1引言

可編程控制器（programmable(logical)controller，簡稱pc或plc）是隨著技術(shù)的進(jìn)步與現(xiàn)代社會生產(chǎn)方式的轉(zhuǎn)變，為適應(yīng)多品種、生產(chǎn)系統(tǒng)高可靠性的需要產(chǎn)生發(fā)展起來的一種新型工業(yè)自動化控制裝置。該裝置以微型計算機(jī)為核心，從1969年問世以來，由于其具有通用靈活的控制性能、可以適應(yīng)各種工業(yè)環(huán)境的高可靠性、入門簡單但能夠承擔(dān)大規(guī)模系統(tǒng)的控制能力、通信方便可以構(gòu)成各種網(wǎng)絡(luò)，在工業(yè)自動化領(lǐng)域取得了廣泛應(yīng)用。有人將可編程控制器控制技術(shù)與數(shù)控技術(shù)、cad/cam技術(shù)、工業(yè)機(jī)器人技術(shù)并稱為現(xiàn)代工業(yè)自動化技術(shù)的四大支柱。

上世紀(jì)80年代以來，我國大量引進(jìn)國外許多品牌的可編程控制器，其中以siemens(西門子)、mitsubishi(三菱)和omron(歐姆龍、立石)三種品牌居多。siemens可編程控制器以“博大精深”著稱，其品種之全、類型之多、可控制的規(guī)模之大，堪稱世界之最；mitsubishi可編程控制器以“豐富多彩”為特點(diǎn)，不僅類型很多，而且獨(dú)特，不同系列機(jī)型間有不同特點(diǎn)；omron可編程控制器則以“精巧實(shí)用”為其特點(diǎn)。當(dāng)然其他的可編程控制器也有其特點(diǎn)。雖然不同品牌的可編程控制器間存在許多差異，但在功能和應(yīng)用角度看是相通的。

在工業(yè)控制中存在著大量的順序控制。諸如機(jī)床自動加工、自動生產(chǎn)線的自動運(yùn)行及機(jī)械手的動作等，都是按照固定的順序進(jìn)行動作，因此就必須熟練掌握梯形圖的各種順序控制設(shè)計方法。本文根據(jù)mitsubishifx系列可編程控制器編程特點(diǎn)，論述了四種順序控制設(shè)計方法的不同編程思想和特點(diǎn)。

圖1順序功能圖

圖2使用啟保停電路的順序控制梯形圖

圖3使用置位復(fù)位指令的順序控制梯形圖

圖4使用步進(jìn)指令的順序控制梯形圖

圖5使用位移指令的順序控制梯形圖

2順序控制問題與sfc

2.1順控問題

順序控制就是指生產(chǎn)過程可以根據(jù)生產(chǎn)工藝預(yù)先規(guī)定各部件的動作順序，在外信號、內(nèi)部狀態(tài)或時間、數(shù)量等條件的作用下，使生產(chǎn)過程中的每個執(zhí)行機(jī)構(gòu)自動有步驟地進(jìn)行操作。順序控制設(shè)計法就是按照特定設(shè)計規(guī)則設(shè)計可編程控制器程序梯形圖的方法，程序中使用的編程元件一般為狀態(tài)寄存器s或輔助繼電器m，其實(shí)質(zhì)是在輸入信號與輸出信號之間增加中間編程元件，用以代表生產(chǎn)工藝中各個階段。這種設(shè)計方法具有編程效率高，設(shè)計思路清晰，易于掌握，調(diào)試、修改、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，從設(shè)計到使用及維護(hù)的周期較經(jīng)驗(yàn)設(shè)計法明顯縮短。采用順序控制設(shè)計法可以將結(jié)構(gòu)化、模塊化編程的思想運(yùn)用到梯形圖設(shè)計中來，改善程序的條理性和可讀性。在使用順序控制設(shè)計法設(shè)計梯形圖時，首先要根據(jù)系統(tǒng)的工藝過程，設(shè)計出順序功能圖，然后根據(jù)順序功能圖編寫出梯形圖。

2.2關(guān)于iec61131-3國際標(biāo)準(zhǔn)編程語言

iec61131-3國際標(biāo)準(zhǔn)編程語言包括圖形化編程語言和文本化編程兩大類型語言。其中，圖形化編程語言包括3種：1.梯形圖(ld－ladderdiagram)；2.功能塊圖(fbd－functionblockdiagram)；3.順序功能圖(sfc－sequentialfunctionchart)。文本化編程語言包括2種：1.指令表(il-instructionlist)；2.結(jié)構(gòu)化文本(st-struturedtext)。

早已經(jīng)納入iec61131-3國際標(biāo)準(zhǔn)編程語言的順序功能圖(sequentialfunctionchart簡稱sfc)是描述控制系統(tǒng)的順控過程、功能和特性的標(biāo)準(zhǔn)化plc專用國際圖形順控編程主流語言。sfc是設(shè)計可編程控制器的順序控制程序的主要工具，它由步、動作(或命令)、轉(zhuǎn)換、轉(zhuǎn)換條件和有向連線組成，如圖1所示。設(shè)計的順序功能圖必須要由步和有向連線組成閉合回路，使系統(tǒng)能夠多次重復(fù)執(zhí)行同一工藝過程，不出現(xiàn)中斷的現(xiàn)象。

本文特別指出，對于具有sfc語言直接實(shí)現(xiàn)順控編程功能的plc不在本文研討之列。本文僅僅使用sfc概念研討那些不具備sfc標(biāo)準(zhǔn)專用順控編程語言的小型plc的順控編程論題。盡管可編程控制器梯形圖順序控制設(shè)計不是plc順控編程的主流方法，但是梯形圖順控編程技術(shù)卻是相當(dāng)多的小型plc用戶經(jīng)常遇到的實(shí)際問題，也是本題具有重要實(shí)際意義之所在。

3順序控制設(shè)計方法

某可編程控制器控制回轉(zhuǎn)工作臺控制鉆孔過程是：當(dāng)回轉(zhuǎn)工作臺不轉(zhuǎn)、鉆頭回轉(zhuǎn)時，若傳感器x0檢測到工件到位，鉆頭向下工進(jìn)y0，當(dāng)鉆到一定深度鉆頭套筒壓到下接近開關(guān)x1時，計時器t0計時，4s后快退y1到上接近開關(guān)x2，就回到了原位。順序功能圖如圖1所示。

3.1使用起保停電路的順序控制設(shè)計法

起保停電路即起動保持停止電路，是在梯形圖設(shè)計中應(yīng)用比較廣泛的一種電路。其工作原理是，當(dāng)輸入信號的常開觸點(diǎn)接通，輸出信號的線圈得電，同時使輸入信號進(jìn)行“自鎖”或“自保持”，即輸入信號的常開觸點(diǎn)失去作用。如圖2為使用起保停電路設(shè)計方式編制與圖1順序功能圖所對應(yīng)的梯形圖。從圖2很容易看出s0=m0，s20=m1，s21=m2，s22=m3。將m3和x2的動合觸點(diǎn)串聯(lián)作為m0的啟動電路。可編程控制器開始運(yùn)行時應(yīng)將m0置為“1”狀態(tài)，否則系統(tǒng)無法工作，故將m8002的動合觸點(diǎn)與啟動電路并聯(lián)，并用m0的動合觸點(diǎn)自保持，后繼步m1的動斷觸點(diǎn)與m0的線圈串聯(lián)，當(dāng)m1為“1”狀態(tài)時m0的線圈“斷電”。

起保停電路順序控制梯形圖的設(shè)計法：由于步是根據(jù)輸出變量的狀態(tài)變化來劃分的。因此它們之間的關(guān)系極為簡單，可以分為如下兩種情況處理。

(1)某一輸出量僅在某一步中為“1”，本例中y0、t0、y1均屬于這種情況，可以將它們的線圈分別于對應(yīng)步的輔助繼電器m1、m2、m3并聯(lián)。當(dāng)然也可以用y0代替m1，t0代替m2，y1代替m3，可省些編程元件，但可編程控制器的輔助繼電器是完全夠用的，多用一些內(nèi)部編程元件不會增加硬件費(fèi)用，在設(shè)計和鍵入程序時也不會花費(fèi)太多時間。反而全部用輔助繼電器來代表步，具有概念清楚、編程規(guī)范、梯形圖易于閱讀和易查錯的優(yōu)點(diǎn)。

(2)某一輸出繼電器在幾步中都為“1”狀態(tài)，應(yīng)將代表各有關(guān)步的輔助繼電器的動合觸點(diǎn)并聯(lián)后，驅(qū)動該輸出繼電器線圈，這樣就避免了雙線圈輸出問題。

3.2使用置位復(fù)位指令的順序控制設(shè)計法

在使用置位復(fù)位指令的編程方式中，用某一轉(zhuǎn)換所有前級步對應(yīng)輔助繼電器常開觸點(diǎn)與轉(zhuǎn)換對應(yīng)觸點(diǎn)或電路串聯(lián)，作為使所有后續(xù)步對應(yīng)輔助繼電器置位和使所有前級步對應(yīng)輔助繼電器復(fù)位條件。對簡單順序控制系統(tǒng)也可直接對輸出繼電器置位或復(fù)位。在用此方法編寫的上述實(shí)例的梯形圖中(如圖3所示)，初始化脈沖m8002使得初始步輔助繼電器m0置位，當(dāng)x0表示的觸點(diǎn)閉合時，下級步輔助繼電器m1便被置位，同時初始步輔助繼電器m0被復(fù)位。然后依次下去，使得所有步對應(yīng)的m0～m3有規(guī)律的被置位和復(fù)位，同時各步對應(yīng)的動作也有規(guī)律地被執(zhí)行和停止。

使用置位復(fù)位指令的順序控制設(shè)計法注意事項(xiàng)：

(1)由于可編程控制器對用戶程序（梯形圖）按先左后右、從上至下的步序，逐步執(zhí)行程序指令，因此在這種編程方法中應(yīng)將每一步的set指令放在ret之上。

(2)不能將輸出繼電器的線圈與set，rst指令并聯(lián)，這是因?yàn)閳D中前級步和轉(zhuǎn)換條件對應(yīng)的串聯(lián)電路接通的時間是相當(dāng)短的，轉(zhuǎn)換條件滿足后前級步馬上被復(fù)位，該串聯(lián)電路被斷開，而輸出繼電器的線圈至少在某一步對應(yīng)的全部時間內(nèi)被接通，所以應(yīng)該根據(jù)順序控制功能圖用代表步的輔助繼電器的動合觸點(diǎn)或它們的并聯(lián)電路來驅(qū)動輸出繼電器線圈。

3.3使用步進(jìn)指令的順序控制設(shè)計法

日本三菱可編程控制器中除了基本指令之外，增加了兩條簡單的順序控制指令：[1]步進(jìn)指令（stl）、[2]步進(jìn)結(jié)束指令（ret）。其它步驟只能用狀態(tài)寄存器s來表示，狀態(tài)寄存器有斷電保持功能，編制順序控制程序時應(yīng)與順序控制指令一起使用，狀態(tài)寄存器s必須用置位指令set置位，這樣才能使提供的stl觸點(diǎn)具有控制功能。否則狀態(tài)寄存器s與一般中間繼電器m相同。步進(jìn)梯形圖中不同步進(jìn)段允許有雙重輸出，即允許有重號負(fù)載輸出，步進(jìn)觸點(diǎn)結(jié)束時要用ret指令使后面程序返回原母線。在用此方法編寫的上述實(shí)例的梯形圖中，如圖4所示。初始步s0首先被置位，然后當(dāng)轉(zhuǎn)換條件x0滿足時，對應(yīng)步s20被置位，驅(qū)動輸出線圈y0。然后依次下去，使對應(yīng)的步s20～s22有規(guī)律的被置位和復(fù)位。同時各步對應(yīng)的動作也有規(guī)律地被執(zhí)行和停止。

圖6用移位寄存器對數(shù)據(jù)移位、復(fù)位處理

圖7順序控制設(shè)計法應(yīng)用舉例

圖8簡化示意圖

3.4使用位移指令的順序控制設(shè)計法

位移指令是功能指令中的一類指令。功能指令（functionalinstruction）也稱應(yīng)用指令（appliedinstruction）主要用于數(shù)據(jù)的傳送、運(yùn)算、交換及程序控制等功能。針對于功能指令而言，它有兩種形式，一種是采用功能號fnc00～fnc246表示，另一種是采用助記符表示其功能意義。功能號和助記符是一一對應(yīng)的。

圖5為位右移指令（sftr）指令格式和功能說明。（d）為n1位移位寄存器，（s）為n2位數(shù)據(jù)，且有n2≤n1≤1024。當(dāng)x0為on時，執(zhí)行該指令，向右移位。每次4位一起向前移動，其中x3～x0→m15～m12，m15～m12→m11～m8，m11～m8→m7～m4，m7～m4→m3～m0，m3～m0移出，即從高位移入，低位移出。sftr(p)為脈沖型指令，僅執(zhí)行一次移位操作。sftr為連續(xù)型指令，每個掃描周期都執(zhí)行一次移位操作。

sftl為位左移指令，指令格式和功能說明與sftr類同，只是向左移位。同樣sftl(p)為脈沖型指令，sftl為連續(xù)型指令。在此例中我們用到脈沖執(zhí)行型位左移指令sftl(p)。

從順序功能圖可以看出，各步中一個步某時刻接通而其他步都斷開，把各步用輔助繼電器m0～m3代替，就很容易用位左移指令實(shí)現(xiàn)控制。圖5為用位左移指令編程的梯形圖，采用輔助繼電器m0～m3代替各步，組成1個環(huán)形移位寄存器，用移位寄存器對數(shù)據(jù)移位、復(fù)位處理，如圖6所示。

4歸納研討

通過對以上四種編程進(jìn)行比較分析，我們不難發(fā)現(xiàn)本文所介紹的四種順序控制設(shè)計法具有以下的特點(diǎn)：

4.1起保停電路的梯形圖順序控制設(shè)計法

使用起保停電路的梯形圖順序控制設(shè)計法，僅僅使用與觸點(diǎn)和線圈有關(guān)指令，無需編程元件做中間環(huán)節(jié)，任何一種可編程控制器的指令系統(tǒng)都有這類指令，因此是一種通用的編程方法，這種編程方法更具優(yōu)勢的是與傳統(tǒng)繼電器控制電路基本相類似，一般原繼電器控制系統(tǒng)可編程控制器改造過程中應(yīng)用較多。

4.2置位復(fù)位指令的順序控制設(shè)計法

使用置位復(fù)位指令的順序控制設(shè)計法，是一種規(guī)律性比較強(qiáng)的設(shè)計方法。梯形圖轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)的基本規(guī)則之間有著嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系，較好的體現(xiàn)了sfc中的轉(zhuǎn)換原則。這種方法具有編程簡單、思路清晰、便于閱讀的特點(diǎn)，尤其是對于復(fù)雜的順序控制系統(tǒng)。另外，這種方法使用的是置位指令(s)和復(fù)位指令(r)，而對于各種型號的可編程控制器一般都具有，因此這種設(shè)計方法的通用性也比較好。一般多用于自動控制系統(tǒng)中手動控制程序編程。但是，由于此方法在設(shè)計梯形圖時不允許輸出位的線圈與置位指令復(fù)位指令并聯(lián)，必須用表示各步的輔助繼電器位的常開觸點(diǎn)或它們的并聯(lián)電路去驅(qū)動輸出線圈，因此梯形圖中的語句條數(shù)比較多，程序的執(zhí)行時間會略長一些。

4.3步進(jìn)指令的順序控制設(shè)計法

使用步進(jìn)指令的順序控制設(shè)計法，是一種專門性的設(shè)計方法。對于不同型號的可編程控制器具有不同的步進(jìn)指令，它們之間目前還不能實(shí)現(xiàn)功能互換。但是，它是一些可編程控制器自帶的一種設(shè)計方法，使用它在設(shè)計復(fù)雜的順序控制系統(tǒng)時，可有效的減小內(nèi)存占用的空間，減少程序的執(zhí)行時間，提高可編程控制器輸入輸出的響應(yīng)速度。這種編程方法也很容易被初學(xué)者接受和掌握，有經(jīng)驗(yàn)工程師，也會提高設(shè)計效率，程序調(diào)試、修改和閱讀也很容易，使用方便，程序也較短，順序控制設(shè)計中應(yīng)優(yōu)先考慮，該法工業(yè)自動化控制中應(yīng)用較多。

4.4位移指令的順序控制設(shè)計法

使用位移指令的順序控制設(shè)計法，設(shè)計的梯形圖看起來簡潔，所用指令也較少，但對較復(fù)雜控制系統(tǒng)設(shè)計就不方便，使用過程中線修改能力差，工業(yè)控制中使用較少，大多數(shù)應(yīng)用彩燈順序控制電路中。

5順序控制設(shè)計法應(yīng)用舉例

在工業(yè)控制中順序控制到處可見，本文以選擇性工作傳輸機(jī)為例。

選擇性工作傳輸機(jī)用于將大球、小球分類送到右邊的兩個不同的位置，其工作示意圖如如圖7所示。

分析：根據(jù)圖中所標(biāo)的符號可知，選擇性工作傳輸機(jī)的動作有：上、下、左、右四個不同的方位，分別由對應(yīng)的驅(qū)動線圈y1、y2、y4、y3去執(zhí)行。由y0去接通磁鐵吸住球。當(dāng)吸到的是小球時機(jī)構(gòu)到達(dá)下限位，則x2動作。否則，到了一定時間，x2還未動作，則說明機(jī)械鉗機(jī)構(gòu)不能到達(dá)下限位，此時吸到的是大球。再根據(jù)判斷，把球送到指定的位置。根據(jù)工藝要求得出如下簡化示意圖如圖8所示：如圖可以看出大球、小球的選擇過程屬于一種選擇性分支問題，是一個復(fù)雜的順序控制系統(tǒng)。結(jié)合以上四種順序控制設(shè)計法特點(diǎn)的分析，使用步進(jìn)指令設(shè)計該順序控制過程會使程序大大簡化，可讀性增強(qiáng)。

6結(jié)束語

必須指出，本文研討的多種順控編程方法的數(shù)理邏輯本質(zhì)都是模擬國際標(biāo)準(zhǔn)fsc語言。在熟練掌握梯形圖順控編程方法的基礎(chǔ)上，應(yīng)根據(jù)不同的順序控制系統(tǒng)，考慮可編程控制器的響應(yīng)速度，系統(tǒng)的復(fù)雜程度以及設(shè)計的效率等因素，去選擇合適的設(shè)計方法。這樣才能在實(shí)際應(yīng)用中根據(jù)具體情況來選擇合適的方法設(shè)計順序控制梯形圖，使程序更簡潔，可讀性更強(qiáng)。