在生產(chǎn)機(jī)械的自動(dòng)控制領(lǐng)域，PLC順序控制系統(tǒng)的應(yīng)用量大面廣。然而，工藝不同的生產(chǎn)機(jī)械要求設(shè)計(jì)不同的控制系統(tǒng)梯形圖。目前，不少電氣設(shè)計(jì)人員仍然采用經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法來(lái)設(shè)計(jì)PLC順序控制系統(tǒng)，不僅設(shè)計(jì)效率低，容易出差錯(cuò)，而且設(shè)計(jì)階段難以發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，需要多次調(diào)試、修改才符合設(shè)計(jì)要。本文提出的4種簡(jiǎn)易設(shè)計(jì)方法，能快速地一次設(shè)計(jì)成功PLC順序控制系統(tǒng)。
順序控制系統(tǒng)的特點(diǎn)及設(shè)計(jì)思路
1．特點(diǎn)順序控制系統(tǒng)是指按照預(yù)定的受控執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作順序及相應(yīng)的轉(zhuǎn)步條件，一步一步進(jìn)行的自動(dòng)控制系統(tǒng)。其受控設(shè)備通常是動(dòng)作順序不變或相對(duì)固定的生產(chǎn)機(jī)械。這種控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)步主令信號(hào)大多數(shù)是行程開(kāi)關(guān)（包括有觸點(diǎn)或無(wú)觸點(diǎn)行程開(kāi)關(guān)、光電開(kāi)關(guān)、干簧管開(kāi)關(guān)、霍爾元件開(kāi)關(guān)等位置檢測(cè)開(kāi)關(guān)），有時(shí)也采用壓力繼電器、時(shí)間繼電器之類(lèi)的信號(hào)轉(zhuǎn)換元件作為某些步的轉(zhuǎn)步主令信號(hào)。
為了使順序控制系統(tǒng)工作可靠，通常采用步進(jìn)式順序控制電路結(jié)構(gòu)。所謂步進(jìn)式順序控制，是指控制系統(tǒng)的任一程序步（以下簡(jiǎn)稱(chēng)步）的得電必須以前一步的得電并且本步的轉(zhuǎn)步主令信號(hào)已發(fā)出為條件。對(duì)生產(chǎn)機(jī)械而言，受控設(shè)備任一步的機(jī)械動(dòng)作是否執(zhí)行，取決于控制系統(tǒng)前一步是否已有輸出信號(hào)及其受控機(jī)械動(dòng)作是否已完成。若前一步的動(dòng)作未完成，則后一步的動(dòng)作無(wú)法執(zhí)行。這種控制系統(tǒng)的互鎖嚴(yán)密，即便轉(zhuǎn)步主令信號(hào)元件失靈或出現(xiàn)誤操作，亦不會(huì)導(dǎo)致動(dòng)作順序錯(cuò)亂。
2．設(shè)計(jì)思路本文提出的4種簡(jiǎn)易設(shè)計(jì)方法都是先設(shè)計(jì)步進(jìn)階梯，在步進(jìn)階梯實(shí)現(xiàn)由轉(zhuǎn)步主令信號(hào)控制輔助繼電器得失電；然后根據(jù)步進(jìn)階梯設(shè)計(jì)輸出階梯，在輸出階梯實(shí)現(xiàn)由輔助繼電器控制輸出繼電器得失電。這4種設(shè)計(jì)法所設(shè)計(jì)的梯形圖電路結(jié)構(gòu)及相應(yīng)的指令應(yīng)適用于大多數(shù)PLC機(jī)型，具有通用性。
由于各種PLC機(jī)型的編程元件代號(hào)及其編號(hào)不盡相同，為便于闡述，本文約定：所有梯形圖中的輸入繼電器、輸出繼電器、輔助繼電器（又稱(chēng)內(nèi)部繼電器）的代號(hào)分別為：X、Y、M。設(shè)計(jì)中所用到的某些功能指令，如置位指令約定為S×，復(fù)位指令為R×；移位指指令為SR×。其中的“×”表示編程元件的編號(hào)，用十進(jìn)制數(shù)表示。用這些方法設(shè)計(jì)實(shí)際的控制系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)將編程元件代號(hào)和編號(hào)變換成所選用的PLC機(jī)型對(duì)應(yīng)的代號(hào)和編號(hào)。
圖1 順序控制流程
下面分別介紹各種設(shè)計(jì)方法。其中，前3種方法的設(shè)計(jì)依據(jù)都是圖1所示的順序控制流程。圖中，步1的轉(zhuǎn)步主令信號(hào)X0為連接啟動(dòng)按鈕的輸入繼電器（為簡(jiǎn)明起見(jiàn)，后述的轉(zhuǎn)步主令信號(hào)均省去“輸入繼電器”幾個(gè)字，只提輸入信號(hào)），X1為原位開(kāi)關(guān)信號(hào)，X2、X3、X4分別為步2、3、4的轉(zhuǎn)步主令開(kāi)關(guān)信號(hào)。M1～M5分別為各步的受控輔助繼電器。Y1～Y4分別為各步受控的輸出繼電器。
一、逐步得電同步失電型步進(jìn)順序控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)法
如圖2所示，這種設(shè)計(jì)方法是根據(jù)“與”、“或”、“非”的基本邏輯關(guān)系，設(shè)計(jì)成串聯(lián)、并聯(lián)或串、并聯(lián)復(fù)合的電路結(jié)構(gòu)。
圖2 逐步得電同步失電步進(jìn)順控梯形圖
1．步進(jìn)階梯的設(shè)計(jì)步進(jìn)階梯的結(jié)構(gòu)
如圖2a所示。步1的M1得電條件是受控機(jī)械原位開(kāi)關(guān)X1處于壓合狀態(tài)（若受控機(jī)械有多個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，則要求每個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的原位開(kāi)關(guān)均處于壓合狀態(tài)），滿(mǎn)足原位條件后按起動(dòng)按鈕X0才能得電。M1得電后自鎖，并為步2提供步進(jìn)條件信號(hào)（M1的常開(kāi)觸點(diǎn)）。步1的執(zhí)行動(dòng)作完成時(shí)觸發(fā)的行程開(kāi)關(guān)信號(hào)X2作為步2的轉(zhuǎn)步條件信號(hào)。步2的M2的輸入滿(mǎn)足其步進(jìn)條件和轉(zhuǎn)步條件后得電自鎖，并為步3提供步進(jìn)條件信號(hào)。按此規(guī)律即可實(shí)現(xiàn)后續(xù)每一工作步輔助繼電器的得電和自鎖。停止步M5的步進(jìn)條件信號(hào)和轉(zhuǎn)步條件信號(hào)分別為：最后一個(gè)工作步M4發(fā)出的步進(jìn)條件信號(hào)（M4的常開(kāi)觸點(diǎn)）和該步動(dòng)作完成時(shí)所觸發(fā)的轉(zhuǎn)步信號(hào)X1。由于M5的得電信號(hào)令控制系統(tǒng)失電，所以M5的回路不自鎖，而且要將其常閉觸點(diǎn)串聯(lián)在步1回路的最左端。從步2起后續(xù)各個(gè)步的回路構(gòu)成分支回路。一旦M5得電便使整個(gè)系統(tǒng)失電。如不用分支回路的結(jié)構(gòu)，也可采用圖3所示的回路。即把M5常閉觸點(diǎn)分別串聯(lián)在每步輔助繼電器的回路上。應(yīng)該注意的是：無(wú)論工作步還是停止步，如果某步的轉(zhuǎn)步主令信號(hào)有多個(gè)，則應(yīng)將多個(gè)轉(zhuǎn)步主令信號(hào)互相串聯(lián)。
圖3 逐步得電同步失電梯形圖
2．輸出階梯的設(shè)計(jì)輸出階梯
如圖2b所示。其設(shè)計(jì)方法是：（1）在控制流程圖中，找出某輸出繼電器M在哪一步開(kāi)始得電和在哪一步開(kāi)始失電，以此確定其得電信號(hào)（步進(jìn)階梯中使M開(kāi)始得電的輔助繼電器常開(kāi)觸點(diǎn)）和失電信號(hào)（步進(jìn)階梯中使M開(kāi)始失電的輔助繼電器常閉觸點(diǎn)）；（2）將得電信號(hào)、失電信號(hào)和受控輸出繼電器線(xiàn)圈串聯(lián)。如果某個(gè)輸出繼電器在一個(gè)工作循環(huán)中多次得電失電，則將每次得失電的串聯(lián)信號(hào)互相并聯(lián)即可。例如，圖1中輸出繼電器Y1要求在步1和步3得電，在其余步失電。在圖2b畫(huà)其控制回路時(shí)，將圖1所示的第一次得電信號(hào)M1和第一次失電信號(hào)M2串聯(lián)，第二次得電信號(hào)M4和第二次失電信號(hào)串聯(lián)，然后將二者并聯(lián)起來(lái)，再與Y1的線(xiàn)圈串聯(lián)便構(gòu)成Y1的控制回路。其余依此類(lèi)推。
二、逐步得電逐步失電型步進(jìn)順序控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)法
1．步進(jìn)階梯設(shè)計(jì)
按圖1所示的控制流程，采用逐步得電逐步失電型順序控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)的步進(jìn)階梯如圖4a所示，其電路結(jié)構(gòu)與圖3的不同點(diǎn)之一是每步的失電由下一步輔助繼電器的常閉接點(diǎn)控制；之二是步1回路必須串聯(lián)步2至最后工作步4的輔助繼電器常閉觸點(diǎn)。以防電路工作時(shí)，因誤操作再次起動(dòng)而導(dǎo)致控制順序錯(cuò)亂。其余的電路結(jié)與圖3相同。
2．輸出階梯設(shè)計(jì)輸出階梯如圖4b所示，輸出繼電器的控制回路根據(jù)控制流程直觀確定。例如，輸出繼電器Y1要求在步1、3得電，則將步1、3的輔助繼電器M1、M3的常開(kāi)觸點(diǎn)并聯(lián)，再與Y1的線(xiàn)圈串聯(lián)即可。其余輸出繼電器的控制回路構(gòu)成方法與此相同。
圖4 逐步得電逐步失電型順控系統(tǒng)梯形圖
三、置位/復(fù)位指令型順序控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)法
1．步進(jìn)階梯設(shè)計(jì)圖5a為用置位/復(fù)位指令設(shè)計(jì)的順序控制系統(tǒng)步進(jìn)階梯。其設(shè)計(jì)依據(jù)也是圖1所示的控制流程。該步進(jìn)階梯結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是每步的輔助繼電器都有一個(gè)置位線(xiàn)圈和一個(gè)復(fù)位線(xiàn)圈，二者編號(hào)相同。步1利用置位指令S使輔助繼電器M1置位（即M1線(xiàn)圈得電后內(nèi)部自鎖），建立步1程序，并為步2提供步進(jìn)條件信號(hào)。當(dāng)步2的轉(zhuǎn)步主令信號(hào)發(fā)出（X2閉合），指令S使M2置位，建立步2程序，同時(shí)復(fù)位指令R使M1復(fù)位，撤銷(xiāo)步1程序。同理可畫(huà)出后續(xù)各步繼電器置位/復(fù)位梯形圖。當(dāng)最后一步完成并回到原位（X1閉合）時(shí)，指令R使M4復(fù)位，系統(tǒng)的工作循環(huán)結(jié)束。
2．輸出階梯設(shè)計(jì)圖5b為輸出階梯結(jié)構(gòu)，與圖4b完全相同，不再贅述。
圖5 置位/復(fù)位指令型順序控制電路
四、移位指令型順序控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
1．步進(jìn)階梯設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)依據(jù)如圖6所示。圖7a為按圖6所示要求采用移位指令設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)的順序控制系統(tǒng)步進(jìn)階梯，這種步進(jìn)階梯由一個(gè)8位移位寄存器（由移位指令定義輔助繼電器M20～M27而成）作為控制元件。該移位寄存器中的IN為移位數(shù)據(jù)輸入端，CP為移位脈沖輸入端，R為復(fù)位端。這三個(gè)輸入端的輸入信號(hào)均為脈沖上升沿有效。對(duì)順序控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，輸入IN的信號(hào)必須是一個(gè)單脈沖信號(hào)，即移位數(shù)據(jù)為“1”。起動(dòng)步1時(shí)，IN和CP同時(shí)輸入按鈕信號(hào)X0的脈沖上升沿后，在IN端生成的移位數(shù)據(jù)“1”便移入移位寄存器的M20位，此時(shí)該位有輸出（即輸出M20的常開(kāi)觸點(diǎn)閉合信號(hào)），建立步1程序，并為步2提供步進(jìn)條件信號(hào)；M20的常閉觸點(diǎn)即時(shí)斷開(kāi)IN輸入端和CP的步1輸入端，完成數(shù)據(jù)“1”輸入和移位脈沖輸入。從步2起，本步的轉(zhuǎn)步主令信號(hào)一發(fā)出（X2接通），便輸入一個(gè)移位脈沖上升沿，使原來(lái)移入M20位的數(shù)據(jù)“1”移入M21位，建立步2程序，并為步3提供步進(jìn)條件信號(hào)。移位后，M20位的狀態(tài)變?yōu)?，即其相應(yīng)的步1被撤銷(xiāo)，輸出為0。依此類(lèi)推便可實(shí)現(xiàn)整個(gè)步進(jìn)階梯逐步得電和逐步失電。最后一步完成并回到原位（X1接通）時(shí)，接通移位寄存器的復(fù)位端R，使移位寄存器復(fù)位清零，整個(gè)控制系統(tǒng)失電停止。
圖6 移位順序控制流程圖
圖7 移位指令型順序控制電路
設(shè)計(jì)這種步進(jìn)階梯時(shí)要注意以下問(wèn)題：（1）在一個(gè)自動(dòng)工作循環(huán)內(nèi)，移位寄存器的移位數(shù)據(jù)輸入端IN只允許起動(dòng)時(shí)輸入一個(gè)單脈沖信號(hào)。也就是說(shuō)起動(dòng)時(shí)只能輸入移位數(shù)據(jù)“1”。步進(jìn)階梯的工作原理就是根據(jù)輸入的數(shù)據(jù)“1”，在移位寄存器中逐步向高位移位來(lái)實(shí)現(xiàn)逐步得電和逐步失電。所以輸入端IN要串聯(lián)每個(gè)移位輸出位的常閉觸點(diǎn)；（2）移位寄存器對(duì)移位脈沖輸入端開(kāi)關(guān)的抖動(dòng)非常敏感。若開(kāi)關(guān)抖動(dòng)一次，相當(dāng)于多輸入了一個(gè)移位脈沖，移位數(shù)據(jù)“1”隨之多移了一位。由于接點(diǎn)式開(kāi)關(guān)被觸發(fā)時(shí)難免產(chǎn)生抖動(dòng)。為消除這種影響，在移位脈沖輸入端的步1輸入回路，必須串聯(lián)移位寄存器0位（本例為M20）的常閉觸點(diǎn)，一旦移位數(shù)據(jù)移入M20位，便斷開(kāi)步1的輸入回路；而從步2開(kāi)始，每步的輸入回路也要串聯(lián)上一位的常開(kāi)觸點(diǎn)。例如步2的輸入回路要串聯(lián)上一位M20的常開(kāi)觸點(diǎn)。這樣，當(dāng)移位到步2轉(zhuǎn)步主令信號(hào)對(duì)應(yīng)的M21位時(shí)，便立即斷開(kāi)步2的輸入回路。采用這樣的移位脈沖輸入回路結(jié)構(gòu)，可確保每步的轉(zhuǎn)步輸入信號(hào)持續(xù)時(shí)間只有PLC的一個(gè)掃描周期（一般只有幾Mｓ），因開(kāi)關(guān)的抖動(dòng)時(shí)間遠(yuǎn)大于PLC的一個(gè)掃描周期。所以可有效地消除開(kāi)關(guān)抖動(dòng)的影響。
2．輸出階梯設(shè)計(jì)圖7b為輸出階梯，其結(jié)構(gòu)與圖4b相同，只是輔助繼電器編號(hào)不同而已。
結(jié)束語(yǔ)
上述4種PLC順序控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的共同特點(diǎn)是：
（1）由輸入繼電器控制輔助繼電器（包括由置位/復(fù)位指令和移位指令定義的輔助繼電器），按此構(gòu)成步進(jìn)階梯；
（2）由輔助繼電器控制輸出繼電器，以此構(gòu)成輸出階梯；
（3）無(wú)論步進(jìn)階梯還是輸出階梯，都是很有規(guī)律的回路結(jié)構(gòu)。不管要設(shè)計(jì)的順序控制系統(tǒng)有多少步，也不管其輸入輸出點(diǎn)數(shù)有多少，只要弄清各種設(shè)計(jì)方法所設(shè)計(jì)的步進(jìn)階梯和輸出階梯的回路結(jié)構(gòu)的規(guī)律性，根據(jù)設(shè)計(jì)依據(jù)，套用其中任一種設(shè)計(jì)方法的回路結(jié)構(gòu)，就能快速地一次成功設(shè)計(jì)出較復(fù)雜的PLC順序控制系統(tǒng)。
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