可编程控制器应用程序的设计过程

钟锦明

一、程序控制的基本环节

1.启动、停止和保持控制

使输入信号保持时间超过一个扫描周期的自我维持电路构成有记忆功能元件控制回路的基本环节,它经常用于内部继电器、输出点控制回路,基本形式有两种。

(1)启动优先式。图1是启动优先式启动、保持和停止控制程序。

当启动信号X0=ON时,无论关断信号X1状态如何,M2总被启动,并且当X1=OFF( X1=ON )时通过M2常开触点闭合实现自锁。

当启动信号X0=OFF时,使X1=ON(X1=OFF)可实现关断M2。

因为当X0与X1同时ON时,启动信号X0有效,故称此程序为启动优先式控制程序。

(2)关断优先式。图2为关断优先式启动、保持和停止控制程序。

当关断信号X1=ON(X1=OFF),无论启动信号状态如何,内部继电器M2均被关断(状态为OFF)。

当关断信号X1=OFF(X1=On)时,使启动信号X0=ON,则可启动M2(使其状态变为ON),并通过常开触点M2闭合自锁;在X0变为OFF后仍保持M2为启动状态(状态保持为ON)。

因为当X0与X1同时为ON时,关断信号X1有效,所以此程序称为关断优先或控制程序。

2.逻辑控制的基本形式

(1)联锁控制。在生产机械的各种运动之间,往往存在着某种相互制约的关系,一般采用联锁来实现。用反映某一运动的联锁信号触点去控制另一运动相应的电路,实现两个运动的相互制约,达到联锁控制的要求。联所控制的关键是正确地选择和使用联锁信号:

不能同时发生运动的联锁控制;

互为发生条件的联锁控制;

顺序步进控制。

在实践中,顺序步进控制的实例很多。在顺序依次发生的运动之间,采用顺序步进的控制方式。选择代表前一个运动的常开触点串在后一个运动的启动线路中,作为后一个运动发生的必要条件。同时选择代表后一个运动的常闭触点串入前一个运动的关断线路里,这样,只有前一个运动发生了,才允许后一个运动可以发生,而一旦后一个运动发生了,就立即使前一个运动停止,因此可以实现各个运动严格的依赖预定的顺序发生和转换,达到顺序步进控制,保证不会发生顺序的错乱。

集中控制与分散控制。在多台单机连成的自动线上,有在总操作台上的集中控制和在单机操作台上分散控制的联锁。

自动控制与手动控制。在自动或半自动工作机械上,有自动工作控制与手动调整控制的联锁。

(2)按控制过程变化参量的控制。在工业自动化生产过程中,仅用简单的联锁控制不能满足要求,有时要用反映运动状态的物理量,像行程、时间、速度、压力、温度的量进行控制。

按时间控制也是常用的。交流异步电动机采用定子绕组串接电阻实现减压起动,利用时间原则控制减压电阻串入和切除的时间。交流异步电动机星形起动。三角形联结运行的控制采用时间原则控制。交流异步电动机能耗制动时,定子绕组接入直流电的时间也可用PLC控制。按速度原则控制在电气传动中也屡见不鲜。

二、应用程序设计方法

PLC用户的设计没有固定模式,靠经验是很重要的。一般应用程序设计可分为经验设计法、逻辑设计法、利用状态流程设计法等。

1.经验设计法

利用前面介绍过的各种典型控制环节和基本单元控制电路,依靠经验直接用PLC设计电气控制系统,来满足生产机械和工艺过程的控制要求。

用经验设计法设计PLC应用的电控系统必须详细了解被控对象的控制要求才能动手设计。由于该方法的基础是利用经验,所以设计的结果往往很不规范,而且往往需经多次反复修改和完善才能符合设计要求。由于依赖经验设计,故要求设计者有丰富的经验,要能掌握、熟悉大量控制系统的实例和各种典型环节。

经验法设计用PLC程序时可以大致按下面几步来进行:分析控制要求、选择控制原则;设计主令元件和检测元件,确定输入输出信号;设计执行元件的控制程序;检查修改和完善程序。

在设计执行元件的控制程序时,一般又可分为以下几个步骤:按所给的要求,将生产机械的运动分成各自独立的简单运动,分别设计这些简单运动的基本控制程序;根据制约关系,选择联锁触点,设计联锁程序;根据运动状态选择控制原则,设计主令元件、检测元件及继电器等设置必要的保护措施。

2.PLC应用程序的逻辑设计方法

逻辑设计方法的基本含义是以逻辑组合的方法和形式设计电气控制系统。这种设计方法既有严密可循的规律性,明确可行的设计步骤,又具有简便、直观和十分规范的特点。

逻辑设计方法的理论基础是逻辑代数。而继电器控制系统的本质是逻辑线路。看一个电器控制线路会发现,线路的接通或断开,都是通过继电器等元件的触点来实现的,故控制线路的种种功能取决于这些触点的开、合二种状态。因此电控线路从本质上说是一种逻辑线路,它符合逻辑运算的各种基本规律。PLC是一种新型的工业控制计算机,在某种意义上我们可以说PLC是“与”、“或”、“非”三种逻辑线路的组合体。而PLC的梯形图程序的基本形式也是“与”、“或”、“非”的逻辑组合。它们的工作方式及其规律也完全符合逻辑运算的基本规律。因此,用变量及其函数只有“0”、“1”两种取值的逻辑代数作为研究PLC应用程序的工具就是顺理成章的事了。

我们知道,逻辑代数的三种基本运算“与”、“或”、“非”都有着非常明确的物理意义。逻辑函数表达式的线路结构与PLC语句表程序完全一样,可以直接转化。

多变量的逻辑函数“与”运算和梯形图表达式如图3所示。

FY1=∏Xi=X1•X2•…•Xn

多变量“或”运算如图4所示。

FM1=∑Xi=X1+X2+…+Xn

用逻辑设计法对PLC组的电控系统进行设计一般可分为下面几步。

首先明确控制任务和控制要求。通过分析工艺过程绘制工作循环和检测元件分布图,取得电气执行元件功能表。

其次是要详细绘制电控系统状态转换表。通常它由输出信号状态表、输入信号状态表、状态转换主令表和中间记忆装置状态表四个部分组成。状态转换表全面、完整地展示了电控系统各部分、各时刻的状态和状态之间的联系及转换,非常直观,对建立电控系统的整体联系、动态变化的概念有很大帮助,是进行电控系统的分析和设计的有效工具。

有了状态转换表,便可进行电控系统的逻辑设计。包括列写中间记忆元件的逻辑函数式和列写执行元件(输出端点)的逻辑函数式两个内容。这两个函数式组,既是生产机械或生产过程内部逻辑关系和变化规律的表达形式,又是构成电控系统实现控制目标的具体程序。

PLC程序的编制就是将逻辑设计的结果转化。PLC作为工业控制计算机,逻辑设计的结果(逻辑函数式)能够很方便的过渡到PLC程序,特别是语句表形式,其结构和形式都与逻辑函数非常相似,很容易直接由逻辑函数式转化。当然,如果设计者需要由梯形图程序作为一种过渡,或者选用的PLC的编程具有图形输入的功能,则也可以首先由逻辑函数式转化为梯形图程序。

程序的完善和补充是逻辑设计法的最后一步。包括手动调整工作方式的设计、手动与自动工作方式的选择、自动工作循环、保护措施等。

3.利用状态流程图的程序设计方法

如前所述,状态流程图又叫状态转移图,它是完整地描述控制系统的工作过程、功能和特性的一种图形,是分析和设计电控系统控制程序的重要工具。利用状态流程图进行程序设计时可以按以下几步进行。一是按照机械运动或工艺过程的工作内容、步骤、顺序和控制要求画出状态流程图。二是在画出的状态流程图上以PLC输入点或其它元件定义状态转换条件。当转换条件的实际内容不止一个时,每个具体内容定义一个PLC元件编号,并以逻辑组合形式表现为有效转换条件。三是按照机械或工艺提供的电气执行元件功能表,在状态流程图上对每个状态和动作命令配上图上实现该状态或动作命令的控制功能的电气执行元件,并以对应的PLC输出点的编号定义这些电气执行元件。

很多PLC生产厂家都专门设计了用于编制步进顺序控制程序的指令。三菱FX2系列PLC和配置的大量状态器(S0—S899)就可用于步进顺序控制程序的设计。

用步进指令设计PLC程序时,通常是利用状态流程图,而且设计的程序与状态流程图有严格的而明确的对应关系。

设计时,首先要按工艺及控制要求画出系统的状态流程图,用状态器(S0—S899)对各状态命名,标出与各状态对应的执行元件的PLC输出编号和各状态条件的PLC输入编号。然后就可以用STL/RET指令编程。

图5是一个包含用选择性分支、跳转和局部循环的自动工作机械的状态流程图。

4.程序调试和模拟运行

PLC应用程序设计完成以后,可以在实验室里或办公室里进行模拟调试和运行。程序检验是第一步,将编好的应用程序输入编程器,经过程序检验,改正编程语法和数据错误,再逐条搜索与所设计程序核对无误后传入CPU模块RAM存储器中。

(1)信号的模拟。用模拟开关模拟输入信号,开关的一端接入相对应的输入端点,另一端作为公共端,接在PLC输入信号电源的负端(当要求输入信号公共端为正端电源时)输入程序后,扳动开关,接通后断开输入信号,来模拟机械动作使检测元件状态发生变化,并通过输入、输出端点的指示灯来观察输入输出端点的状态变化。

(2)按状态转换表进行模拟运行。首先对照输入信号状态表,设置好原始状态情况下所有输入信号的状态,再使PLC运行。按工步状态在一个工作循环里逐步转换的顺序,依次发出状态转换主令信号,则系统将依次进行工步状态转换。每发出一个状态转换主令信号,系统将结束一个工步状态转入下一个工步状态。仔细观察输出端点指示灯,并与执行元件动作节拍表对照,看各输出端点的状态是否在每个工步状态里都与执行元件动作节拍表里要求的状态一致。如果是一致,说明PLC应用程序设计正确,符合控制要求。这样逐步检查,以使其都达到状态。

检查和修正编程错误。当模拟运行带某一工步状态,发现某个输出点的显示与执行元件动作节拍表要求的状态不一致时,则编程有错需要修改。这里首先检查标号是否有错;逻辑函数是否正确;PLC程序是否有误;输入程序是否正确,一般说来,经过上述几点检查,定会找出并改正存在的错误。

用户程序通过调试和修改,正确通过模拟运行,设计任务即告完成,转入现场使用调试。

(作者单位:广东省工业高级技工学校)