順序功能控制法在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用

任慧超 季昌劍

【摘 要】本文針對(duì)工業(yè)生產(chǎn)中按順序步驟執(zhí)行的生產(chǎn)工藝過(guò)程，提出一類可操作的程序控制的應(yīng)用方法，即為順序功能控制法，按此方法進(jìn)行相關(guān)工業(yè)生產(chǎn)的控制，可大幅度提高工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化控制程序編寫(xiě)的效率，并方便調(diào)試與修改。

【關(guān)鍵詞】順序控制;自動(dòng)化;工業(yè)生產(chǎn)

引言

在工業(yè)生產(chǎn)中，經(jīng)常會(huì)遇到有順序有步驟的工藝生產(chǎn)過(guò)程，它是根據(jù)一定的觸發(fā)條件，順序激活各個(gè)步驟，在每一個(gè)步驟執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作。通過(guò)對(duì)這種有順序有步驟的工藝生產(chǎn)過(guò)程的控制方法與編程思想進(jìn)行研究、歸納、總結(jié)，可得出一套系統(tǒng)性的順序功能控制法，對(duì)于日后搭建類似生產(chǎn)工藝控制系統(tǒng)，可大幅度提高工作效率，同時(shí)便于程序員調(diào)試，修改相應(yīng)程序。

1.順序功能圖

順序功能圖不是直接可被邏輯控制器讀取的編程語(yǔ)言，而是一種程序員所用的便于編程的工具。它是將實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)的控制過(guò)程轉(zhuǎn)化為描述整個(gè)生產(chǎn)工藝過(guò)程的圖形，它包括有向線段，觸發(fā)條件，步以及每一步所執(zhí)行動(dòng)作。

下面以機(jī)床動(dòng)力頭的運(yùn)動(dòng)說(shuō)明順序功能圖的繪制方法。如圖1所示，組合機(jī)床的動(dòng)力頭在起始位置按下啟動(dòng)按鈕后前進(jìn)，碰到限位開(kāi)關(guān)停止并且指示燈亮，1秒后動(dòng)力頭后退，回到起始位置，等待下一次啟動(dòng)按鈕被按下。

對(duì)此工作過(guò)程，繪制順序功能圖。首先，明確此工作過(guò)程存在三個(gè)“步”，分別是前進(jìn)步，指示燈亮步以及后退步;然后明確每一步的激活觸發(fā)條件，即按下啟動(dòng)按鈕、碰到限位開(kāi)關(guān)、計(jì)時(shí)1秒、回到起始位置;然后明確每一步的執(zhí)行動(dòng)作，即前進(jìn)電動(dòng)機(jī)通電運(yùn)行、指示燈通電點(diǎn)亮、后退電動(dòng)機(jī)通電運(yùn)行。據(jù)此可繪制順序功能圖工藝圖版，將步、觸發(fā)條件及執(zhí)行步驟分配好編程地址，根據(jù)工藝圖可進(jìn)一步繪制出順序功能圖，方便后續(xù)編程。如圖1所示。

值得注意的是，在順序功能圖中存在起始步，該步無(wú)任何動(dòng)作，其功能為使系統(tǒng)等待啟動(dòng)第一步的觸發(fā)條件，處于待命狀態(tài)。

2.順序控制的結(jié)構(gòu)類型

根據(jù)不同的生產(chǎn)工藝控制過(guò)程，順序控制可分為三種結(jié)構(gòu)類型，分別為單序列型、選擇型和并列序列型。

2.1單序列型結(jié)構(gòu)

單序列型結(jié)構(gòu)順序控制是所有結(jié)構(gòu)順序控制的基礎(chǔ)，其步態(tài)轉(zhuǎn)換的規(guī)則適用于其他兩種結(jié)構(gòu)的順序控制。單序列型結(jié)構(gòu)的步與轉(zhuǎn)換觸發(fā)條件交互連接，按順序單線程執(zhí)行各步。當(dāng)某一步的步條件及觸點(diǎn)或計(jì)時(shí)觸發(fā)條件實(shí)現(xiàn)時(shí)，此步被激活為活動(dòng)步，當(dāng)步處于活動(dòng)狀態(tài)時(shí)，該步相應(yīng)執(zhí)行動(dòng)作被執(zhí)行;當(dāng)步處于非活動(dòng)狀態(tài)時(shí)，該步的相應(yīng)執(zhí)行動(dòng)作不執(zhí)行。步與步之間的切換靠轉(zhuǎn)換條件的滿足。轉(zhuǎn)換條件可以是觸點(diǎn)觸發(fā)信號(hào)如開(kāi)關(guān)、按鈕等，也可以是PLC內(nèi)部定時(shí)器、計(jì)數(shù)器的常開(kāi)觸點(diǎn)接通。同時(shí)，某一步被激活為活動(dòng)步的另一前提條件為該步的前級(jí)步為活動(dòng)步，當(dāng)該步被激活后，前級(jí)步則變?yōu)榉腔顒?dòng)步。這樣就保證了每一步按順序執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作，避免混亂。在單序列結(jié)構(gòu)的順序控制中，某一時(shí)刻有且只能有一個(gè)活動(dòng)步。

2.2 選擇型結(jié)構(gòu)

選擇型結(jié)構(gòu)的順序功能圖如圖2所示，用一條水平線將執(zhí)行步分為兩路，

當(dāng)I0.0條件滿足時(shí)執(zhí)行左邊一路，執(zhí)行各步順序?yàn)镸2.0-M2.1-M2.2-M2.5，當(dāng)I0.1條件滿足時(shí)，執(zhí)行右邊一路，執(zhí)行各步順序?yàn)镸2.0-M2.3-M2.4-M2.5。兩條執(zhí)行路線為選擇型關(guān)系，一般情況下，條件I0.0與條件I0.1不可能同時(shí)滿足。步與步之間的切換規(guī)則與單序列結(jié)構(gòu)相同。某些復(fù)雜的控制情況，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工藝，也可將選擇分支分為三路或多路，在選擇分支當(dāng)中也可以嵌套選擇分支。在選擇型結(jié)構(gòu)的順序控制中，某一時(shí)刻有且只能有一個(gè)活動(dòng)步。

2.3 并列序列結(jié)構(gòu)

并列型結(jié)構(gòu)的順序控制適用于當(dāng)某一條件滿足時(shí)，幾個(gè)獨(dú)立的不同的工藝生產(chǎn)過(guò)程要同時(shí)進(jìn)行，當(dāng)各個(gè)獨(dú)立工藝生產(chǎn)過(guò)程全部完成后，滿足下一工藝生產(chǎn)過(guò)程的步，則又匯總到一起執(zhí)行下一步生產(chǎn)工藝過(guò)程。

在并列型結(jié)構(gòu)中，當(dāng)前級(jí)步為活動(dòng)步且A觸發(fā)條件滿足時(shí)，并列分支下步1與步2同時(shí)變?yōu)榛顒?dòng)步，兩條路線分別獨(dú)立進(jìn)行，直至兩條路線的終極步都變?yōu)榛顒?dòng)步且總觸發(fā)條件滿足后，跳出并行邏輯分支，匯總后的步變?yōu)榛顒?dòng)步。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工藝，并行邏輯分支可以有兩個(gè)或多個(gè)，在并行支路上也可嵌套并行序列結(jié)構(gòu)或嵌套選擇型結(jié)構(gòu)。在并行序列結(jié)構(gòu)中，在某一時(shí)刻，可以有兩個(gè)以上的活動(dòng)步。

3.順序控制的程序設(shè)計(jì)方法

順序控制的程序設(shè)計(jì)方法有兩種，一種是起保停設(shè)計(jì)法，一種是置位復(fù)位設(shè)計(jì)法，根據(jù)個(gè)人編程習(xí)慣，選擇其中一種，兩種方法均能實(shí)現(xiàn)順序控制的設(shè)計(jì)功能。

3.1 起保停程序設(shè)計(jì)法

起保停程序設(shè)計(jì)法適用于觸點(diǎn)線圈相關(guān)的指令，在順序控制中，恰是此類指令的編程設(shè)計(jì)。前文中已提到，順序控制的規(guī)則是前級(jí)步處于活動(dòng)步時(shí)，觸發(fā)條件滿足，則激活下一級(jí)步并自鎖，前級(jí)步則變?yōu)榉腔顒?dòng)步。起保停的編程思路恰好可實(shí)現(xiàn)此功能。編程的關(guān)鍵在于找出此步的啟動(dòng)條件和停止條件。

例如前文中提到的組合機(jī)床動(dòng)力頭的運(yùn)動(dòng)：最初，動(dòng)力頭在起始位置處于待命狀態(tài)，當(dāng)按下啟動(dòng)按鈕后，動(dòng)力頭前進(jìn)，此時(shí)，M20.1為活動(dòng)步線圈，Q0.0接通并保持，當(dāng)動(dòng)力圖碰到限位開(kāi)關(guān)I0.1后。M20.2步的觸發(fā)條件滿足并且其前級(jí)步M20.1為活動(dòng)步，則M20.2步被激活而M20.1步停止，線圈Q0.2接通并自鎖且T0開(kāi)始計(jì)時(shí)1秒，而線圈Q0.0斷開(kāi)。其編寫(xiě)程序如圖3所示。

3.2 置位復(fù)位程序設(shè)計(jì)法

使用置位復(fù)位指令進(jìn)行順序功能程序設(shè)計(jì)時(shí)，由于S，R指令具有斷電保持功能，因此不需要自鎖。在程序設(shè)計(jì)中，只需要將前級(jí)步與觸點(diǎn)觸發(fā)條件常開(kāi)觸點(diǎn)串聯(lián)，然后將后一步置位并將前級(jí)步復(fù)位，即可實(shí)現(xiàn)邏輯功能。

例如對(duì)于圖4所示，某控制過(guò)程及其順序功能圖，同樣可以使用置位復(fù)位法進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)順序控制的功能，編程如圖7所示。

通過(guò)圖5可以看到，前級(jí)步與轉(zhuǎn)換條件的常開(kāi)觸點(diǎn)串聯(lián)，當(dāng)兩個(gè)條件同時(shí)滿足時(shí)，則前級(jí)步復(fù)位，本步置位。其起始步由M1.0來(lái)觸發(fā)。值得注意的一點(diǎn)是，由于M2.1步與M2.2步都有Q0.1線圈輸出，Q0.1線圈輸出由M2.1與M2.2并聯(lián)，切不可M2.1、M2.2單獨(dú)控制Q0.1線圈輸出，由于PLC為循環(huán)掃描周期刷新的工作方式，此舉可造成“多線圈輸出”的編程邏輯錯(cuò)誤。

4順序控制在無(wú)心磨床加工工件中的應(yīng)用

無(wú)心磨床加工工件為典型的順序控制的應(yīng)用，首先，按下啟動(dòng)按鈕，工件經(jīng)推料電磁鐵推至加工限位，然后磨削輪電機(jī)啟動(dòng)，對(duì)工件進(jìn)行磨削，120s后磨削完成，然后冷卻及潤(rùn)滑電機(jī)工作，對(duì)工件進(jìn)行冷卻及潤(rùn)滑，90s后冷卻及潤(rùn)滑完成，液壓電機(jī)開(kāi)始工作對(duì)工件進(jìn)行液壓沖擊，15s后完成，由導(dǎo)輪電動(dòng)機(jī)將工件導(dǎo)出到輸出限位，加工完成。在此過(guò)程中任意時(shí)刻按下停止按鈕，機(jī)器立即停止。無(wú)心磨床有熔斷器、熱繼電器等保護(hù)裝置，STP為急停開(kāi)關(guān)，其為常閉開(kāi)關(guān)，按下后不自動(dòng)復(fù)位，需使用機(jī)械鑰匙開(kāi)鎖復(fù)位，KA1、KA2、KA3、KA4、KA5為繼電器常開(kāi)觸點(diǎn)，KA1、KA2、KA3、KA4、KA5的電磁鐵芯與PLC的DO輸出位串聯(lián)。由PLC內(nèi)部所編寫(xiě)的順序控制程序來(lái)控制KA1、KA2、KA3、KA4、KA5常開(kāi)觸點(diǎn)的通斷，繼而控制接觸器吸合控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。

對(duì)此控制過(guò)程，首先要選擇合適的PLC控制器及其輸入輸出模塊，然后分析該控制過(guò)程，明確輸入輸出位并分配地址，然后畫(huà)出順序功能圖，根據(jù)順序功能圖編寫(xiě)程序，最后搭建好系統(tǒng)運(yùn)行，檢驗(yàn)運(yùn)行效果。此無(wú)心磨床控制單元選擇西門(mén)子S7-300PLC，CPU選擇315-2PN/DP，輸入輸出模塊選擇SM323 DI8/DO8*DC24V，做出I/O分配表如表1

根據(jù)地址分配信息，畫(huà)出順序功能圖，可以看出這是一個(gè)單序列結(jié)構(gòu)的順序功能控制，然后根據(jù)順序功能圖編寫(xiě)相應(yīng)程序。順序功能圖及梯形圖程序如圖6所示。

結(jié)束語(yǔ)

順序功能控制是工業(yè)生產(chǎn)中常用的控制方法，本文通過(guò)對(duì)順序控制方法的研究，歸納總結(jié)出順序功能控制的三種結(jié)構(gòu)，順序功能圖的繪制方法以及根據(jù)順序功能圖編寫(xiě)相應(yīng)順序功能控制程序，并提供了兩種編程方法，使用者可根據(jù)自身思維習(xí)慣選擇其中一種。并通過(guò)無(wú)心磨床的應(yīng)用說(shuō)明了順序控制的應(yīng)用方法。該方法目前廣泛應(yīng)用在此類控制程序中，并取得了良好的控制效果。

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[2]徐建俊.電機(jī)與電氣控制項(xiàng)目教程[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2008：128-137

（作者單位：山東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司濟(jì)南卷煙廠）