西门子6ES7214-2BD23-0XB8全年质保
引言
在生产机械的自动控制领域，PLC顺序控制系统的应用量大面广。然而，工艺不同的生产机械要求设计不同的控制系统梯形图。目前，不少电气设计人员仍然采用经验设计法来设计PLC顺序控制系统，不仅设计效率低，容易出差错，而且设计阶段难以发现错误，需要多次调试、修改才符合设计要。本文提出的4种简易设计方法，能快速地一次设计成功PLC顺序控制系统。
顺序控制系统的特点及设计思路
1．特点顺序控制系统是指按照预定的受控执行机构动作顺序及相应的转步条件，一步一步进行的自动控制系统。其受控设备通常是动作顺序不变或相对固定的生产机械。这种控制系统的转步主令信号大多数是行程开关（包括有触点或无触点行程开关、光电开关、干簧管开关、霍尔元件开关等位置检测开关），有时也采用压力继电器、时间继电器之类的信号转换元件作为某些步的转步主令信号。
为了使顺序控制系统工作可靠，通常采用步进式顺序控制电路结构。所谓步进式顺序控制，是指控制系统的任一程序步（以下简称步）的得电必须以前一步的得电并且本步的转步主令信号已发出为条件。对生产机械而言，受控设备任一步的机械动作是否执行，取决于控制系统前一步是否已有输出信号及其受控机械动作是否已完成。若前一步的动作未完成，则后一步的动作无法执行。这种控制系统的互锁严密，即便转步主令信号元件失灵或出现误操作，亦不会导致动作顺序错乱。
2．设计思路本文提出的4种简易设计方法都是先设计步进阶梯，在步进阶梯实现由转步主令信号控制辅助继电器得失电；然后根据步进阶梯设计输出阶梯，在输出阶梯实现由辅助继电器控制输出继电器得失电。这4种设计法所设计的梯形图电路结构及相应的指令应适用于大多数PLC机型，具有通用性。
由于各种PLC机型的编程元件代号及其编号不尽相同，为便于阐述，本文约定：所有梯形图中的输入继电器、输出继电器、辅助继电器（又称内部继电器）的代号分别为：X、Y、M。设计中所用到的某些功能指令，如置位指令约定为S×，复位指令为R×；移位指指令为SR×。其中的“×”表示编程元件的编号，用十进制数表示。用这些方法设计实际的控制系统时，应将编程元件代号和编号变换成所选用的PLC机型对应的代号和编号。
图1 顺序控制流程
下面分别介绍各种设计方法。其中，前3种方法的设计依据都是图1所示的顺序控制流程。图中，步1的转步主令信号X0为连接启动按钮的输入继电器（为简明起见，后述的转步主令信号均省去“输入继电器”几个字，只提输入信号），X1为原位开关信号，X2、X3、X4分别为步2、3、4的转步主令开关信号。M1～M5分别为各步的受控辅助继电器。Y1～Y4分别为各步受控的输出继电器。
一、逐步得电同步失电型步进顺序控制系统设计法
如图2所示，这种设计方法是根据“与”、“或”、“非”的基本逻辑关系，设计成串联、并联或串、并联复合的电路结构。
图2 逐步得电同步失电步进顺控梯形图
1．步进阶梯的设计步进阶梯的结构
如图2a所示。步1的M1得电条件是受控机械原位开关X1处于压合状态（若受控机械有多个执行机构，则要求每个执行机构的原位开关均处于压合状态），满足原位条件后按起动按钮X0才能得电。M1得电后自锁，并为步2提供步进条件信号（M1的常开触点）。步1的执行动作完成时触发的行程开关信号X2作为步2的转步条件信号。步2的M2的输入满足其步进条件和转步条件后得电自锁，并为步3提供步进条件信号。按此规律即可实现后续每一工作步辅助继电器的得电和自锁。停止步M5的步进条件信号和转步条件信号分别为：后一个工作步M4发出的步进条件信号（M4的常开触点）和该步动作完成时所触发的转步信号X1。由于M5的得电信号令控制系统失电，所以M5的回路不自锁，而且要将其常闭触点串联在步1回路的左端。从步2起后续各个步的回路构成分支回路。一旦M5得电便使整个系统失电。如不用分支回路的结构，也可采用图3所示的回路。即把M5常闭触点分别串联在每步辅助继电器的回路上。应该注意的是：无论工作步还是停止步，如果某步的转步主令信号有多个，则应将多个转步主令信号互相串联。
图3 逐步得电同步失电梯形图
2．输出阶梯的设计输出阶梯
如图2b所示。其设计方法是：（1）在控制流程图中，找出某输出继电器M在哪一步开始得电和在哪一步开始失电，以此确定其得电信号（步进阶梯中使M开始得电的辅助继电器常开触点）和失电信号（步进阶梯中使M开始失电的辅助继电器常闭触点）；（2）将得电信号、失电信号和受控输出继电器线圈串联。如果某个输出继电器在一个工作循环中多次得电失电，则将每次得失电的串联信号互相并联即可。例如，图1中输出继电器Y1要求在步1和步3得电，在其余步失电。在图2b画其控制回路时，将图1所示的次得电信号M1和次失电信号M2串联，第二次得电信号M4和第二次失电信号串联，然后将二者并联起来，再与Y1的线圈串联便构成Y1的控制回路。其余依此类推。
二、逐步得电逐步失电型步进顺序控制系统设计法
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1．步进阶梯设计
按图1所示的控制流程，采用逐步得电逐步失电型顺序控制系统设计法设计的步进阶梯如图4a所示，其电路结构与图3的不同点之一是每步的失电由下一步辅助继电器的常闭接点控制；之二是步1回路必须串联步2至后工作步4的辅助继电器常闭触点。以防电路工作时，因误操作再次起动而导致控制顺序错乱。其余的电路结与图3相同。
2．输出阶梯设计输出阶梯如图4b所示，输出继电器的控制回路根据控制流程直观确定。例如，输出继电器Y1要求在步1、3得电，则将步1、3的辅助继电器M1、M3的常开触点并联，再与Y1的线圈串联即可。其余输出继电器的控制回路构成方法与此相同。
图4 逐步得电逐步失电型顺控系统梯形图
三、置位/复位指令型顺序控制系统设计法
1．步进阶梯设计图5a为用置位/复位指令设计的顺序控制系统步进阶梯。其设计依据也是图1所示的控制流程。该步进阶梯结构的特点是每步的辅助继电器都有一个置位线圈和一个复位线圈，二者编号相同。步1利用置位指令S使辅助继电器M1置位（即M1线圈得电后内部自锁），建立步1程序，并为步2提供步进条件信号。当步2的转步主令信号发出（X2闭合），指令S使M2置位，建立步2程序，同时复位指令R使M1复位，撤销步1程序。同理可画出后续各步继电器置位/复位梯形图。当后一步完成并回到原位（X1闭合）时，指令R使M4复位，系统的工作循环结束。
2．输出阶梯设计图5b为输出阶梯结构，与图4b完全相同，不再赘述。
图5 置位/复位指令型顺序控制电路
四、移位指令型顺序控制系统设计
1．步进阶梯设计设计依据如图6所示。图7a为按图6所示要求采用移位指令设计法设计的顺序控制系统步进阶梯，这种步进阶梯由一个8位移位寄存器（由移位指令定义辅助继电器M20～M27而成）作为控制元件。
[NextPage] 该移位寄存器中的IN为移位数据输入端，CP为移位脉冲输入端，R为复位端。这三个输入端的输入信号均为脉冲上升沿有效。对顺序控制系统来说，输入IN的信号必须是一个单脉冲信号，即移位数据为“1”。起动步1时，IN和CP同时输入按钮信号X0的脉冲上升沿后，在IN端生成的移位数据“1”便移入移位寄存器的M20位，此时该位有输出（即输出M20的常开触点闭合信号），建立步1程序，并为步2提供步进条件信号；M20的常闭触点即时断开IN输入端和CP的步1输入端，完成数据“1”输入和移位脉冲输入。从步2起，本步的转步主令信号一发出（X2接通），便输入一个移位脉冲上升沿，使原来移入M20位的数据“1”移入M21位，建立步2程序，并为步3提供步进条件信号。移位后，M20位的状态变为0，即其相应的步1被撤销，输出为0。依此类推便可实现整个步进阶梯逐步得电和逐步失电。后一步完成并回到原位（X1接通）时，接通移位寄存器的复位端R，使移位寄存器复位清零，整个控制系统失电停止。
图6 移位顺序控制流程图
图7 移位指令型顺序控制电路
设计这种步进阶梯时要注意以下问题：（1）在一个自动工作循环内，移位寄存器的移位数据输入端IN只允许起动时输入一个单脉冲信号。也就是说起动时只能输入移位数据“1”。步进阶梯的工作原理就是根据输入的数据“1”，在移位寄存器中逐步向高位移位来实现逐步得电和逐步失电。所以输入端IN要串联每个移位输出位的常闭触点；（2）移位寄存器对移位脉冲输入端开关的抖动非常敏感。若开关抖动一次，相当于多输入了一个移位脉冲，移位数据“1”随之多移了一位。由于接点式开关被触发时难免产生抖动。为消除这种影响，在移位脉冲输入端的步1输入回路，必须串联移位寄存器0位（本例为M20）的常闭触点，一旦移位数据移入M20位，便断开步1的输入回路；而从步2开始，每步的输入回路也要串联上一位的常开触点。例如步2的输入回路要串联上一位M20的常开触点。这样，当移位到步2转步主令信号对应的M21位时，便立即断开步2的输入回路。采用这样的移位脉冲输入回路结构，可确保每步的转步输入信号持续时间只有PLC的一个扫描周期（一般只有几Ms），因开关的抖动时间远大于PLC的一个扫描周期。所以可有效地消除开关抖动的影响。
2．输出阶梯设计图7b为输出阶梯，其结构与图4b相同，只是辅助继电器编号不同而已。
结束语
上述4种PLC顺序控制系统设计方法的共同特点是：
（1）由输入继电器控制辅助继电器（包括由置位/复位指令和移位指令定义的辅助继电器），按此构成步进阶梯；
（2）由辅助继电器控制输出继电器，以此构成输出阶梯；
（3）无论步进阶梯还是输出阶梯，都是很有规律的回路结构。不管要设计的顺序控制系统有多少步，也不管其输入输出点数有多少，只要弄清各种设计方法所设计的步进阶梯和输出阶梯的回路结构的规律性，根据设计依据，套用其中任一种设计方法的回路结构，就能快速地一次成功设计出较复杂的PLC顺序控制系统。
1 引言
物料包装输送系统的工作环境通常比较恶劣,设备所处环境一般粉尘较大，空气相对湿度高，操作分散，所以对输送包装控制系统工作的安全性、可靠性、维护简便性要求较高。以前，电器控制系统中大多使用分立的继电器，接触器等电器元件作为控制元件，其控制系统复杂，操作难度大，并且安装接线工作量大、修改控制策略难,维护量大，严重影响了正常生产。因此，物料输送控制系统成了制约生产的瓶颈。而采用可靠性较高的PLC及其WINCC监控软件[1]组成的控制系统作为数据采集、控制回路、自动顺序操作和运算的主要设备。实现包装系统的皮带过程控制和输送工艺流程的实时监测、自动控制和系统运行诊断，满足了系统可靠性、稳定性和实时性的要求。
2 系统介绍
包装输送控制系统分为散库和包装库两组。散库主要存储不需要包装的散料，包装库进行成品包装。主要包括：1#～8#线、A线（9#、15#、16#）、B线（10#、19#、20#）、C线（11#、17#）、D线（12#、
18#）、E线（13#、21#）、F线（14#、22#）。各线工艺流程如图1所示。在该工艺流程中，除了要考虑各皮带内部按顺序启动停止以及皮带的打滑、跑偏等问题外，还必须考虑相关配套设备。系统主要包括数字量输入67路，模拟量输入16路，数字量输出52路；需要控制的过程有各皮带的启动、停车和安全运行，各料槽的选择和设备故障时的处理。
2 PLC控制系统的硬件设计
2.1硬件配置
根据设备及工艺要求，包装输送系统采用上位机和下位机组成，上位机使用两台PC机：一台作为操作站实现整个系统的监控和数据检测；另一台作为工程师站完成组态软件的设计与开发、PLC程序的开发以及将软件通过PROFIBUS[2]总线传送至PLC的CPU单元。下位机采用功能强大、可靠性高、维护方便且抗干扰能力强的可编程控制器西门子S7-300系列PLC完成对设备的控制功能，且下位机 分为两个机架分别放置于包装库和散库。散库机架与包装室机架的S7-300构成PROFIBUS-DP网络结构。系统硬件结构配置如图2所示,其具体组成如下。
(1) 中央控制单元
中央控制单元选用 CPU315-2DP[3]作为PLC的核心部件，进行逻辑和数字运算，协调整个控制系统各部分的工作。
(2) 电源单元
电源单元采用1：1隔离变压器进行对PLC的220V交流开关量输入卡件进行供电，采用SITOP电源对PLC的24V开关量输出卡件供电。自带的PS-307/5A直流电源对CPU和部分卡件进行供电。
(3) 输入输出单元
系统采用两块8点的模拟量输入单元AI8×12Bit、两块32点输出单元DO32×DC24V/0.5A、一块
16点输出单元DO16×DC24V/0.5A、五块16点数字量输入单元DI16×AC120/230V
(4)通迅模块
为了确保包装库操作站与散库操作站通信正常(距离约300米)，在本系统选用了CP 342-5通迅模块。
通过PROFIBUS 进行配置和编程。
2.2 变量分配
控制对象的PLC变量分配情况表1所示。
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3 包装输送控制程序设计思想
3．1 系统控制方式
包装输送控制系统的控制方式分为自动控制、单机控制和现场手动控制三种。单机启动方式是指在上位机的连锁图中, 设有启动及停车按钮, 在未进入联锁状态时，皮带可以独立启动/停止。
3．2控制程序设计
该皮带输送系统共有二十二条皮带，根据皮带输送工艺可以将其为两大部分：1#～8#线与A~F线。根据包装室和散库控制室及现场皮带运行情况，得出该输送系统的控制策略：（1）选择控制方式：远程自动控制、现场手动控制或远程手动控制方式。 （2）根据包装与否控制包装流水线和散库流水线运行，并按要求顺序停止。（3）根据料槽料位控制A~F线启动、停止。
本系统中STEP7用户程序分为组织块（OB）、功能块（FC）和数据块（DB）。功能块根据控制任务用于建立用户程序。将整个控制过程按工艺分为模拟量信号处理、A~F线起/停、3~8#线皮带起停、
总料位计算、模拟量变换、料槽料位运算、报警处理、1~6#皮带速度处理、1~2#皮带起停和分料器选择等程序块。针对工艺流程的具体情况，用语句表(LAD)形式编程。图4给出了3#~6#皮带控制流程图。数据块用来存放皮带速度和料槽料位的数据。
3.3控制设计思想
(1) 回路启动顺序由下游向上游(来料方向为上游) , 按一定延时, 逐个启动, 若回路启动过程中无故障, 则为正常启动; 若有故障则为异常启动, 程序启动遇到故障时, 就不再继续往下启动。
(2) 回路停止顺序由上游向下游, 它包括正常停止和事故停止。正常停止为顺序停止,即正常操作时程序按一定时间延时由上游向下游逐个停止设备。事故停止是在启动或正常运行过程中回路中某一设备发生故障时, 上游的设备立即停止,下游设备可运行。
(3) 在逻辑梯形图中, 凡是带有分支的联锁回路都有记忆功能。因为前一台设备可以根据需要启动下面的各个分支回路的设备, 回路梯形逻辑的记忆功能, 可保证有故障回路的设备能正确停车。
(4) 上位机能显示出整个皮带运行状态。 亦能显示单条回路运行的设备。
4 WINCC组态软件结构设计
工业控制组态软件是可以从可编程控制器、各种数据采集卡等设备中实时采集数据，发出控制命令并监控系统运行是否正常的软件。组态软件能充分利用bbbbbbs强大的图形编辑功能，以动画方式显示监控设备的运行状态，方便的构成监控画面和实现控制功能，并可以生成报表[4]、历史趋势等，为工业监控软件开发提供了便利的软件开发平台，从整体上提高了工控软件的质量。西门子公司开发的WINCC是运行在
[NextPage] bbbbbbs2000上的一种组态软件。它的功能是建立动态显示窗口，通过提供的工具箱可方便建立实时曲线图、历史曲线图和报警记录显示。在画面窗口中，通过对多种图形对象的组态设置，建立相应的动画连接，用清晰生动的画面反映工业控制过程。根据包装控制系统的要求，图5是监控软件的结构。WINCC与S7-PLC同属西门子产品，属于无缝集成且自带通讯协议连接。该控制系统和上位机组态软件实现了物料输送测控系统的要求。简洁且形象的模拟了整个系统的工艺流程，操作人员能在控制室的计算机屏幕上观察到输送的全部情况，包括各种报警。取得权限的操作人员能在控制室对任何一条皮带单独操作或连锁操作，并进行手动与自动切换。
5 监控系统主要实现的功能
(1) 显示功能：工艺流程、测量值、设备运行状态、操作模式、报警等显示、画面调用等功能；
(2) 报警处理和报表生成功能：纪录报警发生时间、故障内容等信息，并对报警信息进行管理，系统报表有时报、日报、月报等；
(3)历史趋势功能：对现场的皮带速度、料槽料位以曲线图形显示。每个趋势曲线显示的画面主要包括画面名称、时间、趋势等；
(4) 画面系统对系统料位参数进行修改，实现对系统自动/手动的切换；
(5) 管理权限：实现不同级别的系统管理权限，系统操作员可以选择操作模式，查看趋势曲线及报表等；系统工程师可以对监控软件和下位机软件进行修改。
(6) 操作控制功能：根据界面上的按钮可以对各条皮带进行操作，比如：启动、停止；对料位按工艺要求进行设定并对其进行选择。
6 结束语
本文所述物料运输自动控制系统在工业现场已经正常运行一年。由于整个物料传送工艺均在一个完整的控制系统控制下，各个分工艺之间的协调及互锁设计严密。另外，在PLC控制程序和上位人机界面中对每一个参控变量均设置了报警信息提示，使操作员可以快速的查找故障点，及时处理故障。并且对于每一个关键操作命令都设有相应确认提示，消除误操作的可能性。该控制方法提高了现有系统的自动化水平，降低了工人的劳动强度。
