用硬件电路结合软件编程可实现增扩PLC的I / O点的设计构思及方案探讨 点击：1136 | 回复：12
我们知道：正常情况下PLC设计要求其I/O点应留有一定的余量。如PLC的I/O点不够，可增加I/O扩展模块。但有些特殊情况，不容许或没有条件增加I / O数字量模块，例如对一台旧设备进行改造，厂方要求要利用厂库存元器件和设备上原有的PLC（CPU221），原PLC的输入与输出口已各用到10个（即已达I / O最大的数字量），还需增加6个输入点及10个输出点才能实现改造后的控制功能。改造费用仅给500元。能完成该设备改造？
答案是能！办法是：选用廉价的集成电路，再利用硬件与软件相结合的办法可完成此设备的改造。
一、 增加输入点的设计构思：
为保留原有的控制程序，选用原程序中没用过的位信号变量（如V200.0~V200.3）代替PLC的 I0.0~I0.3 四个输入点（即原I0.0~I0.3的控制内容由V200.0~V200.3代替），再用I0.0~I0.3 四个输入点任意二二组合串联输出（即相当二个按钮同时按），可组成6种新的组合，见下梯形图：图中的V200.4~V200.7及V201.0、V201.1的6个位信号就是新增加的6个输入点。
图一、扩展6个输入口的梯形图
要实现这种扩展输入口的外围硬件电路有二个设计方案，见图二与图三：
图二、用双触点的按钮或继电器组成的10路输入控制电路
图二中的K1~K10，这10个输入信号，前4个（即K1~K4）信号可用1个触点的按钮或继电器，而后6个输入信号必须是含有二个触点的按钮或小型直流继电器。按钮或继电器的触点按图相互连接，最后以4条线去连接PLC的I0.0~I0.3的4个输入口。-
图三、红色虚线内部分为用2个双4输入与非门4012与8个晶体三极管等元件组成的控制电路且做成印刷板：该板的输入端子外接10路输入信号或开关（即K1~K10），其输出端子为连接4条线输送给PLC的I0.0~I0.3口。
面对这二种硬件电路，提出以下二个问题，供大家分析与讨论：
1、这二个电路其功能是一样的，从表面上看图二比图三线路简单，但从可靠性来看图三优于图二，为什么呢？请大家分析讨论！
2、请分析图三电路的工作原理，并说明每路的最后输出的晶体管（即G5~G8） 选用PNP型晶体管而不选用NPN型晶体管？清讲解其道理。
二、对图二与图三电路的深入分析与探讨，发现其存在着致命的弱点
图二与图三电路虽能增加PLC的输入点，但使用时存有一定局限性，即：这10个输入点，只能单个独自的进行输入，而不能几个同时进行输入，否则会造成使部分输入信号丢失的错误。例如：同时按下K1、K2、K5按钮，其电路输出状态只有一种，即：I0.0=1、I0.1=1、I0.2=0、I0.3=0（即0011状态），此状态仅为K5=0的输入状态，而K1=0与K2=0的输出状态丢失了，为此要进行进一步的分析与探讨，看如何实施才能确保在多个输入信号同时出现时，其PLC也能保持这多个输入信号的各自存在，以确保控制系统的控制准确可靠？
这是一个较难实现的设计命题，要通过软硬件配合进行设计与编程，才有可能实现。从中可以锤炼我们的设计编程的构思，扩大我们的编程设计的视野，提高编程设计的技巧，望大家踊跃参与方案设计与探讨！
三、输出口的扩展方案及讨论：
选用一块4输入16线译码器4514集成块及15只晶体管与15个继电器与PLC 4个输出点相连接组成图四输出电路。通过PLC编程可增扩11个输出口。见下图：
图四、扩展输出口硬件电路图
4514集成块的4个输入点（D1~D4）与PLC4个输出口（Q0.0~Q0.3）分别相连，用Q0.0~Q0.3这4个输出点的不同输出组合，通过4514 的输出，可实现16种输出状态（即S0~S15），去掉其0000输出状态（即S0输出点：当Q0.0~Q0.3输出皆为0时，S0的输出=1），可输出15个输出点，从中扩增11个输出点。
图中Q0.0~Q0.3的公共电源 1L 外接15V稳压源的正极，其负极接PLC的M 端，这样Q0.0~Q0.3输出为“1”时，其输出电位=+15V，4514集成块也接15V电源，4514的输出最高电位也=15V。本图输出只画一路（即S1支路）其它14路电路与S1支路相同（未画）。以本图为例：当Q0.0~Q0.3输出端输出状态为 0001 时，4514的输出点只有 S1输出为 1 （即+15V，使晶体管G1导通，继电器J1吸合。
提出三个问题，望大家讨论：
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现分析“一、 增加输入点的设计构思”中的1、2二个问题：
1、这二个电路其功能是一样的，从表面上看图二比图三线路简单，但从可靠性来看图三优于图二，为什么呢？请大家分析讨论！
图二是用双触点的按钮或继电器构成10路输入信号输入给PLC(S7-200)，图三使用双4与非门及8个晶体管等器件组成的10路输入信号输入给PLC(S7-200)，图一是配合图二或图三编写的PLC梯形图。从表面上看这种用硬软件相配合的设计方案可以实现扩展PLC的输入口，但深入分析研究，就会发现图二存在着如下弱点：
该电路选用双触点的按钮或继电器，是靠机械触点动作的，长时间频繁动作，触点易损坏，会使触点接触不良，如动作时有一个触点接触不好或有一条触点的连线断路，都将发生输入指令错误。例如：按下K5按钮，正确的输入应使I0.0与I0.1输入为1（高电位），I0.2与I0.3输入为0。如果K5的触点有一个接触不好或其触点连线断开，就会使I0.0或I0.1的输入有一个为0，其结果使PLC不能按K5指令执行正确的动作，而是错误的执行K1或K2的输入命令，这种输入指令的错误在自动控制中会产生事故的。
图三是使用双4与非门及8个晶体管等器件组成的10路输入信号输入给PLC(S7-200)，每一路的按钮或继电器只需一个触点，一条线连接对应输入点。万一触点接触不好或连线断开，只相当该输入命令未输入给PLC ，PLC不动作，即不会产生错误动作（这和正常使用触点控制PLC输入口是一样的）。集成电路的使用寿命、可靠性及速度都远优于机械触点，所以说图三要优于图二。
2、请分析图三电路的工作原理，并说明每路的最后输出的晶体管（即G5~G8） 选用PNP型晶体管而不选用NPN型晶体管？清讲解其道理。
图中4个4输入与非门的输入端的相互连接与图一的逻辑是一样的，4个与非门的输出端本应分别去接PLC的4个输入口，但与非们的工作电压=12V，PLC输入口输入的高电压应为24V。考虑电平转换及正负逻辑的转换，每个与非门的输出脚都接有二个晶体管，前级用NPN型晶体管后级为PNP型晶体管，由4只PNP型晶体管的集电极接PLC的4个输入口（I0.0~I0.3）。下面分析其动作原理：
4个与非门的各个输入端都接有上拉电阻，当10路输入信号无输入时（即各触点断开），各与非门输入皆为1，故其输出皆为0，以U1A为例作说明：U1A的4个输入端皆为1，其输出端U1A的 1脚电压=0，该1脚通过R1连接G1晶体管的基极，由于输入为0使GI管截止，G1的集电极电压=24V，这24V通过10K电阻加在G5(PNP型)的基极，由于G5的基极与发射极等电位而截止，G5就象断开的开关使I0.0无电流注入，即I0.0=0，
如按下K1，会使U1A的输入端（2脚）=0，与非门U1A的输入有一个为0 ，其输出1脚电压=12V，该电压通过R1给G1注入基极电流，使G1管导通，G1的集电极电压=0，这0V通过10K电阻加在G5(PNP型)的基极，产生足够大的注入电流流入G5的基极使G5导通，G5的导通就象开关闭合将24V电压直接加在I0.0的输入口。使I0.0=1。
如按下K5，会使U1A的输入端（3脚）=0，使U1B的输入端（10脚）=0，与非门U1A与U1B的输入有一个为0 ，其U1A输出脚1与U1B输出脚电压都=12V，该电压通过R1给G1注入基极电流，使G1管导通，G1的集电极电压=0，这0V通过10K电阻加在G5(PNP型)的基极，产生足够大的注入电流流入G5的基极使G5导通，G5的导通就象开关闭合将24V电压直接加在I0.0的输入口。使I0.0=1。同理该电压通过R2给G2注入基极电流，使G2管导通，G2的集电极电压=0，这0V通过10K电阻加在G6(PNP型)的基极，产生足够大的注入电流流入G6的基极使G6导通，G6的导通就象开关闭合将24V电压直接加在I0.1的输入口。
对“二、对图二与图三电路的深入分析与探讨，发现其存在着致命的弱点”的解决方案： 见图五与图六
图五为改进后的10路输入4线输出的扩展输入点的控制电路图 ，图六为与图五硬件电路相配合的PLC梯形图
对：miy_gongkong 关于
与非门是 数字逻辑电路 ， 怎么能和 三极管连接在一起那？
一个表达的是逻辑， 一个表达的是 实际电路。
内容的回复：与非门是数字逻辑电路，这个没错。但是在没有IC之前这些，所谓的数字逻辑电路不都是用晶体管、电阻来实现的吗？顺便讲一下这个晶体管G1、G5是怎么工作的，首先从U1A输出一个信号比如是高电平，那么G1、G5导通；IO：0接收到高电平信号，反过来IO：0就只能是接收到低电平信号。而为什么要加这些晶体管，目的就是为了转换高电平的电压值，因为前面的数字电路都是DC5V供电。毕业后因工作原因一直未用的上，今天在这里发表点个人看法有不对的还请指正
1 0楼说的不错，这句话“与非门是数字逻辑电路，这个没错。但是在没有IC之前这些，所谓的数字逻辑电路不都是用晶体管、电阻来实现的吗？”讲的很到位！
再补充一点说明：集成电路，如是TTL型。其供电电压为5V，如是COS集成块，其电源电压最高位18V，本文电路选用的是COS电路（电压选用12V）。而PLC输入电压要求为24V，故用晶体管做电位转换。另外，COS电路功耗小，其输入电流小，用晶体管不仅起电位转换作用（图中的NPN管），且用它做开关（PNP管）将24V电压直接加在PLC的输入端，确保足够的注入电流，使PLC可靠工作。
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