基于S7-Graph編程語言消除多缸往復(fù)電氣動(dòng)系統(tǒng)換向信號(hào)重疊的方法

崔鳳松

（一汽大眾汽車有限公司，吉林長春130011）

軟件應(yīng)用

基于S7-Graph編程語言消除多缸往復(fù)電氣動(dòng)系統(tǒng)換向信號(hào)重疊的方法

崔鳳松

（一汽大眾汽車有限公司，吉林長春130011）

使用德國Siemens公司的SIMATIC-STEP7編程軟件中的S7-Graph編程語言編寫PLC控制程序，消除多缸往復(fù)電氣動(dòng)系統(tǒng)中氣缸運(yùn)動(dòng)的換向信號(hào)重疊問題，從而通過簡單快捷的編程來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)功能。

S7-Graph編程語言；換向信號(hào)重疊；LAD（梯形圖）

1776年John Wilkinson發(fā)明的能產(chǎn)生1個(gè)大氣壓左右壓力的空氣壓縮機(jī)。1930年，氣動(dòng)控制技術(shù)被應(yīng)用于公交車門的自動(dòng)開閉及各種機(jī)械機(jī)構(gòu)的輔助動(dòng)作上。1960-1970年代，氣動(dòng)控制技術(shù)已經(jīng)開始廣泛應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化的各個(gè)領(lǐng)域，形成了現(xiàn)代氣動(dòng)技術(shù)。

氣動(dòng)系統(tǒng)在系統(tǒng)傳動(dòng)效率﹐傳遞信號(hào)的速度，信號(hào)傳遞的距離等方面因素受到很大限制﹐特別是控制系統(tǒng)復(fù)雜程度的增加﹐為了適應(yīng)低成本﹐高生產(chǎn)效率的需求﹐人們考慮能否將氣動(dòng)和電動(dòng)結(jié)合起來﹐充分發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn)﹐這就產(chǎn)生了“電氣動(dòng)”技術(shù)。

進(jìn)入21世紀(jì)，可編程控制器（PLC）以其通用性強(qiáng)，靈活性高等優(yōu)點(diǎn)在“電氣動(dòng)”中被廣泛應(yīng)用，使多缸往復(fù)系統(tǒng)可以在生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)功能，但是在實(shí)際運(yùn)動(dòng)中存在著同一換向閥換向信號(hào)的重疊問題。本文中將介紹利用S7-Graph（順序功能圖）編程語言消除換向信號(hào)的重疊問題，簡單快捷的完成編程工作。

1 電氣動(dòng)換向信號(hào)的重疊問題介紹

本文以一個(gè)兩氣缸往復(fù)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)為例（圖1～3），一個(gè)工作循環(huán)的動(dòng)作順序?yàn)椋旱谝徊?，系統(tǒng)啟動(dòng)A缸伸出；第二步，A缸縮回；第三步，B缸伸出；第四步，B缸縮回；第五步，A缸伸出；第六步，A缸縮回……每四步一個(gè)動(dòng)作循環(huán)。

圖1 氣動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)作步驟順序圖

圖2 氣動(dòng)系統(tǒng)位移動(dòng)作步驟簡圖

圖3 氣動(dòng)系統(tǒng)回路原理圖

在本例中A、B氣缸的動(dòng)作均為連續(xù)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，每個(gè)換向閥的兩端控制信號(hào)都存在同時(shí)作用的重疊問題，并同時(shí)存在A、B兩個(gè)氣缸的順序動(dòng)作問題。使用通常的LAD（梯形圖）編程需要在多個(gè)程序段中添加?；ユi信號(hào)、位存儲(chǔ)器，邏輯復(fù)雜、編程難度較大。當(dāng)系統(tǒng)為多缸多往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，需要添加的互鎖信號(hào)數(shù)量就會(huì)更多，最終導(dǎo)致程序內(nèi)部的邏輯關(guān)系非常復(fù)雜，在很大程度上增加了編程工作的難度，使程序設(shè)計(jì)工作變得即繁瑣又容易出現(xiàn)錯(cuò)誤。

2 S7-Graph編程語言的介紹

2.1 S7-Graph概述

S7-Graph順序功能圖（Sequential Function Chart，SFC）是描述控制系統(tǒng)的控制過程、功能和特性的一種圖形，也是編寫PLC的順序控制程序的一種語言。這種編程語言將執(zhí)行元件的動(dòng)作分解為單獨(dú)的步，每個(gè)步具有各自的功能，即它將一個(gè)完整的控制過程分解成若干個(gè)順序出現(xiàn)的單步來執(zhí)行，每一個(gè)步中包括控制輸出的動(dòng)作，步與步之間的轉(zhuǎn)換由一定的轉(zhuǎn)換條件控制，步和轉(zhuǎn)換條件再一起構(gòu)成了順控器。

一個(gè)s7-Graph（順序功能圖）可執(zhí)行程序必須包括至少三個(gè)塊：

（1）一個(gè)含有順控器的FB（功能塊）；

（2）一個(gè)含有順控器數(shù)據(jù)的DB（背景數(shù)據(jù)塊）；

（3）一個(gè)調(diào)用FB（功能塊）的OB1（組織塊）。

2.2 S7一Graph的編程思路

在S7-Graph（順序功能圖）FB（功能塊）中，可以給每個(gè)控制順序進(jìn)行編程。一個(gè)控制順序由一系列的步構(gòu)成。如圖4所示。

圖4 使用S7一GARAPH編程的示意圖

這些步按照固定的由轉(zhuǎn)換條件（即確定什么條件下由這一步轉(zhuǎn)換到下一步）決定的順序執(zhí)行，而每個(gè)步包括了一系列動(dòng)作（Action），這些動(dòng)作就是該步所要執(zhí)行的任務(wù)。只有當(dāng)這些動(dòng)作執(zhí)行完畢且轉(zhuǎn)換條件成立時(shí)才從本步轉(zhuǎn)換到下一個(gè)步，并執(zhí)行下一步的動(dòng)作。這里的轉(zhuǎn)換條件如圖4的T1（Transition1）和T2 Transition2）所示，它負(fù)責(zé)上下步（如圖中的Stepl和Step2）的連接和轉(zhuǎn)化。在第一個(gè)轉(zhuǎn)換條件T1（Transition1）中，常開觸點(diǎn)Motor（電機(jī)）閉合時(shí)，該行電路接通，其轉(zhuǎn)換條件成立此時(shí)，控制程序從Stepl轉(zhuǎn)換到Step2開始執(zhí)行本步的動(dòng)作；同理，對(duì)于第二個(gè)轉(zhuǎn)換條件T2，當(dāng)常開觸點(diǎn)Input1和Input2都閉合時(shí)，該支路接通，其轉(zhuǎn)換條件T2成立，于是，控制程序從Step2轉(zhuǎn)換到下一步。

用S7一Graph編制控制系統(tǒng)程序，對(duì)應(yīng)每個(gè)轉(zhuǎn)換條件（比如是圖4中的T1）成立時(shí)，整個(gè)控制系統(tǒng)只有該轉(zhuǎn)換條件的所有后續(xù)步（Step2）為活動(dòng)步，即代表后續(xù)步的存儲(chǔ)器位變?yōu)?狀態(tài)，并使其保持1狀態(tài)，這一要求剛好可以用梯形圖中有保持功能的置位指令（s）完成。而同時(shí)，當(dāng)該轉(zhuǎn)換條件（T1）成立時(shí)，其所有的前級(jí)步都要變?yōu)椴换顒?dòng)步，即將代表前級(jí)步的存儲(chǔ)器位變?yōu)?狀態(tài)，并使它保持0狀態(tài)，這一要求剛好可以用梯形圖中的復(fù)位指令（R）來完成。S7一Graph（順序功能圖）編程語言的這些內(nèi)在特性，非常符合氣動(dòng)控制系統(tǒng)以步為單位的順序動(dòng)作特點(diǎn)，即將多缸往復(fù)電氣動(dòng)控制系統(tǒng)看成是一個(gè)逐步執(zhí)行的控制系統(tǒng)，再使用S7一Graph（順序功能圖）編程，即可在很大程度上簡化程序，降低編程難度，縮短電氣動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)周期，極大地提高了設(shè)計(jì)工作效率。

下面本文將采用圖5中的S7一Graph（順序功能圖5）動(dòng)作塊N指令來為系統(tǒng)編程。

圖5S7一Graph（順序功能圖）基本指令

3 編程示例

示例1：按照A、B兩個(gè)氣缸的循環(huán)動(dòng)作順序，用LAD（梯形圖）語言編制控制系統(tǒng)程序。如圖6，圖7所示。

圖6LAD（梯形圖）程序1-4段截圖

圖7LAD（梯形圖）5-8段程序截圖

此示例程序是由一個(gè)按鈕“start”（I0.0）啟動(dòng)執(zhí)行的一個(gè)雙氣缸單循環(huán)往復(fù)動(dòng)作。第一、二步為A氣缸伸出和縮回，第三、四步為B氣缸伸出和縮回。為了消除每個(gè)換向閥兩端的重疊換向信號(hào)并同時(shí)保證A、B氣缸的前后順序動(dòng)作，在程序中使用了M0.0～M0.3共4個(gè)位存儲(chǔ)器（軟繼電器），并在幾個(gè)程序段中添加了互鎖、聯(lián)鎖、自鎖控制功能，共編寫了8個(gè)程序段。

系統(tǒng)在運(yùn)動(dòng)過程中出現(xiàn)兩次位置傳感器“a0”、“b0”同時(shí)存在的狀態(tài)，但兩次的下一步動(dòng)作分別是“A+”（A氣缸伸出）和“B+”（B氣缸伸出），為保證系統(tǒng)順序動(dòng)作的正確，在程序段5、6中分別使用了M0.3的常開和常閉點(diǎn)，起到互鎖的作用。同時(shí)在程序段4中加入了M0.3的自鎖常開點(diǎn)以及斷開自鎖的M0.1常閉點(diǎn)。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真運(yùn)行，氣缸動(dòng)作步驟正確，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

示例2：用S7一Graph（順序功能圖）語言編制控制系統(tǒng)程序，如圖8，圖9所示。

圖8S7一Graph程序開始仿真狀態(tài)截圖

圖9S7一Graph程序結(jié)束仿真狀態(tài)截圖

此示例程序仍然由一個(gè)按鈕“start”（I0.0）啟動(dòng)，執(zhí)行雙氣缸單循環(huán)往復(fù)動(dòng)作。在FB（功能塊）中一共編寫了5段程序，對(duì)應(yīng)A、B氣缸的4步動(dòng)作。在第1和第3步添加了“a0”、“b0”兩個(gè)傳感器的氣缸原位聯(lián)鎖功能，沒有使用位存儲(chǔ)器M（軟繼電器）以及互鎖、自鎖功能，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真運(yùn)行，氣缸動(dòng)作步驟正確，同樣實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

而如果將S7一Graph（順序功能圖）程序照搬到LAD（梯形圖）中，如圖10，圖11所示，仿真運(yùn)行會(huì)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)還未通過按鈕“start”（I0.0）啟動(dòng)，B氣缸即開始循環(huán)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，而A氣缸始終處于靜止?fàn)顟B(tài)，整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)入錯(cuò)誤狀態(tài)，完全無法實(shí)現(xiàn)正常運(yùn)行。

圖10LAD（梯形圖）錯(cuò)誤程序截圖

圖11LAD（梯形圖）錯(cuò)誤程序截圖

比較上面兩個(gè)編程示例可以看出，LAD（梯形圖）的編程由于需要考慮到換向閥換向信號(hào)重疊以及A、B氣缸的正確順序動(dòng)作問題，LAD（梯形圖）編制的程序會(huì)比S7一Graph（順序功能圖）編制的程序復(fù)雜得多。并且，系統(tǒng)內(nèi)氣缸和傳感器越多，對(duì)于M位存儲(chǔ)器（軟繼電器）的互鎖、自鎖控制邏輯就越復(fù)雜越不直觀，對(duì)設(shè)計(jì)人員的編程能力要求就越高，這顯然不是一個(gè)缺乏設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的程序員很容易就能實(shí)現(xiàn)的。

4 結(jié)束語

從上述內(nèi)容可以看出，采用LAD（梯形圖）的編程方法實(shí)際上是用輸入信號(hào)I直接控制輸出信號(hào)Q，并增加了聯(lián)鎖、互鎖、位存儲(chǔ)器M（軟繼電器），以實(shí)現(xiàn)消除換向閥重疊信號(hào)的功能，但是面對(duì)不同氣動(dòng)控制系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)彼此之間的氣缸數(shù)量以及氣缸之間的運(yùn)動(dòng)順序都不盡相同，對(duì)I/O信號(hào)的聯(lián)鎖、互鎖要求也多種多樣，因此，如果采用LAD（梯形圖）編程，是很難做到類似公式代入法一樣，簡單通用、一勞永逸的實(shí)現(xiàn)多缸往復(fù)系統(tǒng)的控制程序設(shè)計(jì)的。

而采用S7-Graph（順序功能圖）編程，卻完全可以在思路上只關(guān)注系統(tǒng)的步或狀態(tài)的變化條件，不需要去特別專注為消除重疊信號(hào)而如何添加聯(lián)鎖、互鎖以及位存儲(chǔ)器M（軟繼電器）。因此，當(dāng)面對(duì)一個(gè)多缸往復(fù)電氣動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，即使設(shè)計(jì)人員并不具備比較豐富編程經(jīng)驗(yàn)，只要能夠清楚地了解和掌握氣缸的動(dòng)作順序要求，就完全可以用S7-Graph（順序功能圖）編制出滿足設(shè)計(jì)要求的控制程序，而不必?fù)?dān)心像使用LAD（梯形圖）編程那樣需要具備較豐富的編程經(jīng)驗(yàn)，這也正是S7-Graph編程語言在多缸往復(fù)電氣動(dòng)系統(tǒng)中相對(duì)于LAD（梯形圖）編程更具有優(yōu)越性的地方，尤其是在設(shè)計(jì)大型復(fù)雜的多缸多往復(fù)電氣動(dòng)控制系統(tǒng)時(shí)，這種優(yōu)越性就會(huì)體現(xiàn)的更為明顯。

通過許多實(shí)例表明，為了消除多缸往復(fù)電氣動(dòng)系統(tǒng)換向閥兩端重疊信號(hào)的問題，使用S7-Graph（順序功能圖）編程語言可以簡單快捷地完成編程工作，并為從事多缸往復(fù)電氣動(dòng)系統(tǒng)自動(dòng)控制的PLC編程設(shè)計(jì)人員提供了一種解決同類問題的方法和思路。

[1]許永生.氣壓傳動(dòng)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1996.

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Based on S7-Graph Programming Language to Eliminate Multi Cylinder Reciprocating Electric Pneumatic System Reversing Signals Overlapping Method

CUI Feng-song
（Faw-Volkswagen Co.，Ltd.，Jilin Changchun 130011，China）

Use of german Siemens company SIMATIC S7-Graph of STEP7 programming software language to write the PLC control program，eliminate electro pneumatic system of multi cylinder reciprocating motion of the reversing signals overlapping problem，so that simply and quickly programming actualize the motor function of the system.

S7-Graph languages；the reversing signal overlapped；LAD（ladder diagram）

TP312

A

1672-545X（2017）03-0241-04

2016-12-26

崔鳳松（1972－），男，遼寧營口人，高級(jí)技師，研究方向：機(jī)器人及機(jī)電一體化。