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成有記憶功能元件控制回路的基本環(huán)節(jié),它經常用于內部繼電器、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。

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

當啟動信號X0=OFF時,使X1=ON(X1=OFF)可實現關斷M2。

因為當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)關斷優(yōu)先式。圖2為關斷優(yōu)先式啟動、保持和停止控制程序。

當關斷信號X1=ON(X1=OFF),無論啟動信號狀態(tài)如何,內部繼電器M2均被關斷(狀態(tài)為OFF)。

當關斷信號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X0與X1同時為ON時,關斷信號X1有效,所以此程序稱為關斷優(yōu)先或控制程序。

2.邏輯控制的基本形式

(1)聯鎖控制。在生產機械的各種運動之間,往往存在著某種相互制約的關系,一般采用聯鎖來實現。用反映某一運動的聯鎖信號觸點去控制另一運動相應的電路,實現兩個運動的相互制約,達到聯鎖控制的要求。聯所控制的關鍵是正確地選擇和使用聯鎖信號:

不能同時發(fā)生運動的聯鎖控制;

互為發(fā)生條件的聯鎖控制;

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,因此可以實現各個運動嚴格的依賴預定的順序發(fā)生和轉換,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整控制的聯鎖。

(2)按控制過程變化參量的控制。在工業(yè)自動化生產過程中,僅用簡單的聯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。三角形聯結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、應用程序設計方法

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

1.經驗設計法

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,依靠經驗直接用PLC設計電氣控制系統,來滿足生產機械和工藝過程的控制要求。

用經驗設計法設計PLC應用的電控系統必須詳細了解被控對象的控制要求才能動手設計。由于該方法的基礎是利用經驗,所以設計的結果往往很不規(guī)范,而且往往需經多次反復修改和完善才能符合設計要求。由于依賴經驗設計,故要求設計者有豐富的經驗,要能掌握、熟悉大量控制系統的實例和各種典型環(huán)節(jié)。

經驗法設計用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;設計主令元件和檢測元件,確定輸入輸出信號;設計執(zhí)行元件的控制程序;檢查修改和完善程序。

在設計執(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,將生產機械的運動分成各自獨立的簡單運動,分別設計這些簡單運動的基本控制程序;根據制約關系,選擇聯鎖觸點,設計聯鎖程序;根據運動狀態(tài)選擇控制原則,設計主令元件、檢測元件及繼電器等設置必要的保護措施。

2.PLC應用程序的邏輯設計方法

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

邏輯設計方法的理論基礎是邏輯代數。而繼電器控制系統的本質是邏輯線路?？匆粋€電器控制線路會發(fā)現,線路的接通或斷開,都是通過繼電器等元件的觸點來實現的,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,用變量及其函數只有“0”、“1”兩種取值的邏輯代數作為研究PLC應用程序的工具就是順理成章的事了。

我們知道,邏輯代數的三種基本運算“與”、“或”、“非”都有著非常明確的物理意義。邏輯函數表達式的線路結構與PLC語句表程序完全一樣,可以直接轉化。

多變量的邏輯函數“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

用邏輯設計法對PLC組的電控系統進行設計一般可分為下面幾步。

首先明確控制任務和控制要求。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。

其次是要詳細繪制電控系統狀態(tài)轉換表。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)轉換表全面、完整地展示了電控系統各部分、各時刻的狀態(tài)和狀態(tài)之間的聯系及轉換,非常直觀,對建立電控系統的整體聯系、動態(tài)變化的概念有很大幫助,是進行電控系統的分析和設計的有效工具。

有了狀態(tài)轉換表,便可進行電控系統的邏輯設計。包括列寫中間記憶元件的邏輯函數式和列寫執(zhí)行元件(輸出端點)的邏輯函數式兩個內容。這兩個函數式組,既是生產機械或生產過程內部邏輯關系和變化規(guī)律的表達形式,又是構成電控系統實現控制目標的具體程序。

PLC程序的編制就是將邏輯設計的結果轉化。PLC作為工業(yè)控制計算機,邏輯設計的結果(邏輯函數式)能夠很方便的過渡到PLC程序,特別是語句表形式,其結構和形式都與邏輯函數非常相似,很容易直接由邏輯函數式轉化。當然,如果設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式轉化為梯形圖程序。

程序的完善和補充是邏輯設計法的最后一步。包括手動調整工作方式的設計、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)流程圖的程序設計方法

如前所述,狀態(tài)流程圖又叫狀態(tài)轉移圖,它是完整地描述控制系統的工作過程、功能和特性的一種圖形,是分析和設計電控系統控制程序的重要工具。利用狀態(tài)流程圖進行程序設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)轉換條件。當轉換條件的實際內容不止一個時,每個具體內容定義一個PLC元件編號,并以邏輯組合形式表現為有效轉換條件。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,并以對應的PLC輸出點的編號定義這些電氣執(zhí)行元件。

很多PLC生產廠家都專門設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計。

用步進指令設計PLC程序時,通常是利用狀態(tài)流程圖,而且設計的程序與狀態(tài)流程圖有嚴格的而明確的對應關系。

設計時,首先要按工藝及控制要求畫出系統的狀態(tài)流程圖,用狀態(tài)器(S0—S899)對各狀態(tài)命名,標出與各狀態(tài)對應的執(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、跳轉和局部循環(huán)的自動工作機械的狀態(tài)流程圖。

4.程序調試和模擬運行

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

(1)信號的模擬。用模擬開關模擬輸入信號,開關的一端接入相對應的輸入端點,另一端作為公共端,接在PLC輸入信號電源的負端(當要求輸入信號公共端為正端電源時)輸入程序后,扳動開關,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)轉換表進行模擬運行。首先對照輸入信號狀態(tài)表,設置好原始狀態(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)里逐步轉換的順序,依次發(fā)出狀態(tài)轉換主令信號,則系統將依次進行工步狀態(tài)轉換。每發(fā)出一個狀態(tài)轉換主令信號,系統將結束一個工步狀態(tài)轉入下一個工步狀態(tài)。仔細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應用程序設計正確,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。當模擬運行帶某一工步狀態(tài),發(fā)現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。這里首先檢查標號是否有錯;邏輯函數是否正確;PLC程序是否有誤;輸入程序是否正確,一般說來,經過上述幾點檢查,定會找出并改正存在的錯誤。

用戶程序通過調試和修改,正確通過模擬運行,設計任務即告完成,轉入現場使用調試。

(作者單位:廣東省工業(yè)高級技工學校)