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文獻標識碼：B文章編號：1003-0492（2023）03-084-05中圖分類號：TP29

★ 易正花（黔南民族職業(yè)技術學院，貴州都勻558000）

摘要：隨著科學技術的迅猛發(fā)展，自動化生產(chǎn)線、柔性制造、智能工廠、工業(yè)機器人等對設備自動化程度的要求越來越高，相應對PLC的編程應用要求也越來越高。本文歸納總結了研發(fā)一款自動化設備其中電控系統(tǒng)設計的一般步驟和思路，為電控設計初學者提供了方向，并對其中PLC程序的編寫進行了總結，提出了順序控制的編程的4種方法：啟動-保持-停止、置位SET復位RST、順序控制指令SCR、傳送比較指令MOV。文中對這幾種編程方法逐一進行了講解，使用這些方法，可以把復雜的程序結構化、模塊化、簡單化，從而更快地掌握PLC的編程思路，縮短學習時間，提高效率。

關鍵詞：電控系統(tǒng)設計；PLC程序；順序控制；功能圖

1 引言

筆者曾在工廠做過自動化設備的設計與研發(fā)工作，對自動化設備的研發(fā)過程有一定的了解，并熟悉PLC編程技術與應用。筆者曾自主設計過四柱應刷機、涂膠機等自動化設備，后來到高職院校工作后，曾上過PLC應用技術和自動化生產(chǎn)線的安裝與調試等課程。在上課過程中，筆者發(fā)現(xiàn)學生對現(xiàn)有的自動化教學設備是如何生產(chǎn)出來的、設計的步驟和思路不清楚，對自動化控制過程中順序控制的編程思路也不是很清楚。而且目前出版的教材多為PLC指令的教學及經(jīng)典案例的講解，并沒有一套完善的電控設計思路和步驟的講解。通過多年工作經(jīng)驗及教學經(jīng)驗，筆者總結出了自動化設備設計的一般思路和步驟。自動化設備的研發(fā)包括機械設計和電控設計兩個方面，本文重點介紹電控系統(tǒng)設計的一般思路和步驟，并總結了自動化設備PLC順序編程控制中常用的幾種編程思路。

2 電控系統(tǒng)設計的一般步驟

一套完整自動化設備的研發(fā)包括機械設計和電控設計兩個方面，所以一個自動化產(chǎn)品研發(fā)部門一般會分為機械設計部門和電控設計部門，這兩個部門的工程師相互合作才能完成一套自動化產(chǎn)品的設計。作為電控設計工程師，我們該如何完成的工作呢？筆者通過自己的工作經(jīng)驗，總結為以下幾個步驟：

2.1 弄清楚本單元的工藝動作流程

當我們接到設計任務之后，不要著急繪制電路圖等工作，要先跟客戶或者機械設計師溝通交流，明確設備生產(chǎn)工藝流程，掌握機械硬件的基本架構布局，清楚整個設備的結構框架。

2.2 根據(jù)設備動作要求，繪制設備動作流程圖

流程圖就是使用圖形表示算法的思路，是一種極好的方法，因為千言萬語不如一張圖。流程圖在匯編語言和早期的BASIC語言環(huán)境中得到應用。從動作流程圖中，我們可以清楚地看出設備動作的先后順序及運行條件，從而對整個系統(tǒng)的控制功能、規(guī)模、控制方式、I/O配置等形成一個初步方案。繪制工藝流程圖，可以更清楚地掌握設備動作先后順序，為下一步編程打下基礎。圖1為亞龍自動化生產(chǎn)性供料單元的動作流程圖，從該圖中，我們可以清楚地知道各個執(zhí)行機構動作的先后順序，便于后續(xù)編寫自動控制流程的PLC程序。

圖1 亞龍自動化生產(chǎn)性供料單元的動作流程圖

2.3 明確單元控制要求，反復跟客戶溝通，滿足客戶的實際需求

這一步，需要我們設計師在知道設備大概動作流程的基礎上，反復跟客戶溝通，根據(jù)客戶實際生產(chǎn)需要的一些特殊要求。這很重要，我們生產(chǎn)出來的設備，最終是要交給客戶使用的，所以我們不能全憑自己的經(jīng)驗去設計，而是要符合客戶實際的需求。

2.4 統(tǒng)計系統(tǒng)的IO點數(shù)

這一步主要是根據(jù)系統(tǒng)控制要求，統(tǒng)計完成該系統(tǒng)的設計共需要的IO點位數(shù)，為下一步選擇PLC型號做好準備。每一款PLC的IO點數(shù)是固定的，所以我們在設計時，一定要做好統(tǒng)計。一般選擇PLC型號的時候，要求實際的IO點數(shù)要大于我們預統(tǒng)計的數(shù)，這樣在以后設備需要改動的時候，才能靈活使用。表1為自動化生產(chǎn)性供料單元的IO點數(shù)統(tǒng)計表。

表1 自動化生產(chǎn)性供料單元的IO點數(shù)統(tǒng)計表

2.5 元器件選型

根據(jù)本系統(tǒng)的控制要求，選擇所需的電控元件，并制成表格，發(fā)采購部門采購元件。制作的元件統(tǒng)計表一般要包括品名型號/規(guī)格、單位、單價、數(shù)量、交貨要求等信息，如表2所示。

表2 元件統(tǒng)計表

2.6 繪制電氣系統(tǒng)圖

電氣系統(tǒng)圖一般分為電路原理圖和安裝接線圖，很多新手經(jīng)常把這兩個圖混淆。原理圖就是電路的工作原理圖，表達的意思是各元件是怎么工作的，指的就是詳細的電路圖，側重點就是電氣原理，知道為什么這樣。接線圖是各元件與元件之間是怎么相連的表達圖形。接線圖就是給接線員接線用的，側重點就是把復雜的線型線號分清楚，方便接線。根據(jù)原理圖可以接線，但是，原理圖對工人的要求很高，工人必須具備相應的專業(yè)知識，沒有相關專業(yè)知識的工人，在線多的情況下很容易出錯。而接線圖詳細標出線的線號、型號和具體接線的地方，不顯示接線原理，方便施工，對工人要求低，工人只要照著圖上的標識進行相應的接線即可。接線圖與原理圖如圖2所示。

（a）接線圖

（b）原理圖

圖2 接線圖與原理圖

2.7 根據(jù)電路圖，完成接線

這一步一般由專門的接線師傅根據(jù)設計師繪制的電路原理圖和接線圖，按照要求正確完成接線工作。也有的公司由于人數(shù)不夠或者其他原因，接線工作由電控設計師自己完成。

2.8 PLC程序編寫與調試

常用的PLC編程方法有經(jīng)驗法和圖解法。

2.8.1 經(jīng)驗法

使用經(jīng)驗法編程，沒有固定的模式可以套用，全憑設計師多年的工作經(jīng)驗，以及不斷總結出來的思路，即在自己以前做過的項目中找到相似的案例進行修改，直至適合當前的情況。對于比較復雜的系統(tǒng)，需要考慮的因素比較多，考慮的問題也比較復雜，這時候思維會很混亂。并且，經(jīng)驗法對于有工作經(jīng)驗的設計師來說，比較容易理解，但是對于初學者來說，沒有可以遵循的思路進行借鑒，不容易上手。

2.8.2 圖解法

圖解法是靠畫圖進行設計，常用的方法有梯形圖法、波形圖法及流程法。梯形圖法是PLC最基本的編程方法，也是最簡單、最直觀的圖形化編程方法，對于初學者來說，易懂好學。順序控制編程的思路，主要有邏輯清楚的特點，適用于編寫設備的順序動作流程。

這一步主要分為主程序和子程序的編寫。一般主程序主要考慮以下幾個問題：（1）如何初始化程序；（2）如何調用各個子程序；（3）如何啟動和停止程序。子程序主要是用來編寫系統(tǒng)中各個控制單元動作流程的程序，比如亞龍自動化生產(chǎn)線包括：供料單元、加工單元、裝配單元、分揀單元和輸送單元，共5個控制單元，就可以用5個子程序來編寫它們各自的順序動作程序。而主程序主要按照系統(tǒng)工藝流程分別調用這5個子程序和停止控制系統(tǒng)。

順序控制編程的基本思路是先畫出系統(tǒng)的先后動作流程圖，再根據(jù)流程圖編程。首先，將整個控制系統(tǒng)分解成若干個有先后動作順序的步驟，每一個步驟簡稱為步，也可以稱為狀態(tài)，用一個方框符號表示每一個步驟，可以在方框旁邊簡單地說明該步主要完成的動作內容。其次，步與步之間用短直線連接，并在中間標注步之間轉換的條件。當條件滿足的時候，跳轉到下一步，以此類推，直至完成整個系統(tǒng)功能流程圖的繪制。順序功能圖主要的組成如下：

（1）步：步是順序功能圖中最重要的一個參數(shù)。步一般包括：初始步和工作步。初始步表示系統(tǒng)的開始，用雙線框來表示；工作步分為活動步和靜止步，活動步表示系統(tǒng)正在執(zhí)行的步，處于激活狀態(tài)，靜止步表示沒有運行的步。步又可以分為單序列、選擇序列和并行序列3種形式。單序列：從上到下只有一條分支，每一步的后面只有一個狀態(tài)執(zhí)行；選擇序列：有分支，有多種情況可以選擇，滿足相應的條件，則跳轉到相應的步運行；并行序列：當滿足某個條件的時候，同時執(zhí)行多個步。

（2）有向連線：步與步之間不能直接相連，必須用有向線段連接。一般情況，從上向下或者從左到右畫時，可以省略箭頭，而從下向上或者從右到左畫時，必須畫上箭頭。

（3）轉換條件：步與步之間不能無條件的跳轉，必須滿足某個條件才能跳轉，一般用短橫線表示，并在旁邊標注轉換的條件。

（4）動作：動作指的是每個步執(zhí)行的內容或者要完成的功能，一般在流程圖中步的旁邊簡單說明該步的動作內容。

圖3 動作順序流程圖

動作流程圖繪制完之后，下一步就應該是程序的編寫了。而在教學過程中，筆者發(fā)現(xiàn)大部分同學對如何編寫順序控制流程程序的思路不是很清楚。接下來，我們重點歸納總結一下順序控制流程的PLC編程思路。在編寫順序控制流程程序的時候，要注意，在某一個時刻，只能有一步是導通的。

（1）第1種方法：啟動-保持-停止的編程思路

啟-保-停的編程思路是PLC編程中最基本的編程思路，也是最能訓練學生邏輯思維能力的一種編程方法。如圖4所示，該方法同樣是在編程之前，先畫出系統(tǒng)的順序控制功能圖，并用輔助繼電器M作為步的標注位。

圖4 啟動-保持-停止的編程思路圖

（2）第2種方法：使用置位-復位指令編程

對于順序控制流程，使用置位SET指令和復位RST指令也能完成PLC程序的編程。需要注意的是，一旦對某個軟元件進行置位之后，它就會一直保持導通狀態(tài)，除非用復位指令對它進行復位。SET和RST要成對使用，對某個軟元件SET之后，程序中要用RST指令對它進行復位，若少用一個，那么我們的程序就不完善，存在漏洞。

圖5 置位-復位指令編程圖

如圖5所示，以上程序含義：程序一上電運行就導通第0步，置位M10.0，同時把最后一步復位；I0.0導通的時候，導通第2步（SETM10.1），在第2步的時候，復位上一步（M10.0），一定要記得復位上一步；當滿足條件I0.1導通的時候，導通第3步（SETM10.1），按此順序下去直到所有的步都按照流程圖編程完畢。以上程序只是完成了動作流程的步驟編程，至于每一步要執(zhí)行什么動作，在程序的后面統(tǒng)一做輸出處理。比如以下程序表示第1步和第2步的時候讓Q0.1導通，第3步和第4步的時候讓Q0.2導通，這樣過程和結果輸出分開處理，便于程序的查看，邏輯性更強。

（3）第3種方法：使用PLC特有的順序控制指令SCR編程

順序控制的編程方法，思路清楚，且有一定的規(guī)律可以遵循。對于初學者來說，很快就能入門，所以很多品牌的PLC開發(fā)商都會開發(fā)自己的順序控制編程指令。西門子公司在S7-200系列PLC中設置了順控繼電器指令用于順序控制，編程元件的編號為S0.0～S31.7。順控繼電器也稱為狀態(tài)器，順控繼電器指令用于步進順控程序的編制。順序控制主要有3條指令：SCR，段的開始；SCRT，段的跳轉；SCRE，段的結束。

圖6 順序控制指令SCR編程圖

SCR順序控制指令與之前的啟-保-停方法和置位SET復位RST方法的區(qū)別是：（1）保-停方法和置位SET復位RST方法是PLC通用的編程思路，任何一款PLC都能使用該編程思路，而SCR順序控制指令是西門子PLC特有的順序控制指令，其他PLC不能使用。其他PLC也有類似的順序控制指令，但是指令和使用方法不一樣，使用的時候要注意區(qū)別。（2）SCR轉移條件滿足：狀態(tài)轉移，前1狀態(tài)復位，后1狀態(tài)置位。SCR指令是專門為順序控制流程而開發(fā)的，其內部已經(jīng)做好的設置：當滿足條件，跳轉到下一步的時候，上一步會自動復位，不像前面所述的那2種方法，要專門使用指令或者程序才能讓上一步復位。這樣對于初學者來說，很容易忘記復位上一步，從而導致在某一時刻，有2個步同時處于激活狀態(tài)。（3）使用SCR順序控制指令編程，可以減少占用的內存空間，對于復雜的程序，可以有效減少運行時間，提高PLC的運行響應速度。

（4）第4種方法：使用傳送和比較指令

使用傳送指MOVB和比較指令也可以實現(xiàn)順序控制程序的編寫。這種編程方法是最簡單易學的，對參加技能比賽等短期訓練，可以起到很好的預期效果，但是對于學生的PLC邏輯思維能力的訓練不是很好，有些同學學會這個方法之后，會出現(xiàn)放棄之前介紹的幾種方法的學習的情況，所以建議該方法放在課程最后面講，避免學生走捷徑。

圖7 傳送和比較指令編程圖

如圖7所示，程序一上電運行，把0傳送到變量VB0，然后進行比較。當VB0=0，且I0.0導通的時候把1傳送到變量VB0，跳轉到第1步，第1步輸出Q0.0，然后判斷條件；當且I0.1導通的時候把2傳送到變量VB0，跳轉到第2步，第2步輸出Q0.1，然后判斷條件；當且I0.2導通的時候把3傳送到變量VB0，跳轉到第3步，第3步輸出Q0.3，以此類推，直到完成所有流程的程序編寫。

程序編寫完成之后，電控設計師要到現(xiàn)場進行PLC程序的調試。現(xiàn)場調試一般包括以下幾個部分：機械部分調試、電氣部分調試、氣動部分調試、PLC程序調試、單元單站運行及全線自動手動運行調試等，直至達到預先設計的動作效果。

最后一步：完成設備操作說明書撰寫，交與客戶。

這是設備設計的最后一個環(huán)節(jié)，當我們把設備調試完成之后，要根據(jù)程序的編寫撰寫操作說明書，然后交給客戶便于以后操作和維護設備。

3 總結

自動化設備電控系統(tǒng)設計的步驟大概可以分成九步，在實際設計過程中，可以根據(jù)實際情況適當?shù)恼{整。對于初學者來說，可以參考，便于更快地理清楚電控系統(tǒng)設計的步驟。文中提到的4種順序控制的編程方法，使用者可以根據(jù)自己的習慣和愛好，選擇其中一種適合自己的編程方法。每一種都有自己的優(yōu)點和不足，在使用中可以多試不同的方法，從而更好地掌握PLC編程技巧和方法。

作者簡介：

易正花（1987-），女，貴州獨山人，學士，現(xiàn)就職于黔南民族職業(yè)技術學院，研究方向為PLC技術、電氣自動化技術。

參考文獻：

[1] 張志田. 西門子PLC項目式教程[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2021.

[2] 單啟兵. 基于西門子S7-200順序控制編程方法研究[J]. 巢湖學院學報, 2012, 14 (3).

[3] 馬寶秋. 西門子PLC順序控制梯形圖實現(xiàn)方法[J]. 石家莊職業(yè)技術學院學報, 2012, 33 (4).

摘自《自動化博覽》2023年3月刊