一、引言
在設(shè)計(jì)可編程控制器的梯形圖時(shí)，許多人采用經(jīng)驗(yàn)法，這種方法沒有固定的步驟可遵循，且有很大的試探性和隨意性。對于各種不同的控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)者需重復(fù)設(shè)計(jì)。特別是在設(shè)計(jì)復(fù)雜系統(tǒng)的梯形圖時(shí)，需要大量的中間單元來完成記憶、聯(lián)鎖、互鎖等功能，考慮的因素較多，它們往往又交織在一起，分析起來比較困難，很容易遺漏一些應(yīng)考慮的問題。且修改某一局部電路時(shí)，經(jīng)常是“牽一發(fā)而動全身”，對控制系統(tǒng)其他部分產(chǎn)生意想不到的影響。另外，用經(jīng)驗(yàn)法設(shè)計(jì)出的梯形圖往往比較復(fù)雜，程序維護(hù)人員很難讀懂，給PLC控制系統(tǒng)的維護(hù)和改進(jìn)帶來很大困難。本文通過實(shí)例介紹一種根據(jù)順序功能圖完成PLC梯形圖程序的順序控制設(shè)計(jì)法。
二、順序功能圖描述和梯形圖的形成
合理的控制程序取決于正確梯形圖的構(gòu)成，而梯形圖形成的最優(yōu)化的方法是通過順序功能圖的轉(zhuǎn)換來實(shí)現(xiàn)。首先根據(jù)控制過程的要求，給出順序功能圖，然后根據(jù)順序功能圖畫出梯形圖，用圖形編程器將梯形圖(或轉(zhuǎn)換成指令代碼)寫入PLC。
1、順序功能圖描述
順序功能圖(Sequential Function Chart)也稱狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，它是描述控制系統(tǒng)的控制過程、功能和特性的一種圖形，是設(shè)計(jì)PLC控制程序的有利工具。它并不涉及所描述的控制功能的具體技術(shù)，是一種通用的技術(shù)語言，可供進(jìn)一步設(shè)計(jì)和不同專業(yè)人員之間進(jìn)行技術(shù)交流。
PLC
（1）SFC的結(jié)構(gòu)
SFC主要由步、有向連線、轉(zhuǎn)換、轉(zhuǎn)換條件和動作(或命令)組成。有單序列、選擇序列和并行序列三種基本結(jié)構(gòu)，如圖1所示。任何復(fù)雜的順序功能圖都可由上述三種序列組合而成。
圖1 SFC基本結(jié)構(gòu)
（a）單序列 （b）選擇序列 （c）并行序列
圖1a所示的單序列由一系列相繼激活的步組成，每一步后面僅接一個(gè)轉(zhuǎn)換，每一個(gè)轉(zhuǎn)換后面只有一步。在圖1b所示的選擇序列中，序列的開始稱為分支，轉(zhuǎn)換條件只能標(biāo)在水平連線之下，有多少分支就有多少條件，一般只能同時(shí)選擇一個(gè)條件對應(yīng)的分支序列，序列的結(jié)束稱為合并，N個(gè)選擇序列合并到一個(gè)公共序列時(shí)需要相同數(shù)量的轉(zhuǎn)換條件，且其條件只能標(biāo)在水平連線之上。在圖1c所示的并行序列中，其特點(diǎn)是當(dāng)轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)導(dǎo)致幾個(gè)序列同時(shí)被激活(分支)，激活后每個(gè)序列中活動步的進(jìn)展將是獨(dú)立的，當(dāng)并行序列結(jié)束時(shí)（合并），只有當(dāng)合并前的所有前級步(R8、RA)為活動步，且轉(zhuǎn)換條件滿足(XB=1)時(shí)，才會發(fā)生步R8、RA到步RB的進(jìn)展，為了強(qiáng)調(diào)轉(zhuǎn)換的同步實(shí)現(xiàn)，在功能圖中水平連線用雙線表示。
PLC
（2）SFC中轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)的基本規(guī)則
在SFC中，步的活動狀態(tài)的進(jìn)展是由轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)來完成的。轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)必須同時(shí)滿足下列條件，即該轉(zhuǎn)換所有的前級步都是活動步且相應(yīng)的轉(zhuǎn)換條件得到滿足。轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)使所有由有向連線與相應(yīng)轉(zhuǎn)換符號相連的后續(xù)步都變?yōu)榛顒硬剑顾星凹壊蕉甲優(yōu)椴换顒硬健Ｒ陨弦?guī)則可以用于任意結(jié)構(gòu)中的轉(zhuǎn)換，是設(shè)計(jì)梯形圖的基礎(chǔ)。但是，對于不同結(jié)構(gòu)，其區(qū)別如下：
在單序列中，一個(gè)轉(zhuǎn)換僅有一個(gè)前級步和一個(gè)后續(xù)步。
在并行序列的分支處，轉(zhuǎn)換有幾個(gè)后續(xù)步，在轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)時(shí)應(yīng)同時(shí)將它們變?yōu)閹讉�(gè)活動步(對應(yīng)的編程元件置位)。
在并行序列的合并處，轉(zhuǎn)換有幾個(gè)前級步，它們均為活動步時(shí)才有可能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換，在轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)時(shí)應(yīng)將它們變?yōu)椴换顒硬?對應(yīng)的編程元件復(fù)位)。
在選擇序列的分支與合并處，一個(gè)轉(zhuǎn)換實(shí)際上也只有一個(gè)前級步和一個(gè)后續(xù)步，但是一個(gè)步可能有多個(gè)前級步或多個(gè)后續(xù)步，只能選擇其一。
2、梯形圖的編制
根據(jù)SFC設(shè)計(jì)梯形圖時(shí)，通常用編程元件代表步。當(dāng)某步為活動步時(shí)，對應(yīng)的編程元件為“1”態(tài)，當(dāng)該步之后的轉(zhuǎn)換條件滿足時(shí)，轉(zhuǎn)換條件對應(yīng)的觸點(diǎn)或電路接通，因此可以將該觸點(diǎn)或電路與代表前級步的編程元件的常開觸點(diǎn)串聯(lián)，作為與轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)的兩個(gè)條件同時(shí)滿足對應(yīng)的電路，當(dāng)此電路接通時(shí)應(yīng)使代表前級步的編程元件復(fù)位，同時(shí)使代表后續(xù)步的編程元件置位(變?yōu)椤?”態(tài))并保持，即起保停電路。圖2是圖1b所示選擇序列功能圖對應(yīng)的梯形圖。在圖2中R3之后有一個(gè)選擇序列的分支，設(shè)步R3是活動步，當(dāng)它的后續(xù)步R4或R5變?yōu)榛顒硬綍r(shí)，它都應(yīng)將R3變?yōu)椴换顒硬?“0”態(tài))，所以應(yīng)將R4和R5的常閉觸點(diǎn)與R3的線圈串聯(lián)。步R6之前有一個(gè)選擇序列的合并，當(dāng)步R3是活動步且轉(zhuǎn)換條件X6滿足，或者步R5是活動步且轉(zhuǎn)換條件X7滿足，步R6都應(yīng)為活動步，對應(yīng)的起動電路由兩條并聯(lián)支路組成，每條支路分別由R4、X6和R5、X7的常開觸點(diǎn)串聯(lián)而成。并行序列和上述選擇序列梯形圖的編制有所不同，在圖1c中，步R7之后有一個(gè)并行序列的分支，當(dāng)步R7是活動步且轉(zhuǎn)換條件X9滿足，步R8、R9應(yīng)同時(shí)變?yōu)榛顒硬剑@時(shí)用R7和X9的常開觸點(diǎn)串聯(lián)作為R8、R9的起動電路，與此同時(shí)步R7應(yīng)變?yōu)椴换顒硬剑灾恍鑼8或R9的常閉觸點(diǎn)與R7的線圈串聯(lián)即可。對于并行序列的合并(步RB之前)，該轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)的條件是所有的前級步(步R8、R9)都是活動步和XB條件滿足。由此可知，應(yīng)將R8、R9和XB的常開觸點(diǎn)串聯(lián)，作為控制RB的起保停電路的起動電路。
圖2 圖1b所對應(yīng)的梯形圖
三、實(shí)例
圖3是采用一臺日本松下F0C14RS控制單元和一臺E16RS擴(kuò)展單元PLC控制一臺輪胎內(nèi)胎硫化機(jī)的順序功能圖。它包含有跳步、循環(huán)、選擇序列等基本環(huán)節(jié)，一周期由初始、合模、反料、硫化、放氣、開模以及報(bào)警等七步組成。它們與輔助繼電器R10～R16相對應(yīng)。在反料和硫化階段，Y2接通，蒸氣進(jìn)入模具。在放氣階段，Y2斷開，放出蒸氣。反料階段允許打開模具，硫化階段則不允許。急停按扭X0可以停止開模操作，也可以將合模改為開模。
圖3 實(shí)例控制順序功能圖
由圖3可知，初始狀態(tài)步R10有兩個(gè)前級步(R15、R16)和一個(gè)起動信號R9013(PLC開始運(yùn)行時(shí)應(yīng)將R10置為“1”態(tài)，否則系統(tǒng)無法工作，所以將R9013初始閉合繼電器作為起動信號，即R9013只在程序運(yùn)行中第一次掃描時(shí)合上，從第二次掃描開始斷開并保持?jǐn)嚅_狀態(tài))，因此，R10的起動電路由三條支路并聯(lián)而成，其起保停電路的邏輯表達(dá)式為：
順序控制系統(tǒng)的特點(diǎn)及設(shè)計(jì)思路
1．特點(diǎn)順序控制系統(tǒng)是指按照預(yù)定的受控執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作順序及相應(yīng)的轉(zhuǎn)步條件，一步一步進(jìn)行的自動控制系統(tǒng)。其受控設(shè)備通常是動作順序不變或相對固定的生產(chǎn)機(jī)械。這種控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)步主令信號大多數(shù)是行程開關(guān)（包括有觸點(diǎn)或無觸點(diǎn)行程開關(guān)、光電開關(guān)、干簧管開關(guān)、霍爾元件開關(guān)等位置檢測開關(guān)），有時(shí)也采用壓力繼電器、時(shí)間繼電器之類的信號轉(zhuǎn)換元件作為某些步的轉(zhuǎn)步主令信號。
為了使順序控制系統(tǒng)工作可靠，通常采用步進(jìn)式順序控制電路結(jié)構(gòu)。所謂步進(jìn)式順序控制，是指控制系統(tǒng)的任一程序步（以下簡稱步）的得電必須以前一步的得電并且本步的轉(zhuǎn)步主令信號已發(fā)出為條件。對生產(chǎn)機(jī)械而言，受控設(shè)備任一步的機(jī)械動作是否執(zhí)行，取決于控制系統(tǒng)前一步是否已有輸出信號及其受控機(jī)械動作是否已完成。若前一步的動作未完成，則后一步的動作無法執(zhí)行。這種控制系統(tǒng)的互鎖嚴(yán)密，即便轉(zhuǎn)步主令信號元件失靈或出現(xiàn)誤操作，亦不會導(dǎo)致動作順序錯(cuò)亂。
2．設(shè)計(jì)思路本文提出的4種簡易設(shè)計(jì)方法都是先設(shè)計(jì)步進(jìn)階梯，在步進(jìn)階梯實(shí)現(xiàn)由轉(zhuǎn)步主令信號控制輔助繼電器得失電；然后根據(jù)步進(jìn)階梯設(shè)計(jì)輸出階梯，在輸出階梯實(shí)現(xiàn)由輔助繼電器控制輸出繼電器得失電。這4種設(shè)計(jì)法所設(shè)計(jì)的梯形圖電路結(jié)構(gòu)及相應(yīng)的指令應(yīng)適用于大多數(shù)PLC機(jī)型，具有通用性。
由于各種PLC機(jī)型的編程元件代號及其編號不盡相同，為便于闡述，本文約定：所有梯形圖中的輸入繼電器、輸出繼電器、輔助繼電器（又稱內(nèi)部繼電器）的代號分別為：X、Y、M。設(shè)計(jì)中所用到的某些功能指令，如置位指令約定為S×，復(fù)位指令為R×；移位指指令為SR×。其中的“×”表示編程元件的編號，用十進(jìn)制數(shù)表示。用這些方法設(shè)計(jì)實(shí)際的控制系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)將編程元件代號和編號變換成所選用的PLC機(jī)型對應(yīng)的代號和編號。
圖1 順序控制流程
下面分別介紹各種設(shè)計(jì)方法。其中，前3種方法的設(shè)計(jì)依據(jù)都是圖1所示的順序控制流程。圖中，步1的轉(zhuǎn)步主令信號X0為連接啟動按鈕的輸入繼電器（為簡明起見，后述的轉(zhuǎn)步主令信號均省去“輸入繼電器”幾個(gè)字，只提輸入信號），X1為原位開關(guān)信號，X2、X3、X4分別為步2、3、4的轉(zhuǎn)步主令開關(guān)信號。M1～M5分別為各步的受控輔助繼電器。Y1～Y4分別為各步受控的輸出繼電器。
一、逐步得電同步失電型步進(jìn)順序控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)法
如圖2所示，這種設(shè)計(jì)方法是根據(jù)“與”、“或”、“非”的基本邏輯關(guān)系，設(shè)計(jì)成串聯(lián)、并聯(lián)或串、并聯(lián)復(fù)合的電路結(jié)構(gòu)。
圖2 逐步得電同步失電步進(jìn)順控梯形圖
1．步進(jìn)階梯的設(shè)計(jì)步進(jìn)階梯的結(jié)構(gòu)
如圖2a所示。步1的M1得電條件是受控機(jī)械原位開關(guān)X1處于壓合狀態(tài)（若受控機(jī)械有多個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，則要求每個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的原位開關(guān)均處于壓合狀態(tài)），滿足原位條件后按起動按鈕X0才能得電。M1得電后自鎖，并為步2提供步進(jìn)條件信號（M1的常開觸點(diǎn)）。步1的執(zhí)行動作完成時(shí)觸發(fā)的行程開關(guān)信號X2作為步2的轉(zhuǎn)步條件信號。步2的M2的輸入滿足其步進(jìn)條件和轉(zhuǎn)步條件后得電自鎖，并為步3提供步進(jìn)條件信號。按此規(guī)律即可實(shí)現(xiàn)后續(xù)每一工作步輔助繼電器的得電和自鎖。停止步M5的步進(jìn)條件信號和轉(zhuǎn)步條件信號分別為：最后一個(gè)工作步M4發(fā)出的步進(jìn)條件信號（M4的常開觸點(diǎn)）和該步動作完成時(shí)所觸發(fā)的轉(zhuǎn)步信號X1。由于M5的得電信號令控制系統(tǒng)失電，所以M5的回路不自鎖，而且要將其常閉觸點(diǎn)串聯(lián)在步1回路的最左端。從步2起后續(xù)各個(gè)步的回路構(gòu)成分支回路。一旦M5得電便使整個(gè)系統(tǒng)失電。如不用分支回路的結(jié)構(gòu)，也可采用圖3所示的回路。即把M5常閉觸點(diǎn)分別串聯(lián)在每步輔助繼電器的回路上。應(yīng)該注意的是：無論工作步還是停止步，如果某步的轉(zhuǎn)步主令信號有多個(gè)，則應(yīng)將多個(gè)轉(zhuǎn)步主令信號互相串聯(lián)。
圖3 逐步得電同步失電梯形圖
2．輸出階梯的設(shè)計(jì)輸出階梯
如圖2b所示。其設(shè)計(jì)方法是：（1）在控制流程圖中，找出某輸出繼電器M在哪一步開始得電和在哪一步開始失電，以此確定其得電信號（步進(jìn)階梯中使M開始得電的輔助繼電器常開觸點(diǎn)）和失電信號（步進(jìn)階梯中使M開始失電的輔助繼電器常閉觸點(diǎn)）；（2）將得電信號、失電信號和受控輸出繼電器線圈串聯(lián)。如果某個(gè)輸出繼電器在一個(gè)工作循環(huán)中多次得電失電，則將每次得失電的串聯(lián)信號互相并聯(lián)即可。例如，圖1中輸出繼電器Y1要求在步1和步3得電，在其余步失電。在圖2b畫其控制回路時(shí)，將圖1所示的第一次得電信號M1和第一次失電信號M2串聯(lián)，第二次得電信號M4和第二次失電信號串聯(lián)，然后將二者并聯(lián)起來，再與Y1的線圈串聯(lián)便構(gòu)成Y1的控制回路。其余依此類推。
二、逐步得電逐步失電型步進(jìn)順序控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)法
1．步進(jìn)階梯設(shè)計(jì)
按圖1所示的控制流程，采用逐步得電逐步失電型順序控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)的步進(jìn)階梯如圖4a所示，其電路結(jié)構(gòu)與圖3的不同點(diǎn)之一是每步的失電由下一步輔助繼電器的常閉接點(diǎn)控制；之二是步1回路必須串聯(lián)步2至最后工作步4的輔助繼電器常閉觸點(diǎn)。以防電路工作時(shí)，因誤操作再次起動而導(dǎo)致控制順序錯(cuò)亂。其余的電路結(jié)與圖3相同。
2．輸出階梯設(shè)計(jì)輸出階梯如圖4b所示，輸出繼電器的控制回路根據(jù)控制流程直觀確定。例如，輸出繼電器Y1要求在步1、3得電，則將步1、3的輔助繼電器M1、M3的常開觸點(diǎn)并聯(lián)，再與Y1的線圈串聯(lián)即可。其余輸出繼電器的控制回路構(gòu)成方法與此相同。
圖4 逐步得電逐步失電型順控系統(tǒng)梯形圖
三、置位/復(fù)位指令型順序控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)法
1．步進(jìn)階梯設(shè)計(jì)圖5a為用置位/復(fù)位指令設(shè)計(jì)的順序控制系統(tǒng)步進(jìn)階梯。其設(shè)計(jì)依據(jù)也是圖1所示的控制流程。該步進(jìn)階梯結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是每步的輔助繼電器都有一個(gè)置位線圈和一個(gè)復(fù)位線圈，二者編號相同。步1利用置位指令S使輔助繼電器M1置位（即M1線圈得電后內(nèi)部自鎖），建立步1程序，并為步2提供步進(jìn)條件信號。當(dāng)步2的轉(zhuǎn)步主令信號發(fā)出（X2閉合），指令S使M2置位，建立步2程序，同時(shí)復(fù)位指令R使M1復(fù)位，撤銷步1程序。同理可畫出后續(xù)各步繼電器置位/復(fù)位梯形圖。當(dāng)最后一步完成并回到原位（X1閉合）時(shí)，指令R使M4復(fù)位，系統(tǒng)的工作循環(huán)結(jié)束。
2．輸出階梯設(shè)計(jì)圖5b為輸出階梯結(jié)構(gòu)，與圖4b完全相同，不再贅述。
圖5 置位/復(fù)位指令型順序控制電路
四、移位指令型順序控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
1．步進(jìn)階梯設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)依據(jù)如圖6所示。圖7a為按圖6所示要求采用移位指令設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)的順序控制系統(tǒng)步進(jìn)階梯，這種步進(jìn)階梯由一個(gè)8位移位寄存器（由移位指令定義輔助繼電器M20～M27而成）作為控制元件。該移位寄存器中的IN為移位數(shù)據(jù)輸入端，CP為移位脈沖輸入端，R為復(fù)位端。這三個(gè)輸入端的輸入信號均為脈沖上升沿有效。對順序控制系統(tǒng)來說，輸入IN的信號必須是一個(gè)單脈沖信號，即移位數(shù)據(jù)為“1”。起動步1時(shí)，IN和CP同時(shí)輸入按鈕信號X0的脈沖上升沿后，在IN端生成的移位數(shù)據(jù)“1”便移入移位寄存器的M20位，此時(shí)該位有輸出（即輸出M20的常開觸點(diǎn)閉合信號），建立步1程序，并為步2提供步進(jìn)條件信號；M20的常閉觸點(diǎn)即時(shí)斷開IN輸入端和CP的步1輸入端，完成數(shù)據(jù)“1”輸入和移位脈沖輸入。從步2起，本步的轉(zhuǎn)步主令信號一發(fā)出（X2接通），便輸入一個(gè)移位脈沖上升沿，使原來移入M20位的數(shù)據(jù)“1”移入M21位，建立步2程序，并為步3提供步進(jìn)條件信號。移位后，M20位的狀態(tài)變?yōu)?，即其相應(yīng)的步1被撤銷，輸出為0。依此類推便可實(shí)現(xiàn)整個(gè)步進(jìn)階梯逐步得電和逐步失電。最后一步完成并回到原位（X1接通）時(shí)，接通移位寄存器的復(fù)位端R，使移位寄存器復(fù)位清零，整個(gè)控制系統(tǒng)失電停止。
圖6 移位順序控制流程圖
圖7 移位指令型順序控制電路
設(shè)計(jì)這種步進(jìn)階梯時(shí)要注意以下問題：（1）在一個(gè)自動工作循環(huán)內(nèi)，移位寄存器的移位數(shù)據(jù)輸入端IN只允許起動時(shí)輸入一個(gè)單脈沖信號。也就是說起動時(shí)只能輸入移位數(shù)據(jù)“1”。步進(jìn)階梯的工作原理就是根據(jù)輸入的數(shù)據(jù)“1”，在移位寄存器中逐步向高位移位來實(shí)現(xiàn)逐步得電和逐步失電。所以輸入端IN要串聯(lián)每個(gè)移位輸出位的常閉觸點(diǎn)；（2）移位寄存器對移位脈沖輸入端開關(guān)的抖動非常敏感。若開關(guān)抖動一次，相當(dāng)于多輸入了一個(gè)移位脈沖，移位數(shù)據(jù)“1”隨之多移了一位。由于接點(diǎn)式開關(guān)被觸發(fā)時(shí)難免產(chǎn)生抖動。為消除這種影響，在移位脈沖輸入端的步1輸入回路，必須串聯(lián)移位寄存器0位（本例為M20）的常閉觸點(diǎn)，一旦移位數(shù)據(jù)移入M20位，便斷開步1的輸入回路；而從步2開始，每步的輸入回路也要串聯(lián)上一位的常開觸點(diǎn)。例如步2的輸入回路要串聯(lián)上一位M20的常開觸點(diǎn)。這樣，當(dāng)移位到步2轉(zhuǎn)步主令信號對應(yīng)的M21位時(shí)，便立即斷開步2的輸入回路。采用這樣的移位脈沖輸入回路結(jié)構(gòu)，可確保每步的轉(zhuǎn)步輸入信號持續(xù)時(shí)間只有PLC的一個(gè)掃描周期（一般只有幾Mｓ），因開關(guān)的抖動時(shí)間遠(yuǎn)大于PLC的一個(gè)掃描周期。所以可有效地消除開關(guān)抖動的影響。
2．輸出階梯設(shè)計(jì)圖7b為輸出階梯，其結(jié)構(gòu)與圖4b相同，只是輔助繼電器編號不同而已。
結(jié)束語
上述4種PLC順序控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的共同特點(diǎn)是：
（1）由輸入繼電器控制輔助繼電器（包括由置位/復(fù)位指令和移位指令定義的輔助繼電器），按此構(gòu)成步進(jìn)階梯；
（2）由輔助繼電器控制輸出繼電器，以此構(gòu)成輸出階梯；
（3）無論步進(jìn)階梯還是輸出階梯，都是很有規(guī)律的回路結(jié)構(gòu)。不管要設(shè)計(jì)的順序控制系統(tǒng)有多少步，也不管其輸入輸出點(diǎn)數(shù)有多少，只要弄清各種設(shè)計(jì)方法所設(shè)計(jì)的步進(jìn)階梯和輸出階梯的回路結(jié)構(gòu)的規(guī)律性，根據(jù)設(shè)計(jì)依據(jù)，套用其中任一種設(shè)計(jì)方法的回路結(jié)構(gòu)，就能快速地一次成功設(shè)計(jì)出較復(fù)雜的PLC順序控制系統(tǒng)。
基于運(yùn)料小車自動往返順序控制的PLC程序
2008-9-9 19:39:00 來源： 網(wǎng)友評論 0條 點(diǎn)擊查看
摘要：本文基于運(yùn)料小車自動往返順序控制的PLC程序設(shè)計(jì)，提出五種PLC程序設(shè)計(jì)方法，對各種設(shè)計(jì)方法的思路和特點(diǎn)，作了全面的闡述和歸納總結(jié)，并對它們進(jìn)行了比較。
關(guān)鍵詞：PLC，順序控制，順序功能圖， 梯形圖，指令。
1 引言
在自動化生產(chǎn)線上，有些生產(chǎn)機(jī)械的工作臺需要按一定的順序?qū)崿F(xiàn)自動往返運(yùn)動，并且有的還要求在某些位置有一定的時(shí)間停留，以滿足生產(chǎn)工藝要求。用PLC程序?qū)崿F(xiàn)運(yùn)料小車自動往返順序控制，不僅具有程序設(shè)計(jì)簡易、方便、可靠性高等特點(diǎn)，而且程序設(shè)計(jì)方法多樣，便于不同層次設(shè)計(jì)人員的理解和掌握。本文以松下電工FP0系列PLC為例，提出基于運(yùn)料小車自動往返順序控制的五種PLC程序設(shè)計(jì)方法。
2 系統(tǒng)控制要求[1]
運(yùn)料小車自動往返順序控制系統(tǒng)示意圖，如圖1所示，小車在啟動前位于原位A處，一個(gè)工作周期的流程控制要求如下：
1）按下啟動按鈕SB1，小車從原位A裝料，10秒后小車前進(jìn)駛向1號位，到達(dá)1號位后停8秒卸料并后退；
2）小車后退到原位A繼續(xù)裝料，10秒后小車第二次前進(jìn)駛向2號位，到達(dá)2號位后停8秒卸料并再次后退返回原位A，然后開始下一輪循環(huán)工作；
3）若按下停止按鈕SB2，需完成一個(gè)工作周期后才停止工作。 圖3運(yùn)料小車自動往返順序控制系統(tǒng)順序功能圖
4．1 經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法[3]
經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法是根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械的工藝要求和生產(chǎn)過程，在典型單元程序的基礎(chǔ)上，做一定的修改和完善。使用經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)的梯形圖程序，如圖4所示。根據(jù)系統(tǒng)控制要求小車在原位A（X2）處裝料，在1號位（X3）和2號位（X4）兩處輪流卸料。小車在一個(gè)工作循環(huán)中有兩次前進(jìn)都要碰到X3，第一次碰到它時(shí)停下卸料，第二次碰到它時(shí)要繼續(xù)前進(jìn)，因此應(yīng)設(shè)置一個(gè)具有記憶功能的內(nèi)部繼電器R1，區(qū)分是第一次還是第二次碰到X3。小車在第一次碰到X3和碰到X4時(shí)都應(yīng)停止前進(jìn)，所以將它們的常閉觸點(diǎn)與Y2的線圈串聯(lián)，同時(shí)，X3的常閉觸點(diǎn)并聯(lián)了內(nèi)部繼電器R1的常開觸點(diǎn)，使X3停止前進(jìn)的作用受到R1的約束，R1的作用是記憶X3是第幾次被碰到，它只在小車第二次前進(jìn)經(jīng)過X3時(shí)起作用。它的起動條件和停止條件分別是小車碰到X3和X4，當(dāng)小車第一次前進(jìn)經(jīng)過X3時(shí)，R1的線圈接通，使R1的常開觸點(diǎn)將Y2控制電路中X3的常閉觸點(diǎn)短接，因此小車第二次經(jīng)過X3時(shí)不會停止前進(jìn)，直至到達(dá)X4時(shí)，R1才復(fù)位。此外，將R1的另一對常開觸點(diǎn)與X0并聯(lián)，為第二次驅(qū)動Y0裝料做準(zhǔn)備。
圖5 置位/復(fù)位指令設(shè)計(jì)的梯形圖
4．2 置位/復(fù)位指令設(shè)計(jì)法
使用置位/復(fù)位指令設(shè)計(jì)的梯形圖程序，如圖5所示。在程序中，每個(gè)過程對應(yīng)一個(gè)內(nèi)部繼電器，用前級步對應(yīng)的內(nèi)部繼電器的常開觸點(diǎn)與轉(zhuǎn)換條件對應(yīng)的觸點(diǎn)串聯(lián)，作為后續(xù)步對應(yīng)的內(nèi)部繼電器置位的條件，用后續(xù)步所對應(yīng)的內(nèi)部繼電器的常開觸點(diǎn)，作為有前級步對應(yīng)的內(nèi)部繼電器復(fù)位的條件。如小車在原位A處，按下SB1，X0接通，R1置位驅(qū)動Y0，開始裝料并定時(shí)，用R1的常開觸點(diǎn)與T0的常開觸點(diǎn)串聯(lián)作為R2的置位條件，用R2的常開觸點(diǎn)作為R1的復(fù)位條件，當(dāng)定時(shí)時(shí)間一到，R2置位驅(qū)動Y1，小車前進(jìn)，R1復(fù)位。為使系統(tǒng)能周期性循環(huán)工作，用R8（R8置位驅(qū)動Y3，小車后退）和R0的常開觸點(diǎn)串聯(lián)，與X0并聯(lián)作為R1再次置位的條件。對簡單順序控制系統(tǒng)也可直接對輸出繼電器置位或復(fù)位。該方法無需再增加內(nèi)部繼電器來記憶小車經(jīng)過X3的次數(shù)，邏輯順序轉(zhuǎn)換關(guān)系十分明確，對于初學(xué)者編程時(shí)，更加容易理解和掌握。
4．3 保持指令設(shè)計(jì)法
使用保持指令設(shè)計(jì)的梯形圖程序，如圖6所示，該編程技術(shù)與以置位/復(fù)位指令的編程技術(shù)基本類似。不同之處是：保持指令的置位控制端不能有多個(gè)觸點(diǎn)并聯(lián)輸入，因此增加了一個(gè)內(nèi)部繼電器R9，初始啟動或循環(huán)工作時(shí)，R9置位，從而使R1置位；另外，使用保持指令所編制的程序步數(shù)要比置位/復(fù)位指令所編制的程序步數(shù)要少得多，占用的內(nèi)在大為減少。
SR左移位寄存器指令的功能只能為內(nèi)部繼電器WR的16位數(shù)據(jù)左移1位。該指令主要是對數(shù)據(jù)輸入，移位脈沖輸入，復(fù)位輸入信號的處理。數(shù)據(jù)在移位脈沖輸入的上升沿逐位向高位移位一次，最高位溢出，當(dāng)復(fù)位信號輸入到來時(shí)，寄存器的所有內(nèi)容清零[4]。
使用SR左移位寄存器指令設(shè)計(jì)的梯形圖，如圖7所示，SR指令的數(shù)據(jù)輸入控制端為R1的常開觸點(diǎn)，移位脈沖輸入控制端為R2的常開觸點(diǎn)，復(fù)位信號輸入控制端由X2、R37（R37置位驅(qū)動Y3，小車后退）的常開觸點(diǎn)和R0的常閉觸點(diǎn)串聯(lián)組成。起初在原位A處，由于WR3的所有位均為0，R1置位，當(dāng)X0接通，R0置位，R2接通一個(gè)周期，1被移入末位，R30置位驅(qū)動Y0，開始裝料并定時(shí)，同時(shí)R1復(fù)位；當(dāng)定時(shí)時(shí)間一到，R2再接通一個(gè)周期，R31置位驅(qū)動Y1，小車后退；只要R2得到信號一次，就把內(nèi)部寄存器內(nèi)WR3中各位的數(shù)據(jù)依次向左移位一次，使R30至R37依次得電，系統(tǒng)以此按順序工作，直至完成一個(gè)周期，R1重新置位，系統(tǒng)開始下一輪周期的工作。
當(dāng)X1接通時(shí)，R0復(fù)位，，系統(tǒng)完成本周期的工作后，WR3的所有內(nèi)容清零，系統(tǒng)停止工作。
該方法設(shè)計(jì)的梯形圖看起來簡潔，設(shè)計(jì)的效率也得到進(jìn)一步的提高，容易被初學(xué)者理解和接受。這種設(shè)計(jì)方法不僅可以用于送料小車自動往返順序控制電路中，在彩燈順序控制電路中的應(yīng)用也十分廣泛。
4．5 步進(jìn)指令設(shè)計(jì)法
步進(jìn)指令是專門為順序控制設(shè)計(jì)提供的指令，步進(jìn)指令按嚴(yán)格的順序分別執(zhí)行各個(gè)程序段，每個(gè)步進(jìn)程序段都是相對獨(dú)立的，只有執(zhí)行完前一段程序后，下一段程序才能被激活。在執(zhí)行下一段程序之前，PLC要將此前步進(jìn)過程復(fù)位，為下一段程序的執(zhí)行做準(zhǔn)備。在各段程序中所用的輸出繼電器、內(nèi)部繼電器、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器等都不允許出現(xiàn)相同編號，否則按出錯(cuò)處理。
使用步進(jìn)指令設(shè)計(jì)的梯形圖程序，如圖8所示，
X0與X2串聯(lián)作為啟動步進(jìn)信號，X2與R0常閉觸點(diǎn)串聯(lián)作為步進(jìn)結(jié)束信號，X2與R0常開觸點(diǎn)串聯(lián)作為周期性循環(huán)工作步進(jìn)啟動信號，T0、X3、T1、X2、T0、X4、T1分別作為過程0～過程7之間的轉(zhuǎn)換控制信號。
圖8 步進(jìn)指令設(shè)計(jì)的梯形圖
這種編程技術(shù)很容易被初學(xué)者接受和掌握，對于有經(jīng)驗(yàn)的工程師，也會提高設(shè)計(jì)效率，程序的調(diào)試、修改和閱讀也很容易，使用方便，在順序控制設(shè)計(jì)中應(yīng)優(yōu)先考慮，該法在工業(yè)自動化控制中應(yīng)用較多。
5 結(jié)束語
本文提出基于運(yùn)料小車自動往返順序控制系統(tǒng)的五種PLC程序設(shè)計(jì)方法各有特點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)實(shí)際情況選擇一種來設(shè)計(jì)程序，以適應(yīng)不同場合的控制要求。實(shí)踐表明，這些程序設(shè)計(jì)方法很容易被設(shè)計(jì)者接受和掌握，用它們可以得心應(yīng)手地設(shè)計(jì)出任意復(fù)雜的順序控制程序，從而提高設(shè)計(jì)的效率和縮短生產(chǎn)周期。
課題十二PLC順序控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)
•教學(xué)目標(biāo)
1．學(xué)會繪制功能圖的方法。
2．熟悉功能圖轉(zhuǎn)換成梯形圖的方法。
3．掌握順序控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)原則。
4．掌握系統(tǒng)程序調(diào)試的一般規(guī)律。
•課題重點(diǎn)
1．如何繪制功能圖
2．功能圖轉(zhuǎn)換成梯形圖原則。
•難點(diǎn)釋疑
功能圖轉(zhuǎn)換成梯形圖方法。
•教學(xué)內(nèi)容
一、何謂功能圖（系統(tǒng)狀態(tài)）設(shè)計(jì)法
系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)一般有兩種思路：一是針對某一具體對象（輸出）來考慮（就像我們前面所用到的方法），另一種就是本課題所要介紹的功能圖設(shè)計(jì)法。它把整個(gè)系統(tǒng)分成幾個(gè)時(shí)間段，在這段時(shí)間里可以有一個(gè)輸出，也可有多個(gè)輸出，但他們各自狀態(tài)不變。一旦有一個(gè)變化，系統(tǒng)即轉(zhuǎn)入下一個(gè)狀態(tài)。給每一個(gè)時(shí)間段設(shè)定一個(gè)狀態(tài)器，利用這些狀態(tài)器的組合控制輸出。
例如前面介紹的工作臺自動往復(fù)控制系統(tǒng)，我們可以畫出它的狀態(tài)圖：
二、狀態(tài)轉(zhuǎn)移的實(shí)現(xiàn)
狀態(tài)轉(zhuǎn)移的實(shí)現(xiàn)，必須滿足兩個(gè)方面：
一是轉(zhuǎn)移條件必須成立，二是前一步當(dāng)前正在進(jìn)行。
二者缺一不可，否則程序的執(zhí)行在某些情況下就會混亂。
三、畫功能圖一般步驟
（1）分析控制要求和工藝流程，確定功能圖
結(jié)構(gòu)（復(fù)雜系統(tǒng)需要）。
（2）工藝流程分解若干步，每一步表示一穩(wěn)定狀態(tài)。
（3）確定步與步之間轉(zhuǎn)移條件及其關(guān)系。
（4）確定初始狀態(tài)。（可用輸出或狀態(tài)器）
（5）解決循環(huán)及正常停車問題。
（6）急停信號的處理。
例1．兩種液體混合裝置控制系統(tǒng)。（組態(tài)模擬畫面演示）
要求：有兩種液體A、B需要在容器中混合成液體C待用，初始時(shí)容器是空的，所有輸出均失效。按下啟動信號，閥門X1打開，注入液體A；到達(dá)I時(shí)，X1關(guān)閉，閥門X2打開，注入液體B；到達(dá)H時(shí)，X2關(guān)閉，打開加熱器R；當(dāng)溫度傳感器達(dá)到60℃時(shí)，關(guān)閉R，打開閥門X3，釋放液體C；當(dāng)最低位液位傳感器L=0時(shí)，關(guān)閉X3進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。按下停車按鈕,要求停在初始狀態(tài)。
啟動信號X0，停車信號X1，H（X2），I（X3），L（X4），溫度傳感器X5，閥門X1（Y0），閥門X2（Y1），加熱器R（Y2），閥門X3（Y3）
畫出該系統(tǒng)的功能圖。
練習(xí)1 氣壓成型機(jī)控制
要求：開始時(shí)，沖頭處在最高位置（XK1閉合）。按下啟動按鈕，電磁閥1DT得電，沖頭向下運(yùn)動，觸到行程開關(guān)XK2時(shí)，1DT失電，加工5秒時(shí)間。5秒后，電磁閥2DT得電，沖頭向上運(yùn)動，直到觸到行程開關(guān)XK1時(shí)，沖頭停止。按下停車按鈕，要求立即停車。
啟動信號X0，停車信號X1，XK1（X2），XK2（X3），1DT（Y0），2DT（Y1）。
畫出該系統(tǒng)的功能圖。
四、功能圖轉(zhuǎn)換成梯形圖
（1）給出輸入信號與輸出信號地址分配。
（2）除了初始步除外，每一步用一個(gè)輔助繼電器來表示步狀態(tài)。
QA：該步前的轉(zhuǎn)移條件
TA：該步后的轉(zhuǎn)移條件
J：該步的輔助繼電器
Y：該步對應(yīng)輸出繼電器
（3）為確保嚴(yán)格順序執(zhí)行，啟動條件變成：QA•Ji-1
（4）除最后一步外，每一步采用下一步輔助繼電器Ji+1作為本步的關(guān)斷條件。
（5）每步輸出用對應(yīng)步輔助繼電器表示。
（6）連續(xù)啟動信號用最后一步的啟動信號與上停止相關(guān)信號。
（7）急停信號作為每一步狀態(tài)器停止信號。
例2．兩種液體混合裝置控制系統(tǒng)。
根據(jù)例1畫出的功能圖，將其轉(zhuǎn)換成梯形圖，并上機(jī)調(diào)試。
（1）給出輸入信號與輸出信號地址分配
輸入：
啟動信號：X0 停止信號：X1 急停信號：X2 H：X3 I：X4 L：X5 溫度傳感器：X6
輸出：
閥A：Y0 閥B：Y1 閥C：Y3 加熱器：Y2
步狀態(tài)器：
第二步：R0 第三步：R1 第四步：R2 第五步：R3
（2）根據(jù)功能圖轉(zhuǎn)換成梯形圖。
（3）上機(jī)調(diào)試程序
練習(xí)2 氣壓成型機(jī)控制
將上練習(xí)1轉(zhuǎn)換成梯形圖，并上機(jī)調(diào)試。
例3．設(shè)計(jì)噴泉電路。（主要解決步狀態(tài)器后帶多輸出情況）
要求：噴泉有A、B、C三組噴頭。啟動后，A組先噴5秒，后B、C同時(shí)噴，5秒后B停，再5秒C停，而A、B又噴，再2秒，C也噴，持續(xù)5秒后全部停，再3秒重復(fù)上述過程。
（1）給出I/O地址
輸入：啟動：X0 停止：X1 急停：X2
輸出：A組：Y0 B組：Y1 C組：Y2
輔助繼電器：2步：R0 3步：R1 4步：R2 5步：R3 6步：R4 7步：R5
（2）畫出功能圖如下：
（3）轉(zhuǎn)換成梯形圖
（4）上機(jī)調(diào)試
練習(xí)3 設(shè)計(jì)鉆床主軸多次進(jìn)給控制。（學(xué)生自行練習(xí)）
要求：該機(jī)床進(jìn)給由液壓驅(qū)動。電磁閥DT1得電主軸前進(jìn)，失電后退。同時(shí)，還用電磁閥DT2控制前進(jìn)及后退速度，得電快速，失電慢速。其工作過程為：
啟動信號X0，急停信號X1，XK1（X2），
XK2（X3），XK3（X4），XK4（X5），
DT1（Y0），DT2（Y1）
五、利用移位寄存器進(jìn)行程序設(shè)計(jì)
（1）初始數(shù)據(jù)一般用F0指令送入，這樣數(shù)據(jù)端用R9011即可。
（2）移位脈沖端用各步狀態(tài)器的啟動信號。
（3）復(fù)位端用急停。
例4 十字路口交通燈控制系統(tǒng)（用移位寄存器指令實(shí)現(xiàn)）
要求：按下啟動按鈕，按照下列要求實(shí)現(xiàn)控制：東西方向紅燈亮，同時(shí)，南北方向綠燈亮7秒，隨后南北方向綠燈閃爍3秒，之后南北方向黃燈亮2秒；緊接著南北方向紅燈亮，東西方向綠燈亮7秒，隨后東西方向綠燈閃爍3秒，之后東西方向黃燈亮2秒，實(shí)現(xiàn)一個(gè)循環(huán)。如此循環(huán)，實(shí)現(xiàn)交通燈的控制。按下停止按鈕，交通燈立即停止工作。．
（1）畫出功能圖（學(xué)生自己分析）
（2）給出I/O地址
（3）轉(zhuǎn)換成梯形圖
（4）上機(jī)調(diào)試
練習(xí)4 三自由度機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)（用移位寄存器指令實(shí)現(xiàn)）
控制要求：
1） 1） 在初始位置（上、左、松限位開關(guān)確定）處，按下啟動按鈕，系統(tǒng)開始工作。
2） 2） 機(jī)械手首先向下運(yùn)動，運(yùn)動到最低位置停止。
3） 3） 機(jī)械手開始夾緊工件，一直到把工件夾緊為止（由定時(shí)器控制）。
4） 4） 機(jī)械手開始向上運(yùn)動，一直運(yùn)動到最上端（由上限位開關(guān)確定）。
5） 5） 上限位開關(guān)閉合后，機(jī)械手開始向右運(yùn)動。
6） 6） 運(yùn)行到右端后，機(jī)械手開始向下運(yùn)動。
7） 7） 向下到位后，機(jī)械手把工件松開，一直到松限位開關(guān)有效（由松限位開關(guān)控制）。
8） 8） 工件松開后，機(jī)械手開始向上運(yùn)動，直至觸動上限位開關(guān)（上限位開關(guān)控制）。
9） 9） 到達(dá)最上端后，機(jī)械手開始向左運(yùn)動，直到觸動左限位開關(guān)，此時(shí)機(jī)械手已回到初始位置。
10） 10） 要求實(shí)現(xiàn)連續(xù)循環(huán)工作。
11） 11） 正常停車時(shí)，要求機(jī)械手回到初始位置時(shí)才能停車。
12） 12） 按下急停按鈕時(shí)，系統(tǒng)立即停止。
（1）畫出功能圖（學(xué)生自己分析）
（2）給出I/O地址
（3）轉(zhuǎn)換成梯形圖
（4）上機(jī)調(diào)試
•課題小結(jié)
1．繪制功能圖一般方法
2．功能圖轉(zhuǎn)換成梯形圖原則
3．系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)
（1）初始狀態(tài)描述。
（2）連續(xù)啟動信號設(shè)計(jì)。
（3）停止信號處理。
（4）狀態(tài)器啟動信號設(shè)計(jì)。
（5）輸出信號邏輯關(guān)系的實(shí)現(xiàn)。
4．如何利用SRWR、F0等指令設(shè)計(jì)程序。
•課后作業(yè)（上機(jī)練習(xí)）
自動鉆床控制系統(tǒng)
控制要求
1） 1） 按下啟動按鈕，系統(tǒng)進(jìn)入啟動狀態(tài)。
2） 2） 當(dāng)光電傳感器檢測到有工件時(shí)，工作臺開始旋轉(zhuǎn)，此時(shí)由計(jì)數(shù)器控制其旋轉(zhuǎn)角度（計(jì)數(shù)器計(jì)滿2個(gè)數(shù)）。
3） 3） 工作臺旋轉(zhuǎn)到位后，夾緊裝置開始夾工件，一直到夾緊限位開關(guān)閉合為止。
4） 4） 工件夾緊后，主軸電機(jī)開始向下運(yùn)動，一直運(yùn)動到工作位置（由下限位開關(guān)控制）。
5） 5） 主軸電機(jī)到位后，開始進(jìn)行加工，此時(shí)用定時(shí)5秒來描述。
6） 6） 5秒后，主軸電機(jī)回退，夾緊電機(jī)后退（分別由后限位開關(guān)和上限位開關(guān)來控制）。
7） 7） 接著工作臺繼續(xù)旋轉(zhuǎn)由計(jì)數(shù)器控制其旋轉(zhuǎn)角度（計(jì)數(shù)器計(jì)滿2個(gè)）。
8） 8） 旋轉(zhuǎn)電機(jī)到位后，開始卸工件，由計(jì)數(shù)器控制（計(jì)數(shù)器計(jì)滿5個(gè)）。
9） 9） 卸工件裝置回到初始位置。
10） 10） 如再有工件到來，實(shí)現(xiàn)上述過程。
11） 11） 按下停車按鈕，系統(tǒng)立即停車。
（1）畫出功能圖（學(xué)生自己分析）
（2）給出I/O地址
（3）轉(zhuǎn)換成梯形圖
（4）上機(jī)調(diào)試
要求以課題大作業(yè)形式完成程序設(shè)計(jì)、程序調(diào)試并有書面報(bào)告。
滬公網(wǎng)安備31010802001143號
