基于S7-Graph編程語言消除多缸往復電氣動系統換向信號重疊的方法

崔鳳松

（一汽大眾汽車有限公司，吉林長春130011）

軟件應用

基于S7-Graph編程語言消除多缸往復電氣動系統換向信號重疊的方法

崔鳳松

（一汽大眾汽車有限公司，吉林長春130011）

使用德國Siemens公司的SIMATIC-STEP7編程軟件中的S7-Graph編程語言編寫PLC控制程序，消除多缸往復電氣動系統中氣缸運動的換向信號重疊問題，從而通過簡單快捷的編程來實現系統運動功能。

S7-Graph編程語言；換向信號重疊；LAD（梯形圖）

1776年John Wilkinson發明的能產生1個大氣壓左右壓力的空氣壓縮機。1930年，氣動控制技術被應用于公交車門的自動開閉及各種機械機構的輔助動作上。1960-1970年代，氣動控制技術已經開始廣泛應用在工業生產自動化的各個領域，形成了現代氣動技術。

氣動系統在系統傳動效率﹐傳遞信號的速度，信號傳遞的距離等方面因素受到很大限制﹐特別是控制系統復雜程度的增加﹐為了適應低成本﹐高生產效率的需求﹐人們考慮能否將氣動和電動結合起來﹐充分發揮各自的優點﹐這就產生了“電氣動”技術。

進入21世紀，可編程控制器（PLC）以其通用性強，靈活性高等優點在“電氣動”中被廣泛應用，使多缸往復系統可以在生產中實現比較復雜的運動功能，但是在實際運動中存在著同一換向閥換向信號的重疊問題。本文中將介紹利用S7-Graph（順序功能圖）編程語言消除換向信號的重疊問題，簡單快捷的完成編程工作。

1 電氣動換向信號的重疊問題介紹

本文以一個兩氣缸往復運動系統為例（圖1～3），一個工作循環的動作順序為：第一步，系統啟動A缸伸出；第二步，A缸縮回；第三步，B缸伸出；第四步，B缸縮回；第五步，A缸伸出；第六步，A缸縮回……每四步一個動作循環。

圖1 氣動系統動作步驟順序圖

圖2 氣動系統位移動作步驟簡圖

圖3 氣動系統回路原理圖

在本例中A、B氣缸的動作均為連續的往復運動，每個換向閥的兩端控制信號都存在同時作用的重疊問題，并同時存在A、B兩個氣缸的順序動作問題。使用通常的LAD（梯形圖）編程需要在多個程序段中添加。互鎖信號、位存儲器，邏輯復雜、編程難度較大。當系統為多缸多往復運動時，需要添加的互鎖信號數量就會更多，最終導致程序內部的邏輯關系非常復雜，在很大程度上增加了編程工作的難度，使程序設計工作變得即繁瑣又容易出現錯誤。

2 S7-Graph編程語言的介紹

2.1 S7-Graph概述

S7-Graph順序功能圖（Sequential Function Chart，SFC）是描述控制系統的控制過程、功能和特性的一種圖形，也是編寫PLC的順序控制程序的一種語言。這種編程語言將執行元件的動作分解為單獨的步，每個步具有各自的功能，即它將一個完整的控制過程分解成若干個順序出現的單步來執行，每一個步中包括控制輸出的動作，步與步之間的轉換由一定的轉換條件控制，步和轉換條件再一起構成了順控器。

一個s7-Graph（順序功能圖）可執行程序必須包括至少三個塊：

（1）一個含有順控器的FB（功能塊）；

（2）一個含有順控器數據的DB（背景數據塊）；

（3）一個調用FB（功能塊）的OB1（組織塊）。

2.2 S7一Graph的編程思路

在S7-Graph（順序功能圖）FB（功能塊）中，可以給每個控制順序進行編程。一個控制順序由一系列的步構成。如圖4所示。

圖4 使用S7一GARAPH編程的示意圖

這些步按照固定的由轉換條件（即確定什么條件下由這一步轉換到下一步）決定的順序執行，而每個步包括了一系列動作（Action），這些動作就是該步所要執行的任務。只有當這些動作執行完畢且轉換條件成立時才從本步轉換到下一個步，并執行下一步的動作。這里的轉換條件如圖4的T1（Transition1）和T2 Transition2）所示，它負責上下步（如圖中的Stepl和Step2）的連接和轉化。在第一個轉換條件T1（Transition1）中，常開觸點Motor（電機）閉合時，該行電路接通，其轉換條件成立此時，控制程序從Stepl轉換到Step2開始執行本步的動作；同理，對于第二個轉換條件T2，當常開觸點Input1和Input2都閉合時，該支路接通，其轉換條件T2成立，于是，控制程序從Step2轉換到下一步。

用S7一Graph編制控制系統程序，對應每個轉換條件（比如是圖4中的T1）成立時，整個控制系統只有該轉換條件的所有后續步（Step2）為活動步，即代表后續步的存儲器位變為1狀態，并使其保持1狀態，這一要求剛好可以用梯形圖中有保持功能的置位指令（s）完成。而同時，當該轉換條件（T1）成立時，其所有的前級步都要變為不活動步，即將代表前級步的存儲器位變為0狀態，并使它保持0狀態，這一要求剛好可以用梯形圖中的復位指令（R）來完成。S7一Graph（順序功能圖）編程語言的這些內在特性，非常符合氣動控制系統以步為單位的順序動作特點，即將多缸往復電氣動控制系統看成是一個逐步執行的控制系統，再使用S7一Graph（順序功能圖）編程，即可在很大程度上簡化程序，降低編程難度，縮短電氣動控制系統的設計周期，極大地提高了設計工作效率。

下面本文將采用圖5中的S7一Graph（順序功能圖5）動作塊N指令來為系統編程。

圖5S7一Graph（順序功能圖）基本指令

3 編程示例

示例1：按照A、B兩個氣缸的循環動作順序，用LAD（梯形圖）語言編制控制系統程序。如圖6，圖7所示。

圖6LAD（梯形圖）程序1-4段截圖

圖7LAD（梯形圖）5-8段程序截圖

此示例程序是由一個按鈕“start”（I0.0）啟動執行的一個雙氣缸單循環往復動作。第一、二步為A氣缸伸出和縮回，第三、四步為B氣缸伸出和縮回。為了消除每個換向閥兩端的重疊換向信號并同時保證A、B氣缸的前后順序動作，在程序中使用了M0.0～M0.3共4個位存儲器（軟繼電器），并在幾個程序段中添加了互鎖、聯鎖、自鎖控制功能，共編寫了8個程序段。

系統在運動過程中出現兩次位置傳感器“a0”、“b0”同時存在的狀態，但兩次的下一步動作分別是“A+”（A氣缸伸出）和“B+”（B氣缸伸出），為保證系統順序動作的正確，在程序段5、6中分別使用了M0.3的常開和常閉點，起到互鎖的作用。同時在程序段4中加入了M0.3的自鎖常開點以及斷開自鎖的M0.1常閉點。對系統進行仿真運行，氣缸動作步驟正確，實現了系統的設計要求。

示例2：用S7一Graph（順序功能圖）語言編制控制系統程序，如圖8，圖9所示。

圖8S7一Graph程序開始仿真狀態截圖

圖9S7一Graph程序結束仿真狀態截圖

此示例程序仍然由一個按鈕“start”（I0.0）啟動，執行雙氣缸單循環往復動作。在FB（功能塊）中一共編寫了5段程序，對應A、B氣缸的4步動作。在第1和第3步添加了“a0”、“b0”兩個傳感器的氣缸原位聯鎖功能，沒有使用位存儲器M（軟繼電器）以及互鎖、自鎖功能，對系統進行仿真運行，氣缸動作步驟正確，同樣實現了系統的設計要求。

而如果將S7一Graph（順序功能圖）程序照搬到LAD（梯形圖）中，如圖10，圖11所示，仿真運行會發現系統還未通過按鈕“start”（I0.0）啟動，B氣缸即開始循環往復運動，而A氣缸始終處于靜止狀態，整個系統進入錯誤狀態，完全無法實現正常運行。

圖10LAD（梯形圖）錯誤程序截圖

圖11LAD（梯形圖）錯誤程序截圖

比較上面兩個編程示例可以看出，LAD（梯形圖）的編程由于需要考慮到換向閥換向信號重疊以及A、B氣缸的正確順序動作問題，LAD（梯形圖）編制的程序會比S7一Graph（順序功能圖）編制的程序復雜得多。并且，系統內氣缸和傳感器越多，對于M位存儲器（軟繼電器）的互鎖、自鎖控制邏輯就越復雜越不直觀，對設計人員的編程能力要求就越高，這顯然不是一個缺乏設計經驗的程序員很容易就能實現的。

4 結束語

從上述內容可以看出，采用LAD（梯形圖）的編程方法實際上是用輸入信號I直接控制輸出信號Q，并增加了聯鎖、互鎖、位存儲器M（軟繼電器），以實現消除換向閥重疊信號的功能，但是面對不同氣動控制系統時，系統彼此之間的氣缸數量以及氣缸之間的運動順序都不盡相同，對I/O信號的聯鎖、互鎖要求也多種多樣，因此，如果采用LAD（梯形圖）編程，是很難做到類似公式代入法一樣，簡單通用、一勞永逸的實現多缸往復系統的控制程序設計的。

而采用S7-Graph（順序功能圖）編程，卻完全可以在思路上只關注系統的步或狀態的變化條件，不需要去特別專注為消除重疊信號而如何添加聯鎖、互鎖以及位存儲器M（軟繼電器）。因此，當面對一個多缸往復電氣動系統時，即使設計人員并不具備比較豐富編程經驗，只要能夠清楚地了解和掌握氣缸的動作順序要求，就完全可以用S7-Graph（順序功能圖）編制出滿足設計要求的控制程序，而不必擔心像使用LAD（梯形圖）編程那樣需要具備較豐富的編程經驗，這也正是S7-Graph編程語言在多缸往復電氣動系統中相對于LAD（梯形圖）編程更具有優越性的地方，尤其是在設計大型復雜的多缸多往復電氣動控制系統時，這種優越性就會體現的更為明顯。

通過許多實例表明，為了消除多缸往復電氣動系統換向閥兩端重疊信號的問題，使用S7-Graph（順序功能圖）編程語言可以簡單快捷地完成編程工作，并為從事多缸往復電氣動系統自動控制的PLC編程設計人員提供了一種解決同類問題的方法和思路。

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Based on S7-Graph Programming Language to Eliminate Multi Cylinder Reciprocating Electric Pneumatic System Reversing Signals Overlapping Method

CUI Feng-song
（Faw-Volkswagen Co.，Ltd.，Jilin Changchun 130011，China）

Use of german Siemens company SIMATIC S7-Graph of STEP7 programming software language to write the PLC control program，eliminate electro pneumatic system of multi cylinder reciprocating motion of the reversing signals overlapping problem，so that simply and quickly programming actualize the motor function of the system.

S7-Graph languages；the reversing signal overlapped；LAD（ladder diagram）

TP312

A

1672-545X（2017）03-0241-04

2016-12-26

崔鳳松（1972－），男，遼寧營口人，高級技師，研究方向：機器人及機電一體化。