鐘錦明

一、程序控制的基本環(huán)節(jié)

1.啟動(dòng)、停止和保持控制

使輸入信號(hào)保持時(shí)間超過(guò)一個(gè)掃描周期的自我維持電路構(gòu)成有記憶功能元件控制回路的基本環(huán)節(jié),它經(jīng)常用于內(nèi)部繼電器、輸出點(diǎn)控制回路,基本形式有兩種。

(1)啟動(dòng)優(yōu)先式。圖1是啟動(dòng)優(yōu)先式啟動(dòng)、保持和停止控制程序。

當(dāng)啟動(dòng)信號(hào)X0=ON時(shí),無(wú)論關(guān)斷信號(hào)X1狀態(tài)如何,M2總被啟動(dòng),并且當(dāng)X1=OFF( X1=ON )時(shí)通過(guò)M2常開(kāi)觸點(diǎn)閉合實(shí)現(xiàn)自鎖。

當(dāng)啟動(dòng)信號(hào)X0=OFF時(shí),使X1=ON(X1=OFF)可實(shí)現(xiàn)關(guān)斷M2。

因?yàn)楫?dāng)X0與X1同時(shí)ON時(shí),啟動(dòng)信號(hào)X0有效,故稱此程序?yàn)閱?dòng)優(yōu)先式控制程序。

(2)關(guān)斷優(yōu)先式。圖2為關(guān)斷優(yōu)先式啟動(dòng)、保持和停止控制程序。

當(dāng)關(guān)斷信號(hào)X1=ON(X1=OFF),無(wú)論啟動(dòng)信號(hào)狀態(tài)如何,內(nèi)部繼電器M2均被關(guān)斷(狀態(tài)為OFF)。

當(dāng)關(guān)斷信號(hào)X1=OFF(X1=On)時(shí),使啟動(dòng)信號(hào)X0=ON,則可啟動(dòng)M2(使其狀態(tài)變?yōu)镺N),并通過(guò)常開(kāi)觸點(diǎn)M2閉合自鎖;在X0變?yōu)镺FF后仍保持M2為啟動(dòng)狀態(tài)(狀態(tài)保持為ON)。

因?yàn)楫?dāng)X0與X1同時(shí)為ON時(shí),關(guān)斷信號(hào)X1有效,所以此程序稱為關(guān)斷優(yōu)先或控制程序。

2.邏輯控制的基本形式

(1)聯(lián)鎖控制。在生產(chǎn)機(jī)械的各種運(yùn)動(dòng)之間,往往存在著某種相互制約的關(guān)系,一般采用聯(lián)鎖來(lái)實(shí)現(xiàn)。用反映某一運(yùn)動(dòng)的聯(lián)鎖信號(hào)觸點(diǎn)去控制另一運(yùn)動(dòng)相應(yīng)的電路,實(shí)現(xiàn)兩個(gè)運(yùn)動(dòng)的相互制約,達(dá)到聯(lián)鎖控制的要求。聯(lián)所控制的關(guān)鍵是正確地選擇和使用聯(lián)鎖信號(hào):

不能同時(shí)發(fā)生運(yùn)動(dòng)的聯(lián)鎖控制;

互為發(fā)生條件的聯(lián)鎖控制;

順序步進(jìn)控制。

在實(shí)踐中,順序步進(jìn)控制的實(shí)例很多。在順序依次發(fā)生的運(yùn)動(dòng)之間,采用順序步進(jìn)的控制方式。選擇代表前一個(gè)運(yùn)動(dòng)的常開(kāi)觸點(diǎn)串在后一個(gè)運(yùn)動(dòng)的啟動(dòng)線路中,作為后一個(gè)運(yùn)動(dòng)發(fā)生的必要條件。同時(shí)選擇代表后一個(gè)運(yùn)動(dòng)的常閉觸點(diǎn)串入前一個(gè)運(yùn)動(dòng)的關(guān)斷線路里,這樣,只有前一個(gè)運(yùn)動(dòng)發(fā)生了,才允許后一個(gè)運(yùn)動(dòng)可以發(fā)生,而一旦后一個(gè)運(yùn)動(dòng)發(fā)生了,就立即使前一個(gè)運(yùn)動(dòng)停止,因此可以實(shí)現(xiàn)各個(gè)運(yùn)動(dòng)嚴(yán)格的依賴預(yù)定的順序發(fā)生和轉(zhuǎn)換,達(dá)到順序步進(jìn)控制,保證不會(huì)發(fā)生順序的錯(cuò)亂。

集中控制與分散控制。在多臺(tái)單機(jī)連成的自動(dòng)線上,有在總操作臺(tái)上的集中控制和在單機(jī)操作臺(tái)上分散控制的聯(lián)鎖。

自動(dòng)控制與手動(dòng)控制。在自動(dòng)或半自動(dòng)工作機(jī)械上,有自動(dòng)工作控制與手動(dòng)調(diào)整控制的聯(lián)鎖。

(2)按控制過(guò)程變化參量的控制。在工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中,僅用簡(jiǎn)單的聯(lián)鎖控制不能滿足要求,有時(shí)要用反映運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的物理量,像行程、時(shí)間、速度、壓力、溫度的量進(jìn)行控制。

按時(shí)間控制也是常用的。交流異步電動(dòng)機(jī)采用定子繞組串接電阻實(shí)現(xiàn)減壓起動(dòng),利用時(shí)間原則控制減壓電阻串入和切除的時(shí)間。交流異步電動(dòng)機(jī)星形起動(dòng)。三角形聯(lián)結(jié)運(yùn)行的控制采用時(shí)間原則控制。交流異步電動(dòng)機(jī)能耗制動(dòng)時(shí),定子繞組接入直流電的時(shí)間也可用PLC控制。按速度原則控制在電氣傳動(dòng)中也屢見(jiàn)不鮮。

二、應(yīng)用程序設(shè)計(jì)方法

PLC用戶的設(shè)計(jì)沒(méi)有固定模式,靠經(jīng)驗(yàn)是很重要的。一般應(yīng)用程序設(shè)計(jì)可分為經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法、邏輯設(shè)計(jì)法、利用狀態(tài)流程設(shè)計(jì)法等。

1.經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法

利用前面介紹過(guò)的各種典型控制環(huán)節(jié)和基本單元控制電路,依靠經(jīng)驗(yàn)直接用PLC設(shè)計(jì)電氣控制系統(tǒng),來(lái)滿足生產(chǎn)機(jī)械和工藝過(guò)程的控制要求。

用經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)PLC應(yīng)用的電控系統(tǒng)必須詳細(xì)了解被控對(duì)象的控制要求才能動(dòng)手設(shè)計(jì)。由于該方法的基礎(chǔ)是利用經(jīng)驗(yàn),所以設(shè)計(jì)的結(jié)果往往很不規(guī)范,而且往往需經(jīng)多次反復(fù)修改和完善才能符合設(shè)計(jì)要求。由于依賴經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì),故要求設(shè)計(jì)者有豐富的經(jīng)驗(yàn),要能掌握、熟悉大量控制系統(tǒng)的實(shí)例和各種典型環(huán)節(jié)。

經(jīng)驗(yàn)法設(shè)計(jì)用PLC程序時(shí)可以大致按下面幾步來(lái)進(jìn)行:分析控制要求、選擇控制原則;設(shè)計(jì)主令元件和檢測(cè)元件,確定輸入輸出信號(hào);設(shè)計(jì)執(zhí)行元件的控制程序;檢查修改和完善程序。

在設(shè)計(jì)執(zhí)行元件的控制程序時(shí),一般又可分為以下幾個(gè)步驟:按所給的要求,將生產(chǎn)機(jī)械的運(yùn)動(dòng)分成各自獨(dú)立的簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng),分別設(shè)計(jì)這些簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)的基本控制程序;根據(jù)制約關(guān)系,選擇聯(lián)鎖觸點(diǎn),設(shè)計(jì)聯(lián)鎖程序;根據(jù)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)選擇控制原則,設(shè)計(jì)主令元件、檢測(cè)元件及繼電器等設(shè)置必要的保護(hù)措施。

2.PLC應(yīng)用程序的邏輯設(shè)計(jì)方法

邏輯設(shè)計(jì)方法的基本含義是以邏輯組合的方法和形式設(shè)計(jì)電氣控制系統(tǒng)。這種設(shè)計(jì)方法既有嚴(yán)密可循的規(guī)律性,明確可行的設(shè)計(jì)步驟,又具有簡(jiǎn)便、直觀和十分規(guī)范的特點(diǎn)。

邏輯設(shè)計(jì)方法的理論基礎(chǔ)是邏輯代數(shù)。而繼電器控制系統(tǒng)的本質(zhì)是邏輯線路?？匆粋€(gè)電器控制線路會(huì)發(fā)現(xiàn),線路的接通或斷開(kāi),都是通過(guò)繼電器等元件的觸點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)的,故控制線路的種種功能取決于這些觸點(diǎn)的開(kāi)、合二種狀態(tài)。因此電控線路從本質(zhì)上說(shuō)是一種邏輯線路,它符合邏輯運(yùn)算的各種基本規(guī)律。PLC是一種新型的工業(yè)控制計(jì)算機(jī),在某種意義上我們可以說(shuō)PLC是“與”、“或”、“非”三種邏輯線路的組合體。而PLC的梯形圖程序的基本形式也是“與”、“或”、“非”的邏輯組合。它們的工作方式及其規(guī)律也完全符合邏輯運(yùn)算的基本規(guī)律。因此,用變量及其函數(shù)只有“0”、“1”兩種取值的邏輯代數(shù)作為研究PLC應(yīng)用程序的工具就是順理成章的事了。

我們知道,邏輯代數(shù)的三種基本運(yùn)算“與”、“或”、“非”都有著非常明確的物理意義。邏輯函數(shù)表達(dá)式的線路結(jié)構(gòu)與PLC語(yǔ)句表程序完全一樣,可以直接轉(zhuǎn)化。

多變量的邏輯函數(shù)“與”運(yùn)算和梯形圖表達(dá)式如圖3所示。

FY1=∏Xi=X1?X2?…?Xn

多變量“或”運(yùn)算如圖4所示。

FM1=∑Xi=X1+X2+…+Xn

用邏輯設(shè)計(jì)法對(duì)PLC組的電控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)一般可分為下面幾步。

首先明確控制任務(wù)和控制要求。通過(guò)分析工藝過(guò)程繪制工作循環(huán)和檢測(cè)元件分布圖,取得電氣執(zhí)行元件功能表。

其次是要詳細(xì)繪制電控系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換表。通常它由輸出信號(hào)狀態(tài)表、輸入信號(hào)狀態(tài)表、狀態(tài)轉(zhuǎn)換主令表和中間記憶裝置狀態(tài)表四個(gè)部分組成。狀態(tài)轉(zhuǎn)換表全面、完整地展示了電控系統(tǒng)各部分、各時(shí)刻的狀態(tài)和狀態(tài)之間的聯(lián)系及轉(zhuǎn)換,非常直觀,對(duì)建立電控系統(tǒng)的整體聯(lián)系、動(dòng)態(tài)變化的概念有很大幫助,是進(jìn)行電控系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)的有效工具。

有了狀態(tài)轉(zhuǎn)換表,便可進(jìn)行電控系統(tǒng)的邏輯設(shè)計(jì)。包括列寫(xiě)中間記憶元件的邏輯函數(shù)式和列寫(xiě)執(zhí)行元件(輸出端點(diǎn))的邏輯函數(shù)式兩個(gè)內(nèi)容。這兩個(gè)函數(shù)式組,既是生產(chǎn)機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程內(nèi)部邏輯關(guān)系和變化規(guī)律的表達(dá)形式,又是構(gòu)成電控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)的具體程序。

PLC程序的編制就是將邏輯設(shè)計(jì)的結(jié)果轉(zhuǎn)化。PLC作為工業(yè)控制計(jì)算機(jī),邏輯設(shè)計(jì)的結(jié)果(邏輯函數(shù)式)能夠很方便的過(guò)渡到PLC程序,特別是語(yǔ)句表形式,其結(jié)構(gòu)和形式都與邏輯函數(shù)非常相似,很容易直接由邏輯函數(shù)式轉(zhuǎn)化。當(dāng)然,如果設(shè)計(jì)者需要由梯形圖程序作為一種過(guò)渡,或者選用的PLC的編程具有圖形輸入的功能,則也可以首先由邏輯函數(shù)式轉(zhuǎn)化為梯形圖程序。

程序的完善和補(bǔ)充是邏輯設(shè)計(jì)法的最后一步。包括手動(dòng)調(diào)整工作方式的設(shè)計(jì)、手動(dòng)與自動(dòng)工作方式的選擇、自動(dòng)工作循環(huán)、保護(hù)措施等。

3.利用狀態(tài)流程圖的程序設(shè)計(jì)方法

如前所述,狀態(tài)流程圖又叫狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖,它是完整地描述控制系統(tǒng)的工作過(guò)程、功能和特性的一種圖形,是分析和設(shè)計(jì)電控系統(tǒng)控制程序的重要工具。利用狀態(tài)流程圖進(jìn)行程序設(shè)計(jì)時(shí)可以按以下幾步進(jìn)行。一是按照機(jī)械運(yùn)動(dòng)或工藝過(guò)程的工作內(nèi)容、步驟、順序和控制要求畫(huà)出狀態(tài)流程圖。二是在畫(huà)出的狀態(tài)流程圖上以PLC輸入點(diǎn)或其它元件定義狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件。當(dāng)轉(zhuǎn)換條件的實(shí)際內(nèi)容不止一個(gè)時(shí),每個(gè)具體內(nèi)容定義一個(gè)PLC元件編號(hào),并以邏輯組合形式表現(xiàn)為有效轉(zhuǎn)換條件。三是按照機(jī)械或工藝提供的電氣執(zhí)行元件功能表,在狀態(tài)流程圖上對(duì)每個(gè)狀態(tài)和動(dòng)作命令配上圖上實(shí)現(xiàn)該狀態(tài)或動(dòng)作命令的控制功能的電氣執(zhí)行元件,并以對(duì)應(yīng)的PLC輸出點(diǎn)的編號(hào)定義這些電氣執(zhí)行元件。

很多PLC生產(chǎn)廠家都專門(mén)設(shè)計(jì)了用于編制步進(jìn)順序控制程序的指令。三菱FX2系列PLC和配置的大量狀態(tài)器(S0—S899)就可用于步進(jìn)順序控制程序的設(shè)計(jì)。

用步進(jìn)指令設(shè)計(jì)PLC程序時(shí),通常是利用狀態(tài)流程圖,而且設(shè)計(jì)的程序與狀態(tài)流程圖有嚴(yán)格的而明確的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

設(shè)計(jì)時(shí),首先要按工藝及控制要求畫(huà)出系統(tǒng)的狀態(tài)流程圖,用狀態(tài)器(S0—S899)對(duì)各狀態(tài)命名,標(biāo)出與各狀態(tài)對(duì)應(yīng)的執(zhí)行元件的PLC輸出編號(hào)和各狀態(tài)條件的PLC輸入編號(hào)。然后就可以用STL/RET指令編程。

圖5是一個(gè)包含用選擇性分支、跳轉(zhuǎn)和局部循環(huán)的自動(dòng)工作機(jī)械的狀態(tài)流程圖。

4.程序調(diào)試和模擬運(yùn)行

PLC應(yīng)用程序設(shè)計(jì)完成以后,可以在實(shí)驗(yàn)室里或辦公室里進(jìn)行模擬調(diào)試和運(yùn)行。程序檢驗(yàn)是第一步,將編好的應(yīng)用程序輸入編程器,經(jīng)過(guò)程序檢驗(yàn),改正編程語(yǔ)法和數(shù)據(jù)錯(cuò)誤,再逐條搜索與所設(shè)計(jì)程序核對(duì)無(wú)誤后傳入CPU模塊RAM存儲(chǔ)器中。

(1)信號(hào)的模擬。用模擬開(kāi)關(guān)模擬輸入信號(hào),開(kāi)關(guān)的一端接入相對(duì)應(yīng)的輸入端點(diǎn),另一端作為公共端,接在PLC輸入信號(hào)電源的負(fù)端(當(dāng)要求輸入信號(hào)公共端為正端電源時(shí))輸入程序后,扳動(dòng)開(kāi)關(guān),接通后斷開(kāi)輸入信號(hào),來(lái)模擬機(jī)械動(dòng)作使檢測(cè)元件狀態(tài)發(fā)生變化,并通過(guò)輸入、輸出端點(diǎn)的指示燈來(lái)觀察輸入輸出端點(diǎn)的狀態(tài)變化。

(2)按狀態(tài)轉(zhuǎn)換表進(jìn)行模擬運(yùn)行。首先對(duì)照輸入信號(hào)狀態(tài)表,設(shè)置好原始狀態(tài)情況下所有輸入信號(hào)的狀態(tài),再使PLC運(yùn)行。按工步狀態(tài)在一個(gè)工作循環(huán)里逐步轉(zhuǎn)換的順序,依次發(fā)出狀態(tài)轉(zhuǎn)換主令信號(hào),則系統(tǒng)將依次進(jìn)行工步狀態(tài)轉(zhuǎn)換。每發(fā)出一個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)換主令信號(hào),系統(tǒng)將結(jié)束一個(gè)工步狀態(tài)轉(zhuǎn)入下一個(gè)工步狀態(tài)。仔細(xì)觀察輸出端點(diǎn)指示燈,并與執(zhí)行元件動(dòng)作節(jié)拍表對(duì)照,看各輸出端點(diǎn)的狀態(tài)是否在每個(gè)工步狀態(tài)里都與執(zhí)行元件動(dòng)作節(jié)拍表里要求的狀態(tài)一致。如果是一致,說(shuō)明PLC應(yīng)用程序設(shè)計(jì)正確,符合控制要求。這樣逐步檢查,以使其都達(dá)到狀態(tài)。

檢查和修正編程錯(cuò)誤。當(dāng)模擬運(yùn)行帶某一工步狀態(tài),發(fā)現(xiàn)某個(gè)輸出點(diǎn)的顯示與執(zhí)行元件動(dòng)作節(jié)拍表要求的狀態(tài)不一致時(shí),則編程有錯(cuò)需要修改。這里首先檢查標(biāo)號(hào)是否有錯(cuò);邏輯函數(shù)是否正確;PLC程序是否有誤;輸入程序是否正確,一般說(shuō)來(lái),經(jīng)過(guò)上述幾點(diǎn)檢查,定會(huì)找出并改正存在的錯(cuò)誤。

用戶程序通過(guò)調(diào)試和修改,正確通過(guò)模擬運(yùn)行,設(shè)計(jì)任務(wù)即告完成,轉(zhuǎn)入現(xiàn)場(chǎng)使用調(diào)試。

(作者單位:廣東省工業(yè)高級(jí)技工學(xué)校)