基于PLC的物料輸送機程序設計方法研究*

席志鵬，李 旭，陳中顯

(黃淮學院 智能制造學院，河南 駐馬店 463700)

0 引言

可編程邏輯控制器(PLC)在現代智能制造領域的應用十分廣泛。PLC的工程實踐性和技術性較強，在將具體的控制任務進行PLC編程的實現過程中，對程序的靈活性、健壯性和可靠性等特性要求嚴格[1]。物料輸送機是以料斗和皮帶傳輸線作為載體，對一些散碎物料進行大運量、連續性輸送的一種機械設備，是生產企業實現物料搬運系統機械化和自動化中常用的組成部分[2]。西門子S7-200 SMART系列PLC作為小型PLC控制器的代表，在工業控制過程中占據重要的市場空間，本文采用西門子S7-200 SMART系列PLC作為物料輸送機控制系統的核心，通過兩種不同的編程方法，滿足物料輸送機自動化控制的基本要求。

1 物料輸送機控制方案

物料輸送機工作原理如圖1所示，其基本結構由料斗系統、一級輸送帶、二級輸送帶、三級輸送帶4部分組成，料斗部分通過一個電磁閥控制物料投放，電磁閥得電則閥門打開，否則閥門關閉；各級輸送帶分別由一臺三相異步電動機拖動，輸送帶動作時均朝著順時針方向旋轉。

圖1 物料輸送機工作原理

為保證人員和設備安全，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控制系統的設計：

(1) 在自動模式下，按下啟動按鈕時，報警電鈴鳴響3 s，提醒機器周邊人員注意安全。

(2) 報警電鈴響鈴結束后，機器按M3-M2-M1-YV的正序方向啟動，時間間隔為5 s。

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

(4) 按下急停按鈕時，機器所有動作均立即停止。急停復位后，再次按下啟動按鈕，機器按照控制要求(1)開始重新運行。

(5) 為方便設備檢修和調試，設手動模式，此時料斗下料和3個輸送帶均可單獨進行點動操作控制。

2 控制任務分析

根據PLC控制系統設計的方法和步驟，本控制系統的設計大致可分為以下幾步：

(1) 分析控制對象，明確設計任務。根據系統的控制要求可知，控制系統分為手動運行和自動運行兩種模式，在自動模式下，各部件動作的邏輯銜接主要依靠延時環節來實現，因此在程序設計中通過基本的位邏輯指令、定時器指令和跳轉指令組合的方式來完成。

(2) 分析控制信號和被控對象，選定輸入輸出設備。在系統的輸入信號中，正序啟動按鈕和逆序停止按鈕分別用于控制系統在自動模式下的開始、停止；急停按鈕用于緊急情況下的立即停機；4個手動按鈕分別控制4個運動部件的點動控制。在輸出信號中，用三組交流接觸器作為3條輸送帶拖動電機的啟停控制，一個電磁閥控制料斗的下料開啟和關閉，一個電鈴用作機器開啟自動運行模式前的鳴笛警示。手/自動按鈕用來控制機器設備的手動運行和自動運行模式的切換。因此，系統有8個控制信號和5個被控信號。

(3) 選定PLC型號，編制I/O分配表。本系統中，由于控制信號和被控信號分別為8個和5個，采用西門子S7-200 SMART PLC的CPU SR40就可以滿足要求。系統的輸入/輸出點位地址分配如表1所示。

表1 I/O分配表

(4) 畫出PLC外部接線圖。將物料輸送機的PLC外部接線圖與內部控制程序相結合，才能完成一個控制系統設計。為了在出現故障的情況下通過急停按鈕仍能及時關停設備，保障系統安全，急停按鈕通常接其常閉觸點。在控制程序設計過程中，程序需要與控制觸點的接線情況(常開或常閉)一一對應。PLC設備的外部接線圖如圖2所示。

圖2 PLC設備的外部接線圖

(5) 設計控制程序。根據控制要求，系統的運行模式分為手動運行模式和自動運行模式，在程序設計過程中，可通過手/自動切換按鈕(I0.7)結合跳轉指令(JMP)來實現手動運行控制程序和自動運行控制程序的切換運行，控制程序結構框架如圖3所示。

圖3 控制程序結構框架

3 編程實現

3.1 手動運行控制程序

對于手動運行部分的程序，使各手動控制信號觸點與相應的控制對象輸出點線圈直連。為避免機器部件在緊急停止狀態下運行，避免不安全因素的發生，將急停信號常開觸點串接在手動程序的各程序段中。

3.2 自動運行控制程序

分別采用簡單設計法和順序控制設計法來實現物料輸送機在自動運行模式下的控制程序。

3.2.1 簡單設計法

簡單設計法，是借鑒繼電接觸式電氣原理圖設計過程中所遵循的起-保-停法設計思想，找到各輸出對象動作的啟動信號、保持信號和停止信號來完成程序設計。需要注意的是，為了提高程序的可靠性，啟動信號和停止信號最好保證是短信號。另外，如果輸出對象的啟動或停止有約束條件，則找出相應的約束條件[3]。一般情況下，程序內容按照圖4(a)所示編程；有約束條件時，按照圖4(b)所示編程。

圖4 PLC程序簡單設計法的梯形圖程序

物料輸送機自動運行模式下各控制對象具體的啟動信號、保持信號、停止信號如表2所示。

表2 控制對象的啟-保-停信號

根據簡單設計法的程序設計思想，結合表2中各控制對象的啟-保-停信號，即可設計出自動運行控制程序。

3.2.2 順序控制設計法

順序控制設計法也叫順序功能圖設計法，是一種先進的設計方法，在編寫復雜控制系統程序時，可以節約60%～90%的設計時間[4]。順序功能圖主要是由步、轉換、轉換條件、箭頭線和動作組成。在繪制順序功能圖的過程中，首先將被控制對象的工作過程按輸出狀態的變化合理劃分為若干狀態步，并指出各狀態步之間的轉換條件和每步對應的動作或維持的狀態。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，否則影響程序的運行效率[5]。每個狀態步之間相互聯系，當前正在執行的步(激活步)在滿足一定的轉移條件后激活下一個狀態步，同時自身則變成凍結狀態步。在進行程序設計時，可以用中間繼電器(M)來記憶各狀態步，也可以用順序控制指令(SCR)來實現。根據物料輸送機自動運行模式下的控制要求繪制相應順序功能圖,如圖5所示。

圖5 物料輸送機控制順序功能圖

根據圖5和表1中的PLC I/O點位分配，采用順序功能圖設計法結合置復位指令可設計出物料輸送機自動運行控制程序。

4 結語

通過對物料輸送機的PLC控制程序設計過程進行分析比較，可知簡單設計法和順序控制設計法各有特點：

(1) 簡單設計法根據啟-保-停思想，需全面找到各控制對象的啟動條件和停止條件，以及開啟和關斷信號的約束條件，屬于較基礎的設計方法。此法應用于簡單控制任務時尚可，當遇到大型冗雜控制系統時，由于需要考慮的記憶、聯鎖等問題過多，程序存在難以考慮周全、系統維護困難等問題。

(2) 順序控制設計法可使程序結構更清晰，邏輯性也較強，將每一步的動作限制在特定的時間或空間范圍內，排除了此步的無關信號，基本上解決了簡單設計法中對記憶、聯鎖等問題考慮過多的情況，使得程序運行可靠，維護方便。

綜上，對于PLC程序設計而言，沒有唯一的模式和統一的方法，我們進行PLC編程時，可根據具體的控制要求靈活選取程序設計方法，高效地編寫出功能完善而又合理的控制程序。