基于PLC的物料輸送機(jī)程序設(shè)計(jì)方法研究*

席志鵬，李 旭，陳中顯

(黃淮學(xué)院 智能制造學(xué)院，河南 駐馬店 463700)

0 引言

可編程邏輯控制器(PLC)在現(xiàn)代智能制造領(lǐng)域的應(yīng)用十分廣泛。PLC的工程實(shí)踐性和技術(shù)性較強(qiáng)，在將具體的控制任務(wù)進(jìn)行PLC編程的實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，對(duì)程序的靈活性、健壯性和可靠性等特性要求嚴(yán)格[1]。物料輸送機(jī)是以料斗和皮帶傳輸線作為載體，對(duì)一些散碎物料進(jìn)行大運(yùn)量、連續(xù)性輸送的一種機(jī)械設(shè)備，是生產(chǎn)企業(yè)實(shí)現(xiàn)物料搬運(yùn)系統(tǒng)機(jī)械化和自動(dòng)化中常用的組成部分[2]。西門(mén)子S7-200 SMART系列PLC作為小型PLC控制器的代表，在工業(yè)控制過(guò)程中占據(jù)重要的市場(chǎng)空間，本文采用西門(mén)子S7-200 SMART系列PLC作為物料輸送機(jī)控制系統(tǒng)的核心，通過(guò)兩種不同的編程方法，滿足物料輸送機(jī)自動(dòng)化控制的基本要求。

1 物料輸送機(jī)控制方案

物料輸送機(jī)工作原理如圖1所示，其基本結(jié)構(gòu)由料斗系統(tǒng)、一級(jí)輸送帶、二級(jí)輸送帶、三級(jí)輸送帶4部分組成，料斗部分通過(guò)一個(gè)電磁閥控制物料投放，電磁閥得電則閥門(mén)打開(kāi)，否則閥門(mén)關(guān)閉；各級(jí)輸送帶分別由一臺(tái)三相異步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，輸送帶動(dòng)作時(shí)均朝著順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。

圖1 物料輸送機(jī)工作原理

為保證人員和設(shè)備安全，并防止輸送帶上物料堆積，需按照以下要求完成物料輸送機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)：

(1) 在自動(dòng)模式下，按下啟動(dòng)按鈕時(shí)，報(bào)警電鈴鳴響3 s，提醒機(jī)器周邊人員注意安全。

(2) 報(bào)警電鈴響鈴結(jié)束后，機(jī)器按M3-M2-M1-YV的正序方向啟動(dòng)，時(shí)間間隔為5 s。

(3) 按下停止按鈕時(shí)，機(jī)器按YV-M1-M2-M3的逆序方向停止，時(shí)間間隔為5 s。

(4) 按下急停按鈕時(shí)，機(jī)器所有動(dòng)作均立即停止。急停復(fù)位后，再次按下啟動(dòng)按鈕，機(jī)器按照控制要求(1)開(kāi)始重新運(yùn)行。

(5) 為方便設(shè)備檢修和調(diào)試，設(shè)手動(dòng)模式，此時(shí)料斗下料和3個(gè)輸送帶均可單獨(dú)進(jìn)行點(diǎn)動(dòng)操作控制。

2 控制任務(wù)分析

根據(jù)PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法和步驟，本控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)大致可分為以下幾步：

(1) 分析控制對(duì)象，明確設(shè)計(jì)任務(wù)。根據(jù)系統(tǒng)的控制要求可知，控制系統(tǒng)分為手動(dòng)運(yùn)行和自動(dòng)運(yùn)行兩種模式，在自動(dòng)模式下，各部件動(dòng)作的邏輯銜接主要依靠延時(shí)環(huán)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此在程序設(shè)計(jì)中通過(guò)基本的位邏輯指令、定時(shí)器指令和跳轉(zhuǎn)指令組合的方式來(lái)完成。

(2) 分析控制信號(hào)和被控對(duì)象，選定輸入輸出設(shè)備。在系統(tǒng)的輸入信號(hào)中，正序啟動(dòng)按鈕和逆序停止按鈕分別用于控制系統(tǒng)在自動(dòng)模式下的開(kāi)始、停止；急停按鈕用于緊急情況下的立即停機(jī)；4個(gè)手動(dòng)按鈕分別控制4個(gè)運(yùn)動(dòng)部件的點(diǎn)動(dòng)控制。在輸出信號(hào)中，用三組交流接觸器作為3條輸送帶拖動(dòng)電機(jī)的啟停控制，一個(gè)電磁閥控制料斗的下料開(kāi)啟和關(guān)閉，一個(gè)電鈴用作機(jī)器開(kāi)啟自動(dòng)運(yùn)行模式前的鳴笛警示。手/自動(dòng)按鈕用來(lái)控制機(jī)器設(shè)備的手動(dòng)運(yùn)行和自動(dòng)運(yùn)行模式的切換。因此，系統(tǒng)有8個(gè)控制信號(hào)和5個(gè)被控信號(hào)。

(3) 選定PLC型號(hào)，編制I/O分配表。本系統(tǒng)中，由于控制信號(hào)和被控信號(hào)分別為8個(gè)和5個(gè)，采用西門(mén)子S7-200 SMART PLC的CPU SR40就可以滿足要求。系統(tǒng)的輸入/輸出點(diǎn)位地址分配如表1所示。

表1 I/O分配表

(4) 畫(huà)出PLC外部接線圖。將物料輸送機(jī)的PLC外部接線圖與內(nèi)部控制程序相結(jié)合，才能完成一個(gè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。為了在出現(xiàn)故障的情況下通過(guò)急停按鈕仍能及時(shí)關(guān)停設(shè)備，保障系統(tǒng)安全，急停按鈕通常接其常閉觸點(diǎn)。在控制程序設(shè)計(jì)過(guò)程中，程序需要與控制觸點(diǎn)的接線情況(常開(kāi)或常閉)一一對(duì)應(yīng)。PLC設(shè)備的外部接線圖如圖2所示。

圖2 PLC設(shè)備的外部接線圖

(5) 設(shè)計(jì)控制程序。根據(jù)控制要求，系統(tǒng)的運(yùn)行模式分為手動(dòng)運(yùn)行模式和自動(dòng)運(yùn)行模式，在程序設(shè)計(jì)過(guò)程中，可通過(guò)手/自動(dòng)切換按鈕(I0.7)結(jié)合跳轉(zhuǎn)指令(JMP)來(lái)實(shí)現(xiàn)手動(dòng)運(yùn)行控制程序和自動(dòng)運(yùn)行控制程序的切換運(yùn)行，控制程序結(jié)構(gòu)框架如圖3所示。

圖3 控制程序結(jié)構(gòu)框架

3 編程實(shí)現(xiàn)

3.1 手動(dòng)運(yùn)行控制程序

對(duì)于手動(dòng)運(yùn)行部分的程序，使各手動(dòng)控制信號(hào)觸點(diǎn)與相應(yīng)的控制對(duì)象輸出點(diǎn)線圈直連。為避免機(jī)器部件在緊急停止?fàn)顟B(tài)下運(yùn)行，避免不安全因素的發(fā)生，將急停信號(hào)常開(kāi)觸點(diǎn)串接在手動(dòng)程序的各程序段中。

3.2 自動(dòng)運(yùn)行控制程序

分別采用簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)法和順序控制設(shè)計(jì)法來(lái)實(shí)現(xiàn)物料輸送機(jī)在自動(dòng)運(yùn)行模式下的控制程序。

3.2.1 簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)法

簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)法，是借鑒繼電接觸式電氣原理圖設(shè)計(jì)過(guò)程中所遵循的起-保-停法設(shè)計(jì)思想，找到各輸出對(duì)象動(dòng)作的啟動(dòng)信號(hào)、保持信號(hào)和停止信號(hào)來(lái)完成程序設(shè)計(jì)。需要注意的是，為了提高程序的可靠性，啟動(dòng)信號(hào)和停止信號(hào)最好保證是短信號(hào)。另外，如果輸出對(duì)象的啟動(dòng)或停止有約束條件，則找出相應(yīng)的約束條件[3]。一般情況下，程序內(nèi)容按照?qǐng)D4(a)所示編程；有約束條件時(shí)，按照?qǐng)D4(b)所示編程。

圖4 PLC程序簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)法的梯形圖程序

物料輸送機(jī)自動(dòng)運(yùn)行模式下各控制對(duì)象具體的啟動(dòng)信號(hào)、保持信號(hào)、停止信號(hào)如表2所示。

表2 控制對(duì)象的啟-保-停信號(hào)

根據(jù)簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)法的程序設(shè)計(jì)思想，結(jié)合表2中各控制對(duì)象的啟-保-停信號(hào)，即可設(shè)計(jì)出自動(dòng)運(yùn)行控制程序。

3.2.2 順序控制設(shè)計(jì)法

順序控制設(shè)計(jì)法也叫順序功能圖設(shè)計(jì)法，是一種先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法，在編寫(xiě)復(fù)雜控制系統(tǒng)程序時(shí)，可以節(jié)約60%～90%的設(shè)計(jì)時(shí)間[4]。順序功能圖主要是由步、轉(zhuǎn)換、轉(zhuǎn)換條件、箭頭線和動(dòng)作組成。在繪制順序功能圖的過(guò)程中，首先將被控制對(duì)象的工作過(guò)程按輸出狀態(tài)的變化合理劃分為若干狀態(tài)步，并指出各狀態(tài)步之間的轉(zhuǎn)換條件和每步對(duì)應(yīng)的動(dòng)作或維持的狀態(tài)。其中步的劃分不宜太大，否則編程冗雜、思路模糊；也不宜劃分的太繁瑣，否則影響程序的運(yùn)行效率[5]。每個(gè)狀態(tài)步之間相互聯(lián)系，當(dāng)前正在執(zhí)行的步(激活步)在滿足一定的轉(zhuǎn)移條件后激活下一個(gè)狀態(tài)步，同時(shí)自身則變成凍結(jié)狀態(tài)步。在進(jìn)行程序設(shè)計(jì)時(shí)，可以用中間繼電器(M)來(lái)記憶各狀態(tài)步，也可以用順序控制指令(SCR)來(lái)實(shí)現(xiàn)。根據(jù)物料輸送機(jī)自動(dòng)運(yùn)行模式下的控制要求繪制相應(yīng)順序功能圖,如圖5所示。

圖5 物料輸送機(jī)控制順序功能圖

根據(jù)圖5和表1中的PLC I/O點(diǎn)位分配，采用順序功能圖設(shè)計(jì)法結(jié)合置復(fù)位指令可設(shè)計(jì)出物料輸送機(jī)自動(dòng)運(yùn)行控制程序。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)物料輸送機(jī)的PLC控制程序設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行分析比較，可知簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)法和順序控制設(shè)計(jì)法各有特點(diǎn)：

(1) 簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)法根據(jù)啟-保-停思想，需全面找到各控制對(duì)象的啟動(dòng)條件和停止條件，以及開(kāi)啟和關(guān)斷信號(hào)的約束條件，屬于較基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)方法。此法應(yīng)用于簡(jiǎn)單控制任務(wù)時(shí)尚可，當(dāng)遇到大型冗雜控制系統(tǒng)時(shí)，由于需要考慮的記憶、聯(lián)鎖等問(wèn)題過(guò)多，程序存在難以考慮周全、系統(tǒng)維護(hù)困難等問(wèn)題。

(2) 順序控制設(shè)計(jì)法可使程序結(jié)構(gòu)更清晰，邏輯性也較強(qiáng)，將每一步的動(dòng)作限制在特定的時(shí)間或空間范圍內(nèi)，排除了此步的無(wú)關(guān)信號(hào)，基本上解決了簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)法中對(duì)記憶、聯(lián)鎖等問(wèn)題考慮過(guò)多的情況，使得程序運(yùn)行可靠，維護(hù)方便。

綜上，對(duì)于PLC程序設(shè)計(jì)而言，沒(méi)有唯一的模式和統(tǒng)一的方法，我們進(jìn)行PLC編程時(shí)，可根據(jù)具體的控制要求靈活選取程序設(shè)計(jì)方法，高效地編寫(xiě)出功能完善而又合理的控制程序。