孔佐君

（黔南民族職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州都勻 558022）

目前，很多PLC 編程的初學(xué)者都會(huì)遇到給出控制系統(tǒng)要求，不知道如何下手寫梯形圖程序的問題，只能做一個(gè)實(shí)驗(yàn)，背一套程序，或者編程思路不清，考慮不周，系統(tǒng)功能無法實(shí)現(xiàn)等情況。是否有一個(gè)通用的編程思路，能夠適用于大多數(shù)機(jī)電一體化自動(dòng)控制系統(tǒng)，學(xué)會(huì)一種方法，就能夠應(yīng)對(duì)大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合？經(jīng)過總結(jié)，得出一套通用的編程思路，在實(shí)踐中得到運(yùn)用，效果良好。本文以西門子系列PLC 為例，對(duì)此思路進(jìn)行探討。

1 總體思路

為了更好地說明通用編程思路的過程，通過一個(gè)實(shí)訓(xùn)場(chǎng)景進(jìn)行說明，以亞龍YL-335B 自動(dòng)化生產(chǎn)線安裝與調(diào)試實(shí)訓(xùn)設(shè)備中供料站

部分實(shí)訓(xùn)為案例進(jìn)行探討。圖1為供料站示意圖，系統(tǒng)上電后，系統(tǒng)進(jìn)行初始化檢測(cè)，如果各傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)氣缸處于正常初始化狀態(tài)，管形料倉中物料充足，則綠色指示燈常亮，表示準(zhǔn)備就緒，系統(tǒng)正常可以啟動(dòng)；如果管形料倉中物料不足，則黃色指示燈閃爍，表示物料不足，如果物料用盡，則黃色指示燈常亮，表示已經(jīng)缺料，系統(tǒng)能自動(dòng)停止；如果傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)氣缸不處于正常初始化狀態(tài)，紅色指示燈常亮，表示系統(tǒng)有故障，不能啟動(dòng)；正常啟動(dòng)后，綠燈閃爍，表示系統(tǒng)正在運(yùn)行，按下停止按鈕，系統(tǒng)恢復(fù)初始化檢測(cè)狀態(tài)；系統(tǒng)運(yùn)行過程中，頂料氣缸伸出防止非底層的物料落下，然后推料氣缸把底層物料推向出料臺(tái)，推料氣缸復(fù)位，將出料臺(tái)物料拿走后頂料氣缸復(fù)位，上層物料落下，進(jìn)行下一次出料循環(huán)。

圖1 供料站示意圖

了解了系統(tǒng)需求以后，如何思考和編寫PLC 控制程序呢？總結(jié)的通用編程方法按照以下步驟進(jìn)行：①系統(tǒng)分析，對(duì)程序進(jìn)行模塊化劃分；②IO 分配，輔助寄存器標(biāo)志位的使用；③主程序模塊的通用寫法；④基于控制流程圖的步進(jìn)程序通用寫法。

2 系統(tǒng)分析，對(duì)程序進(jìn)行模塊化劃分

目前高校的多數(shù)相關(guān)教材介紹PLC 編程方式都是線性編程，講解基本指令，進(jìn)行簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)演示，很少涉及結(jié)構(gòu)化編程的思路和方法。

線性化編程就是將整個(gè)用戶程序放在組織塊OB1中，在CPU 循環(huán)掃描時(shí)從上到下依次執(zhí)行全部指令，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、但效率低下，程序結(jié)構(gòu)不清晰，造成編寫、管理和調(diào)試?yán)щy。

結(jié)構(gòu)化編程是將程序根據(jù)功能劃分為不同的邏輯塊，且每一個(gè)邏輯塊完成的功能不同，在OB1中可以根據(jù)條件調(diào)用不同的功能或模塊，其特點(diǎn)是把復(fù)雜的工藝過程分解成相對(duì)簡(jiǎn)單、容易編程實(shí)現(xiàn)的模塊，根據(jù)條件調(diào)用，提高了CPU 的利用率，同時(shí)降低了編程難度。

通用編程思路的第一步就是要將程序劃分為多個(gè)模塊，劃分的過程要對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行合理的分析、分解和綜合，做好這一步，就能將龐大復(fù)雜的系統(tǒng)分解成為簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)的模塊。

進(jìn)行模塊化劃分，一般把系統(tǒng)分為主程序、控制工藝流程子程序和顯示子程序3個(gè)模塊。主程序主要完成系統(tǒng)初始化檢測(cè)和子程序的調(diào)用協(xié)調(diào)等工作；控制工藝流程子程序主要采用步進(jìn)程序?qū)懛?，完成?zhí)行動(dòng)作的工藝流程；顯示子程序主要是控制系統(tǒng)指示燈的顯示或者觸摸屏組態(tài)的顯示。對(duì)于執(zhí)行元件較多、控制工藝較長(zhǎng)的控制工藝流程子程序，還能繼續(xù)分解成更多更小的控制工藝流程子程序，每個(gè)子程序都能獨(dú)立運(yùn)行和相互合作。如果需要，還需要插入中斷子程序。這里需要說明的是，此種模塊化劃分是通過主程序和子程序的方式進(jìn)行劃分，適用于所有PLC，對(duì)于S7-300系列等級(jí)更高級(jí)的PLC，軟件帶有更專業(yè)的模塊劃分方法。

3 輔助寄存器標(biāo)志位的使用

劃分好程序結(jié)構(gòu)后，開始編寫梯形圖之前，要在編程軟件中聲明地址分配表并注釋元件名稱，此時(shí)為了更好地理解系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)和進(jìn)行程序控制，需要給系統(tǒng)的各階段狀態(tài)或者關(guān)鍵信息定義一個(gè)標(biāo)志位，這樣做的好處是讀取標(biāo)志位狀態(tài)能知道系統(tǒng)運(yùn)行的狀態(tài)，對(duì)標(biāo)志位進(jìn)行操作能控制系統(tǒng)的進(jìn)程，對(duì)清晰程序結(jié)構(gòu)和編寫程序有非常大的幫助，這里建議使用位輔助寄存器M 作為標(biāo)志位，需要定義的標(biāo)志位有初態(tài)檢測(cè)標(biāo)志位、準(zhǔn)備就緒標(biāo)志位。運(yùn)行狀態(tài)標(biāo)志位、啟動(dòng)指令標(biāo)志位和停止指令標(biāo)志位，還可以根據(jù)系統(tǒng)的特殊要求增加需要的標(biāo)志位。每個(gè)標(biāo)志位代表一個(gè)功能或者系統(tǒng)狀態(tài)，對(duì)標(biāo)志位進(jìn)行置位或者復(fù)位操作，然后通過標(biāo)志位的變化去控制程序的流程。

4 主程序的通用編寫方法

合理使用規(guī)劃好的狀態(tài)標(biāo)志位進(jìn)行主程序的編寫，主要考慮以下4個(gè)方面的問題：①系統(tǒng)初始化及初態(tài)檢測(cè)；②系統(tǒng)如何進(jìn)入啟動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)；③系統(tǒng)如何進(jìn)入停止?fàn)顟B(tài)；④子程序與主程序的關(guān)系、子程序間的關(guān)系及協(xié)調(diào)。

程序編寫過程中摒棄了起保停的思路，全部采用置位指令和復(fù)位指令的思路。

系統(tǒng)初始化及初態(tài)檢測(cè)，是在程序一開始需要解決的問題，使用特殊寄存器SM0.1只在第一個(gè)掃描周期接通進(jìn)行初始化，置位初態(tài)檢測(cè)標(biāo)志位，復(fù)位準(zhǔn)備就緒標(biāo)志位、運(yùn)行狀態(tài)標(biāo)志位、啟動(dòng)標(biāo)志位和停止標(biāo)志位，根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際情況，置位或者復(fù)位相應(yīng)的輸出。然后進(jìn)行初態(tài)檢測(cè)，看系統(tǒng)是否處于準(zhǔn)備就緒狀態(tài)，具體做法是把初態(tài)檢測(cè)標(biāo)志位常開觸點(diǎn)和所有的傳感器觸點(diǎn)串聯(lián)，即進(jìn)行與運(yùn)算，其中系統(tǒng)正常準(zhǔn)備就緒情況下有信號(hào)的傳感器用常開觸點(diǎn)表示，沒有信號(hào)的傳感器用常閉觸點(diǎn)表示，另外，還可以根據(jù)系統(tǒng)的需求，增加特殊功能狀態(tài)的檢測(cè)，例如串聯(lián)上供料檢測(cè)標(biāo)志位，缺料檢測(cè)標(biāo)志位等。輸出準(zhǔn)備就緒標(biāo)志位置位，同時(shí)復(fù)位初態(tài)檢測(cè)標(biāo)志位，這樣只會(huì)在系統(tǒng)上電的第一個(gè)掃描周期進(jìn)行初始化，并且檢查系統(tǒng)是否處于可以啟動(dòng)運(yùn)行的狀態(tài)。本例中，供料站初始化及準(zhǔn)備就緒檢測(cè)程序程序思路具有通用性，變化場(chǎng)景后用同樣的思路編寫程序，只需根據(jù)實(shí)際情況修改傳感器數(shù)量和狀態(tài)即可。三菱系列及其他品牌的PLC 也和西門子PLC 中SM0.1有同樣功能的寄存器指令。

然后考慮系統(tǒng)如何進(jìn)入啟動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，用準(zhǔn)備就緒標(biāo)志位常開觸點(diǎn)串聯(lián)啟動(dòng)信號(hào)常開觸點(diǎn)，輸出運(yùn)行標(biāo)志位置位和控制工藝子程序初始步置位，同時(shí)要復(fù)位和運(yùn)行狀態(tài)沖突互鎖的標(biāo)志位，例如準(zhǔn)備就緒標(biāo)志位、停止指令標(biāo)志位等。有多個(gè)啟動(dòng)信號(hào)的，根據(jù)啟動(dòng)關(guān)系進(jìn)行并聯(lián)或者串聯(lián)。

接下來考慮系統(tǒng)如何進(jìn)入停止?fàn)顟B(tài)，這里的思路和啟動(dòng)程序的編寫類似，停止信號(hào)用常開觸點(diǎn)，輸出停止指令標(biāo)志位置位、啟動(dòng)指令標(biāo)志位復(fù)位，同時(shí)要將停止?fàn)顟B(tài)影響的標(biāo)志位復(fù)位，例如運(yùn)行狀態(tài)標(biāo)志位復(fù)位，控制工藝流程子程序初始步復(fù)位等。停止信號(hào)除了常規(guī)的停止按鈕外，還需要考慮因?yàn)槿绷?、故障或者意外引起的需要停止系統(tǒng)的情況，如果系統(tǒng)對(duì)于停止的過程有嚴(yán)格的順序步驟，還需要寫一個(gè)停止過程子程序，用停止標(biāo)志位調(diào)用。啟動(dòng)和停止的互鎖，是通過互相復(fù)位的形式完成的。

最后考慮子程序的協(xié)調(diào)和調(diào)用問題，這個(gè)問題相對(duì)簡(jiǎn)單，使用相關(guān)標(biāo)志位調(diào)用子程序即可，對(duì)于需要一直調(diào)用的子程序，使用特殊寄存器SM0.0激活。

5 基于順序功能圖的子程序編寫方法

子程序主要有兩種類型：①控制工藝流程子程序；②系統(tǒng)顯示子程序。

控制工藝流程子程序的編寫，主要采用步進(jìn)指令SCR 基于順序功能圖進(jìn)行編寫，每一步SCR 程序段需要包含3個(gè)要素：輸出對(duì)象、轉(zhuǎn)移條件和轉(zhuǎn)移目標(biāo)。輸出對(duì)象，在這一步中要完成的動(dòng)作驅(qū)動(dòng)；轉(zhuǎn)移條件，滿足條件后，實(shí)現(xiàn)SCR 步的轉(zhuǎn)移；轉(zhuǎn)移目標(biāo)，要轉(zhuǎn)移到的下一個(gè)步序。系統(tǒng)控制工藝流程的執(zhí)行輸出可能很多，或者步驟流程較長(zhǎng)，但是基于順序功能圖的編寫方式簡(jiǎn)單，有規(guī)律可循，且執(zhí)行過程模式較為固定，稍加練習(xí)即可掌握。對(duì)于龐大復(fù)雜的控制過程，還能拆分成多個(gè)部分分別單獨(dú)編寫控制工藝流程子程序，每個(gè)子程序再分解成若干單一步驟的組合，就能很方便地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的整體執(zhí)行過程，在整個(gè)系統(tǒng)程序中，控制工藝流程子程序反而不是最難寫的。

順序功能圖是完成控制工藝流程子程序的前提和關(guān)鍵所在，在此進(jìn)行詳細(xì)說明。順序功能圖（SFC）又稱為流程圖或者狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，它是一種圖形化編程語言，是專用于工業(yè)順序控制程序設(shè)計(jì)的一種功能性說明語言，它能夠完整地描述電氣控制系統(tǒng)的執(zhí)行過程、特性和功能，是分析和設(shè)計(jì)電氣控制系統(tǒng)控制程序的重要工具。對(duì)于一個(gè)順序控制的問題，不管控制邏輯多么的復(fù)雜，都能夠用順序功能圖的方式描述清楚。

但是很多軟件不支持SFC 編程語言，不能直接用SFC 編程，因此大多數(shù)人的操作習(xí)慣不是用軟件的SFC 功能，而是在需要使用順序功能圖的時(shí)候，手動(dòng)畫出SFC 順序流程圖，再對(duì)照SCR 步進(jìn)指令編寫PLC 梯形圖，編寫步進(jìn)指令梯形圖的過程中有些操作看似重復(fù)繁瑣，程序也較長(zhǎng)，但是思路非常清晰，易于上手和實(shí)現(xiàn)，尤其是對(duì)于控制邏輯比較復(fù)雜的控制系統(tǒng)，例如選擇分支、并行分支和跳轉(zhuǎn)循環(huán)的環(huán)節(jié)較多時(shí)，畫出SFC 順序流程圖，再轉(zhuǎn)換成步進(jìn)控制流程梯形圖的方法，仍然是最有效和可靠的編程方法。

順序功能圖主要由“狀態(tài)”或稱“步”“轉(zhuǎn)移條件”“動(dòng)作（驅(qū)動(dòng)）”及有向線段等元素組成?！盃顟B(tài)（步）”是控制系統(tǒng)中一個(gè)相對(duì)不變的性質(zhì)，對(duì)應(yīng)一個(gè)穩(wěn)定的情形或者某個(gè)過程。狀態(tài)一般從初始狀態(tài)開始，大多系統(tǒng)都需要重復(fù)循環(huán)運(yùn)行，所以在末狀態(tài)一般都會(huì)跳轉(zhuǎn)回初始狀態(tài)周而復(fù)始運(yùn)行。每個(gè)狀態(tài)都有一個(gè)編號(hào)，根據(jù)習(xí)慣，對(duì)應(yīng)PLC 不同編號(hào)的命名也有所不同，且可以不按順序命名或者跳轉(zhuǎn)。“動(dòng)作（驅(qū)動(dòng)）”是指在當(dāng)前狀態(tài)下需要執(zhí)行的控制動(dòng)作，可以是一個(gè)動(dòng)作或者多個(gè)動(dòng)作，也可不做動(dòng)作只是等待?！稗D(zhuǎn)移條件”是指當(dāng)滿足某個(gè)特定條件且當(dāng)前狀態(tài)處于激活時(shí)，控制系統(tǒng)從當(dāng)前狀態(tài)跳轉(zhuǎn)到下一個(gè)指定的狀態(tài)，指定狀態(tài)被激活，當(dāng)前狀態(tài)被復(fù)位。有向線段用來連接以上元素，表明方向等信息。本例中將供料站控制工藝狀態(tài)（步）進(jìn)行了合并優(yōu)化，分成了推出步S0.0和復(fù)位步S0.1，合并優(yōu)化的原則就是在一個(gè)狀態(tài)（步）中同一個(gè)輸出只出現(xiàn)一次，不同輸出盡量合并在同一個(gè)狀態(tài)（步）中，就能簡(jiǎn)化狀態(tài)（步）的數(shù)量。

顯示子程序大部分情況是指示燈的顯示，這里要避免對(duì)同一個(gè)指示燈的多種顯示狀態(tài)編寫多個(gè)輸出，導(dǎo)致雙線圈的錯(cuò)誤編程，同一個(gè)指示燈只能有一個(gè)輸出，多種狀態(tài)可以通過并聯(lián)方式編寫，比如常亮和不同頻率閃爍，同時(shí)，多個(gè)顯示狀態(tài)之間進(jìn)行互鎖控制。

6 結(jié)語

PLC 通用編程思路探討，不僅限于西門子系列PLC，同樣適用于三菱系列，國產(chǎn)系列等PLC。這個(gè)思路是一個(gè)整體框架性思路，對(duì)于需要用到變頻器、步進(jìn)驅(qū)動(dòng)、伺服驅(qū)動(dòng)等特殊元器件的應(yīng)用，同樣可以嵌入到框架當(dāng)中，有時(shí)候需要根據(jù)系統(tǒng)需求多增加幾個(gè)驅(qū)動(dòng)子程序。