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1 引言 在設計PLC控制系統或對老設備進行PLC技術改造時，設計人員經常會發現系統的輸入/輸出信號太多，需占用大量的PLC輸入/輸出點，在原先預計的輸入/輸出點不夠用的情況下，當然可以通過I/O擴展單元或I/O模塊來解決，被迫提高PLC的選用檔次，進而使系統的硬件配置增加，體積變大，設備初投資也隨之大大增加。筆者認為在對不是需要增加很多輸入/輸出點的情況下，可以通過一定的設計技術來擴展輸入/輸出點的數量，而又不降低PLC系統的可靠性，從而達到降低設備初投資成本的目的。 2 對輸入點的擴展技術 2.1 合并輸入擴展技術 一臺棉紡織設備中常常有幾個起動控制按鈕和幾個停止控制按鈕，且它們分別設置在機臺的不同位置，形成一種多地控制系統。圖1為三地控制的繼電器控制線路，從圖1中可以看出:在不同的地方裝有3只停止按鈕SB1、SB2、SB3，按下其中任一按鈕都使KM失電，電動機停轉;有3只起動按鈕SB4、SB5、SB6，按下其中任一按鈕都使KM得電并自保持，使電動機正常運轉;還有一過載檢測元件FR，只要主電路有過負荷故障，其串聯在圖1中的FR常閉觸點斷開，也使KM失電，電動機停轉，從而切斷過負荷故障。
圖1 三地控制的繼電器控制線路
若對該設備進行PLC改造，對輸入信號不加任何處理，將有SB1～SB6、FR共7個輸入信號要占用PLC 7個輸入點，在輸入／輸出點相對緊張時，對輸入信號可以采取圖2所示合并輸入擴展技術:即在PLC外部將4個常閉(動斷)觸點串聯，3個常開(動合)觸點并聯后再分別接入PLC的輸入端子，這樣只需占用2個輸入點，節省了5個輸入點，同樣能達到對其7個輸入信號的處理目的。轉化為梯形圖如圖３所示即可。
圖2 合并輸入擴展技術線路圖 圖3 采取合并輸入擴展技術的梯形圖 圖4 油泵電機起停控制的梯形圖
2.2 狀態變換擴展技術 通常對于工作狀態屬于0/1或者開/關量變化的動作(如油泵電機的起停、冷卻液的開關、燈的亮熄等)進行PLC控制時,一般情況下要由2個按鈕分別控制它們的開和關。 圖4為某機床油泵電機起停控制的梯形圖，占用了PLC 2個輸入點X0、X1，其中X0為油泵電機開按鈕輸入信號，X1為油泵電機關按鈕輸入信號，Y0為油泵電機開輸出信號。 對圖4采用狀態變換擴展技術，則只需一個按鈕X0即可，每按一下按鈕X0，就將當前的油泵電機的工作狀態翻轉一次，其實現的PLC梯形圖程序有三種電路，分別如圖5、圖6、圖7所示。
圖5 用計數器的梯形圖 圖6 不用計數器的梯形圖 圖7 用功能指令的梯形圖
圖5為用計數器進行控制的狀態變換技術。從圖5可以看出，當第一次按下X0時，使Y0=1且自保持，油泵電機運轉，同時X0的下降沿啟動C0計數一次;當第二次按下X0又松開時，它的下降沿又使C0計數一次，此時的計數值達到C0的設定值(K2)，計數器C0動作，其動斷觸點斷開Y0回路，油泵電機停轉，實現了輸出狀態的翻轉，在接下來的一個掃描周期內，計數器的動合觸點使C0復位，為下次計數做準備，從而實現了用一只按鈕啟停的單數次計數、雙數次計數復位的控制。 圖6為不用計數器進行控制的狀態變換技術。從圖6可以看出，初始運行時，M0=M1=Y0=0，當第一次按下X0時，其上升沿即使Y0=1且自保持，油泵電機運轉，此時M0=1，M1=0;當第二次按下X0時的掃描周期內，M0=1，M1=1，Y0=0，油泵電機停轉，實現了輸出狀態的翻轉，在接下來的一個掃描周期內，M0=M1=Y0=0，又恢復為初始狀態，為下一次的狀態變換作好了準備。從而也實現了用一只按鈕啟停的單數次運轉、雙數次停轉的控制 圖7為用功能指令進行控制的狀態變換技術。圖7中，ALT為交替輸出指令，其實際上是一個二分頻電路，每執行一次ALT指令，目標元件的輸出狀態取反，即目標元件的狀態在ON和OFF之間交替變換。初始運行時，Y0=0，當第一次按下X0時，其上升沿即使Y0=1且自保持，油泵電機運轉，當第二次按下X0時的掃描周期內，Y0＝0，油泵電機停轉，實現了輸出狀態的翻轉[2]。 2.3 條件分隔擴展技術 在各種數控裝置中，自動和手動是最常用的兩種控制方式。手動工作方式的大量按鈕，占用了很多的輸入點，操作面板上的控制按鈕大多是為手動方式準備的，仔細分析會發現有些手動控制中使用的按鈕在自動方式中根本就不會出現。因此，我們可將這些不會同時出現的輸入信號按工作方式分成兩組，使它們在不同的工作方式中接入相同的輸入點，從而達到節省輸入點的目的，這種方法即為條件分隔擴展技術。具體方法如圖８所示。 圖８中，HK為工作方式轉換開關(如1位為自動，2位為手動方式)，必須占用一個點X0，以便在梯形圖中區分不同的作用;X1、X2、X3為重復使用的輸入點，這3個點分別接不同作用的開關，通過轉換開關方式的選擇，使點在不同時期起不同的作用，又為了避免寄生電路引起各點互相牽扯，各開關必須通過二極管或門再接到輸入點上。像圖８所示電路可節省6－4=2個輸入點，達到了節省輸入點的目的。
圖8 采用條件分隔擴展技術的線路圖
2.4 輸入點組合應用擴展技術 將n個輸入點取m個點組合，可得到Ｃnm個組合組，其每一個組合組便是一個新的輸入點，從而使輸入點從n個擴展為Ｃnm個，在不改變PLC原始配置的情況下使輸入點凈增Ｃnm－n個，這種技術稱為輸入點組合應用擴展技術。這種技術中，當n增加時，被擴展點數量增加很快。如n=6，當m=2時，新形成點數量為C62=15，這樣就從n=6點擴展為15個點。在此技術中，一般取m＝2，這樣不致使梯形圖過繁。具體實現辦法如圖9所示:
圖9 采用輸入點組合應用擴展技術的線路圖
圖9為n=5，m=2的組合應用圖。圖9中，在每個參與組合的點(X0到X4)上接一個二極管或門，其每個或門扇輸入數為(n－1)=5－1=4，且每m個(本圖為2)或門各與一個輸入端相連，一直不重復地接完，直至形成Ｃnm(本圖為C52)條連接線，這每一條連接線便是一個新的控制點。[3] 2.5 利用比較指令的輸入擴展技術 比較指令的功能是比較兩個數的大小。其指令格式如圖10所示。當X0＝ON時，則將K1(S1)與計數器C0(S2)的內容進行比較: 當K1>C0，M0=1; K1=C0, M1=1; K1工廠生產線上經常有這么一種要求，即要求n臺電動機隨時隨地順序起動，隨時隨地可逆序停車。如n=3時，若不采用任何輸入擴展技術，則需3只起動按鈕、3只停止按鈕，要占用PLC 6個輸入點。現采用比較指令設計技術，按圖10所示梯形圖設計，則只需占用X0、X1 2個輸入點，即可實現上述功能。[2]
圖10 利用比較指令輸入擴展技術的梯形圖
圖10中，當按一下X0=ON，M1=1，Y0=1且自保持，第一臺電動機起動;再按一下X0=ON，M2=1，Y1=1且自保持，第二臺電動機起動;第三次按下X0=ON，M0=1，Y2=1且自保持，第三臺電動機起動，起動過程完成。同理，當要求逆序停車時，按一下X1=ON，M11=1，Y2=0，第三臺電動機停車;再按一下X1=ON，M12=1，Y2=Y1=0，第二臺電動機停車;第三次按下X1=ON，M10=1，Y2=Y1=Y0，第一臺電動機停車, 停車過程按要求完成。 3 對輸出點的擴展技術 3.1 合并輸出擴展技術 目前，用PLC來實現控制的領域越來越多，像舞臺的藝術燈、大型戶外廣告屏、節日燈的控制等，在這些燈光的控制邏輯中，有一些燈的控制邏輯完全相同，對于通斷狀態完全相同的2個及以上的負載，可以采用并聯連接的合并輸出擴展技術，只需占用PLC的一個輸出點即可;對于在不同的工作方式下(如自動或手動工作方式)或者通過外部開關的轉換，有些輸出點不會同時出現的場合，也可以采用合并輸出擴展技術，使每個PLC輸出點可以控制兩個及以上不同時工作的負載。具體實現方法如圖11所示。 圖11 采用合并輸出擴展技術的線路圖
圖11中，如果KM1、KM2所帶負載的狀態完全相同，只需把KM1、KM2的線圈并聯連接，只占用1個輸出點Y0，可節省1個輸出點;同樣圖11中，如果Q1、Q2不會同時為接通狀態，則可以1個輸出點Y1來帶動兩路不會同時有輸出的負載KM3、KM4的輸出，從而也節省了一個輸出點。 3.2 輸出點組合應用擴展技術 輸出點組合應用擴展技術的要點是將n個輸出繼電器號分為兩組，每組個數各為n/2個，通過外部接線的技術組合，使每組每次有一個繼電器有輸出，則其可帶(n/2)×(n/2)個負載，這種技術可節省(n/2)×(n/2)－n個輸出點。如圖12所示:用6個(注:n=6)輸出點可以驅動9(3×3)個負載，節省了3個輸出點，在梯形圖編程時，需要用編碼的方法確定每一個負載，每一個負載由行線和列線所在的輸出繼電器號共同承擔。 3.3 機外處置擴展技術 PLC控制器有基本單元、擴展單元、擴展模塊之分，其相對繼電器－接觸器控制電路而言，價格相對較高，尤其是在需要占用大量輸出點時，還要對PLC基本單元進行擴展處理或需要選用更大點數的基本單元時，價格問題顯得尤為突出，因此在對某些控制邏輯簡單而又不參與工作循環的電氣設備或者在工作循環之前須先工作的設備而言，在用PLC進行總體控制設計時，這些設備可以不用PLC來控制其輸出，而采用PLC機外處置的辦法仍用繼電器－接觸器來進行控制，從而也達到了節省輸出點的目的，并且可大大降低投資成本。[1]
圖12 采用輸出點組合應用擴展技術的線路圖
4 結束語 上述介紹的這些技術，雖經筆者在電氣實驗室調試取得了成功，證明是切實可行的，但在實際應用過程中仍要注意進行模擬調試和系統聯調，確保萬無一失。這些技術方法應當是在迫不得已的情況下考慮的方法，因為在考慮節約投資成本等經濟性的同時，這些技術難免會帶來實踐操作、維護的復雜性，即使是非用不可，也一定要確保設備安全可靠，將復雜程度降到最低限度，并注意做好設計資料的保管工作，以便提供維護人員隨時查閱。
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