序选择有很大关系，从中也给编程者一个启示：编程时要多思路、多对比，方可选择最优最简练的好方案。

第二设计方案：用硬件电路配合，仅用7个输出口的PLC设计与编程

从第一设计方案的硬件选择可知，为实现60个电磁阀循环启动，PLC需用60个输出口，这样除选用40点的CPU226外，还得扩展6个8点输出的I/O模块EM222。其设计成本是很昂贵的（高达7～8千元）。本设计方案借助硬件电路，仅用10点输出的CPU224一台，无需扩展I/O模块，就可实现对60个电磁阀的循环启动控制，大大降低设计费用。而且PLC的编程也变得简单。见下图：

1、硬件电路构成：

该硬件电路是选用集成电路4514、 4555及1413集成块各一片，NPN型功率管（BD137）16只，PNP型功率管（BD138）4只，及电阻等元件组成一个可控制60个电磁阀循环启动的控制电路。其4514的输入脚D1~D4接PLC的输出口Q0.0~Q0.3，其4555的输入脚A、B接PLC的输出口Q0.4与Q0.5，4514的INH引脚与4555的E脚相连，接PLC的输出口Q0.6。

60个电磁阀按序号分为4组，前3组每组16个，第4组为12个电磁阀（L49~L60）。将各组所有的电磁阀线圈的一端各自连接在一起，分别接图中G01~G03四只晶体管的发射极：第一组（L1~L16）接G01发射极，第二组（L17~L32）接G02发射极，第三组（L33~L48）接G03发射极，第四组（L49~L60）接G04发射极。再将四组中对应排列顺序相同电磁阀线圈的另一端并接一起，分别接图中G1~G16这16只晶体管的集电极。如：将L1、L17、L33、L49的另一端接在一起，接G1集电极，将L2、L18、L34、L50的另一端接在一起，接G2集电极，将L3、L19、L35、L51的另一端接在一起，接G3集电极……，将L16、L32、L48的另一端接在一起，接G16集电极。

4514的16个输出点S0~S15分别接晶体管G1~G16管的基极电阻R1~R16，而G1~G16管的集电极，接4个电磁阀线圈的一端，如上所述：其G1的集电极接L1、L17、L33、L49线圈的一端，G2的集电极接L2、L18、L34、L50线圈的一端……，G16的集电极接L16、L32、L48线圈的一端。其L1~L16的上端并接一起，接G01管的集电极，其L17~L32的上端并接一起，接G02管的集电极，其L33~L48的上端并接一起，接G03管的集电极，其L49~L60的上端并接一起，接G04管的集电极，由于图面所限，上图仅画出4514的S0、S8、S15的3个输出点的控制电路。

4555的输出点Q0~Q3分别接1413块的1~4脚，1413是由7个反向器组成集成电路，其1~7脚分别为7个反向器的输入端，其对应输出管脚分别为16、15、14、13、12、11、10。由于1413的各反向器输出无上拉电阻，故1～4脚对应的反向器输出16、15、14、13脚分别外接5K电阻，这4个5K电阻的上端接24V电源正极。同时1413这4个输出脚又各接一20K电阻，去G01～G04管的基极。这里1413起反相与电平转换作用：如当4555的输出点Q0输出=0时，即使1413的1脚电压=0V，使该反向器截止，其输出16脚输出电压为+24V,通过R01加在G01管的基极上，由于此时G01管的基极与发射极电位相等，故使G01管截止，相当开关断开，使24V电压与L1～L16线圈断开。如当Q0输出=1时，使1413的1脚电压=+15V，使该反向器导通，即1413的输出16脚输出电压=0V,该0V通过R01使G01管的基极产生足够大的注入电流，使G01管饱和导通（管压降≈0V），相当开关闭合，将24V电压加在L1～L16的上端。

即：G01相当L1～L16的电源开关,它受4555的Q0控制：Q0=0时使G01截止，使L1～L16处于断电源状态，Q0=1时使G01导通，使L1～L16的上端接通+24V电源。同理G02相当L17～L32的电源开关,它受4555的Q1控制；G03相当L133～L48的电源开关,它受4555的Q2控制；G04相当L49～L60的电源开关,它受4555的Q3控制；

4514与4555是COS电路。其最高工作电压≤18V，实选15V供电，该15V电源是用一只7815稳压块从24V电源中获取的。

PLC输出口Q0.0~Q0.6 分别接一3K电阻的一端，电阻的另一端接1M与2M。PLC输出测的1L+与2L+接15V电源的正极，1M与2M接15V电源的负极。这样连接会使PLC输出为1时使其电压=+15V，与接口元件4514、4555的输入电平匹配。

2、COS集成电路功能介绍：

4514 为为高电平输出的4线-16线译码器，其输入为 D1、D2、D3、D4 共4点，其输出为S0~S15 共16点。 4514的1脚（即STR端）接+15V，而其23脚（INH端）的电位是可控制S0~S15输出有效的使能端，如 INH=0，容许S0~S15按输入信号（D1~D4）使对应输出点输出=1。如 INH=1，不管D1~D4为何种输入，都将强迫S0~S15输出状态皆=0。

D1~D4这4位输入点其输入信号可从0000~1111，共有16种不同的输入状态，在INH=0时，其每一种输入，都会使其对应输出端的输出=1 （即+15V输出），如：输入为0000时，其对应输出点S0=1，而其它输出点输出=0。当输入为0111时，其对应输出点S7=1，而其它输出点输出=0。当输入为1111时，其对应输出点S15=1，而其它输出点输出=0。

4555 为高电平输出的双2线-4线译码器（本电路只用其一个2-4译码器），其输入为A、B 2点，其输出为Q0~Q3 共4点，其1脚（E端）为控制Q0~Q3 输出的使能端，当E=1时将强迫Q0~Q3皆=0，当E=0时，将容许输出使能：如A、B输入为00时，其对应输出点Q0=1，而Q1、Q2、Q3各点输出皆=0。A、B输入为01时，其对应输出点Q1=1，而Q1、Q2、Q3各点输出皆=0 ……。

3、电路工作原理解析：

设计构思：用PLC的Q0.0~Q0.5做输出，其输出状态为000000 ~111111，共有64种不同输出状态，设计时将它分为两组：（1）、低4位Q0.0~Q0.3为一组，其输出数为0000~1111 ，（2）、高2位Q0.4~Q0.5 为另一组，它可输出 00~11。

从数学观点来看，Q0.0~Q0.3 代表二进制数的低4位数值， Q0.4~Q0.5 代表二进制数的第5与第6二位的数值：当Q0.4与Q0,5=00 时，其6位输出数的值为十进制数0~15，即二进制数的00 _0000 ~ 00_1111。当Q0.4与Q0.5=01 （即=10进制数16）时，其6位输出数的值为十进制数16+（0~15）=16~31，即二进制数的01_0000 ~ 01_1111。当Q0.4与Q0,5=10 （即=10进制数32）时，其6位输出数的值为十进制数32+（0~15）= 32~47，即二进制数的10_0000 ~ 10_1111。当Q0.4与Q0,5=11（即=10进制数48）时，其6位输出数的值为十进制数48+（0~15）= 48~64，即二进制数的11_0000 ~ 11_1111。。由于输出最大数为60 ，故在Q04与Q0.5=11时，Q0.0~Q0.3 取值为0000~1011之间（即十进制数的0~11）。

硬件处理：用4514输入点D1、D2、D3、D4接PLC的Q0.0～Q0.3,作为6位二进制数的的低4位数输入点，用4555输入点A、B接PLC的Q0.4～Q0.5,作为6位二进制数的的高2位数输入点，当4514的1脚（即STR端）接+15V，其23脚（INH端）接0V时，D1~D4的输入值，会使S0~S15这16个输出点有一个输出=1，其输出点的序号与D1~D4的输入值相同。如：D1~D4输入值=0000，则输出口S0=1，如D1~D4输入值=1000，则输出口S8=1……如D1~D4输入值=1111，则输出口S15=1。

4555当其1脚E =0时，会使其一位输出点=1，其输出点的序号与其输入值相同。如：A、B输入为00时，其对应输出点Q0=1，而Q1、Q2、Q3各点输出皆=0。如A、B输入为01时，其对应输出点Q1=1，而Q0、Q2、Q3各点输出皆=0……

硬件这样处理的目的，是尽量减小硬件个数，使线路简化：通常60个电磁阀，要用60个晶体管来驱动，采用本电路却可只用20个晶体管就可实现对64个电磁阀的驱动。请见以下分析：

当PLC的6位输出值=00_0000时，其高2位数 00 输入给4555 A B输入点，使4555的输出Q0=1，Q1～Q4输出=0。这将使G01管导通，而G02～G04管截止，从电路图可知：此时只有电磁阀L1～L16线圈接通24V电源，而L17～L60处于断电源状态。其低4位数 0000 输入给4514的D1～D4输入点，使4514输出点S0=1（即+15V），输入给G01管的基极电阻R1，使G01导通，即使电磁阀L1得电动作。如PLC的6位输出值=01_0100时，其高2位数 01将使G02管导通，使L17～L32接通24V电源，而其它电磁阀处于断电源状态，输出值的低4位数=0100输入给4514输入端，将使4514的S4输出=1，即使L21得电动作。

4514的16个输出点（S0～S15）分别与16个晶体管（G1、G2……G16）的基极电阻相连接，而这16个晶体管的集电极分别4个电磁阀线圈，见下图：

上图是仅画出4514的输出点S0一路的电路图：其晶体管G1的基极通过R1与S0相接，G1的集电极与L1、L17、L33、L49这4个电磁阀的下端相连接，这4个电磁阀的上端分别与G01～G04的集电极相连。当PLC的6为输入值为 00_0000时，其低4为使S0=1, 进而使G1导通，其高2为使Q0=1,进而使G01管导通，显然只有L1得电动作。当PLC的6为输入值为 10_0000时，其低4仍使S0=1,进而使G1导通，其高2却使Q2=1,进而使G03管导通，显然只有L33得电动作。

对硬件电路就讲解到此，下面再讲讲配合该电路的PLC应如何编程：

4、编程说明：用该硬接电路作控制60个电磁阀依次循环动作，PLC编程只需编写一个6位输出60进制数的计数器即可。用计数器的6位值送入QB0的低6位。计数脉冲周期为10秒，即每隔10秒，使计数器加1，计数器计到61时立即使计数器清0。

在计数脉冲触发后的头1秒内，使Q0.6=0, 使4514与4555的译码输出有效（即容许电磁阀动作1秒），之后的9秒时间，使Q0.6=1，即4514与4555的译码输出无效，电磁阀皆处于断电状态。具体编程请见下面梯形图：

5、梯形图：

程序说明：网络1将16#40送入QB0的目的将Q0.6=1，即使4514与4555的各个输出点=0，确保开机后60个电磁阀皆为不动作状态。网络2～网络4为启动运行：清QB0，使M8.0=1，T101与T102开始振荡。网络5：T102=1(只存在1个扫描周期)使MB0计数加1，且确保MB0为60进制计数器。网络6：在M8.0=1、T101=0为1秒间隔，此间隔内，其Q0.6输出=0，硬件电路4514及4555输出使能，即总有一路电磁阀动作，在M8.0=1、T101=1为9秒间隔，此间隔内，其Q0.6输出=1，使硬件电路4514及4555输出皆=0，即60个电磁阀皆停止。网络7为按停止按钮，设备运行停。

6、二种设计方案比较：

1、用60个输出口的PLC设计比用硬件配合仅用7个输出口的PLC设计从元件成本上要高于1～2倍。如前面所讲：第一方案选用CPU226，为40点PLC，价格要比24点CPU224要高出1000多元，还需外配8个8输出扩展模块，仅从PLC与模块的费用就高到7,～8千元。而第二方案选用CPU224与一块硬件电路板，其费用可在2～3千元：4514、4555及1413价格为10元左右，20个晶体管费用20元，再加上印刷板，加上电阻及印刷板，整个硬件成本只需几十元钱，低于PLC的一个输出口的价钱。

2、如电磁阀工作电流较大，第一方案就不能直接用PLC的输出口接电磁阀，需外加60个中间继电器或60只晶体功率管及电阻等元件，这样不仅费用增大，而且也要增加一块印刷电路板来安放60个继电器或60只晶体管与电阻等元件。其面积要大于第二方案的硬件电路板。而第二方案的硬件电路，只用3个集成电路，20只晶体功率管及电阻等件，其印刷板面积不大。由于电路中的20只晶体管（BD137与BD138）是功率管，其输出电流可达1A，故对电磁阀工作电流较大的情况下，也不需再增加继电器或晶体管。