對多輸出點PLC設計與編程的實例展示與解析

tags:    時間:2014-03-11 12:16:46
對多輸出點PLC設計與編程的實例展示與解析簡介
    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……
對多輸出點PLC設計與編程的實例展示與解析正文
    

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的硬體設計與編程 。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,硬體上要求PLC至少應有60個輸出口,來分別對60個電磁閥進行循環驅動。一般的中小型PLC是沒有這麼多的輸出埠的,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,並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:即常規的PLC設計與編程

1、硬體選擇:(1)、PLC選用為S7-200的CPU226一台,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,共佔用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秒寬脈衝后,Q0.1、Q0.2……每隔10秒依次輸出1秒寬的脈衝。如是這樣,編程只能用位元組左移指令來完成,而不能用字或雙字左移指令來編程。(2)、60個輸出口佔據8個位元組輸出通道,為將Q0.0=1依次左移到Q7.3=1,需選用QB0、QB1……QB8這8個位元組的左移指令來編程。位元組左移指令是不會將=1的移出位自動移入下一位元組的最低位,故編程時應考慮位元組之間的移位應如何進行。請見下面梯形圖:

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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個位元組的左移指令一一執行,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:

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

第二設計方案:用硬體電路配合,僅用7個輸出口的PLC設計與編程

從第一設計方案的硬體選擇可知,為實現60個電磁閥循環啟動,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)。本設計方案藉助硬體電路,僅用10點輸出的CPU224一台,無需擴展I/O模塊,就可實現對60個電磁閥的循環啟動控制,大大降低設計費用。而且PLC的編程也變得簡單。見下圖:

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1、硬體電路構成:

該硬體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隻,PNP型功率管(BD138)4隻,及電阻等元件組成一個可控制60個電磁閥循環啟動的控制電路。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~G03四隻晶體管的發射極:第一組(L1~L16)接G01發射極,第二組(L17~L32)接G02發射極,第三組(L33~L48)接G03發射極,第四組(L49~L60)接G04發射極。再將四組中對應排列順序相同電磁閥線圈的另一端並接一起,分別接圖中G1~G16這16隻晶體管的集電極。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的上端並接一起,接G01管的集電極,其L17~L32的上端並接一起,接G02管的集電極,其L33~L48的上端並接一起,接G03管的集電極,其L49~L60的上端並接一起,接G04管的集電極,由於圖面所限,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。由於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。這裡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,由於此時G01管的基極與發射極電位相等,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處於斷電源狀態,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電源是用一隻7815穩壓塊從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1M2M。PLC輸出測的1L+與2L+接15V電源的正極,1M2M接15V電源的負極。這樣連接會使PLC輸出為1時使其電壓=+15V,與介面元件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線解碼器,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,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線解碼器(本電路只用其一個2-4解碼器),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,其輸出狀態為000000 ~111111,共有64種不同輸出狀態,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 代表二進位數的低4位數值, Q0.4~Q0.5 代表二進位數的第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位數0~15,即二進位數的00 _0000 ~ 00_1111。當Q0.4與Q0.5=01 (即=10進位數16)時,其6位輸出數的值為十進位數16+(0~15)=16~31,即二進位數的01_0000 ~ 01_1111。當Q0.4與Q0,5=10 (即=10進位數32)時,其6位輸出數的值為十進位數32+(0~15)= 32~47,即二進位數的10_0000 ~ 10_1111。當Q0.4與Q0,5=11(即=10進位數48) 時,其6位輸出數的值為十進位數48+(0~15)= 48~64,即二進位數的11_0000 ~ 11_1111。。由於輸出最大數為60 ,故在Q04與Q0.5=11時,Q0.0~Q0.3 取值為0000~1011之間(即十進位數的0~11)。

硬體處理: 用4514輸入點D1、D2、D3、D4接PLC的Q0.0~Q0.3,作為6位二進位數的的低4位數輸入點,用4555輸入點A、B接PLC的Q0.4~Q0.5,作為6位二進位數的的高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……

硬體這樣處理的目的,是盡量減小硬體個數,使線路簡化:通常60個電磁閥,要用60個晶體管來驅動,採用本電路卻可只用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處於斷電源狀態。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,而其它電磁閥處於斷電源狀態,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:

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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。

對硬體電路就講解到此,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個電磁閥依次循環動作,PLC編程只需編寫一個6位輸出60進位數的計數器即可。用計數器的6位值送入QB0的低6位。計數脈衝周期為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。

在計數脈衝觸發后的頭1秒內,使Q0.6=0, 使4514與4555的解碼輸出有效(即容許電磁閥動作1秒),之後的9秒時間,使Q0.6=1,即4514與4555的解碼輸出無效,電磁閥皆處於斷電狀態。具體編程請見下面梯形圖:

5、梯形圖:

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程序說明:網路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。網路2~網路4為啟動運行:清QB0,使M8.0=1,T101與T102開始振蕩。網路5:T102=1(只存在1個掃描周期)使MB0計數加1,且確保MB0為60進位計數器。網路6:在M8.0=1、T101=0為1秒間隔,此間隔內,其Q0.6輸出=0,硬體電路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,使硬體電路4514及4555輸出皆=0,即60個電磁閥皆停止。網路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設計比用硬體配合僅用7個輸出口的PLC設計從元件成本上要高於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與一塊硬體電路板,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,整個硬體成本只需幾十元錢,低於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隻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隻晶體管與電阻等元件。其面積要大於第二方案的硬體電路板。而第二方案的硬體電路,只用3個集成電路,20隻晶體功率管及電阻等件,其印刷板面積不大。由於電路中的20隻晶體管(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!

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