可编程控制器梯形图顺序控制设计法概述_3
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1 引言

  可编程控制器(programmable(logical)controller,简称pc或plc)是随着技术的进步与现代社会生产方式的转变,为适应多品种、生产系统高可靠性的需要产生发展起来的一种新型工业自动化控制装置。该装置以微型计算机为核心,从1969年问世以来,由于其具有通用灵活的控制性能、可以适应各种工业环境的高可靠性、入门简单但能够承担大规模系统的控制能力、通信方便可以构成各种网络,在工业自动化领域取得了广泛应用。有人将可编程控制器控制技术与数控技术、cad/cam技术、工业机器人技术并称为现代工业自动化技术的四大支柱。

  上世纪80年代以来,我国大量引进国外许多品牌的可编程控制器,其中以siemens(西门子)、mitsubishi(三菱)和omron(欧姆龙、立石)三种品牌居多。siemens可编程控制器以博大精深著称,其品种之全、类型之多、可控制的规模之大,堪称世界之最;mitsubishi可编程控制器以丰富多彩为特点,不仅类型很多,而且独特,不同系列机型间有不同特点;omron可编程控制器则以精巧实用为其特点。当然其他的可编程控制器也有其特点。虽然不同品牌的可编程控制器间存在许多差异,但在功能和应用角度看是相通的。

  在工业控制中存在着大量的顺序控制。诸如机床自动加工、自动生产线的自动运行及机械手的动作等,都是按照固定的顺序进行动作,因此就必须熟练掌握梯形图的各种顺序控制设计方法。本文根据mitsubishi fx系列可编程控制器编程特点,论述了四种顺序控制设计方法的不同编程思想和特点。

图1顺序功能图

图2使用启保停电路的顺序控制梯形图

图3使用置位复位指令的顺序控制梯形图

图4使用步进指令的顺序控制梯形图

图5使用位移指令的顺序控制梯形图

2 顺序控制问题与sfc

2.1 顺控问题

  顺序控制就是指生产过程可以根据生产工艺预先规定各部件的动作顺序,在外信号、内部状态或时间、数量等条件的作用下,使生产过程中的每个执行机构自动有步骤地进行操作。顺序控制设计法就是按照特定设计规则设计可编程控制器程序梯形图的方法,程序中使用的编程元件一般为状态寄存器s或辅助继电器m,其实质是在输入信号与输出信号之间增加中间编程元件,用以代表生产工艺中各个阶段。这种设计方法具有编程效率高,设计思路清晰,易于掌握,调试、修改、维护方便等优点,从设计到使用及维护的周期较经验设计法明显缩短。采用顺序控制设计法可以将结构化、模块化编程的思想运用到梯形图设计中来,改善程序的条理性和可读性。在使用顺序控制设计法设计梯形图时,首先要根据系统的工艺过程,设计出顺序功能图,然后根据顺序功能图编写出梯形图。

2.2 关于iec61131-3国际标准编程语言

  iec61131-3国际标准编程语言包括图形化编程语言和文本化编程两大类型语言。其中,图形化编程语言包括3种:1.梯形图(ld-ladderdiagram);2.功能块图(fbd-function block diagram);3.顺序功能图(sfc-sequentialfunction chart)。文本化编程语言包括2种:1.指令表(il-instruction list);2.结构化文本(st-strutured text)。

  早已经纳入iec61131-3国际标准编程语言的顺序功能图(sequential functionchart简称sfc)是描述控制系统的顺控过程、功能和特性的标准化plc专用国际图形顺控编程主流语言。sfc是设计可编程控制器的顺序控制程序的主要工具,它由步、动作(或命令)、转换、转换条件和有向连线组成,如图1所示。设计的顺序功能图必须要由步和有向连线组成闭合回路,使系统能够多次重复执行同一工艺过程,不出现中断的现象。

  本文特别指出,对于具有sfc语言直接实现顺控编程功能的plc不在本文研讨之列。本文仅仅使用sfc概念研讨那些不具备sfc标准专用顺控编程语言的小型plc的顺控编程论题。尽管可编程控制器梯形图顺序控制设计不是plc顺控编程的主流方法,但是梯形图顺控编程技术却是相当多的小型plc用户经常遇到的实际问题,也是本题具有重要实际意义之所在。

3 顺序控制设计方法

  某可编程控制器控制回转工作台控制钻孔过程是:当回转工作台不转、钻头回转时,若传感器x0检测到工件到位,钻头向下工进y0,当钻到一定深度钻头套筒压到下接近开关x1时,计时器t0计时,4s后快退y1到上接近开关x2,就回到了原位。顺序功能图如图1所示。

3.1 使用起保停电路的顺序控制设计法

  起保停电路即起动保持停止电路,是在梯形图设计中应用比较广泛的一种电路。其工作原理是,当输入信号的常开触点接通,输出信号的线圈得电,同时使输入信号进行自锁或自保持,即输入信号的常开触点失去作用。如图2为使用起保停电路设计方式编制与图1顺序功能图所对应的梯形图。从图2很容易看出s0=m0,s20=m1,s21=m2,s22=m3。将m3和x2的动合触点串联作为m0的启动电路。可编程控制器开始运行时应将m0置为1状态,否则系统无法工作,故将m8002的动合触点与启动电路并联,并用m0的动合触点自保持,后继步m1的动断触点与m0的线圈串联,当m1为1状态时m0的线圈断电。

  起保停电路顺序控制梯形图的设计法:由于步是根据输出变量的状态变化来划分的。因此它们之间的关系极为简单,可以分为如下两种情况处理。

  (1)某一输出量仅在某一步中为1,本例中y0、t0、y1均属于这种情况,可以将它们的线圈分别于对应步的辅助继电器m1、m2、m3并联。当然也可以用y0代替m1,t0代替m2,y1代替m3,可省些编程元件,但可编程控制器的辅助继电器是完全够用的,多用一些内部编程元件不会增加硬件费用,在设计和键入程序时也不会花费太多时间。反而全部用辅助继电器来代表步,具有概念清楚、编程规范、梯形图易于阅读和易查错的优点。

  (2)某一输出继电器在几步中都为1状态,应将代表各有关步的辅助继电器的动合触点并联后,驱动该输出继电器线圈,这样就避免了双线圈输出问题。

3.2 使用置位复位指令的顺序控制设计法

  在使用置位复位指令的编程方式中,用某一转换所有前级步对应辅助继电器常开触点与转换对应触点或电路串联,作为使所有后续步对应辅助继电器置位和使所有前级步对应辅助继电器复位条件。对简单顺序控制系统也可直接对输出继电器置位或复位。在用此方法编写的上述实例的梯形图中(如图3所示),初始化脉冲m8002使得初始步辅助继电器m0置位,当x0表示的触点闭合时,下级步辅助继电器m1便被置位,同时初始步辅助继电器m0被复位。然后依次下去,使得所有步对应的m0~m3有规律的被置位和复位,同时各步对应的动作也有规律地被执行和停止。

  使用置位复位指令的顺序控制设计法注意事项:

  (1)由于可编程控制器对用户程序(梯形图)按先左后右、从上至下的步序,逐步执行程序指令,因此在这种编程方法中应将每一步的set指令放在ret之上。

  (2)不能将输出继电器的线圈与set,rst指令并联,这是因为图中前级步和转换条件对应的串联电路接通的时间是相当短的,转换条件满足后前级步马上被复位,该串联电路被断开,而输出继电器的线圈至少在某一步对应的全部时间内被接通,所以应该根据顺序控制功能图用代表步的辅助继电器的动合触点或它们的并联电路来驱动输出继电器线圈。

3.3 使用步进指令的顺序控制设计法

  日本三菱可编程控制器中除了基本指令之外,增加了两条简单的顺序控制指令:[1]步进指令(stl)、[2]步进结束指令(ret)。其它步骤只能用状态寄存器s来表示,状态寄存器有断电保持功能,编制顺序控制程序时应与顺序控制指令一起使用,状态寄存器s必须用置位指令set置位,这样才能使提供的stl触点具有控制功能。否则状态寄存器s与一般中间继电器m相同。步进梯形图中不同步进段允许有双重输出,即允许有重号负载输出,步进触点结束时要用ret指令使后面程序返回原母线。在用此方法编写的上述实例的梯形图中,如图4所示。初始步s0首先被置位,然后当转换条件x0满足时,对应步s20被置位,驱动输出线圈y0。然后依次下去,使对应的步s20~s22有规律的被置位和复位。同时各步对应的动作也有规律地被执行和停止。

图6 用移位寄存器对数据移位、复位处理

图7 顺序控制设计法应用举例

图8 简化示意图

3.4 使用位移指令的顺序控制设计法

  位移指令是功能指令中的一类指令。功能指令(functional instruction)也称应用指令(applied instruction)主要用于数据的传送、运算、交换及程序控制等功能。针对于功能指令而言,它有两种形式,一种是采用功能号fnc00~fnc246表示,另一种是采用助记符表示其功能意义。功能号和助记符是一一对应的。

  图5为位右移指令(sftr)指令格式和功能说明。(d)为n1位移位寄存器,(s)为n2位数据,且有n2n11024。当x0为on时,执行该指令,向右移位。每次4位一起向前移动,其中x3~x0m15~m12,m15~m12m11~m8,m11~m8m7~m4,m7~m4m3~m0,m3~m0移出,即从高位移入,低位移出。sftr(p)为脉冲型指令,仅执行一次移位操作。sftr为连续型指令,每个扫描周期都执行一次移位操作。

  sftl为位左移指令,指令格式和功能说明与sftr类同,只是向左移位。同样sftl(p)为脉冲型指令,sftl为连续型指令。在此例中我们用到脉冲执行型位左移指令sftl(p)。

  从顺序功能图可以看出,各步中一个步某时刻接通而其他步都断开,把各步用辅助继电器m0~m3代替,就很容易用位左移指令实现控制。图5为用位左移指令编程的梯形图,采用辅助继电器m0~m3代替各步,组成1个环形移位寄存器,用移位寄存器对数据移位、复位处理,如图6所示。

4 归纳研讨

  通过对以上四种编程进行比较分析,我们不难发现本文所介绍的四种顺序控制设计法具有以下的特点:

4.1 起保停电路的梯形图顺序控制设计法

  使用起保停电路的梯形图顺序控制设计法,仅仅使用与触点和线圈有关指令,无需编程元件做中间环节,任何一种可编程控制器的指令系统都有这类指令,因此是一种通用的编程方法,这种编程方法更具优势的是与传统继电器控制电路基本相类似,一般原继电器控制系统可编程控制器改造过程中应用较多。

4.2 置位复位指令的顺序控制设计法

  使用置位复位指令的顺序控制设计法,是一种规律性比较强的设计方法。梯形图转换实现的基本规则之间有着严格的对应关系,较好的体现了sfc中的转换原则。这种方法具有编程简单、思路清晰、便于阅读的特点,尤其是对于复杂的顺序控制系统。另外,这种方法使用的是置位指令(s)和复位指令(r),而对于各种型号的可编程控制器一般都具有,因此这种设计方法的通用性也比较好。一般多用于自动控制系统中手动控制程序编程。但是,由于此方法在设计梯形图时不允许输出位的线圈与置位指令复位指令并联,必须用表示各步的辅助继电器位的常开触点或它们的并联电路去驱动输出线圈,因此梯形图中的语句条数比较多,程序的执行时间会略长一些。

4.3 步进指令的顺序控制设计法

  使用步进指令的顺序控制设计法,是一种专门性的设计方法。对于不同型号的可编程控制器具有不同的步进指令,它们之间目前还不能实现功能互换。但是,它是一些可编程控制器自带的一种设计方法,使用它在设计复杂的顺序控制系统时,可有效的减小内存占用的空间,减少程序的执行时间,提高可编程控制器输入输出的响应速度。这种编程方法也很容易被初学者接受和掌握,有经验工程师,也会提高设计效率,程序调试、修改和阅读也很容易,使用方便,程序也较短,顺序控制设计中应优先考虑,该法工业自动化控制中应用较多。

4.4 位移指令的顺序控制设计法

  使用位移指令的顺序控制设计法,设计的梯形图看起来简洁,所用指令也较少,但对较复杂控制系统设计就不方便,使用过程中线修改能力差,工业控制中使用较少,大多数应用彩灯顺序控制电路中。

5 顺序控制设计法应用举例

  在工业控制中顺序控制到处可见,本文以选择性工作传输机为例。

  选择性工作传输机用于将大球、小球分类送到右边的两个不同的位置,其工作示意图如如图7所示。

  分析:根据图中所标的符号可知,选择性工作传输机的动作有:上、下、左、右四个不同的方位,分别由对应的驱动线圈y1、y2、y4、y3去执行。由y0去接通磁铁吸住球。当吸到的是小球时机构到达下限位,则x2动作。否则,到了一定时间,x2还未动作,则说明机械钳机构不能到达下限位,此时吸到的是大球。再根据判断,把球送到指定的位置。根据工艺要求得出如下简化示意图如图8所示:如图可以看出大球、小球的选择过程属于一种选择性分支问题,是一个复杂的顺序控制系统。结合以上四种顺序控制设计法特点的分析,使用步进指令设计该顺序控制过程会使程序大大简化,可读性增强。

6 结束语

  必须指出,本文研讨的多种顺控编程方法的数理逻辑本质都是模拟国际标准fsc语言。在熟练掌握梯形图顺控编程方法的基础上,应根据不同的顺序控制系统,考虑可编程控制器的响应速度,系统的复杂程度以及设计的效率等因素,去选择合适的设计方法。这样才能在实际应用中根据具体情况来选择合适的方法设计顺序控制梯形图,使程序更简洁,可读性更强。

作者:江苏农林职业技术学院 吴继彬 黄伟

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