基于數(shù)字邏輯的PLC編程新方法

付 斌，鄒 華

（1.武漢工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北武漢 430080；2.武鋼金山店鐵礦，湖北黃石 435006）

1 前言

PLC廣泛應(yīng)用于各種生產(chǎn)機(jī)械的生產(chǎn)過程和自動(dòng)控制中，成為一種最先進(jìn)、最重要、最普及、應(yīng)用場合最多的工業(yè)自動(dòng)控制裝置，它不僅可以實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算，還具有算術(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)處理、聯(lián)網(wǎng)通信等功能,是具有工業(yè)控制指令的微機(jī)系統(tǒng)。PLC技術(shù)是機(jī)電技術(shù)人員和操作人員必備的、重要的知識和技能。PLC技術(shù)的核心內(nèi)容是根據(jù)生產(chǎn)工藝流程和控制要求使用某種編程語言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，梯形語言形象直觀、容易掌握，成為了應(yīng)用最為廣泛的編程語言，梯形圖不但沿用和發(fā)展了電氣控制技術(shù)，而且其功能和控制指令也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過電氣控制范疇。由于梯形圖的設(shè)計(jì)是計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)與電氣控制設(shè)計(jì)思想結(jié)合的產(chǎn)物，因此，梯形圖設(shè)計(jì)的難度大，是一項(xiàng)高端、復(fù)雜、煩瑣的工作。在所有PLC技術(shù)的書籍中，關(guān)于梯形圖語言的編程方法，要么介紹了經(jīng)驗(yàn)編程法、順序控制編程法、結(jié)構(gòu)化編程及分部編程等4種編程方法，要么只介紹經(jīng)驗(yàn)編程法和順序控制編程法，但對于初學(xué)PLC技術(shù)的人員，無論采用哪種方法編寫控制程序都并非易事，因此另辟蹊徑，尋找一種易于掌握、易于理解，應(yīng)用方便的編程方法十分必要。

作為電氣技術(shù)人員和操作人員，一般都熟悉數(shù)字電子技術(shù)，基于此，本文提出了一種關(guān)于梯形圖語言編程的新方法—數(shù)字邏輯法。數(shù)字邏輯法已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際中，例如對某礦選礦車間的天車及抓斗吊進(jìn)行PLC改造時(shí)，編程采用的是數(shù)字邏輯法，取得了事半功倍的效果。

2 數(shù)字邏輯法

編程最常用的方法是經(jīng)驗(yàn)法，但是經(jīng)驗(yàn)法沒有固定的步驟和模式可以遵循，具有很大的試探性和隨意性，對于不同的控制系統(tǒng)，沒有一種通用的容易掌握的設(shè)計(jì)方法。在設(shè)計(jì)復(fù)雜系統(tǒng)的梯形圖時(shí)，要用大量的中間單元來完成記憶、聯(lián)鎖、互鎖及封鎖等功能，由于需要考慮的因素很多，它們往往又交織在一起，分析起來非常困難，在設(shè)計(jì)程序時(shí)，不可能把所有的問題考慮得很周到，程序設(shè)計(jì)出來后需要反復(fù)調(diào)試，發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)再進(jìn)行修改，即使是非常有經(jīng)驗(yàn)的工程師，也很難做到設(shè)計(jì)的程序試車能一次成功。當(dāng)修改某一局部電路時(shí)，很可能會(huì)引發(fā)出別的問題，對程序的其它部分產(chǎn)生影響，因此對梯形圖的修改也很麻煩，往往花費(fèi)很長時(shí)間還得不到滿意的結(jié)果。另外，用經(jīng)驗(yàn)法設(shè)計(jì)的梯形圖很難閱讀，給系統(tǒng)的維修和改進(jìn)帶來了很大的困難。

所謂數(shù)字邏輯法是指根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，列出類似真值表的狀態(tài)表，然后根據(jù)狀態(tài)表找出輸出變量的邏輯關(guān)系式，最后根據(jù)邏輯關(guān)系式畫出梯形圖。

數(shù)字邏輯法編程時(shí)無需試探性編程，更不能隨意畫梯形圖，必須遵循固定的、通用的模式，除了正反轉(zhuǎn)需要聯(lián)鎖外，一般不用考慮聯(lián)鎖、互鎖及封鎖等功能，因此交織在一起的因素很少，能在較短的時(shí)間內(nèi)完成程序設(shè)計(jì)，不用太省費(fèi)省力，大部分情況下，能一次試車成功，特別適合PLC技術(shù)的初學(xué)者使用。數(shù)字邏輯法設(shè)計(jì)出來的梯形圖非常簡短、簡潔，便于閱讀。更重要的是，由于輸出變量的狀態(tài)與輸入變量沒有直接關(guān)系，因此可以將若干個(gè)開關(guān)或按鈕并接在一個(gè)輸入點(diǎn)上，控制系統(tǒng)所占用的PLC的輸入點(diǎn)數(shù)大大減少。

下面用兩個(gè)比較典型的編程實(shí)例介紹數(shù)字邏輯法的應(yīng)用。

2.1 實(shí)例一

如圖1所示為機(jī)床滑臺往返、主軸正反轉(zhuǎn)控制。

控制要求是：按下啟動(dòng)按鈕→滑臺右行，同時(shí)主軸電機(jī)正轉(zhuǎn)(順轉(zhuǎn))→滑臺碰SQ2后左行，同時(shí)主軸反轉(zhuǎn)（逆轉(zhuǎn)）→滑臺碰SQ1又右行?；_每碰SQ2一次主軸改變一次旋轉(zhuǎn)方向?；_和主軸按上述規(guī)律運(yùn)行。

圖1 主軸-滑臺示意圖

按照數(shù)字邏輯法編程的步驟首先列出輸出變量的狀態(tài)表，如表1所示。同時(shí)分配I/O地址，如表2所示。

表1 機(jī)床滑臺-主軸控制系統(tǒng)狀態(tài)表

表2 控制系統(tǒng)I/O地址分配表

在表1中，M1.0和M1.1是字MW0的低2位，滑臺每碰SQ1、SQ2一次，MW0的內(nèi)容即計(jì)數(shù)值加1。M1.0及M1.1的內(nèi)容以4個(gè)工步為一個(gè)循環(huán)周期，即從第5個(gè)工步開始，M1.0及M1.1的內(nèi)容又從“00”開始按表1中的規(guī)律循環(huán)，因此只需列出4個(gè)工步的狀態(tài)表。

由于SQ1、SQ2不可能同時(shí)動(dòng)作，因此，在表2中，滑臺的左、右限位開關(guān)并接在I0.2上，可以節(jié)省1個(gè)輸入點(diǎn)。根據(jù)表1中輸出變量與M1.0，M1.1的關(guān)系很容易找出輸出變量的邏輯代數(shù)式：

在上述表達(dá)式中，Q4.2等于M1.0和M1.1異或，Q4.3等于M1.0和M1.1同或，根據(jù)上述邏輯表達(dá)式，很容易畫出控制程序的梯形圖，如圖2所示，在程序段5和程序段6中對異或及同異邏輯的梯形圖作了標(biāo)注。

圖2 機(jī)床滑臺-主軸梯形圖

2.2 實(shí)例二

如圖3所示，某生產(chǎn)線上有一臺運(yùn)料小車停在A點(diǎn)，小車從A點(diǎn)出發(fā)，分別到B、C兩處運(yùn)送二種物料到A點(diǎn)，控制要求如下。

（1）如果先按下左行按鈕，小車從A點(diǎn)出發(fā)先到B點(diǎn)停3s裝物料1，然后返回A點(diǎn)停3s卸料，再從A點(diǎn)出發(fā)到C點(diǎn)停3s裝物料2，返回A點(diǎn)停3s卸料；

（2）如果先按下右行按鈕，小車從A點(diǎn)出發(fā)先到C點(diǎn)停3s裝物料2，然后返回A點(diǎn)停3s卸料，再從A點(diǎn)出發(fā)到B點(diǎn)停3s裝物料1，返回A點(diǎn)停3s卸料；

（3）物料1和物料2各運(yùn)送二車到A點(diǎn)后系統(tǒng)停車。

圖3 運(yùn)料小車示意圖

按照數(shù)字邏輯法編程的步驟首先列出輸出變量的狀態(tài)表，如表3所示。同時(shí)分配I/O地址，如表4所示。

表3 運(yùn)料小車狀態(tài)表

在表3中，M1.0和M1.1是字MW0的低2位，小車每碰SQ1、SQ2、SQ3一次，MW0的內(nèi)容即計(jì)數(shù)值加1。

表4 控制系統(tǒng)I/O地址分配表

由于SQ1、SQ2、SQ3不可能同時(shí)動(dòng)作，因此，在表4中，小車的左、中、右限位開關(guān)并接在I0.3上，可以節(jié)省2個(gè)輸入點(diǎn)。根據(jù)照表3中輸出變量與M1.0，M1.1的關(guān)系很容易找出輸出變量的邏輯代數(shù)式。

如果先按左行按鈕：

如果先按右行按鈕：

根據(jù)上述邏輯表達(dá)式，很容易畫出控制程序的梯形圖，總共有5段。由于篇幅限制，僅給出梯形圖的主干部分，如圖4所示。

在圖4中，M2.0、M2.1分別保持按下右行和按下左行按鈕的狀態(tài)，T0是小車碰SQ1、SQ2、SQ3后延時(shí)3s的接通延時(shí)定時(shí)器，C0是統(tǒng)計(jì)小車裝料車數(shù)的減計(jì)數(shù)器。

3 結(jié)束語

圖4 運(yùn)料小車梯形圖（主干部分）

上述二個(gè)例子如果采用經(jīng)驗(yàn)法編程，不僅花費(fèi)的時(shí)間和精力要比數(shù)字邏輯法多，而且程序的段數(shù)多，每段程序用到的指令也多，邏輯關(guān)系比較復(fù)雜。如果采用順序控制法編程，畫出順序功能圖也并非易事，特別是復(fù)雜的大型程序的順序功能圖更難畫，順序控制法編寫的梯形圖段數(shù)同樣很多，花費(fèi)的時(shí)間也比較長。而數(shù)字邏輯法只需掌握基本的數(shù)字電路知識，就能遵循規(guī)律畫出梯形圖，在很短的時(shí)間內(nèi)完成程序設(shè)計(jì)，受到了PLC技術(shù)初學(xué)者的青睞。另外，從節(jié)省PLC的硬件資源方面來看，數(shù)字邏輯法的優(yōu)點(diǎn)也十分顯著，例如萬能銑床的工作臺有前后，左右，上下6個(gè)方向要進(jìn)行限位控制，如果采用數(shù)字邏輯法編程，6個(gè)限位開關(guān)可以并接在一個(gè)輸入點(diǎn)上，能節(jié)省5個(gè)輸入點(diǎn)，意義重大。數(shù)字邏輯法不適用于很多廠家的PLC，應(yīng)用范圍廣泛。

由于PLC外圍電路接線非常簡單，上述二個(gè)實(shí)例均略去了接線圖。

［1］廖常初.S7-300／400PLC應(yīng)用技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.