順序功能控制法在工業生產中的應用

任慧超 季昌劍

【摘 要】本文針對工業生產中按順序步驟執行的生產工藝過程，提出一類可操作的程序控制的應用方法，即為順序功能控制法，按此方法進行相關工業生產的控制，可大幅度提高工業生產自動化控制程序編寫的效率，并方便調試與修改。

【關鍵詞】順序控制;自動化;工業生產

引言

在工業生產中，經常會遇到有順序有步驟的工藝生產過程，它是根據一定的觸發條件，順序激活各個步驟，在每一個步驟執行相應動作。通過對這種有順序有步驟的工藝生產過程的控制方法與編程思想進行研究、歸納、總結，可得出一套系統性的順序功能控制法，對于日后搭建類似生產工藝控制系統，可大幅度提高工作效率，同時便于程序員調試，修改相應程序。

1.順序功能圖

順序功能圖不是直接可被邏輯控制器讀取的編程語言，而是一種程序員所用的便于編程的工具。它是將實際工業生產的控制過程轉化為描述整個生產工藝過程的圖形，它包括有向線段，觸發條件，步以及每一步所執行動作。

下面以機床動力頭的運動說明順序功能圖的繪制方法。如圖1所示，組合機床的動力頭在起始位置按下啟動按鈕后前進，碰到限位開關停止并且指示燈亮，1秒后動力頭后退，回到起始位置，等待下一次啟動按鈕被按下。

對此工作過程，繪制順序功能圖。首先，明確此工作過程存在三個“步”，分別是前進步，指示燈亮步以及后退步;然后明確每一步的激活觸發條件，即按下啟動按鈕、碰到限位開關、計時1秒、回到起始位置;然后明確每一步的執行動作，即前進電動機通電運行、指示燈通電點亮、后退電動機通電運行。據此可繪制順序功能圖工藝圖版，將步、觸發條件及執行步驟分配好編程地址，根據工藝圖可進一步繪制出順序功能圖，方便后續編程。如圖1所示。

值得注意的是，在順序功能圖中存在起始步，該步無任何動作，其功能為使系統等待啟動第一步的觸發條件，處于待命狀態。

2.順序控制的結構類型

根據不同的生產工藝控制過程，順序控制可分為三種結構類型，分別為單序列型、選擇型和并列序列型。

2.1單序列型結構

單序列型結構順序控制是所有結構順序控制的基礎，其步態轉換的規則適用于其他兩種結構的順序控制。單序列型結構的步與轉換觸發條件交互連接，按順序單線程執行各步。當某一步的步條件及觸點或計時觸發條件實現時，此步被激活為活動步，當步處于活動狀態時，該步相應執行動作被執行;當步處于非活動狀態時，該步的相應執行動作不執行。步與步之間的切換靠轉換條件的滿足。轉換條件可以是觸點觸發信號如開關、按鈕等，也可以是PLC內部定時器、計數器的常開觸點接通。同時，某一步被激活為活動步的另一前提條件為該步的前級步為活動步，當該步被激活后，前級步則變為非活動步。這樣就保證了每一步按順序執行相應動作，避免混亂。在單序列結構的順序控制中，某一時刻有且只能有一個活動步。

2.2 選擇型結構

選擇型結構的順序功能圖如圖2所示，用一條水平線將執行步分為兩路，

當I0.0條件滿足時執行左邊一路，執行各步順序為M2.0-M2.1-M2.2-M2.5，當I0.1條件滿足時，執行右邊一路，執行各步順序為M2.0-M2.3-M2.4-M2.5。兩條執行路線為選擇型關系，一般情況下，條件I0.0與條件I0.1不可能同時滿足。步與步之間的切換規則與單序列結構相同。某些復雜的控制情況，根據現場工藝，也可將選擇分支分為三路或多路，在選擇分支當中也可以嵌套選擇分支。在選擇型結構的順序控制中，某一時刻有且只能有一個活動步。

2.3 并列序列結構

并列型結構的順序控制適用于當某一條件滿足時，幾個獨立的不同的工藝生產過程要同時進行，當各個獨立工藝生產過程全部完成后，滿足下一工藝生產過程的步，則又匯總到一起執行下一步生產工藝過程。

在并列型結構中，當前級步為活動步且A觸發條件滿足時，并列分支下步1與步2同時變為活動步，兩條路線分別獨立進行，直至兩條路線的終極步都變為活動步且總觸發條件滿足后，跳出并行邏輯分支，匯總后的步變為活動步。根據現場工藝，并行邏輯分支可以有兩個或多個，在并行支路上也可嵌套并行序列結構或嵌套選擇型結構。在并行序列結構中，在某一時刻，可以有兩個以上的活動步。

3.順序控制的程序設計方法

順序控制的程序設計方法有兩種，一種是起保停設計法，一種是置位復位設計法，根據個人編程習慣，選擇其中一種，兩種方法均能實現順序控制的設計功能。

3.1 起保停程序設計法

起保停程序設計法適用于觸點線圈相關的指令，在順序控制中，恰是此類指令的編程設計。前文中已提到，順序控制的規則是前級步處于活動步時，觸發條件滿足，則激活下一級步并自鎖，前級步則變為非活動步。起保停的編程思路恰好可實現此功能。編程的關鍵在于找出此步的啟動條件和停止條件。

例如前文中提到的組合機床動力頭的運動：最初，動力頭在起始位置處于待命狀態，當按下啟動按鈕后，動力頭前進，此時，M20.1為活動步線圈，Q0.0接通并保持，當動力圖碰到限位開關I0.1后。M20.2步的觸發條件滿足并且其前級步M20.1為活動步，則M20.2步被激活而M20.1步停止，線圈Q0.2接通并自鎖且T0開始計時1秒，而線圈Q0.0斷開。其編寫程序如圖3所示。

3.2 置位復位程序設計法

使用置位復位指令進行順序功能程序設計時，由于S，R指令具有斷電保持功能，因此不需要自鎖。在程序設計中，只需要將前級步與觸點觸發條件常開觸點串聯，然后將后一步置位并將前級步復位，即可實現邏輯功能。

例如對于圖4所示，某控制過程及其順序功能圖，同樣可以使用置位復位法進行程序設計，實現順序控制的功能，編程如圖7所示。

通過圖5可以看到，前級步與轉換條件的常開觸點串聯，當兩個條件同時滿足時，則前級步復位，本步置位。其起始步由M1.0來觸發。值得注意的一點是，由于M2.1步與M2.2步都有Q0.1線圈輸出，Q0.1線圈輸出由M2.1與M2.2并聯，切不可M2.1、M2.2單獨控制Q0.1線圈輸出，由于PLC為循環掃描周期刷新的工作方式，此舉可造成“多線圈輸出”的編程邏輯錯誤。

4順序控制在無心磨床加工工件中的應用

無心磨床加工工件為典型的順序控制的應用，首先，按下啟動按鈕，工件經推料電磁鐵推至加工限位，然后磨削輪電機啟動，對工件進行磨削，120s后磨削完成，然后冷卻及潤滑電機工作，對工件進行冷卻及潤滑，90s后冷卻及潤滑完成，液壓電機開始工作對工件進行液壓沖擊，15s后完成，由導輪電動機將工件導出到輸出限位，加工完成。在此過程中任意時刻按下停止按鈕，機器立即停止。無心磨床有熔斷器、熱繼電器等保護裝置，STP為急停開關，其為常閉開關，按下后不自動復位，需使用機械鑰匙開鎖復位，KA1、KA2、KA3、KA4、KA5為繼電器常開觸點，KA1、KA2、KA3、KA4、KA5的電磁鐵芯與PLC的DO輸出位串聯。由PLC內部所編寫的順序控制程序來控制KA1、KA2、KA3、KA4、KA5常開觸點的通斷，繼而控制接觸器吸合控制電機運轉。

對此控制過程，首先要選擇合適的PLC控制器及其輸入輸出模塊，然后分析該控制過程，明確輸入輸出位并分配地址，然后畫出順序功能圖，根據順序功能圖編寫程序，最后搭建好系統運行，檢驗運行效果。此無心磨床控制單元選擇西門子S7-300PLC，CPU選擇315-2PN/DP，輸入輸出模塊選擇SM323 DI8/DO8*DC24V，做出I/O分配表如表1

根據地址分配信息，畫出順序功能圖，可以看出這是一個單序列結構的順序功能控制，然后根據順序功能圖編寫相應程序。順序功能圖及梯形圖程序如圖6所示。

結束語

順序功能控制是工業生產中常用的控制方法，本文通過對順序控制方法的研究，歸納總結出順序功能控制的三種結構，順序功能圖的繪制方法以及根據順序功能圖編寫相應順序功能控制程序，并提供了兩種編程方法，使用者可根據自身思維習慣選擇其中一種。并通過無心磨床的應用說明了順序控制的應用方法。該方法目前廣泛應用在此類控制程序中，并取得了良好的控制效果。

參考文獻：

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[2]徐建俊.電機與電氣控制項目教程[M].機械工業出版社，2008：128-137

（作者單位：山東中煙工業有限責任公司濟南卷煙廠）