西门子S7-300CPU312模块控制器

节省PLC I/O点的实用技术

1 引言

在设计PLC控制系统或对老设备进行PLC技术改造时，设计人员经常会发现系统的输入/输出信号太多，需占用大量的PLC输入/输出点，在原先预计的输入/输出点不够用的情况下，当然可以通过I/O扩展单元或I/O模块来解决，被迫提高PLC的选用档次，进而使系统的硬件配置增加，体积变大，设备初投资也随之大大增加。笔者认为在对不是需要增加很多输入/输出点的情况下，可以通过一定的设计技术来扩展输入/输出点的数量，而又不降低PLC系统的可靠性，从而达到降低设备初投资成本的目的。

2 对输入点的扩展技术

2.1 合并输入扩展技术
一台棉纺织设备中常常有几个起动控制按钮和几个停止控制按钮，且它们分别设置在机台的不同位置，形成一种多地控制系统。图1为三地控制的继电器控制线路，从图1中可以看出:在不同的地方装有3只停止按钮SB1、SB2、SB3，按下其中任一按钮都使KM失电，电动机停转;有3只起动按钮SB4、SB5、SB6，按下其中任一按钮都使KM得电并自保持，使电动机正常运转;还有一过载检测元件FR，只要主电路有过负荷故障，其串联在图1中的FR常闭触点断开，也使KM失电，电动机停转，从而切断过负荷故障。

图1 三地控制的继电器控制线路

若对该设备进行PLC改造，对输入信号不加任何处理，将有SB1～SB6、FR共7个输入信号要占用PLC 7个输入点，在输入／输出点相对紧张时，对输入信号可以采取图2所示合并输入扩展技术:即在PLC外部将4个常闭(动断)触点串联，3个常开(动合)触点并联后再分别接入PLC的输入端子，这样只需占用2个输入点，节省了5个输入点，同样能达到对其7个输入信号的处理目的。转化为梯形图如图３所示即可。

图2 合并输入扩展技术线路图

图3 采取合并输入扩展技术的梯形图 图4 油泵电机起停控制的梯形图

2.2 状态变换扩展技术
通常对于工作状态属于0/1或者开/关量变化的动作(如油泵电机的起停、冷却液的开关、灯的亮熄等)进行PLC控制时,一般情况下要由2个按钮分别控制它们的开和关。
图4为某机床油泵电机起停控制的梯形图，占用了PLC 2个输入点X0、X1，其中X0为油泵电机开按钮输入信号，X1为油泵电**按钮输入信号，Y0为油泵电机开输出信号。
对图4采用状态变换扩展技术，则只需一个按钮X0即可，每按一下按钮X0，就将当前的油泵电机的工作状态翻转一次，其实现的PLC梯形图程序有三种电路，分别如图5、图6、图7所示。

图5 用计数器的梯形图 图6 不用计数器的梯形图

图7 用功能指令的梯形图

图5为用计数器进行控制的状态变换技术。从图5可以看出，当**次按下X0时，使Y0=1且自保持，油泵电机运转，同时X0的下降沿启动C0计数一次;当第二次按下X0又松开时，它的下降沿又使C0计数一次，此时的计数值达到C0的设定值(K2)，计数器C0动作，其动断触点断开Y0回路，油泵电机停转，实现了输出状态的翻转，在接下来的一个扫描周期内，计数器的动合触点使C0复位，为下次计数做准备，从而实现了用一只按钮启停的单数次计数、双数次计数复位的控制。
图6为不用计数器进行控制的状态变换技术。从图6可以看出，初始运行时，M0=M1=Y0=0，当**次按下X0时，其上升沿即使Y0=1且自保持，油泵电机运转，此时M0=1，M1=0;当第二次按下X0时的扫描周期内，M0=1，M1=1，Y0=0，油泵电机停转，实现了输出状态的翻转，在接下来的一个扫描周期内，M0=M1=Y0=0，又恢复为初始状态，为下一次的状态变换作好了准备。从而也实现了用一只按钮启停的单数次运转、双数次停转的控制[1>。
图7为用功能指令进行控制的状态变换技术。图7中，ALT为交替输出指令，其实际上是一个二分频电路，每执行一次ALT指令，目标元件的输出状态取反，即目标元件的状态在ON和OFF之间交替变换。初始运行时，Y0=0，当**次按下X0时，其上升沿即使Y0=1且自保持，油泵电机运转，当第二次按下X0时的扫描周期内，Y0＝0，油泵电机停转，实现了输出状态的翻转[2>。
2.3 条件分隔扩展技术
在各种数控装置中，自动和手动是**常用的两种控制方式。手动工作方式的大量按钮，占用了很多的输入点，操作面板上的控制按钮大多是为手动方式准备的，仔细分析会发现有些手动控制中使用的按钮在自动方式中根本就不会出现。因此，我们可将这些不会同时出现的输入信号按工作方式分成两组，使它们在不同的工作方式中接入相同的输入点，从而达到节省输入点的目的，这种方法即为条件分隔扩展技术。具体方法如图８所示。
图8中，HK为工作方式转换开关(如1位为自动，2位为手动方式)，必须占用一个点X0，以便在梯形图中区分不同的作用;X1、X2、X3为重复使用的输入点，这3个点分别接不同作用的开关，通过转换开关方式的选择，使点在不同时期起不同的作用，又为了避免寄生电路引起各点互相牵扯，各开关必须通过二极管或门再接到输入点上。像图８所示电路可节省6－4=2个输入点，达到了节省输入点的目的。

图8 采用条件分隔扩展技术的线路图

2.4 输入点组合应用扩展技术
将n个输入点取m个点组合，可得到Ｃnm个组合组，其每一个组合组便是一个新的输入点，从而使输入点从n个扩展为Ｃnm个，在不改变PLC原始配置的情况下使输入点净增Ｃnm－n个，这种技术称为输入点组合应用扩展技术。这种技术中，当n增加时，被扩展点数量增加很快。如n=6，当m=2时，新形成点数量为C62=15，这样就从n=6点扩展为15个点。在此技术中，一般取m＝2，这样不致使梯形图过繁。具体实现办法如图9所示:

图9 采用输入点组合应用扩展技术的线路图

图9为n=5，m=2的组合应用图。图9中，在每个参与组合的点(X0到X4)上接一个二极管或门，其每个或门扇输入数为(n－1)=5－1=4，且每m个(本图为2)或门各与一个输入端相连，一直不重复地接完，直至形成Ｃnm(本图为C52)条连接线，这每一条连接线便是一个新的控制点。[3>
2.5 利用比较指令的输入扩展技术
比较指令的功能是比较两个数的大小。其指令格式如图10所示。当X0＝ON时，则将K1(S1)与计数器C0(S2)的内容进行比较:
当K1>C0，M0=1; K1=C0, M1=1; K1
工厂生产线上经常有这么一种要求，即要求n台电动机随时随地顺序起动，随时随地可逆序停车。如n=3时，若不采用任何输入扩展技术，则需3只起动按钮、3只停止按钮，要占用PLC 6个输入点。现采用比较指令设计技术，按图10所示梯形图设计，则只需占用X0、X1 2个输入点，即可实现上述功能。[2>

图10 利用比较指令输入扩展技术的梯形图

图10中，当按一下X0=ON，M1=1，Y0=1且自保持，**台电动机起动;再按一下X0=ON，M2=1，Y1=1且自保持，第二台电动机起动;第三次按下X0=ON，M0=1，Y2=1且自保持，第三台电动机起动，起动过程完成。同理，当要求逆序停车时，按一下X1=ON，M11=1，Y2=0，第三台电动机停车;再按一下X1=ON，M12=1，Y2=Y1=0，第二台电动机停车;第三次按下X1=ON，M10=1，Y2=Y1=Y0，**台电动机停车, 停车过程按要求完成。
3 对输出点的扩展技术

3.1 合并输出扩展技术
目前，用PLC来实现控制的领域越来越多，像舞台的艺术灯、大型户外广告屏、节日灯的控制等，在这些灯光的控制逻辑中，有一些灯的控制逻辑完全相同，对于通断状态完全相同的2个及以上的负载，可以采用并联连接的合并输出扩展技术，只需占用PLC的一个输出点即可;对于在不同的工作方式下(如自动或手动工作方式)或者通过外部开关的转换，有些输出点不会同时出现的场合，也可以采用合并输出扩展技术，使每个PLC输出点可以控制两个及以上不同时工作的负载。具体实现方法如图11所示。

图11 采用合并输出扩展技术的线路图

图11中，如果KM1、KM2所带负载的状态完全相同，只需把KM1、KM2的线圈并联连接，只占用1个输出点Y0，可节省1个输出点;同样图11中，如果Q1、Q2不会同时为接通状态，则可以1个输出点Y1来带动两路不会同时有输出的负载KM3、KM4的输出，从而也节省了一个输出点。
3.2 输出点组合应用扩展技术
输出点组合应用扩展技术的要点是将n个输出继电器号分为两组，每组个数各为n/2个，通过外部接线的技术组合，使每组每次有一个继电器有输出，则其可带(n/2)×(n/2)个负载，这种技术可节省(n/2)×(n/2)－n个输出点。如图12所示:用6个(注:n=6)输出点可以驱动9(3×3)个负载，节省了3个输出点，在梯形图编程时，需要用编码的方法确定每一个负载，每一个负载由行线和列线所在的输出继电器号共同承担。
3.3 机外处置扩展技术
PLC控制器有基本单元、扩展单元、扩展模块之分，其相对继电器－接触器控制电路而言，价格相对较高，尤其是在需要占用大量输出点时，还要对PLC基本单元进行扩展处理或需要选用更大点数的基本单元时，价格问题显得尤为突出，因此在对某些控制逻辑简单而又不参与工作循环的电气设备或者在工作循环之前须先工作的设备而言，在用PLC进行总体控制设计时，这些设备可以不用PLC来控制其输出，而采用PLC机外处置的办法仍用继电器－接触器来进行控制，从而也达到了节省输出点的目的，并且可大大降低投资成本。[1>

图12 采用输出点组合应用扩展技术的线路图

4 结束语
上述介绍的这些技术，虽经笔者在电气实验室调试取得了成功，证明是切实可行的，但在实际应用过程中仍要注意进行模拟调试和系统联调，确保万无一失。这些技术方法应当是在迫不得已的情况下考虑的方法，因为在考虑节约投资成本等经济性的同时，这些技术难免会带来实践操作、维护的复杂性，即使是非用不可，也一定要确保设备安全可靠，将复杂程度降到**限度，并注意做好设计资料的保管工作，以便提供维护人员随时查阅。 

用siemens PLC控制喷泉系统梯形图、控制语句表

一、控制要求及I/O分配 

1．控制要求 

隔灯闪烁：L1亮0.5秒后灭，接着L2亮0.5秒后灭， 接着L3亮0.5秒后灭，接着L4亮0.5秒后灭，接着L5、L9亮0.5秒后灭，接着L6、L10亮0.5秒后灭，接着L7、L11亮0.5秒后灭，接着L8、L12亮0.5秒后灭，L1亮0.5秒后灭，如此循环下去。

2．I/O分配

输入                        输出

起动按钮：I0.0             L1：Q0.0      L5、L9： Q0.4

停止按钮：I0.1             L2：Q0.1      L6、L10：Q0.5

L3：Q0.2      L7、L11：Q0.6

L4：Q0.3      L8、L12：Q0.7

图1-1  喷泉控制示意图

三、喷泉控制语句表   

四、喷泉控制梯形图 

西门子S7-200PLC的触点指令的梯形图和语句表举例

 西门子S7-200 PLC的触点指令如下：

LD:梯形图开始的常开触点

LDN:梯形图开始的常闭触点

A:”与”,串联常开触点

AN:”与非”,串联常闭触点

O:”或”，并联常开触点

ON:”或非”,并联常闭触点

触点指令的梯形图和语句表对照如下：

LD      I  0.1

AN      I  0.2

O         I  0.3

A         I  0.4

=         Q  0.3

=         Q  0.4

AN      I  2.2

=         Q 2.2

 STEP 7-Micro/WIN 32编程软件程序编辑中的语法检查功能可以提前避免一些语法和数据类型方面的错误。梯形图和语句表的错误检查结果如下图所示。

 STEP 7-Micro/WIN 32编程软件功能的实现可以在联机工作方式（在线方式）下进行，部分功能的实现也可以在离线工作方式下进行。

联机方式：有编程软件的计算机或编程器与PLC连接，此时允许两者之间作直接的通信。有关联机的方法可参见PLC之家的其它文章。

离线方式：有编程软件的计算机或编程器与PLC断开连接，此时能完成大部分基本功能。如编程、编译和调试程序、系统组态等。

PLC基本指令表及各指令解释

一、标准触点 LD、A、O、LDN、AN、ON、 

LD，取指令。表示一个与输入母线相连的常开接点指令，即常开接点逻辑运算起始。

LDN，取反指令。表示一个与输入母线相连的常闭接点指令，即常闭接点逻辑运算起始。

A，与指令。用于单个常开接点的串联。

AN，与非指令。用于单个常闭接点的串联。

O，或指令。用于单个常开接点的并联。

ON，或非指令。用于单个常闭接点的并联。 

       二、正、负跳变 ED、EU 

ED，在检测到一个正跳变（从OFF到ON）之后，让能流接通一个扫描周期。

EU，在检测到一个负跳变（从ON到OFF）之后，让能流接通一个扫描周期。

 三、输出 = 

=，在执行输出指令时，映像寄存器中的指定参数位被接通。 

四、置位与复位指令S、R 

S，执行置位(置1)指令时，从bit或OUT指定的地址参数开始的N个点都被置位。

R，执行复位(置0)指令时，从bit或OUT指定的地址参数开始的N个点都被复位。

置位与复位的点数可以是1-255，当用复位指令时，如果bit或OUT指定的是T或C时，那么定时器或计数器被复位，同时当前值将被清零。 

五、空操作指令NOP   

NOP指令不影响程序的执行，执行数N（1-255）。

PLC机型的选择步骤与原则

 随着PLC技术的发展，PLC产品的种类也越来越多。不同型号的PLC，其结构形式、性能、容量、指令系统、编程方式、价格等也各有不同，适用的场合也各有侧重。因此，合理选用PLC，对于提高PLC控制系统的技术经济指标有着重要意义。

PLC的选择主要应从PLC的机型、容量、I/O模块、电源模块、特殊功能模块、通信联网能力等方面加以综合考虑。

PLC机型的选择

PLC机型选择的基本原则是在满足功能要求及保证可靠、维护方便的前提下，力争**的性能价格比。选择时主要考虑以下几点：

 (一) 合理的结构型式

PLC主要有整体式和模块式两种结构型式。

整体式PLC的每一个I／O点的平均价格比模块式的便宜，且体积相对较小,一般用于系统工艺过程较为固定的小型控制系统中；而模块式PLC的功能扩展灵活方便,在I／O点数、输入点数与输出点数的比例、I／O模块的种类等方面选择余地大，且维修方便，一般于较复杂的控制系统。

(二) 安装方式的选择

  PLC系统的安装方式分为集中式、远程I／O式以及多台PLC联网的分布式。

集中式不需要设置驱动远程I／O硬件，系统反应快、成本低；远程I／O式适用于大型系统，系统的装置分布范围很广，远程I／O可以分散安装在现场装置附近，连线短，但需要增设驱动器和远程I／O电源；多台PLC联网的分布式适用于多台设备分别独立控制，又要相互联系的场合，可以选用小型PLC，但必须要附加通讯模块。

 (三)相应的功能要求

一般小型(低档)PLC具有逻辑运算、定时、计数等功能，对于只需要开关量控制的设备都可满足。

对于以开关量控制为主，带少量模拟量控制的系统，可选用能带A／D和D／A转换单元，具有加减算术运算、数据传送功能的增强型低档PLC。

对于控制较复杂，要求实现PID运算、闭环控制、通信联网等功能，可视控制规模大小及复杂程度，选用中档或**PLC。但是中、**PLC价格较贵，一般用于大规模过程控制和集散控制系统等场合。

 (四)响应速度要求

 PLC是为工业自动化设计的通用控制器，不同档次PLC的响应速度一般都能满足其应用范围内的需要。如果要跨范围使用PLC，或者某些功能或信号有特殊的速度要求时，则应该慎重考虑PLC的响应速度，可选用具有高速I／O处理功能的PLC，或选用具有**响应模块和中断输入模块的PLC等。

 (五)系统可靠性的要求

对于一般系统PLC的可靠性均能满足。对可靠性要求很高的系统，应考虑是否采用冗余系统或热备用系统。

 (六)机型尽量统一

一个企业，应尽量做到PLC的机型统一。主要考虑到以下三方面问题：

１)机型统一，其模块可互为备用，便于备品备件的采购和管理。

２)机型统一，其功能和使用方法类似，有利于技术力量的培训和技术水平的提高。

３)机型统一，其外部设备通用，资源可共享，易于联网通信，配上位计算机后易于形成一个多级分布式控制系统。

PC与S7-200系列PLC通信的连接 西门子PLC

 S7-200系列PLC有通信方式有三种：一种是点对点（PPI）方式，用于与该公司PLC编程器或其它人机接口产品的通信，其通信协议是不公开的。另一种为DP方式，这种方式使得PLC可以通过Profibus-DP通信接口接入Profibus现场总线网络，从而扩大PLC的使用范围。**后一种方式是自由口通信（Freeport）方式，由用户定义通信协议，实现PLC与外设的通信。以下采用自由口通信方式，实现PC与S7-200系列PLC通信。

PC与S7-200系列PLC通信连接

PC为RS232C接口，S7-200系列自由口为RS485。因此PC的RS232接口必须先通过RS232/RS485转换器，再与PLC通信端口相连接，连接媒质可以是双绞线或电缆线。西门子公司提供的PC/PPI电缆带有RS232/RS485转换器，可直接采用PC/PPI电缆，因此在不增加任何硬件的情况下，可以很方便地将PLC和PC的连接，如图7-17所示。也可实现多点连接。

图7-17  PC与S7-200系列PLC的连接

用西门子PLC构成五相步进电机控制系统 

一、目的 

用PLC构成五相步进电机控制系统 

二、内容 

1．控制要求 

按下启动按钮SB1,A相通电（A亮）→B相通电（B亮）→C相通电（C亮）→D相通电（D亮）→E相通电（E亮）→A→AB→B→BC→C→CD→D→DE→E→EA→A→B

……循环下去。按下停止按扭SB2，所有操作都停止需重新起动。 

 2．I/O分配                                   

输入                        输出

起动按钮：I0.0           A：Q0.1     D：Q0.4

停止按钮：I0.1           B：Q0.2     E：Q0.5

C：Q0.3   

3．按图所示的梯形图输入程序。

4．调试并运行程序。

图1  五相步进电机控制示意图

三、五相步进电机控制语句表

四、五相步进电机控制梯形图