西门子模块6ES7222-1HD22-0XA0技术支持
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PLC7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PLC2个输入点X0、X1，其中X0为油泵电机开按钮输入信号，X1为油泵电机关按钮输入信号，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，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
可编程控制器PLC外部接线简单方便，它的控制主要是程序的设计，编制梯形图是常用的编程方式，使用中一般有经验设计法，逻辑设计法，继电器控制电路移植法和顺序控制设计法，其中顺序控制设计法也叫功能表图设计法，功能表图是一种用来描述控制系统的控制过程功能、特性的图形，它主要是由步、转换、转换条件、箭头线和动作组成。这是一种先进的设计方法，对于复杂系统，可以节约60%~90%的设计时间.我国1986年颁布了功能表图的国家标准(GB6988.6-86)。有了功能表图后，可以用四种方式编制梯形图，它们分别是:起保停编程方式、步进梯形指令编程方式、移位寄存器编程方式和置位复位编程方式。本文以三菱公司F1系列PLC为例，说明实现顺序控制的四种编程方式。
例如:某PLC控制的回转工作台控制钻孔的过程是:当回转工作台不转且钻头回转时，若传感器X400检测到工件到位，钻头向下工进Y430当钻到一定深度钻头套筒压到下接近开关X401时，计时器T450计时，4s后快退Y431到上接近开关X402，就回到了原位。功能表图见图1:
图1 功能表图
2 使用起保停电路的编程方式
起保停电路仅仅使用与触点和线圈有关的指令，无需编程元件做中间环节，各种型号PLC的指令系统都有相关指令，加上该电路利用自保持，从而具有记忆功能，且与传统继电器控制电路基本相类似，得到了广泛的应用。这种编程方法通用性强，编程容易掌握，一般在原继电器控制系统的PLC改造过程中应用较多。如图2为使用起保停电路编程方式编制的与图1顺序功能图所对应的梯形图，图2中只有常开触点、常闭触点及输出线圈组成。
图2 起保停电路实现顺序控制
3 使用步进梯形指令的编程方式
步进梯形指令是专门为顺序控制设计提供的指令，它的步只能用状态寄存器S来表示，状态寄存器有断电保持功能，在编制顺序控制程序时应与步进指令一起使用，状态寄存器必须用置位指令SET置位，这样才具有控制功能，状态寄存器S才能提供STL触点，否则状态寄存器S与一般的中间继电器M相同。在步进梯形图中不同的步进段允许有双重输出，即允许有重号的负载输出，在步进触点结束时要用RET指令使后面的程序返回原母线。把图1中的0-3用状态寄存器S600-S603代替，代替以后使用步进梯形指令编程，对应的梯形图如图3所示。这种编程方法很容易被初学者接受和掌握，对于有经验的工程师，也会提高设计效率，程序的调试、修改和阅读也很容易，使用方便，程序也较短，在顺序控制设计中应优先考虑，该法在工业自动化控制中应用较多。
概述
在组合机床自动线中，一般根据不同的加工精度要求设置三种滑台:
（1）液压滑台，用于切削量大，加工精度要求较低的粗加工工序中；
（2）机械滑台，用于切削量中等，具有一定加工精度要求的半精加工工序中；
（3）数控滑台，用于切削量小，加工精度要求很高的精加工工序中。
可编程控制器（简称PLC）以其通用性强、可靠性高、指令系统简单、编程简便易学、易于掌握、体积小、维修工作少、现场接口安装方便等一系列优点，被广泛应用于工业自动控制中。特别是在组合机床自动生产线的控制及CNC机床的S、T、M功能控制更显示出其卓越的性能。PLC控制的步进电机开环伺服机构应用于组合机床自动生产线上的数控滑台控制，可省去该单元的数控系统使该单元的控制系统成本降低70~90%，甚至只占用自动线控制单元PLC的3~5个I/O接口及<1KB的内存。特别是大型自动线中可以使控制系统的成本显著下降。
2 PLC控制的数控滑台结构
一般组合机床自动线中的数控滑台采用步进电机驱动的开环伺服机构。采用PLC控制的数控滑台由可编程控制器、环行脉冲分配器、步进电机驱动器、步进电机和伺服传动机构等部分组成，见图1。
图1
伺服传动机构中的齿轮Z1、Z2应该采取消隙措施，避免产生反向死区或使加工精度下降；而丝杠传动副则应该根据该单元的加工精度要求，确定是否选用滚珠丝杠副。采用滚珠丝杠副，具有传动效率高、系统刚度好、传动精度高、使用寿命长的优点，但成本较高且不能自锁。
3 数控滑台的PLC控制方法
数控滑台的控制因素主要有三个：
3.1 行程控制
一般液压滑台和机械滑台的行程控制是利用位置或压力传感器（行程开关/死挡铁）来实现；而数控滑台的行程则采用数字控制来实现。由数控滑台的结构可知，滑台的行程正比于步进电机的总转角，只要控制步进电机的总转角即可。由步进电机的工作原理和特性可知步进电机的总转角正比于所输入的控制脉冲个数；可以根据伺服机构的位移量确定PLC输出的脉冲个数：
n=DL/d （1）
式中 DL——伺服机构的位移量（mm），d——伺服机构的脉冲当量（mm/脉冲）
3.2 进给速度控制
伺服机构的进给速度取决于步进电机的转速，而步进电机的转速取决于输入的脉冲频率;可以根据该工序要求的进给速度,确定其PLC输出的脉冲频率:
f=Vf/60d (Hz) （2）
式中 Vf——伺服机构的进给速度(mm/min)
3.3 进给方向控制
进给方向控制即步进电机的转向控制。步进电机的转向可以通过改变步进电机各绕组的通电顺序来改变其转向;如三相步进电机通电顺序为A-AB-B-BC-C-CA-A…时步进电机正转;当绕组按A-AC-C-CB-B-BA-A…顺序通电时步进电机反转。可以通过PLC输出的方向控制信号改变硬件环行分配器的输出顺序来实现，或经编程改变输出脉冲的顺序来改变步进电机绕组的通电顺序实现。
4 PLC的软件控制逻辑
由滑台的PLC控制方法可知，应使步进电机的输入脉冲总数和脉冲频率受到相应的控制。在控制软件上设置一个脉冲总数和脉冲频率可控的脉冲信号发生器；对于频率较低的控制脉冲，可以利用PLC中的定时器构成，如图2所示。脉冲频率可以通过定时器的定时常数控制脉冲周期，脉冲总数控制则可以设置一脉冲计数器C10。当脉冲数达到设定值时，计数器C10动作切断脉冲发生器回路，使其停止工作。伺服机构的步进电机无脉冲输入时便停止运转，伺服执行机构定位。当伺服执行机构的位移速度要求较高时，可以用PLC中的高速脉冲发生器。不同的PLC其高速脉冲的频率可达4000~6000Hz。对于自动线上的一般伺服机构，其速度可以得到充分满足。
图2
5 伺服控制、驱动及接口
5.1 步进电机控制系统的组成
步进电机的控制系统由可编程控制器、环行脉冲分配器和步进电机功率驱动器组成，其结构见图1。
控制系统中PLC用来产生控制脉冲；通过PLC编程输出一定数量的方波脉冲，控制步进电机的转角进而控制伺服机构的进给量；通过编程控制脉冲频率——既伺服机构的进给速度；环行脉冲分配器将可编程控制器输出的控制脉冲按步进电机的通电顺序分配到相应的绕组。PLC控制的步进电机可以采用软件环行分配器，也可以采用如图1所示的硬件环行分配器。采用软环占用的PLC资源较多，特别是步进电机绕组相数M>4时，对于大型生产线应该予以充分考虑。采用硬件环行分配器，硬件结构稍微复杂些，但可以节省占用PLC的I/O口点数，目前市场有多种专用芯片可以选用。步进电机功率驱动器将PLC输出的控制脉冲放大到几十~上百伏特、几安~十几安的驱动能力。一般PLC的输出接口具有一定的驱动能力，而通常的晶体管直流输出接口的负载能力仅为十几~几十伏特、几十~几百毫安。但对于功率步进电机则要求几十~上百伏特、几安~十几安的驱动能力，应该采用驱动器对输出脉冲进行放大。
5.2 可编程控制器的接口
如伺服机构采用硬件环行分配器，则占用PLC的I/O口点数少于5点，一般仅为3点。其中I口占用一点，作为启动控制信号；O口占用2点，一点作为PLC的脉冲输出接口，接至伺服系统硬环的时钟脉冲输入端，另一点作为步进电机转向控制信号，接至硬环的相序分配控制端，如图3所示；伺服系统采用软件环行分配器时，其接口如图4。
6 应用实例与结论
将PLC控制的开环伺服机构用于某大型生产线的数控滑台，每个滑台仅占用4个I/O接口，节省了CNC控制系统，其脉冲当量为0.01~0.05mm,进给速度为Vf=3~15m/min,完全满足工艺要求和加工精度要求
传感器的种类很多，其输出方式也各不相同。当采用接近开关、光电开关等两线式传感器时，由于传感器的漏电流较大，可能出现错误的输入信号而导致PLC的误动作，此时可在PLC输入端并联旁路电阻R，如图6-8所示。当漏电流不足lmA时可以不考虑其影响。
图6-8 PLC与两线式传感器的连接
旁路电阻R的估算公式如下：
式中：I为传感器的漏电流（mA），UOFF为PLC输入电压低电平的上限值（V），RC为PLC的输入阻抗（KΩ），RC的值根据输入点不同有差异。
旋转编码器是一种光电式旋转测量装置，它将被测的角位移直接转换成数字信号（高速脉冲信号）。因些可将旋转编码器的输出脉冲信号直接输入给PLC，利用PLC的高速计数器对其脉冲信号进行计数，以获得测量结果。不同型号的旋转编码器，其输出脉冲的相数也不同，有的旋转编码器输出A、B、Z三相脉冲，有的只有A、B相两相，简单的只有A相。
如图6-7所示是输出两相脉冲的旋转编码器与FX系列PLC的连接示意图。编码器有4条引线，其中2条是脉冲输出线，1条是COM端线，1条是电源线。编码器的电源可以是外接电源，也可直接使用PLC的DC24V电源。电源“-”端要与编码器的COM端连接，“+ ”与编码器的电源端连接。编码器的COM端与PLC输入COM端连接，A、B两相脉冲输出线直接与PLC的输入端连接，连接时要注意PLC输入的响应时间。有的旋转编码器还有一条屏蔽线，使用时要将屏蔽线接地。
如果PLC控制系统中的某些数据需要经常修改，可使用多位拨码开关与PLC连接，在PLC外部进行数据设定。如图6-5所示为一位拨码开关的示意图，一位拨码开关能输入一位十进制数的0～9，或一位十六进制数的0～F。
图6-5 一位拨码开关的示意图
如图6-6所示4位拨码开关组装在一起，把各位拨码开关的COM端连在一起，接在PLC输入侧的COM端子上。每位拨码开关的4条数据线按一定顺序接在PLC的4个输入点上。由图可见，使用拨码开关要占用许多PLC 输入点，不是十分必要的场合，一般不要采用这种方法。
PLC常见的输入设备有按钮、行程开关、接近开关、转换开关、拨码器、各种传感器等，输出设备有继电器、接触器、电磁阀等。正确地连接输入和输出电路，是保证PLC安全可靠工作的前提。
1. PLC与主令电器类设备的连接
如图6-4所示是与按钮、行程开关、转换开关等主令电器类输入设备的接线示意图。图中的PLC为直流汇点式输入，即所有输入点共用一个公共端COM，COM端内带有DC24V电源。若是分组式输入，也可参照图6-4的方法进行分组连接。