文獻標識碼：B文章編號：1003-0492（2023）03-084-05中圖分類(lèi)號：TP29

★ 易正花（黔南民族職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州都勻558000）

摘要：隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)、柔性制造、智能工廠(chǎng)、工業(yè)機器人等對設備自動(dòng)化程度的要求越來(lái)越高，相應對PLC的編程應用要求也越來(lái)越高。本文歸納總結了研發(fā)一款自動(dòng)化設備其中電控系統設計的一般步驟和思路，為電控設計初學(xué)者提供了方向，并對其中PLC程序的編寫(xiě)進(jìn)行了總結，提出了順序控制的編程的4種方法：?jiǎn)?dòng)-保持-停止、置位SET復位RST、順序控制指令SCR、傳送比較指令MOV。文中對這幾種編程方法逐一進(jìn)行了講解，使用這些方法，可以把復雜的程序結構化、模塊化、簡(jiǎn)單化，從而更快地掌握PLC的編程思路，縮短學(xué)習時(shí)間，提高效率。

關(guān)鍵詞：電控系統設計；PLC程序；順序控制；功能圖

1 引言

筆者曾在工廠(chǎng)做過(guò)自動(dòng)化設備的設計與研發(fā)工作，對自動(dòng)化設備的研發(fā)過(guò)程有一定的了解，并熟悉PLC編程技術(shù)與應用。筆者曾自主設計過(guò)四柱應刷機、涂膠機等自動(dòng)化設備，后來(lái)到高職院校工作后，曾上過(guò)PLC應用技術(shù)和自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)的安裝與調試等課程。在上課過(guò)程中，筆者發(fā)現學(xué)生對現有的自動(dòng)化教學(xué)設備是如何生產(chǎn)出來(lái)的、設計的步驟和思路不清楚，對自動(dòng)化控制過(guò)程中順序控制的編程思路也不是很清楚。而且目前出版的教材多為PLC指令的教學(xué)及經(jīng)典案例的講解，并沒(méi)有一套完善的電控設計思路和步驟的講解。通過(guò)多年工作經(jīng)驗及教學(xué)經(jīng)驗，筆者總結出了自動(dòng)化設備設計的一般思路和步驟。自動(dòng)化設備的研發(fā)包括機械設計和電控設計兩個(gè)方面，本文重點(diǎn)介紹電控系統設計的一般思路和步驟，并總結了自動(dòng)化設備PLC順序編程控制中常用的幾種編程思路。

2 電控系統設計的一般步驟

一套完整自動(dòng)化設備的研發(fā)包括機械設計和電控設計兩個(gè)方面，所以一個(gè)自動(dòng)化產(chǎn)品研發(fā)部門(mén)一般會(huì )分為機械設計部門(mén)和電控設計部門(mén)，這兩個(gè)部門(mén)的工程師相互合作才能完成一套自動(dòng)化產(chǎn)品的設計。作為電控設計工程師，我們該如何完成的工作呢？筆者通過(guò)自己的工作經(jīng)驗，總結為以下幾個(gè)步驟：

2.1 弄清楚本單元的工藝動(dòng)作流程

當我們接到設計任務(wù)之后，不要著(zhù)急繪制電路圖等工作，要先跟客戶(hù)或者機械設計師溝通交流，明確設備生產(chǎn)工藝流程，掌握機械硬件的基本架構布局，清楚整個(gè)設備的結構框架。

2.2 根據設備動(dòng)作要求，繪制設備動(dòng)作流程圖

流程圖就是使用圖形表示算法的思路，是一種極好的方法，因為千言萬(wàn)語(yǔ)不如一張圖。流程圖在匯編語(yǔ)言和早期的BASIC語(yǔ)言環(huán)境中得到應用。從動(dòng)作流程圖中，我們可以清楚地看出設備動(dòng)作的先后順序及運行條件，從而對整個(gè)系統的控制功能、規模、控制方式、I/O配置等形成一個(gè)初步方案。繪制工藝流程圖，可以更清楚地掌握設備動(dòng)作先后順序，為下一步編程打下基礎。圖1為亞龍自動(dòng)化生產(chǎn)性供料單元的動(dòng)作流程圖，從該圖中，我們可以清楚地知道各個(gè)執行機構動(dòng)作的先后順序，便于后續編寫(xiě)自動(dòng)控制流程的PLC程序。

圖1 亞龍自動(dòng)化生產(chǎn)性供料單元的動(dòng)作流程圖

2.3 明確單元控制要求，反復跟客戶(hù)溝通，滿(mǎn)足客戶(hù)的實(shí)際需求

這一步，需要我們設計師在知道設備大概動(dòng)作流程的基礎上，反復跟客戶(hù)溝通，根據客戶(hù)實(shí)際生產(chǎn)需要的一些特殊要求。這很重要，我們生產(chǎn)出來(lái)的設備，最終是要交給客戶(hù)使用的，所以我們不能全憑自己的經(jīng)驗去設計，而是要符合客戶(hù)實(shí)際的需求。

2.4 統計系統的IO點(diǎn)數

這一步主要是根據系統控制要求，統計完成該系統的設計共需要的IO點(diǎn)位數，為下一步選擇PLC型號做好準備。每一款PLC的IO點(diǎn)數是固定的，所以我們在設計時(shí)，一定要做好統計。一般選擇PLC型號的時(shí)候，要求實(shí)際的IO點(diǎn)數要大于我們預統計的數，這樣在以后設備需要改動(dòng)的時(shí)候，才能靈活使用。表1為自動(dòng)化生產(chǎn)性供料單元的IO點(diǎn)數統計表。

表1 自動(dòng)化生產(chǎn)性供料單元的IO點(diǎn)數統計表

2.5 元器件選型

根據本系統的控制要求，選擇所需的電控元件，并制成表格，發(fā)采購部門(mén)采購元件。制作的元件統計表一般要包括品名型號/規格、單位、單價(jià)、數量、交貨要求等信息，如表2所示。

表2 元件統計表

2.6 繪制電氣系統圖

電氣系統圖一般分為電路原理圖和安裝接線(xiàn)圖，很多新手經(jīng)常把這兩個(gè)圖混淆。原理圖就是電路的工作原理圖，表達的意思是各元件是怎么工作的，指的就是詳細的電路圖，側重點(diǎn)就是電氣原理，知道為什么這樣。接線(xiàn)圖是各元件與元件之間是怎么相連的表達圖形。接線(xiàn)圖就是給接線(xiàn)員接線(xiàn)用的，側重點(diǎn)就是把復雜的線(xiàn)型線(xiàn)號分清楚，方便接線(xiàn)。根據原理圖可以接線(xiàn)，但是，原理圖對工人的要求很高，工人必須具備相應的專(zhuān)業(yè)知識，沒(méi)有相關(guān)專(zhuān)業(yè)知識的工人，在線(xiàn)多的情況下很容易出錯。而接線(xiàn)圖詳細標出線(xiàn)的線(xiàn)號、型號和具體接線(xiàn)的地方，不顯示接線(xiàn)原理，方便施工，對工人要求低，工人只要照著(zhù)圖上的標識進(jìn)行相應的接線(xiàn)即可。接線(xiàn)圖與原理圖如圖2所示。

（a）接線(xiàn)圖

（b）原理圖

圖2 接線(xiàn)圖與原理圖

2.7 根據電路圖，完成接線(xiàn)

這一步一般由專(zhuān)門(mén)的接線(xiàn)師傅根據設計師繪制的電路原理圖和接線(xiàn)圖，按照要求正確完成接線(xiàn)工作。也有的公司由于人數不夠或者其他原因，接線(xiàn)工作由電控設計師自己完成。

2.8 PLC程序編寫(xiě)與調試

常用的PLC編程方法有經(jīng)驗法和圖解法。

2.8.1 經(jīng)驗法

使用經(jīng)驗法編程，沒(méi)有固定的模式可以套用，全憑設計師多年的工作經(jīng)驗，以及不斷總結出來(lái)的思路，即在自己以前做過(guò)的項目中找到相似的案例進(jìn)行修改，直至適合當前的情況。對于比較復雜的系統，需要考慮的因素比較多，考慮的問(wèn)題也比較復雜，這時(shí)候思維會(huì )很混亂。并且，經(jīng)驗法對于有工作經(jīng)驗的設計師來(lái)說(shuō)，比較容易理解，但是對于初學(xué)者來(lái)說(shuō)，沒(méi)有可以遵循的思路進(jìn)行借鑒，不容易上手。

2.8.2 圖解法

圖解法是靠畫(huà)圖進(jìn)行設計，常用的方法有梯形圖法、波形圖法及流程法。梯形圖法是PLC最基本的編程方法，也是最簡(jiǎn)單、最直觀(guān)的圖形化編程方法，對于初學(xué)者來(lái)說(shuō)，易懂好學(xué)。順序控制編程的思路，主要有邏輯清楚的特點(diǎn)，適用于編寫(xiě)設備的順序動(dòng)作流程。

這一步主要分為主程序和子程序的編寫(xiě)。一般主程序主要考慮以下幾個(gè)問(wèn)題：（1）如何初始化程序；（2）如何調用各個(gè)子程序；（3）如何啟動(dòng)和停止程序。子程序主要是用來(lái)編寫(xiě)系統中各個(gè)控制單元動(dòng)作流程的程序，比如亞龍自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)包括：供料單元、加工單元、裝配單元、分揀單元和輸送單元，共5個(gè)控制單元，就可以用5個(gè)子程序來(lái)編寫(xiě)它們各自的順序動(dòng)作程序。而主程序主要按照系統工藝流程分別調用這5個(gè)子程序和停止控制系統。

順序控制編程的基本思路是先畫(huà)出系統的先后動(dòng)作流程圖，再根據流程圖編程。首先，將整個(gè)控制系統分解成若干個(gè)有先后動(dòng)作順序的步驟，每一個(gè)步驟簡(jiǎn)稱(chēng)為步，也可以稱(chēng)為狀態(tài)，用一個(gè)方框符號表示每一個(gè)步驟，可以在方框旁邊簡(jiǎn)單地說(shuō)明該步主要完成的動(dòng)作內容。其次，步與步之間用短直線(xiàn)連接，并在中間標注步之間轉換的條件。當條件滿(mǎn)足的時(shí)候，跳轉到下一步，以此類(lèi)推，直至完成整個(gè)系統功能流程圖的繪制。順序功能圖主要的組成如下：

（1）步：步是順序功能圖中最重要的一個(gè)參數。步一般包括：初始步和工作步。初始步表示系統的開(kāi)始，用雙線(xiàn)框來(lái)表示；工作步分為活動(dòng)步和靜止步，活動(dòng)步表示系統正在執行的步，處于激活狀態(tài)，靜止步表示沒(méi)有運行的步。步又可以分為單序列、選擇序列和并行序列3種形式。單序列：從上到下只有一條分支，每一步的后面只有一個(gè)狀態(tài)執行；選擇序列：有分支，有多種情況可以選擇，滿(mǎn)足相應的條件，則跳轉到相應的步運行；并行序列：當滿(mǎn)足某個(gè)條件的時(shí)候，同時(shí)執行多個(gè)步。

（2）有向連線(xiàn)：步與步之間不能直接相連，必須用有向線(xiàn)段連接。一般情況，從上向下或者從左到右畫(huà)時(shí)，可以省略箭頭，而從下向上或者從右到左畫(huà)時(shí)，必須畫(huà)上箭頭。

（3）轉換條件：步與步之間不能無(wú)條件的跳轉，必須滿(mǎn)足某個(gè)條件才能跳轉，一般用短橫線(xiàn)表示，并在旁邊標注轉換的條件。

（4）動(dòng)作：動(dòng)作指的是每個(gè)步執行的內容或者要完成的功能，一般在流程圖中步的旁邊簡(jiǎn)單說(shuō)明該步的動(dòng)作內容。

圖3 動(dòng)作順序流程圖

動(dòng)作流程圖繪制完之后，下一步就應該是程序的編寫(xiě)了。而在教學(xué)過(guò)程中，筆者發(fā)現大部分同學(xué)對如何編寫(xiě)順序控制流程程序的思路不是很清楚。接下來(lái)，我們重點(diǎn)歸納總結一下順序控制流程的PLC編程思路。在編寫(xiě)順序控制流程程序的時(shí)候，要注意，在某一個(gè)時(shí)刻，只能有一步是導通的。

（1）第1種方法：?jiǎn)?dòng)-保持-停止的編程思路

啟-保-停的編程思路是PLC編程中最基本的編程思路，也是最能訓練學(xué)生邏輯思維能力的一種編程方法。如圖4所示，該方法同樣是在編程之前，先畫(huà)出系統的順序控制功能圖，并用輔助繼電器M作為步的標注位。

圖4 啟動(dòng)-保持-停止的編程思路圖

（2）第2種方法：使用置位-復位指令編程

對于順序控制流程，使用置位SET指令和復位RST指令也能完成PLC程序的編程。需要注意的是，一旦對某個(gè)軟元件進(jìn)行置位之后，它就會(huì )一直保持導通狀態(tài)，除非用復位指令對它進(jìn)行復位。SET和RST要成對使用，對某個(gè)軟元件SET之后，程序中要用RST指令對它進(jìn)行復位，若少用一個(gè)，那么我們的程序就不完善，存在漏洞。

圖5 置位-復位指令編程圖

如圖5所示，以上程序含義：程序一上電運行就導通第0步，置位M10.0，同時(shí)把最后一步復位；I0.0導通的時(shí)候，導通第2步（SETM10.1），在第2步的時(shí)候，復位上一步（M10.0），一定要記得復位上一步；當滿(mǎn)足條件I0.1導通的時(shí)候，導通第3步（SETM10.1），按此順序下去直到所有的步都按照流程圖編程完畢。以上程序只是完成了動(dòng)作流程的步驟編程，至于每一步要執行什么動(dòng)作，在程序的后面統一做輸出處理。比如以下程序表示第1步和第2步的時(shí)候讓Q0.1導通，第3步和第4步的時(shí)候讓Q0.2導通，這樣過(guò)程和結果輸出分開(kāi)處理，便于程序的查看，邏輯性更強。

（3）第3種方法：使用PLC特有的順序控制指令SCR編程

順序控制的編程方法，思路清楚，且有一定的規律可以遵循。對于初學(xué)者來(lái)說(shuō)，很快就能入門(mén)，所以很多品牌的PLC開(kāi)發(fā)商都會(huì )開(kāi)發(fā)自己的順序控制編程指令。西門(mén)子公司在S7-200系列PLC中設置了順控繼電器指令用于順序控制，編程元件的編號為S0.0～S31.7。順控繼電器也稱(chēng)為狀態(tài)器，順控繼電器指令用于步進(jìn)順控程序的編制。順序控制主要有3條指令：SCR，段的開(kāi)始；SCRT，段的跳轉；SCRE，段的結束。

圖6 順序控制指令SCR編程圖

SCR順序控制指令與之前的啟-保-停方法和置位SET復位RST方法的區別是：（1）保-停方法和置位SET復位RST方法是PLC通用的編程思路，任何一款PLC都能使用該編程思路，而SCR順序控制指令是西門(mén)子PLC特有的順序控制指令，其他PLC不能使用。其他PLC也有類(lèi)似的順序控制指令，但是指令和使用方法不一樣，使用的時(shí)候要注意區別。（2）SCR轉移條件滿(mǎn)足：狀態(tài)轉移，前1狀態(tài)復位，后1狀態(tài)置位。SCR指令是專(zhuān)門(mén)為順序控制流程而開(kāi)發(fā)的，其內部已經(jīng)做好的設置：當滿(mǎn)足條件，跳轉到下一步的時(shí)候，上一步會(huì )自動(dòng)復位，不像前面所述的那2種方法，要專(zhuān)門(mén)使用指令或者程序才能讓上一步復位。這樣對于初學(xué)者來(lái)說(shuō)，很容易忘記復位上一步，從而導致在某一時(shí)刻，有2個(gè)步同時(shí)處于激活狀態(tài)。（3）使用SCR順序控制指令編程，可以減少占用的內存空間，對于復雜的程序，可以有效減少運行時(shí)間，提高PLC的運行響應速度。

（4）第4種方法：使用傳送和比較指令

使用傳送指MOVB和比較指令也可以實(shí)現順序控制程序的編寫(xiě)。這種編程方法是最簡(jiǎn)單易學(xué)的，對參加技能比賽等短期訓練，可以起到很好的預期效果，但是對于學(xué)生的PLC邏輯思維能力的訓練不是很好，有些同學(xué)學(xué)會(huì )這個(gè)方法之后，會(huì )出現放棄之前介紹的幾種方法的學(xué)習的情況，所以建議該方法放在課程最后面講，避免學(xué)生走捷徑。

圖7 傳送和比較指令編程圖

如圖7所示，程序一上電運行，把0傳送到變量VB0，然后進(jìn)行比較。當VB0=0，且I0.0導通的時(shí)候把1傳送到變量VB0，跳轉到第1步，第1步輸出Q0.0，然后判斷條件；當且I0.1導通的時(shí)候把2傳送到變量VB0，跳轉到第2步，第2步輸出Q0.1，然后判斷條件；當且I0.2導通的時(shí)候把3傳送到變量VB0，跳轉到第3步，第3步輸出Q0.3，以此類(lèi)推，直到完成所有流程的程序編寫(xiě)。

程序編寫(xiě)完成之后，電控設計師要到現場(chǎng)進(jìn)行PLC程序的調試?，F場(chǎng)調試一般包括以下幾個(gè)部分：機械部分調試、電氣部分調試、氣動(dòng)部分調試、PLC程序調試、單元單站運行及全線(xiàn)自動(dòng)手動(dòng)運行調試等，直至達到預先設計的動(dòng)作效果。

最后一步：完成設備操作說(shuō)明書(shū)撰寫(xiě)，交與客戶(hù)。

這是設備設計的最后一個(gè)環(huán)節，當我們把設備調試完成之后，要根據程序的編寫(xiě)撰寫(xiě)操作說(shuō)明書(shū)，然后交給客戶(hù)便于以后操作和維護設備。

3 總結

自動(dòng)化設備電控系統設計的步驟大概可以分成九步，在實(shí)際設計過(guò)程中，可以根據實(shí)際情況適當的調整。對于初學(xué)者來(lái)說(shuō)，可以參考，便于更快地理清楚電控系統設計的步驟。文中提到的4種順序控制的編程方法，使用者可以根據自己的習慣和愛(ài)好，選擇其中一種適合自己的編程方法。每一種都有自己的優(yōu)點(diǎn)和不足，在使用中可以多試不同的方法，從而更好地掌握PLC編程技巧和方法。

作者簡(jiǎn)介：

易正花（1987-），女，貴州獨山人，學(xué)士，現就職于黔南民族職業(yè)技術(shù)學(xué)院，研究方向為PLC技術(shù)、電氣自動(dòng)化技術(shù)。

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摘自《自動(dòng)化博覽》2023年3月刊