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



wyb2866255

    
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发表于:2011-09-09 00:49:27
楼主
                   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
        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、用集成块组成的10路输入控制电路
         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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wyb2866255

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1楼
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miy_gongkong

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2楼

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。

wyb2866255

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3楼
2楼说:“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。”这种说法对吗?望大家讨论。

wyb2866255

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4楼
该帖是锻炼编程者利用电子电路等知识,配合PLC编程,能开阔编程者视野与思维,望大家参与!

wyb2866255

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5楼

               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。

wyb2866255

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发表于:2011-09-13 08:15:29
6楼
     再说明一下: 与非门UI、U2电源为+12V,是正逻辑工作方式,因此要用NPN型晶体管与其连接,其逻辑仍为正逻辑输出。晶体管集电极上拉电阻接+24V,从而又完成12V-->24V的电平转换,对S7-200PLC,其输入侧接24V的负极,如用NPN型晶体管的集电极接PLC的输入口(I0.0~I0.3),当对其输入1信号时(晶体管截止时),由于上拉电阻串入输入回路,使注入电流变小,会使PLC输入不能可靠导通,即输入无反应。为此要用PNP型晶体管做逻辑变换:当前级NPN管截止时输入给PNP管的基极为24V电压,使PNP管截止(相当开关断开),当前级NPN管导通时输入给PNP管的基极为0V电压,使PNP管导通(相当开关闭合),这样+24V直接加到PLC的输入端,使PLC输入为1。

wyb2866255

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发表于:2011-09-15 18:01:57
7楼

      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

                                      图五、10路输入、4线输出的扩展输入点的控制电路图
                                        图六、与图三硬件电路相配合的PLC梯形图
       说明:
       1、图五是在原图三的基础上做了改进设计,其与非门U3C与U3D构成 f >1KHz的振荡器,其振荡脉冲输入给U5A(十进制计数器)进行计数,U5A的4位输出给4028(U4),4028为BCD输入4线-10线译码器,其10线输出分别于10线输入开关线去2输入与非门(4011)的输入端,10个2输入与非门的输出端再去4输入与非门的输入端,后面的电路与图二一样,你能分析并讲出该电路的工作原理吗?
       2、图六的梯形图是在图一梯形图做了改动:将10种输出的位信号改为10个断电延时定时器, 你能说明改为定时器的道理吗?
       采用图五、图六,就会使10个输入信号像正常输入给10个输入点一样,不受限制的随意运用 。你认为可能吗?望大家讨论!   


wyb2866255

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发表于:2011-09-16 14:45:32
8楼
      难道网上没有懂得电子线路的PLC编程者吗?这可是书本上早不到的,是锻炼提高分析问题的能力的好机会,欢迎大家来讨论!

kso020

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发表于:2011-09-16 15:52:52
9楼
回复内容:
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

wyb2866255

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发表于:2011-09-16 21:50:53
10楼

       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。

wyb2866255

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发表于:2011-09-18 13:41:15
11楼
哪位网友能对图五图六软硬件相配合的设计构思讲一下,欢迎大家来参与!

wyb2866255

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发表于:2011-09-21 20:50:49
12楼
        对图五图六软硬件相配合的设计构思及工作原理解析,我已在专业论文栏中发表的“PLC增扩输入口的硬件电路图及与之配合使用的PLC梯形图的构思与解析”一文中做了较详细的分析说明,有兴趣的网友可以去看看。

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