任慧超 季昌劍

【摘 要】本文針對工業(yè)生產(chǎn)中按順序步驟執(zhí)行的生產(chǎn)工藝過程，提出一類可操作的程序控制的應(yīng)用方法，即為順序功能控制法，按此方法進(jìn)行相關(guān)工業(yè)生產(chǎn)的控制，可大幅度提高工業(yè)生產(chǎn)自動化控制程序編寫的效率，并方便調(diào)試與修改。

【關(guān)鍵詞】順序控制;自動化;工業(yè)生產(chǎn)

引言

在工業(yè)生產(chǎn)中，經(jīng)常會遇到有順序有步驟的工藝生產(chǎn)過程，它是根據(jù)一定的觸發(fā)條件，順序激活各個步驟，在每一個步驟執(zhí)行相應(yīng)動作。通過對這種有順序有步驟的工藝生產(chǎn)過程的控制方法與編程思想進(jìn)行研究、歸納、總結(jié)，可得出一套系統(tǒng)性的順序功能控制法，對于日后搭建類似生產(chǎn)工藝控制系統(tǒng)，可大幅度提高工作效率，同時便于程序員調(diào)試，修改相應(yīng)程序。

1.順序功能圖

順序功能圖不是直接可被邏輯控制器讀取的編程語言，而是一種程序員所用的便于編程的工具。它是將實際工業(yè)生產(chǎn)的控制過程轉(zhuǎn)化為描述整個生產(chǎn)工藝過程的圖形，它包括有向線段，觸發(fā)條件，步以及每一步所執(zhí)行動作。

下面以機(jī)床動力頭的運(yùn)動說明順序功能圖的繪制方法。如圖1所示，組合機(jī)床的動力頭在起始位置按下啟動按鈕后前進(jìn)，碰到限位開關(guān)停止并且指示燈亮，1秒后動力頭后退，回到起始位置，等待下一次啟動按鈕被按下。

對此工作過程，繪制順序功能圖。首先，明確此工作過程存在三個“步”，分別是前進(jìn)步，指示燈亮步以及后退步;然后明確每一步的激活觸發(fā)條件，即按下啟動按鈕、碰到限位開關(guān)、計時1秒、回到起始位置;然后明確每一步的執(zhí)行動作，即前進(jìn)電動機(jī)通電運(yùn)行、指示燈通電點亮、后退電動機(jī)通電運(yùn)行。據(jù)此可繪制順序功能圖工藝圖版，將步、觸發(fā)條件及執(zhí)行步驟分配好編程地址，根據(jù)工藝圖可進(jìn)一步繪制出順序功能圖，方便后續(xù)編程。如圖1所示。

值得注意的是，在順序功能圖中存在起始步，該步無任何動作，其功能為使系統(tǒng)等待啟動第一步的觸發(fā)條件，處于待命狀態(tài)。

2.順序控制的結(jié)構(gòu)類型

根據(jù)不同的生產(chǎn)工藝控制過程，順序控制可分為三種結(jié)構(gòu)類型，分別為單序列型、選擇型和并列序列型。

2.1單序列型結(jié)構(gòu)

單序列型結(jié)構(gòu)順序控制是所有結(jié)構(gòu)順序控制的基礎(chǔ)，其步態(tài)轉(zhuǎn)換的規(guī)則適用于其他兩種結(jié)構(gòu)的順序控制。單序列型結(jié)構(gòu)的步與轉(zhuǎn)換觸發(fā)條件交互連接，按順序單線程執(zhí)行各步。當(dāng)某一步的步條件及觸點或計時觸發(fā)條件實現(xiàn)時，此步被激活為活動步，當(dāng)步處于活動狀態(tài)時，該步相應(yīng)執(zhí)行動作被執(zhí)行;當(dāng)步處于非活動狀態(tài)時，該步的相應(yīng)執(zhí)行動作不執(zhí)行。步與步之間的切換靠轉(zhuǎn)換條件的滿足。轉(zhuǎn)換條件可以是觸點觸發(fā)信號如開關(guān)、按鈕等，也可以是PLC內(nèi)部定時器、計數(shù)器的常開觸點接通。同時，某一步被激活為活動步的另一前提條件為該步的前級步為活動步，當(dāng)該步被激活后，前級步則變?yōu)榉腔顒硬?。這樣就保證了每一步按順序執(zhí)行相應(yīng)動作，避免混亂。在單序列結(jié)構(gòu)的順序控制中，某一時刻有且只能有一個活動步。

2.2 選擇型結(jié)構(gòu)

選擇型結(jié)構(gòu)的順序功能圖如圖2所示，用一條水平線將執(zhí)行步分為兩路，

當(dāng)I0.0條件滿足時執(zhí)行左邊一路，執(zhí)行各步順序為M2.0-M2.1-M2.2-M2.5，當(dāng)I0.1條件滿足時，執(zhí)行右邊一路，執(zhí)行各步順序為M2.0-M2.3-M2.4-M2.5。兩條執(zhí)行路線為選擇型關(guān)系，一般情況下，條件I0.0與條件I0.1不可能同時滿足。步與步之間的切換規(guī)則與單序列結(jié)構(gòu)相同。某些復(fù)雜的控制情況，根據(jù)現(xiàn)場工藝，也可將選擇分支分為三路或多路，在選擇分支當(dāng)中也可以嵌套選擇分支。在選擇型結(jié)構(gòu)的順序控制中，某一時刻有且只能有一個活動步。

2.3 并列序列結(jié)構(gòu)

并列型結(jié)構(gòu)的順序控制適用于當(dāng)某一條件滿足時，幾個獨立的不同的工藝生產(chǎn)過程要同時進(jìn)行，當(dāng)各個獨立工藝生產(chǎn)過程全部完成后，滿足下一工藝生產(chǎn)過程的步，則又匯總到一起執(zhí)行下一步生產(chǎn)工藝過程。

在并列型結(jié)構(gòu)中，當(dāng)前級步為活動步且A觸發(fā)條件滿足時，并列分支下步1與步2同時變?yōu)榛顒硬?，兩條路線分別獨立進(jìn)行，直至兩條路線的終極步都變?yōu)榛顒硬角铱傆|發(fā)條件滿足后，跳出并行邏輯分支，匯總后的步變?yōu)榛顒硬?。根?jù)現(xiàn)場工藝，并行邏輯分支可以有兩個或多個，在并行支路上也可嵌套并行序列結(jié)構(gòu)或嵌套選擇型結(jié)構(gòu)。在并行序列結(jié)構(gòu)中，在某一時刻，可以有兩個以上的活動步。

3.順序控制的程序設(shè)計方法

順序控制的程序設(shè)計方法有兩種，一種是起保停設(shè)計法，一種是置位復(fù)位設(shè)計法，根據(jù)個人編程習(xí)慣，選擇其中一種，兩種方法均能實現(xiàn)順序控制的設(shè)計功能。

3.1 起保停程序設(shè)計法

起保停程序設(shè)計法適用于觸點線圈相關(guān)的指令，在順序控制中，恰是此類指令的編程設(shè)計。前文中已提到，順序控制的規(guī)則是前級步處于活動步時，觸發(fā)條件滿足，則激活下一級步并自鎖，前級步則變?yōu)榉腔顒硬?。起保停的編程思路恰好可實現(xiàn)此功能。編程的關(guān)鍵在于找出此步的啟動條件和停止條件。

例如前文中提到的組合機(jī)床動力頭的運(yùn)動：最初，動力頭在起始位置處于待命狀態(tài)，當(dāng)按下啟動按鈕后，動力頭前進(jìn)，此時，M20.1為活動步線圈，Q0.0接通并保持，當(dāng)動力圖碰到限位開關(guān)I0.1后。M20.2步的觸發(fā)條件滿足并且其前級步M20.1為活動步，則M20.2步被激活而M20.1步停止，線圈Q0.2接通并自鎖且T0開始計時1秒，而線圈Q0.0斷開。其編寫程序如圖3所示。

3.2 置位復(fù)位程序設(shè)計法

使用置位復(fù)位指令進(jìn)行順序功能程序設(shè)計時，由于S，R指令具有斷電保持功能，因此不需要自鎖。在程序設(shè)計中，只需要將前級步與觸點觸發(fā)條件常開觸點串聯(lián)，然后將后一步置位并將前級步復(fù)位，即可實現(xiàn)邏輯功能。

例如對于圖4所示，某控制過程及其順序功能圖，同樣可以使用置位復(fù)位法進(jìn)行程序設(shè)計，實現(xiàn)順序控制的功能，編程如圖7所示。

通過圖5可以看到，前級步與轉(zhuǎn)換條件的常開觸點串聯(lián)，當(dāng)兩個條件同時滿足時，則前級步復(fù)位，本步置位。其起始步由M1.0來觸發(fā)。值得注意的一點是，由于M2.1步與M2.2步都有Q0.1線圈輸出，Q0.1線圈輸出由M2.1與M2.2并聯(lián)，切不可M2.1、M2.2單獨控制Q0.1線圈輸出，由于PLC為循環(huán)掃描周期刷新的工作方式，此舉可造成“多線圈輸出”的編程邏輯錯誤。

4順序控制在無心磨床加工工件中的應(yīng)用

無心磨床加工工件為典型的順序控制的應(yīng)用，首先，按下啟動按鈕，工件經(jīng)推料電磁鐵推至加工限位，然后磨削輪電機(jī)啟動，對工件進(jìn)行磨削，120s后磨削完成，然后冷卻及潤滑電機(jī)工作，對工件進(jìn)行冷卻及潤滑，90s后冷卻及潤滑完成，液壓電機(jī)開始工作對工件進(jìn)行液壓沖擊，15s后完成，由導(dǎo)輪電動機(jī)將工件導(dǎo)出到輸出限位，加工完成。在此過程中任意時刻按下停止按鈕，機(jī)器立即停止。無心磨床有熔斷器、熱繼電器等保護(hù)裝置，STP為急停開關(guān)，其為常閉開關(guān)，按下后不自動復(fù)位，需使用機(jī)械鑰匙開鎖復(fù)位，KA1、KA2、KA3、KA4、KA5為繼電器常開觸點，KA1、KA2、KA3、KA4、KA5的電磁鐵芯與PLC的DO輸出位串聯(lián)。由PLC內(nèi)部所編寫的順序控制程序來控制KA1、KA2、KA3、KA4、KA5常開觸點的通斷，繼而控制接觸器吸合控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。

對此控制過程，首先要選擇合適的PLC控制器及其輸入輸出模塊，然后分析該控制過程，明確輸入輸出位并分配地址，然后畫出順序功能圖，根據(jù)順序功能圖編寫程序，最后搭建好系統(tǒng)運(yùn)行，檢驗運(yùn)行效果。此無心磨床控制單元選擇西門子S7-300PLC，CPU選擇315-2PN/DP，輸入輸出模塊選擇SM323 DI8/DO8*DC24V，做出I/O分配表如表1

根據(jù)地址分配信息，畫出順序功能圖，可以看出這是一個單序列結(jié)構(gòu)的順序功能控制，然后根據(jù)順序功能圖編寫相應(yīng)程序。順序功能圖及梯形圖程序如圖6所示。

結(jié)束語

順序功能控制是工業(yè)生產(chǎn)中常用的控制方法，本文通過對順序控制方法的研究，歸納總結(jié)出順序功能控制的三種結(jié)構(gòu)，順序功能圖的繪制方法以及根據(jù)順序功能圖編寫相應(yīng)順序功能控制程序，并提供了兩種編程方法，使用者可根據(jù)自身思維習(xí)慣選擇其中一種。并通過無心磨床的應(yīng)用說明了順序控制的應(yīng)用方法。該方法目前廣泛應(yīng)用在此類控制程序中，并取得了良好的控制效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]高欽和.機(jī)電檢測與控制[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2015：176-182

[2]徐建俊.電機(jī)與電氣控制項目教程[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2008：128-137

（作者單位：山東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司濟(jì)南卷煙廠）