對(duì)多輸出點(diǎn)PLC設(shè)計(jì)與編程的實(shí)例展示與解析

有這樣一個(gè)PLC編程課題：某設(shè)備有六十個(gè)電磁閥，序號(hào)為L1～L60。按下啟動(dòng)按鈕，設(shè)備將從序號(hào)為1的電磁閥開(kāi)始依次循環(huán)啟動(dòng)下去，即：L1、L2……L60、L1、L2……, 每個(gè)電磁閥的動(dòng)作時(shí)間皆=1秒，相鄰2個(gè)電磁閥啟動(dòng)間隔時(shí)間為10秒。當(dāng)按下停止按鈕設(shè)備停車(chē)。應(yīng)如何進(jìn)行PLC的硬件設(shè)計(jì)與編程 。能否不用60個(gè)輸出口也能實(shí)現(xiàn)對(duì)60個(gè)電磁閥的順序控制？

這是一個(gè)多輸出點(diǎn)的PLC編程，按正常的PLC設(shè)計(jì)與編程，硬件上要求PLC至少應(yīng)有60個(gè)輸出口，來(lái)分別對(duì)60個(gè)電磁閥進(jìn)行循環(huán)驅(qū)動(dòng)。一般的中小型PLC是沒(méi)有這么多的輸出端口的，需外擴(kuò)多個(gè)輸出模塊才能實(shí)現(xiàn)。這樣就會(huì)使設(shè)備的設(shè)計(jì)費(fèi)用大大提高。能否用較少的輸出口來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)這60各電磁閥的循環(huán)控制呢，這就是本文重點(diǎn)討論的問(wèn)題。

本文用二種方案對(duì)此命題進(jìn)行設(shè)計(jì)與編程，并對(duì)電路原理與程序進(jìn)行解析，供大家參考與分析。

第一設(shè)計(jì)方案：即常規(guī)的PLC設(shè)計(jì)與編程

1、硬件選擇：(1)、PLC選用為S7-200的CPU226一臺(tái)，其輸入點(diǎn)為24，輸出點(diǎn)為16。（2）、擴(kuò)展輸出模塊選用EM222（8點(diǎn)輸出），共選用6塊。合計(jì)輸出口16+8×6=64個(gè)。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(gè)輸出通道，60個(gè)輸出點(diǎn)。剩下4點(diǎn)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(dāng)輸出由Q0.0開(kāi)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(lái)完成，而不能用字或雙字左移指令來(lái)編程。（2）、60個(gè)輸出口占據(jù)8個(gè)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(gè)字節(jié)的左移指令來(lái)編程。字節(jié)左移指令是不會(huì)將=1的移出位自動(dòng)移入下一字節(jié)的最低位，故編程時(shí)應(yīng)考慮字節(jié)之間的移位應(yīng)如何進(jìn)行。請(qǐng)見(jiàn)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(gè)字節(jié)的左移指令一一執(zhí)行，而只用2個(gè)雙字左移指令就可實(shí)現(xiàn)對(duì)60個(gè)電磁閥的順序移位控制，使編寫(xiě)程序大大簡(jiǎn)化。見(jiàn)下梯形圖：

    可見(jiàn)，該命題編程的簡(jiǎn)繁與輸出口的順序選擇有很大關(guān)系，從中也給編程者一個(gè)啟示：編程時(shí)要多思路、多對(duì)比，方可選擇最優(yōu)最簡(jiǎn)練的好方案。

第二設(shè)計(jì)方案：用硬件電路配合，僅用7個(gè)輸出口的PLC設(shè)計(jì)與編程

從第一設(shè)計(jì)方案的硬件選擇可知，為實(shí)現(xiàn)60個(gè)電磁閥循環(huán)啟動(dòng)，PLC需用60個(gè)輸出口，這樣除選用40點(diǎn)的CPU226外，還得擴(kuò)展6個(gè)8點(diǎn)輸出的I/O模塊EM222。其設(shè)計(jì)成本是很昂貴的（高達(dá)7～8千元）。本設(shè)計(jì)方案借助硬件電路，僅用10點(diǎn)輸出的CPU224一臺(tái)，無(wú)需擴(kuò)展I/O模塊，就可實(shí)現(xiàn)對(duì)60個(gè)電磁閥的循環(huán)啟動(dòng)控制，大大降低設(shè)計(jì)費(fèi)用。而且PLC的編程也變得簡(jiǎn)單。見(jiàn)下圖：

   1、硬件電路構(gòu)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(gè)可控制60個(gè)電磁閥循環(huán)啟動(dòng)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(gè)電磁閥按序號(hào)分為4組，前3組每組16個(gè)，第4組為12個(gè)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(duì)應(yīng)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(gè)輸出點(diǎn)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(gè)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(huà)出4514的S0、S8、S15的3個(gè)輸出點(diǎn)的控制電路。

4555的輸出點(diǎn)Q0~Q3分別接1413塊的1~4腳，1413是由7個(gè)反向器組成集成電路，其1~7腳分別為7個(gè)反向器的輸入端，其對(duì)應(yīng)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(wú)上拉電阻，故1～4腳對(duì)應(yīng)的反向器輸出16、15、14、13腳分別外接5K電阻，這4個(gè)5K電阻的上端接24V電源正極。同時(shí)1413這4個(gè)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(zhuǎn)換作用：如當(dāng)4555的輸出點(diǎn)Q0輸出=0時(shí)，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(guò)R01加在G01管的基極上，由于此時(shí)G01管的基極與發(fā)射極電位相等，故使G01管截止，相當(dāng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，使24V電壓與L1～L16線圈斷開(kāi)。如當(dāng)Q0輸出=1時(shí)，使1413的1腳電壓=+15V，使該反向器導(dǎo)通，即1413的輸出16腳輸出電壓=0V,該0V通過(guò)R01使G01管的基極產(chǎn)生足夠大的注入電流，使G01管飽和導(dǎo)通（管壓降≈0V），相當(dāng)開(kāi)關(guān)閉合，將24V電壓加在L1～L16的上端。

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

4514與4555是COS電路。其最高工作電壓≤18V，實(shí)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(cè)的1L+與2L+接15V電源的正極，1M與2M接15V電源的負(fù)極。這樣連接會(huì)使PLC輸出為1時(shí)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(diǎn)，其輸出 為S0~S15 共16點(diǎn)。 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(hào)（D1~D4）使對(duì)應(yīng)輸出點(diǎn)輸出=1。如 INH=1，不管D1~D4為何種輸入，都將強(qiáng)迫S0~S15輸出狀態(tài)皆=0。

D1~D4這4位輸入點(diǎn)其輸入信號(hào)可從0000~1111，共有16種不同的輸入狀態(tài)，在INH=0時(shí)，其每一種輸入，都會(huì)使其對(duì)應(yīng)輸出端的輸出=1 （即+15V輸出），如：輸入為0000時(shí)，其對(duì)應(yīng)輸出點(diǎn)S0=1，而其它輸出點(diǎn)輸出=0。當(dāng)輸入為0111時(shí)，其對(duì)應(yīng)輸出點(diǎn)S7=1，而其它輸出點(diǎn)輸出=0。當(dāng)輸入為1111時(shí)，其對(duì)應(yīng)輸出點(diǎn)S15=1，而其它輸出點(diǎn)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(gè)2-4譯碼器），其輸入 為A、B 2點(diǎn)，其輸出為Q0~Q3 共4點(diǎn)，其1腳（E端）為控制Q0~Q3 輸出的使能端，當(dāng)E=1時(shí)將強(qiáng)迫Q0~Q3皆=0，當(dāng)E=0時(shí)，將容許輸出使能：如A、B輸入為00時(shí)，其對(duì)應(yīng)輸出點(diǎn)Q0=1，而Q1、Q2、Q3各點(diǎn)輸出皆=0。A、B輸入為01時(shí)，其對(duì)應(yīng)輸出點(diǎn)Q1=1，而Q1、Q2、Q3各點(diǎn)輸出皆=0 ……。

3、電路工作原理解析：

設(shè)計(jì)構(gòu)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(shè)計(jì)時(shí)將它分為兩組：（1）、低4位Q0.0~Q0.3為一組，其輸出數(shù)為0000~1111 ，（2）、高2位Q0.4~Q0.5 為另一組，它可輸出 00~11。

從數(shù)學(xué)觀點(diǎn)來(lái)看，Q0.0~Q0.3 代表二進(jìn)制數(shù)的低4位數(shù)值， Q0.4~Q0.5 代表二進(jìn)制數(shù)的第5與第6二位的數(shù)值：當(dāng)Q0.4與Q0,5=00 時(shí)，其6位輸出數(shù)的值為十進(jìn)制數(shù)0~15，即二進(jìn)制數(shù)的00       _0000 ~ 00_1111。當(dāng)Q0.4與Q0.5=01 （即=10進(jìn)制數(shù)16）時(shí)，其6位輸出數(shù)的值為十進(jìn)制數(shù)16+（0~15）=16~31，即二進(jìn)制數(shù)的01_0000 ~ 01_1111。當(dāng)Q0.4與Q0,5=10 （即=10進(jìn)制數(shù)32）時(shí)，其6位輸出數(shù)的值為十進(jìn)制數(shù)32+（0~15）= 32~47，即二進(jìn)制數(shù)的10_0000 ~ 10_1111。當(dāng)Q0.4與Q0,5=11（即=10進(jìn)制數(shù)48） 時(shí)，其6位輸出數(shù)的值為十進(jìn)制數(shù)48+（0~15）= 48~64，即二進(jìn)制數(shù)的11_0000 ~ 11_1111。。由于輸出最大數(shù)為60 ，故在Q04與Q0.5=11時(shí)，Q0.0~Q0.3 取值為0000~1011之間（即十進(jìn)制數(shù)的0~11）。

硬件處理： 用4514輸入點(diǎn)D1、D2、D3、D4接PLC的Q0.0～Q0.3,作為6位二進(jìn)制數(shù)的的低4位數(shù)輸入點(diǎn)，用4555輸入點(diǎn)A、B接PLC的Q0.4～Q0.5,作為6位二進(jìn)制數(shù)的的高2位數(shù)輸入點(diǎn)，當(dāng)4514的1腳（即STR端）接+15V，其23腳（INH端）接0V時(shí)，D1~D4的輸入值，會(huì)使S0~S15這16個(gè)輸出點(diǎn)有一個(gè)輸出=1，其輸出點(diǎn)的序號(hào)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(dāng)其1腳E =0時(shí)，會(huì)使其一位輸出點(diǎn)=1，其輸出點(diǎn)的序號(hào)與其輸入值相同。如：A、B輸入為00時(shí)，其對(duì)應(yīng)輸出點(diǎn)Q0=1，而Q1、Q2、Q3各點(diǎn)輸出皆=0。如A、B輸入為01時(shí)，其對(duì)應(yīng)輸出點(diǎn)Q1=1，而Q0、Q2、Q3各點(diǎn)輸出皆=0……

硬件這樣處理的目的，是盡量減小硬件個(gè)數(shù)，使線路簡(jiǎn)化：通常60個(gè)電磁閥，要用60個(gè)晶體管來(lái)驅(qū)動(dòng)，采用本電路卻可只用20個(gè)晶體管就可實(shí)現(xiàn)對(duì)64個(gè)電磁閥的驅(qū)動(dòng)。請(qǐng)見(jiàn)以下分析：

當(dāng)PLC的6位輸出值=00_0000時(shí)，其高2位數(shù) 00 輸入給4555 A B輸入點(diǎn)，使4555的輸出Q0=1，Q1～Q4輸出=0。這將使G01管導(dǎo)通，而G02～G04管截止，從電路圖可知：此時(shí)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(shù) 0000 輸入給4514的D1～D4輸入點(diǎn)，使4514輸出點(diǎn)S0=1（即+15V），輸入給G01管的基極電阻R1，使G01導(dǎo)通，即使電磁閥L1得電動(dòng)作。如PLC的6位輸出值=01_0100時(shí)，其高2位數(shù) 01將使G02管導(dǎo)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(shù)=0100輸入給4514輸入端，將使4514的S4輸出=1，即使L21得電動(dòng)作。

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

 上圖是僅畫(huà)出4514的輸出點(diǎn)S0一路的電路圖：其晶體管G1的基極通過(guò)R1與S0相接，G1的集電極與L1、L17、L33、L49這4個(gè)電磁閥的下端相連接，這4個(gè)電磁閥的上端分別與G01～G04的集電極相連。當(dāng)PLC的6為輸入值為 00_0000時(shí)，其低4為使S0=1, 進(jìn)而使G1導(dǎo)通，其高2為使Q0=1,進(jìn)而使G01管導(dǎo)通，顯然只有L1得電動(dòng)作。當(dāng)PLC的6為輸入值為 10_0000時(shí)，其低4仍使S0=1,進(jìn)而使G1導(dǎo)通，其高2卻使Q2=1,進(jìn)而使G03管導(dǎo)通，顯然只有L33得電動(dòng)作。

 對(duì)硬件電路就講解到此，下面再講講配合該電路的PLC應(yīng)如何編程：

4、編程說(shuō)明：用該硬接電路作控制60個(gè)電磁閥依次循環(huán)動(dòng)作，PLC編程只需編寫(xiě)一個(gè)6位輸出60進(jìn)制數(shù)的計(jì)數(shù)器即可。用計(jì)數(shù)器的6位值送入QB0的低6位。計(jì)數(shù)脈沖周期為10秒，即每隔10秒，使計(jì)數(shù)器加1，計(jì)數(shù)器計(jì)到61時(shí)立即使計(jì)數(shù)器清0。

在計(jì)數(shù)脈沖觸發(fā)后的頭1秒內(nèi)，使Q0.6=0, 使4514與4555的譯碼輸出有效（即容許電磁閥動(dòng)作1秒），之后的9秒時(shí)間，使Q0.6=1，即4514與4555的譯碼輸出無(wú)效，電磁閥皆處于斷電狀態(tài)。具體編程請(qǐng)見(jiàn)下面梯形圖：

5、梯形圖：

    程序說(shuō)明：網(wǎng)絡(luò)1將16#40送入QB0的目的將Q0.6=1，即使4514與4555的各個(gè)輸出點(diǎn)=0，確保開(kāi)機(jī)后60個(gè)電磁閥皆為不動(dòng)作狀態(tài)。網(wǎng)絡(luò)2～網(wǎng)絡(luò)4為啟動(dòng)運(yùn)行：清QB0，使M8.0=1，T101與T102開(kāi)始振蕩。網(wǎng)絡(luò)5：T102=1(只存在1個(gè)掃描周期)使MB0計(jì)數(shù)加1，且確保MB0為60進(jìn)制計(jì)數(shù)器。網(wǎng)絡(luò)6：在M8.0=1、T101=0為1秒間隔，此間隔內(nèi)，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(dòng)作，在M8.0=1、T101=1為9秒間隔，此間隔內(nèi)，其Q0.6輸出=1，使硬件電路4514及4555輸出皆=0，即60個(gè)電磁閥皆停止。網(wǎng)絡(luò)7為按停止按鈕，設(shè)備運(yùn)行停。

6、二種設(shè)計(jì)方案比較：

1、用60個(gè)輸出口的PLC設(shè)計(jì)比用硬件配合僅用7個(gè)輸出口的PLC設(shè)計(jì)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(diǎn)PLC，價(jià)格要比24點(diǎn)CPU224要高出1000多元，還需外配8個(gè)8輸出擴(kuò)展模塊，僅從PLC與模塊的費(fèi)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(fèi)用可在2～3千元：4514、4555及1413價(jià)格為10元左右，20個(gè)晶體管費(fèi)用20元，再加上印刷板，加上電阻及印刷板，整個(gè)硬件成本只需幾十元錢(qián)，低于PLC的一個(gè)輸出口的價(jià)錢(qián)。

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(gè)中間繼電器或60只晶體功率管及電阻等元件，這樣不僅費(fèi)用增大，而且也要增加一塊印刷電路板來(lái)安放60個(gè)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(gè)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(dá)1A，故對(duì)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(yīng)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(shí)與技能。

從中可以看出，多學(xué)點(diǎn)電子電路知識(shí)，會(huì)擴(kuò)大我們的編程視野與能力，對(duì)PLC的設(shè)計(jì)編程是大有益處的。本文到此結(jié)束，謝謝大家！