6ES7231-0HF22-0XA0一级代理
1 引言
与其它工业控制系统相比，PLC控制系统具有可靠性高、抗干扰能力强等突出优点，因而广泛应用于工业控制领域。对于那些不必采用上位机监控＋PLC现场控制的简易控制系统，操作面板的完善与否直接影响到整个系统的智能化程度高低。对小型控制系统而言，在满足功能的前提下，高性价比一直是设计人员追求的目标，若采用触摸屏(如SIEMENS的TP270)＋组态软件(如PROTOOL)的方式组成人机界面，势必使整个系统的性价比大为降低，因此，提出基于PLC的矩阵式键盘设计方案具有较大的实际意义。
2 矩阵式键盘工作原理
矩阵式键盘是相对于独立式键盘而言的，也叫行列式键盘，是当键数较多时为节省I/O点而采取的一种结构。在微机系统中，矩阵式键盘的构成方式如图1所示。
图1 矩阵式键盘结构图
首先，判断整个键盘上有无键按下。方法是:将列全输出为0，然后读入行的状态，如果行读入的状态全为1，则无键按下，不全为1则有键按下。
其次，若有键按下则逐列扫描。方法是:依次将列线送低电平0，检查对应行线的状态;若行线全为1，则按键不在此列;若不全为1，则按键必在此列，且是与0电平行线相交的那个键。后，确定键值，并进入键处理程序。
3 矩阵式键盘硬件设计
在PLC系统中设计矩阵式键盘不仅要用到输入口，而且也要用到输出口，因此，了解PLC I/O口内部电路的结构以及工作原理是十分重要的。下面以S7-200的DC输入、输出模块为例，简要说明其工作原理。
3.1 输入模块
如图2所示，为PLC的DC输入模块，其中，K1-输入开关;M-公共端;I0.0-输入点;R1、R2的典型值为5.6K、1K。
图2 直流输入模块电路图
工作原理:若输入开关K1闭合，则输入信号经RC滤波和光电隔离后，转换为PLC的CPU所需的电平(一般为5V)，再经过输入选择器与CPU的总线相连，从而将外部输入开关的“ON”状态输入到PLC内部，此时输入指示灯亮，且与该输入点对应的输入映像寄存器为“1”。若输入开关断开，则信号没有形成通路，此时输入指示灯不亮，表示为“OFF”状态。
3.2 输出模块
如图3所示，为PLC的DC输出模块，其中，L+接DC24V;Q0.0-输出点。
图3 直流输出模块电路图
工作原理:若用户程序将输出置为“ON”状态，则在刷新输出阶段CPU将“ON”信号送给输出锁存器，再经过光电耦合送给场效应管，使之饱和导通，此时输出指示灯亮，且通过场效应管将DC24V和负载连通，从而使得负载获得工作电流。反之，若用户程序将输出置为“OFF”状态，则输出指示灯不亮，情况与上述相反。
3.3 键盘的硬件设计
由以上分析可知:PLC的I/O口内部电路与一般的计算机系统(如单片机系统)有较大的不同，这就决定了在PLC系统中设计矩阵式键盘也有其特殊性。首先，由于输入模块中有RC滤波电路，其滤波延迟时间可以通过编程软件设置，即其本身存在硬件消抖动的功能，因此不再需要软件延时消抖动;其次，由于用到了PLC的输出口，它本身可以输出对M端有DC24V的电压，因此不再需要外接电源;后，由于PLC的输入口有6K左右的输入电阻，因此可以将DC24V的电压直接加上，若为了延长I/O口的使用寿命，一般按照输入模块的技术指标来配置限流电阻，经查阅输入电流的典型值为4mA，一般取R1=R2=R3=0.5K即可。如图4所示为3行3列矩阵式键盘的结构图。
图4 3×3键盘结构图
4 矩阵式键盘软件设计
4.1 PLC的扫描工作方式
当PLC处于“RUN”工作模式下时，除上电初始化外，其它程序都采取周而复始的循环扫描方式，称之为“PLC的扫描工作方式”，其执行流程如图5所示:
图5 PLC的扫描工作流程
在设计键盘时可暂不考虑通信和自诊断，则在一个扫描周期内剩下以下三个主要阶段:
(1) 输入采样阶段，CPU将所有物理输入点的状态存入对应的过程映像寄存器中，到下次输入采样前，过程映像寄存器的内容均保持不变;
(2) 程序执行阶段，CPU按照从左到右、从上到下的顺序执行程序，将运算结果写到输出映像寄存器或数据存储区内;
(3) 输出刷新阶段，在程序执行完后，CPU将过程输出映像寄存器的状态几乎同时的更新到物理输出点。
4.2 键盘的软件设计
矩阵式键盘的软件设计相对较为复杂，但无非是实现微机系统中所描述的键盘扫描程序的四个功能:
(1) 判断有无键按下;
(2) 去机械抖动;
(3) 求按下的键号;
(4) 键闭合一次仅进行一次键功能操作。
4.3 键盘设定及程序设计
再结合微机系统中矩阵键盘的原理，设计3×3矩阵式键盘，特做如下设定:
(1) 设定0～8号键分别与M0.0～M1.0对应，键按下，对应的位存储点为“1”，键松开则为“0”;
(2) 设定I0.0、I0.1、I0.2对应键盘的第0列、第1列、第2列，Q0.0、Q0.1、Q0.2对应键盘的第0行、第1行、第2行，M1.1为“有键按下”标志位;
(3) 按图4所示的方式构成3行3列矩阵式键盘，流程图如图6。
图6 键盘程序流程图
为增强程序的可读性，利用STEP7-Micro/WIN V4.0编程软件，用符号地址替代地址，编制3×3键盘的STL程序如下所示。
Network 1 判断有无键按下
LDN 有键按下
S 第0行, 3 //全行扫描
LD 第0列
O 第1列
O 第2列 //全列读入
AN 有键按下
S 有键按下, 1 //有键按下，置标志位
JMP 0
LDN 有键按下
MOVW 0, MW0 //无键按下，清零跳出
JMP 9
Network 2 散转程序
LD 有键按下
A 第0行
JMP 10 //跳至第0行
LD 有键按下
A 第1行
JMP 11 //跳至第1行
LD 有键按下
A 第2行
JMP 12 //跳至第2行
Network 3 逐行扫描
LBL 0 //第0行处理
LD 有键按下
RI 第0行, 3
SI 第0行, 1 //立即置位Q0.0
JMP 9
LBL 10
LD 第0列
= KEY_0 //0键
JMP 9
LD 第1列
= KEY_1 //1键
JMP 9
LD 第2列
= KEY_2 //2键
JMP 9
LBL 1 //第1行处理
LD 有键按下
RI 第0行, 3
SI 第1行, 1 //立即置位Q0.1
JMP 9
LBL 11
LD 第0列
= KEY_3 //3键
JMP 9
LD 第1列
= KEY_4 //4键
JMP 9
LD 第2列
= KEY_5 //5键
JMP 9
LBL 2 //第2行处理
LD 有键按下
RI 第0行, 3
SI 第2行, 1 //立即置位Q0.2
JMP 9
LBL 12
LD 第0列
= KEY_6 //6键
JMP 9
LD 第1列
= KEY_7 //7键
JMP 9
LD 第2列
= KEY_8 //8键
JMP 9
LD 有键按下
R 有键按下, 1
//无键按下，清标志位
Network 4 软件延时
LBL 9
LD 有键按下 //有键按下才延时
FOR VW0, 1, 500
NOP 0
NEXT
4.4 程序的说明
(1) 程序采用了立即置位、复位指令SI和RI，是为了更及时的置位复位输出点，使程序的执行不受扫描周期的影响，也可用字节立即写指令MOV_BIW来实现，但应该考虑对其它未用点的影响。
(2) 程序的后采用了软件延时，是为了解决程序指令执行时间与输入输出滞后时间的不匹配。利用编程软件STEP7-Micro/WIN V4.0中的System Block下的bbbbb Filters选项可以设置输入滤波时间，默认为6.4ms，减少滤波时间可以相应的减少软件延时次数，但若滤波时间太小又达不到消抖动的目的。
(3) 程序中没有考虑多键同时按下的问题，在现有的程序中，若不同行有多个键按下，均以先按下的那个键为准进行响应，但若同一行上有多个键按下，则又分要几种情况，因此在应用时，应加强对按键的限制条件，避免由于误操作而造成生产设备的损坏。
(4) 程序中对每个按钮的响应均是按下该键，则对应的存储位为“1”，放开该键，则为“0”，没有其它较为智能的功能。若键盘中有“加速”、“减速”等类似键时，往往希望有连续加减的功能，即按下“加速”一定时间后(如500ms)，按照每规定时间(如100ms)增加一个单位的速度值，此时可以利用两个定时器实现，其STL程序如下。
LD 加速
TON T37, 5
LD 加速
EU
= 加速上升沿
LD T37
AN 每100MS通电一次
TON T38, 1
LD T38
= 每100MS通电一次
LD 每100MS通电一次
O 加速上升沿
EU
+I 1, 速度存储值
5 结束语
本文提出了在PLC系统中设计矩阵式键盘的一般方法并给出了3×3键盘的硬件连线图和STL程序。在键数较多时，矩阵式键盘可以大大节省PLC的I/O点数，但程序设计的复杂度也随之增加，因此使用时应在系统的硬件成本和实时性之间加以均衡考虑。此外，本文的设计思路具有通用性，只需稍加变动，就可移植到其它品牌的PLC中。文中的STL程序均已通过S7-200的编程软件STEP7-Micro/WIN V4.0在CPU226 DC/DC/DC上调试通过，说明了本文设计方法的可行性。
1 引言
可编程序控制器(Programmable Logic Controller)简称为PLC，它具有可靠性高、抗干扰能力强等突出优点，因而广泛应用于工业控制领域，已经成为现代工业自动化的主要支柱之一。在PLC控制系统的设计中，经常会遇到I/O点资源紧张以及性价比矛盾的问题。有些被控设备需要具有手动、自动的工作方式，且手动部分控制按钮较多;有些自动生产线中，进行位置检测的行程开关或者用于系统工作状态指示的输出比较多，都会使占用的I/O点大为增加。一般通过增加扩展模块来解决，但PLC的I/O点价格昂贵，且还有扩展模块数目和I/O点数目的限制，如SIEMENS的CPU 226大扩展模块数目为7，大扩展168路数字量I/O点或35路模拟量I/O点。若此时再增加CPU，势必使得系统性价比大为降低，在这种情况下，扩展I/O点数具有较大的实际意义。本文以SIEMENS的S7-200 PLC为例，探讨如何扩展PLC控制系统中I/O点数的方法。
2 硬件电路I/O点扩展方法
2.1 分时分组输入
对于既有手动方式又有自动方式，而二者不可能同时执行的PLC工作方式，不同工作方式的输入可以共用一个PLC的输入点。分时分组输入扩展I／O点数接线图如图l所示。I1.0用来输入自动/手动命令信号，供自动和手动程序切换用;二极管用来切断寄生电路，避免错误信号的产生;SA用来切换自动和手动操作方式。
图1 分时分组输入接线图
2.2 共用输出触点
对于通断状态完全相同的负载，在输出点功率允许的情况下，可以并联于同一输出点上，即用一个输出点带动多个负载，需特别注意的是不能超出每个输出点的允许负载能力。接线方式如图2所示。
图2 共用输出点接线图
2.3 合并输入触点
对于一个由如图3所示的按钮和接触器实现的电动机多点起动、停止的控制要求，例如可在三处实现启动和停止，其中，SB1、SB2、SB3为起动按钮，SB11、SB12、SB13为停止按钮。可以将每个按钮接PLC的一个输入点，很容易便可实现。若PLC的输入点较为紧张，则可以用图4所示的方式接线，与每个按钮占用一个输入点的方式相比，该方法的软件编程更为简单。
图3 电动机电气控制原理图
图4 电动机PLC控制接线图
3 软件编程I/O点扩展方法
软件扩展的基本思想是一点两用或轮序复用。即当按钮初次按下时，输出要求为高;当按钮再次按下时，输出要求为低;再按下时又为高，依此类推。这样就可以节省一个输入点，当系统有较多开关量控制时可节省较多输入点，如主机ON和主机OFF，纸料座上和纸料座下，都可以只用一个输入点来控制。实现“一点两用”的编程方法较多，如利用内部辅助继电器、定时器、计数器、移位指令等，本文仅介绍几种简便方法。
3.1 利用边沿检测、输出指令
若按钮SB连到I0.0上，输出控制Q0.0，利用边沿检测和输出指令实现“一点两用”，用STEP7 V5.3编制的STL程序如下。
A I0.0
FP M0.0
= M0.1
A M0.1
A Q0.0
= M0.2
A(
O M0.1
O Q0.0
)
AN M0.2
= Q0.0
程序说明:当第1次按下按钮SB时，I0.0的常开触点闭合，在RLO边沿检测指令FP的作用下，辅助继电器M0.1接通一个扫描周期，从而输出继电器Q0.0的线圈得电，且Q0.0构成自锁(保持)电路，同时Q0.0另一对常开触点闭合，为M0.2接通做准备;当第2次按下按钮SB时，在FP指令的作用下，M0.1的常开触点接通M0.2的线圈回路，M0.2的常闭触点切断了PLC的输出，从而实现一点两用。
3.2 利用边沿检测、跳转指令
若利用边沿检测和跳转指令，实现起来较为简便，其STL程序如下。
A I0.0
FP M0.0
JNB OUT
AN Q0.0
= Q0.0
OUT: NOP0
程序说明:第4、5个语句的功能是实现Q0.0的自取反，但若没有前面的跳转指令，则程序每个扫描周期都会将Q0.0的状态取反一次;第1、2句的作用是限定只有当I0.0的上升沿到时取反一次，否则跳出取反程序段，从而实现一点两用。
3.3 利用边沿检测、异或指令
若利用边沿检测和异或指令实现起来更为简便，程序如下。
A I 0.0
FP M0.0
X Q0.0
= Q0.0
程序说明:当第1次检测到I0.0的上升沿，此时Q0.0为0，所以异或后输出Q0.0为1，第2个扫描周期来时，已经不是I0.0的上升沿了，因此为0，然而此时Q0.0确为1，所以异或后保持结果仍为1;第2次检测到上升沿时，Q0.0为1，异或后输出Q0.0的结果为0，等到下一个扫描周期到时，已经不是上升沿了，而此时Q0.0还是为0，因此异或保持输出仍为0。
4 硬件和软件结合I/O点扩展方法
4.1 硬件编码和软件译码，扩展输入点
在控制系统输入信号较多的情况下，可以利用编码器对输入信号编码，然后引到PLC的输入端，再通过PLC内部程序配合进行译码，对各个输入信号加以识别，可以大大减少对输入点的占用。PLC的外部接线如图5所示。由于普通编码器在有多个信号同时输入时会出现乱码，故可采用8线-3线优先编码器74LS148，设定好信号的优先权，有时还要将编码器的选通输出端和扩展端也接入PLC中，配合程序减少误判断。另外，还要注意的是电平的匹配问题(信号电路的＋5V和PLC的＋24V之间)以及PLC的输入口对信号识别所要求的技术规范(驱动电流和电压能识别的范围)，有时还需增加适当的信号放大和隔离电路。
图5 硬件编码接线图
下面以按钮SB2按下为例，说明PLC内部软件译码的程序识别方法。由74LS148的功能表可知，该芯片低电平有效，因此图5中用3个非门将输出电平转换成正逻辑。若SB2按下，无论SB0和SB1是否按下，但SB3～SB7均未按下;此时，ABC的输出为101，经过非门后I0.0，I0.1，I0.2的状态分别为0，1，0;对应的STL译码程序如下。
LDN I0.0
A I0.1
AN I0.2
= M0.2
这样，笔者在程序里用M0.2的常开触点代替了按钮SB2。即当按钮SB2按下，M0.2为1;SB2弹起，M0.2又为0，从而实现了软件译码的功能。另外需要指出，该方法在PLC的每一个扫描周期只能读入8个输入中的一个输入状态，若有2个以上开关闭合，PLC只能检测出优先权高的那个信号。
4.2 软件编码和硬件译码，扩展输出点
在控制系统输出信号较多的情况下，可以通过PLC的内部程序对输出信号进行编码，然后通过硬件译码器进行译码，驱动负载工作，这可以大大的减少对输出点的占用。PLC的外部接线如图6所示，采用3线-8线译码器74LS138。此时，同样存在电平匹配的问题，即PLC的直流模块典型输出为＋24V，而信号电路的工作电压一般为＋5V，因此，有时同样需要增加信号电路以及功率放大电路以驱动负载工作。
图6 PLC接线图
下面以如何让Q2为1为例，说明PLC内部软件的编码方法。由74LS138的功能表可知，若要使输出Q2为1，应该使Y2输出为0;即对应的ABC应该为010，从而得到只要让PLC的Q0.0，Q0.1，Q0.2分别为0，1，0即可;对应的STL编码程序如下，其中M1.2为置位输出Q2的条件。
LD M1.2
S Q0.0, 1
R Q0.1, 1
S Q0.2, 1
这样，只需对Q0.0，Q0.1，Q0.2进行组合就可以实现对输出Q0～Q7分别置为1。本方法存在一个明显的缺点，即每一个扫描周期只能输出八种状态中的一种，若要同时置位输出Q0和Q1是不能实现的。
4.3 用N个输入点识别N×(N＋1)/2个输入信号
若我们将输入信号接成图7的形式，再配合以软件编程便可以实现用3个输入点识别3×(3＋1)/2＝6个输入信号。其基本思想是:当SB1按下时，PLC只检测到了I0.0为“1”，此时I0.1和I0.2的状态均为“0”，那么在程序里就将I0.0的常开触点和I0.1、I0.2的常闭触点相与来识别SB1的状态;若SB2按下时，I0.0和I0.1均为“1”，I0.2为“0”，此时识别程序应该为I0.0和I0.1的常开触点与上I0.2的常闭触点;其它点的情况类似，输入信号SB1和SB2的STL识别程序如下，其中，M2.1、M2.2的状态就代表了信号SB1、SB2的状态。
LD I0.0
AN I0.1
AN I0.2
= M2.1
//信号SB1的识别
LDN I0.0
A I0.1
A I0.2
= M2.2
//信号SB2的识别
需要指出:这种方法不能识别2个及2个以上的信号同时为1的情况，如SB1和SB3同时接通，程序会把它当成SB2接通的情况识别。图7中二极管的作用是为了隔断寄生电流形成通路。其实，用3个输入点多可以7个信号的识别，如果在图7中再加一个SB7，用3个二极管连到I0.0、I0.1、I0.2上，则可以通过将3个点的常开触点相与来识别SB7，但这样过于繁琐，因此一般不采用。
图7 硬件接线图
4.4 用输入/输出口组成矩阵式键盘
若控制系统需要设计键盘，常规的思路是每个按键接一个输入口。然而，当键数增加时，极为浪费输入点，因此仿照微机系统中制作矩阵式键盘的思路，在PLC系统中利用I/O点组成矩阵式键盘，如图8所示为3×3键盘结构图。编程思路:首先，判断整个键盘上有无键按下，方法是将行全输出为1，然后读入列的状态，如果列读入的状态全为0，则无键按下，不全为0则有键按下;其次，逐列扫描，方法是依次将行线送1，检查对应列线的状态，若列线全为0，则按键不在此行;若不全为0，则按键必在此行，且是与1电平列线相交的那个键。由此可见，对应的软件编程比较复杂，但是在有些小型的控制系统中可以避免增加操作屏或触摸屏，从而提高系统性价比。若需要详细的硬件设计图和软件程序可与作者联系。
图8 3×3键盘结构图
5 结束语
本文从硬件设计、软件编程以及硬件软件结合三个方面探讨了扩展PLC I/O点的方法。在具体应用时，还需考虑每种扩展方法的一些优缺点以及抗干扰能力等问题。若能合理的利用这些方法，必能有效的节省PLC的I/O点数，降低系统成本，提供性价比，更为充分的发挥PLC的优势。
