PLC顺序控制设计方法的深入探析

戚阳杨捷

（云南民族大学，云南昆明650500）

0 引言

随着微型处理器、信息技术和工业自动化技术的迅猛发展，使用计算机进行工业自动化控制已经覆盖了几乎所有的工业领域。现代社会，工业制造对市场的快速反应提出了更高的要求。可编程逻辑控制器（PLC）作为一种专门针对工业环境应运而生的数字运算操作系统，其具有的高稳定性、高可靠性、价格便宜、应用灵活方便、功能多样、操作维护容易等优点使其得到了飞速发展。在现场总线技术和以太网技术也同步发展的背景下，PLC应用的范围变得愈加广泛。

本文结合梯形图语言和西门子公司推出的GRAPH编程方法，为PLC编程设计者介绍两种方便、快捷、有效的程序设计方法。

1 顺序控制设计方法概述

顺序控制是指预先设定工艺生产流程顺序，按照不同的时间顺序、逻辑顺序或条件控制顺序使各个机构有序地按照预先设定的顺序依次进行工作。不同品牌和类型的PLC所使用的编程语言也有细微的差异，梯形图（LAD）是一种在各类型PLC上使用最多的编程语言，是最易上手、使用最广泛的PLC语言之一。基于梯形图的顺序控制设计方法有以转换为中心、起保停和置位复位等分类。顺序控制设计必须保证其连贯性，不同的设计方法所适用的编程设计环境不同，在不同的工业环境下，不同的设计方法所展现出的设计功能、难易度、直观性和程序量都有所不同。在特定的状况下选择适合的顺序控制设计思路和方法是PLC程序设计者需要注意的重要问题。

2 LAD编程语言

LAD是一种图形编程语言，它采用基于电路图的表示法，程序以一个或多个程序段表示。程序段在梯级源位置的左侧包含一个电源线，二进制信号以触点的形式排列在梯级上。在梯级上元素的顺序排列构成串联，在并行分支上的排列构成并联。复杂函数用函数块表示。

图1显示了一个具有两个常开触点、一个常闭触点和一个线圈的LAD程序段（程序段1）。

图1 LAD编程示例

LAD程序是由在程序段电源线上串联或并联的各个元素组成的，必须给多数程序元素提供变量，至少有一个梯级是从电源线引出的。程序段编程从梯级左边缘位置开始，可以通过使用多个梯级和分支去延伸电源线。

2.1 起保停LAD的顺序控制设计法

起保停电路是在典型图中使用比较广泛的一种梯形图顺序控制设计方法。它的设计思路如下：如程序段1所示，在给入输入信号时常开触点I0.1动作，随之输出线圈Q0.1得电，同时使输出线圈“自锁”或“自保持”，输入线圈I0.1常开触点失去作用。当“停止”信号来到时，输入线圈I0.2动作，则输出线圈Q0.1失电停止动作。

2.2 以洗衣机顺序控制为例的起保停设计

此次以洗衣机为例的顺序控制设计的思路是使用PLC的输出信号去控制继电器组，从而达到控制电器的目的。通过对电机“正反转”“注水”和“排水”进行控制，使电机的继电器线圈分别受PLC的输出信号控制。洗衣机顺序控制流程如图2所示。

图2 顺序控制流程图

针对上面的流程图使用博途V15软件对PLC进行正确的配置组态后，在主程序块中按照顺序控制流程设计了以起保停为逻辑思想的LAD程序。

如图3所示，使用I0.1为启动按钮；I0.2为洗涤注水后的高水位监测点，监测洗衣机是否注满水；使用I0.3作为洗涤后排水是否排净的低水位监测点；使用I0.5为漂洗过程的高水位监测点；使用I0.4作为漂洗后排水的低水位监测点。

3 GRAPH编程语言

图3 起保停顺序控制设计

GRAPH是一种可创建顺序控制设计系统的图形式编程语言。合理使用顺序控制程序，编程者可以更加快捷和清晰直观地对顺序控制逻辑进行编程。可以使用GARPH将顺序控制过程分解为多个步，设计者在每一个步都设计好所需执行的程序功能，再将设计好的每一个步合理组织分配到顺序控制程序当中；在每一个步中定义好要执行的动作，并设计好当前步与下一步之间的转换条件。

3.1 GRAPH顺序控制模块

基于GARPH的顺控系统可以对整个过程进行合理的控制，并附加条件对其进行限制。顺序控制系统的整体复杂性由自动化任务决定。GARPH顺序控制系统至少包含3个块：

（1）GRAPH函数块：可以在GRAPH函数块中，定义一个或多个顺控程序的单步和顺序控制的步转换条件。

（2）背景数据块：顺序控制系统的数据和参数都包含在背景数据块内。可以分配背景数据块给GARPH函数块，并且可以由系统自动去生成。

（3）调用代码块：要在一个循环中去执行GARPH函数块，就必须在较高级代码块中去调用这个函数块，这个函数块可以是一个函数（FC）、组织块（OB）或者其他函数块（FB）。一般将GRAPH函数块作为一个单背景调用。

3.2 GRAPH顺序控制设计方法

GRAPH函数块中，可以按照顺序控制程序的格式去编写程序。顺序控制程序不仅可以处理很多个独立的任务，还可以把一个复杂的任务分解成两个或者多个顺序控制程序。如果顺序控制程序要完成多个独立任务，那么这些顺序控制程序在程序流程中需并行处理。如果要使用多个顺序控制程序把一个复杂的任务分解成许多更小的部分，就必须把相关的顺序控制程序和程序跳转相联结。

可以把程序划分为顺序控制程序的各个步。在比较简单的情况下，每个步可以以线性的方式按顺序逐个处理，但也可以用选择型分支或者并行分支去创建一些结构更为复杂的顺序控制程序。程序会始终从我们定义为初始步的那一步开始进行，一个顺序控制程序可以含有一个或者多个初始步。初始步可以在顺序控制程序中的任意位置。

激活某一步时，将执行当前步中的动作；若有需要也可同时去激活多个步，比如在一些并行分支中。同时会相应地去检查下一步的转换条件：若满足所有需要的转换条件且没有未处理的监控错误，转换条件将立刻转换到下一步，这个步将转换成活动步。结束顺序控制程序时，我们使用跳转或按顺序结尾。跳转到的目标可以是同一顺序控制程序中的任意一步，也可以是其他顺序控制程序中的任意一步，这样有利于顺序控制程序的循环执行。

3.3 GRAPH顺序控制设计步的使用

可以使用跳转，从GRAPH函数块里的任何一步开始继续程序的执行。跳转能够插入到分支、并行分支或选择分支的结尾，从而去激活顺序控制程序中的循环处理。在顺序控制程序中，跳转和跳转的目标应使用箭头来表示。在这里，需要去指定跳转目标返回跳转的条件和返回的目标步，应该避免从转换条件去跳转到直接的前导步。若需要执行这类跳转，可以去插入一个没有任何转换条件的空步。

可以运用步将冗杂的自动化任务分解成各个明确的子任务，并通过步中的动作去完成，然后让各个步加入到顺序控制程序中，如此一来每步都能在程序流中去按指定的顺序执行。每步都应该分配一个独有的编号和名称，每当激活一个步时就执行这一步中的动作。因此，当前步应该是初始步，或者必须达到该步前面应有的转换条件。还可以运用事件型的动作去调用一个步。在此之外，还可以通过对步中的监控条件和互锁条件进行合理编程，任意选择一个开始执行顺序控制程序的步。因此，初始步可以由任意一步指定。

如图4所示，使用GARPH顺序控制设计方法将图2中的顺序控制流程分为7步——启动洗涤注水、洗涤转动、洗涤排水、漂洗注水、漂洗转动、漂洗排水、脱水。将每一步的动作写入每一步的对应动作程序，同时将转换条件也写入每一步对应的Trans中，具体的输入/输出线圈可与起保停的输入/输出线圈对应。

4 结论

针对基于LAD的起保停顺序控制设计方法和GARPH顺序控制设计方法进行比较，我们清晰地了解到，这两种顺序控制设计方法分别具有以下特点：

（1）基于LAD的起保停顺序控制设计方法在PLC的设计方法中属于较为基础的设计方法，大部分顺序控制系统的设计都可以采用此类方法，其适合初学者学习，学习难度较低，相对较容易理解；但设计时语句较多、程序较长，在大型冗杂的项目中设计较为困难。

图4 GARPH顺序控制设计

（2）基于GARPH的设计方法是一种有针对性的顺序控制设计方法，其按照步与步之间的转换，每一步所要执行的动作进行顺序控制设计，逻辑性较强，响应速度更快，语句使用得较少，同样的逻辑功能下所需要的程序长度较短。在对大型项目进行顺序控制设计时可以将较为复杂的任务分解成多个小型且较为简单的任务去完成，更加适用于冗杂型的项目任务。该方法在合理规划程序流程图后更容易进行设计，但目前在不同PLC之间还不能精准地实现功能转换。

综上，我们在项目实际进行时，至少要掌握两种及以上的顺序控制设计方法，才能根据不同的项目类别、复杂程度和不同的响应速度要求进行合理的程序设计。选择合理的顺序控制程序设计方法会使项目的完成得到更好的助力。