基于PLC的物料输送机程序设计方法研究*

席志鹏，李 旭，陈中显

(黄淮学院 智能制造学院，河南 驻马店 463700)

0 引言

可编程逻辑控制器(PLC)在现代智能制造领域的应用十分广泛。PLC的工程实践性和技术性较强，在将具体的控制任务进行PLC编程的实现过程中，对程序的灵活性、健壮性和可靠性等特性要求严格[1]。物料输送机是以料斗和皮带传输线作为载体，对一些散碎物料进行大运量、连续性输送的一种机械设备，是生产企业实现物料搬运系统机械化和自动化中常用的组成部分[2]。西门子S7-200 SMART系列PLC作为小型PLC控制器的代表，在工业控制过程中占据重要的市场空间，本文采用西门子S7-200 SMART系列PLC作为物料输送机控制系统的核心，通过两种不同的编程方法，满足物料输送机自动化控制的基本要求。

1 物料输送机控制方案

物料输送机工作原理如图1所示，其基本结构由料斗系统、一级输送带、二级输送带、三级输送带4部分组成，料斗部分通过一个电磁阀控制物料投放，电磁阀得电则阀门打开，否则阀门关闭；各级输送带分别由一台三相异步电动机拖动，输送带动作时均朝着顺时针方向旋转。

图1 物料输送机工作原理

为保证人员和设备安全，并防止输送带上物料堆积，需按照以下要求完成物料输送机控制系统的设计：

(1) 在自动模式下，按下启动按钮时，报警电铃鸣响3 s，提醒机器周边人员注意安全。

(2) 报警电铃响铃结束后，机器按M3-M2-M1-YV的正序方向启动，时间间隔为5 s。

(3) 按下停止按钮时，机器按YV-M1-M2-M3的逆序方向停止，时间间隔为5 s。

(4) 按下急停按钮时，机器所有动作均立即停止。急停复位后，再次按下启动按钮，机器按照控制要求(1)开始重新运行。

(5) 为方便设备检修和调试，设手动模式，此时料斗下料和3个输送带均可单独进行点动操作控制。

2 控制任务分析

根据PLC控制系统设计的方法和步骤，本控制系统的设计大致可分为以下几步：

(1) 分析控制对象，明确设计任务。根据系统的控制要求可知，控制系统分为手动运行和自动运行两种模式，在自动模式下，各部件动作的逻辑衔接主要依靠延时环节来实现，因此在程序设计中通过基本的位逻辑指令、定时器指令和跳转指令组合的方式来完成。

(2) 分析控制信号和被控对象，选定输入输出设备。在系统的输入信号中，正序启动按钮和逆序停止按钮分别用于控制系统在自动模式下的开始、停止；急停按钮用于紧急情况下的立即停机；4个手动按钮分别控制4个运动部件的点动控制。在输出信号中，用三组交流接触器作为3条输送带拖动电机的启停控制，一个电磁阀控制料斗的下料开启和关闭，一个电铃用作机器开启自动运行模式前的鸣笛警示。手/自动按钮用来控制机器设备的手动运行和自动运行模式的切换。因此，系统有8个控制信号和5个被控信号。

(3) 选定PLC型号，编制I/O分配表。本系统中，由于控制信号和被控信号分别为8个和5个，采用西门子S7-200 SMART PLC的CPU SR40就可以满足要求。系统的输入/输出点位地址分配如表1所示。

表1 I/O分配表

(4) 画出PLC外部接线图。将物料输送机的PLC外部接线图与内部控制程序相结合，才能完成一个控制系统设计。为了在出现故障的情况下通过急停按钮仍能及时关停设备，保障系统安全，急停按钮通常接其常闭触点。在控制程序设计过程中，程序需要与控制触点的接线情况(常开或常闭)一一对应。PLC设备的外部接线图如图2所示。

图2 PLC设备的外部接线图

(5) 设计控制程序。根据控制要求，系统的运行模式分为手动运行模式和自动运行模式，在程序设计过程中，可通过手/自动切换按钮(I0.7)结合跳转指令(JMP)来实现手动运行控制程序和自动运行控制程序的切换运行，控制程序结构框架如图3所示。

图3 控制程序结构框架

3 编程实现

3.1 手动运行控制程序

对于手动运行部分的程序，使各手动控制信号触点与相应的控制对象输出点线圈直连。为避免机器部件在紧急停止状态下运行，避免不安全因素的发生，将急停信号常开触点串接在手动程序的各程序段中。

3.2 自动运行控制程序

分别采用简单设计法和顺序控制设计法来实现物料输送机在自动运行模式下的控制程序。

3.2.1 简单设计法

简单设计法，是借鉴继电接触式电气原理图设计过程中所遵循的起-保-停法设计思想，找到各输出对象动作的启动信号、保持信号和停止信号来完成程序设计。需要注意的是，为了提高程序的可靠性，启动信号和停止信号最好保证是短信号。另外，如果输出对象的启动或停止有约束条件，则找出相应的约束条件[3]。一般情况下，程序内容按照图4(a)所示编程；有约束条件时，按照图4(b)所示编程。

图4 PLC程序简单设计法的梯形图程序

物料输送机自动运行模式下各控制对象具体的启动信号、保持信号、停止信号如表2所示。

表2 控制对象的启-保-停信号

根据简单设计法的程序设计思想，结合表2中各控制对象的启-保-停信号，即可设计出自动运行控制程序。

3.2.2 顺序控制设计法

顺序控制设计法也叫顺序功能图设计法，是一种先进的设计方法，在编写复杂控制系统程序时，可以节约60%～90%的设计时间[4]。顺序功能图主要是由步、转换、转换条件、箭头线和动作组成。在绘制顺序功能图的过程中，首先将被控制对象的工作过程按输出状态的变化合理划分为若干状态步，并指出各状态步之间的转换条件和每步对应的动作或维持的状态。其中步的划分不宜太大，否则编程冗杂、思路模糊；也不宜划分的太繁琐，否则影响程序的运行效率[5]。每个状态步之间相互联系，当前正在执行的步(激活步)在满足一定的转移条件后激活下一个状态步，同时自身则变成冻结状态步。在进行程序设计时，可以用中间继电器(M)来记忆各状态步，也可以用顺序控制指令(SCR)来实现。根据物料输送机自动运行模式下的控制要求绘制相应顺序功能图,如图5所示。

图5 物料输送机控制顺序功能图

根据图5和表1中的PLC I/O点位分配，采用顺序功能图设计法结合置复位指令可设计出物料输送机自动运行控制程序。

4 结语

通过对物料输送机的PLC控制程序设计过程进行分析比较，可知简单设计法和顺序控制设计法各有特点：

(1) 简单设计法根据启-保-停思想，需全面找到各控制对象的启动条件和停止条件，以及开启和关断信号的约束条件，属于较基础的设计方法。此法应用于简单控制任务时尚可，当遇到大型冗杂控制系统时，由于需要考虑的记忆、联锁等问题过多，程序存在难以考虑周全、系统维护困难等问题。

(2) 顺序控制设计法可使程序结构更清晰，逻辑性也较强，将每一步的动作限制在特定的时间或空间范围内，排除了此步的无关信号，基本上解决了简单设计法中对记忆、联锁等问题考虑过多的情况，使得程序运行可靠，维护方便。

综上，对于PLC程序设计而言，没有唯一的模式和统一的方法，我们进行PLC编程时，可根据具体的控制要求灵活选取程序设计方法，高效地编写出功能完善而又合理的控制程序。