可編程控制器應(yīng)用程序的設(shè)計過程

鐘錦明

一、程序控制的基本環(huán)節(jié)

1.啟動、停止和保持控制

使輸入信號保持時間超過一個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、輸出點控制回路,基本形式有兩種。

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

當(dāng)啟動信號X0=ON時,無論關(guān)斷信號X1狀態(tài)如何,M2總被啟動,并且當(dāng)X1=OFF( X1=ON )時通過M2常開觸點閉合實現(xiàn)自鎖。

當(dāng)啟動信號X0=OFF時,使X1=ON(X1=OFF)可實現(xiàn)關(guān)斷M2。

因為當(dāng)X0與X1同時ON時,啟動信號X0有效,故稱此程序為啟動優(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、保持和停止控制程序。

當(dāng)關(guān)斷信號X1=ON(X1=OFF),無論啟動信號狀態(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X1=OFF(X1=On)時,使啟動信號X0=ON,則可啟動M2(使其狀態(tài)變?yōu)镺N),并通過常開觸點M2閉合自鎖;在X0變?yōu)镺FF后仍保持M2為啟動狀態(tài)(狀態(tài)保持為ON)。

因為當(dāng)X0與X1同時為ON時,關(guān)斷信號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)機械的各種運動之間,往往存在著某種相互制約的關(guān)系,一般采用聯(lián)鎖來實現(xiàn)。用反映某一運動的聯(lián)鎖信號觸點去控制另一運動相應(yīng)的電路,實現(xiàn)兩個運動的相互制約,達到聯(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:

不能同時發(fā)生運動的聯(lián)鎖控制;

互為發(fā)生條件的聯(lián)鎖控制;

順序步進控制。

在實踐中,順序步進控制的實例很多。在順序依次發(fā)生的運動之間,采用順序步進的控制方式。選擇代表前一個運動的常開觸點串在后一個運動的啟動線路中,作為后一個運動發(fā)生的必要條件。同時選擇代表后一個運動的常閉觸點串入前一個運動的關(guān)斷線路里,這樣,只有前一個運動發(fā)生了,才允許后一個運動可以發(fā)生,而一旦后一個運動發(fā)生了,就立即使前一個運動停止,因此可以實現(xiàn)各個運動嚴(yán)格的依賴預(yù)定的順序發(fā)生和轉(zhuǎn)換,達到順序步進控制,保證不會發(fā)生順序的錯亂。

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

自動控制與手動控制。在自動或半自動工作機械上,有自動工作控制與手動調(diào)整控制的聯(lián)鎖。

(2)按控制過程變化參量的控制。在工業(yè)自動化生產(chǎn)過程中,僅用簡單的聯(lián)鎖控制不能滿足要求,有時要用反映運動狀態(tài)的物理量,像行程、時間、速度、壓力、溫度的量進行控制。

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

二、應(yīng)用程序設(shè)計方法

PLC用戶的設(shè)計沒有固定模式,靠經(jīng)驗是很重要的。一般應(yīng)用程序設(shè)計可分為經(jīng)驗設(shè)計法、邏輯設(shè)計法、利用狀態(tài)流程設(shè)計法等。

1.經(jīng)驗設(shè)計法

利用前面介紹過的各種典型控制環(huán)節(jié)和基本單元控制電路,依靠經(jīng)驗直接用PLC設(shè)計電氣控制系統(tǒng),來滿足生產(chǎn)機械和工藝過程的控制要求。

用經(jīng)驗設(shè)計法設(shè)計PLC應(yīng)用的電控系統(tǒng)必須詳細(xì)了解被控對象的控制要求才能動手設(shè)計。由于該方法的基礎(chǔ)是利用經(jīng)驗,所以設(shè)計的結(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)計要求。由于依賴經(jīng)驗設(shè)計,故要求設(shè)計者有豐富的經(jīng)驗,要能掌握、熟悉大量控制系統(tǒng)的實例和各種典型環(huán)節(jié)。

經(jīng)驗法設(shè)計用PLC程序時可以大致按下面幾步來進行:分析控制要求、選擇控制原則;設(shè)計主令元件和檢測元件,確定輸入輸出信號;設(shè)計執(zhí)行元件的控制程序;檢查修改和完善程序。

在設(shè)計執(zhí)行元件的控制程序時,一般又可分為以下幾個步驟:按所給的要求,將生產(chǎn)機械的運動分成各自獨立的簡單運動,分別設(shè)計這些簡單運動的基本控制程序;根據(jù)制約關(guān)系,選擇聯(lián)鎖觸點,設(shè)計聯(lián)鎖程序;根據(jù)運動狀態(tài)選擇控制原則,設(shè)計主令元件、檢測元件及繼電器等設(shè)置必要的保護措施。

2.PLC應(yīng)用程序的邏輯設(shè)計方法

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

邏輯設(shè)計方法的理論基礎(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。看一個電器控制線路會發(fā)現(xiàn),線路的接通或斷開,都是通過繼電器等元件的觸點來實現(xiàn)的,故控制線路的種種功能取決于這些觸點的開、合二種狀態(tài)。因此電控線路從本質(zhì)上說是一種邏輯線路,它符合邏輯運算的各種基本規(guī)律。PLC是一種新型的工業(yè)控制計算機,在某種意義上我們可以說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)的三種基本運算“與”、“或”、“非”都有著非常明確的物理意義。邏輯函數(shù)表達式的線路結(jié)構(gòu)與PLC語句表程序完全一樣,可以直接轉(zhuǎn)化。

多變量的邏輯函數(shù)“與”運算和梯形圖表達式如圖3所示。

FY1=∏Xi=X1?X2?…?Xn

多變量“或”運算如圖4所示。

FM1=∑Xi=X1+X2+…+Xn

用邏輯設(shè)計法對PLC組的電控系統(tǒng)進行設(shè)計一般可分為下面幾步。

首先明確控制任務(wù)和控制要求。通過分析工藝過程繪制工作循環(huán)和檢測元件分布圖,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。通常它由輸出信號狀態(tài)表、輸入信號狀態(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、各時刻的狀態(tài)和狀態(tài)之間的聯(lián)系及轉(zhuǎn)換,非常直觀,對建立電控系統(tǒng)的整體聯(lián)系、動態(tài)變化的概念有很大幫助,是進行電控系統(tǒng)的分析和設(shè)計的有效工具。

有了狀態(tài)轉(zhuǎn)換表,便可進行電控系統(tǒng)的邏輯設(shè)計。包括列寫中間記憶元件的邏輯函數(shù)式和列寫執(zhí)行元件(輸出端點)的邏輯函數(shù)式兩個內(nèi)容。這兩個函數(shù)式組,既是生產(chǎn)機械或生產(chǎn)過程內(nèi)部邏輯關(guān)系和變化規(guī)律的表達形式,又是構(gòu)成電控系統(tǒng)實現(xiàn)控制目標(biāo)的具體程序。

PLC程序的編制就是將邏輯設(shè)計的結(jié)果轉(zhuǎn)化。PLC作為工業(yè)控制計算機,邏輯設(shè)計的結(jié)果(邏輯函數(shù)式)能夠很方便的過渡到PLC程序,特別是語句表形式,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)計者需要由梯形圖程序作為一種過渡,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。

程序的完善和補充是邏輯設(shè)計法的最后一步。包括手動調(diào)整工作方式的設(shè)計、手動與自動工作方式的選擇、自動工作循環(huán)、保護措施等。

3.利用狀態(tài)流程圖的程序設(shè)計方法

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)的工作過程、功能和特性的一種圖形,是分析和設(shè)計電控系統(tǒng)控制程序的重要工具。利用狀態(tài)流程圖進行程序設(shè)計時可以按以下幾步進行。一是按照機械運動或工藝過程的工作內(nèi)容、步驟、順序和控制要求畫出狀態(tài)流程圖。二是在畫出的狀態(tài)流程圖上以PLC輸入點或其它元件定義狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件。當(dāng)轉(zhuǎn)換條件的實際內(nèi)容不止一個時,每個具體內(nèi)容定義一個PLC元件編號,并以邏輯組合形式表現(xiàn)為有效轉(zhuǎn)換條件。三是按照機械或工藝提供的電氣執(zhí)行元件功能表,在狀態(tài)流程圖上對每個狀態(tài)和動作命令配上圖上實現(xiàn)該狀態(tài)或動作命令的控制功能的電氣執(zhí)行元件,并以對應(yīng)的PLC輸出點的編號定義這些電氣執(zhí)行元件。

很多PLC生產(chǎn)廠家都專門設(shè)計了用于編制步進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)就可用于步進順序控制程序的設(shè)計。

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

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

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

4.程序調(diào)試和模擬運行

PLC應(yīng)用程序設(shè)計完成以后,可以在實驗室里或辦公室里進行模擬調(diào)試和運行。程序檢驗是第一步,將編好的應(yīng)用程序輸入編程器,經(jīng)過程序檢驗,改正編程語法和數(shù)據(jù)錯誤,再逐條搜索與所設(shè)計程序核對無誤后傳入CPU模塊RAM存儲器中。

(1)信號的模擬。用模擬開關(guān)模擬輸入信號,開關(guān)的一端接入相對應(yīng)的輸入端點,另一端作為公共端,接在PLC輸入信號電源的負(fù)端(當(dāng)要求輸入信號公共端為正端電源時)輸入程序后,扳動開關(guān),接通后斷開輸入信號,來模擬機械動作使檢測元件狀態(tài)發(fā)生變化,并通過輸入、輸出端點的指示燈來觀察輸入輸出端點的狀態(tài)變化。

(2)按狀態(tài)轉(zhuǎn)換表進行模擬運行。首先對照輸入信號狀態(tài)表,設(shè)置好原始狀態(tài)情況下所有輸入信號的狀態(tài),再使PLC運行。按工步狀態(tài)在一個工作循環(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,則系統(tǒng)將依次進行工步狀態(tài)轉(zhuǎn)換。每發(fā)出一個狀態(tài)轉(zhuǎn)換主令信號,系統(tǒng)將結(jié)束一個工步狀態(tài)轉(zhuǎn)入下一個工步狀態(tài)。仔細(xì)觀察輸出端點指示燈,并與執(zhí)行元件動作節(jié)拍表對照,看各輸出端點的狀態(tài)是否在每個工步狀態(tài)里都與執(zhí)行元件動作節(jié)拍表里要求的狀態(tài)一致。如果是一致,說明PLC應(yīng)用程序設(shè)計正確,符合控制要求。這樣逐步檢查,以使其都達到狀態(tài)。

檢查和修正編程錯誤。當(dāng)模擬運行帶某一工步狀態(tài),發(fā)現(xiàn)某個輸出點的顯示與執(zhí)行元件動作節(jié)拍表要求的狀態(tài)不一致時,則編程有錯需要修改。這里首先檢查標(biāo)號是否有錯;邏輯函數(shù)是否正確;PLC程序是否有誤;輸入程序是否正確,一般說來,經(jīng)過上述幾點檢查,定會找出并改正存在的錯誤。

用戶程序通過調(diào)試和修改,正確通過模擬運行,設(shè)計任務(wù)即告完成,轉(zhuǎn)入現(xiàn)場使用調(diào)試。

(作者單位:廣東省工業(yè)高級技工學(xué)校)