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PLC順序控制係統的幾種簡易設計方法

特點順序控制係統是指按照預定的受控執行機構動作順序及相應的轉步條件，一步一步進行的自動控制係統。其受控設備通常是動作順序不變或相對固定的生產機械。這種控制係統的轉步主令信號大多數是行程開關（包括有觸點或無觸點行程開關、光電開關、幹簧管開關、霍爾元件開關等位置檢測開關），有時也採用壓力繼電器、時間繼電器之類的信號轉換元件作為某些步的轉步主令信號。

為了使順序控制係統工作可靠，通常採用步進式順序控制電路結構。所謂步進式順序控制，是指控制係統的任一程序步（以下簡稱步）的得電以前一步的得電並且本步的轉步主令信號已發出為條件。對生產機械而言，受控設備任一步的機械動作是否執行，取決於控制係統前一步是否已有輸出信號及其受控機械動作是否已完成。若前一步的動作未完成，則後一步的動作無法執行。這種控制係統的互鎖嚴密，即便轉步主令信號元件失靈或出現誤操作，亦不會導致動作順序錯亂。

2．設計思路本文提出的4種簡易設計方法都是先設計步進階梯，在步進階梯實現由轉步主令信號控制輔助繼電器得失電；然後根據步進階梯設計輸出階梯，在輸出階梯實現由輔助繼電器控制輸出繼電器得失電。這4種設計法所設計的梯形圖電路結構及相應的指令應適用於大多數PLC機型，具有通用性。

由於PLC機型的編程元件代號及其編號不盡相同，為便於闡述，本文約定：所有梯形圖中的輸入繼電器、輸出繼電器、輔助繼電器（又稱內部繼電器）的代號分別為：X、Y、M。設計中所用到的某些功能指令，如置位指令約定為S×，復位指令為R×；移位指指令為SR×。其中的“×”表示編程元件的編號，用十進制數表示。用這些方法設計實際的控制係統時，應將編程元件代號和編號變換成所選用的PLC機型對應的代號和編號。

圖1 順序控制流程

下面分別介紹設計方法。其中，前3種方法的設計依據都是圖1所示的順序控制流程。圖中，步1的轉步主令信號X0為連接啟動按鈕的輸入繼電器（為簡明起見，後述的轉步主令信號均省去“輸入繼電器”幾個字，只提輸入信號），X1為原位開關信號，X2、X3、X4分別為步2、3、4的轉步主令開關信號。M1～M5分別為各步的受控輔助繼電器。Y1～Y4分別為各步受控的輸出繼電器。

一、逐步得電同步失電型步進順序控制係統設計法

如圖2所示，這種設計方法是根據“與”、“或”、“非”的基本邏輯關係，設計成串聯、並聯或串、並聯復合的電路結構。

圖2 逐步得電同步失電步進順控梯形圖

1．步進階梯的設計步進階梯的結構

如圖2a所示。步1的M1得電條件是受控機械原位開關X1處於壓合狀態（若受控機械有多個執行機構，則要求每個執行機構的原位開關均處於壓合狀態），滿足原位條件後按起動按鈕X0才能得電。M1得電後自鎖，並為步2提供步進條件信號（M1的常開觸點）。步1的執行動作完成時觸發的行程開關信號X2作為步2的轉步條件信號。步2的M2的輸入滿足其步進條件和轉步條件後得電自鎖，並為步3提供步進條件信號。按此規律即可實現後續每一工作步輔助繼電器的得電和自鎖。停止步M5的步進條件信號和轉步條件信號分別為：後一個工作步M4發出的步進條件信號（M4的常開觸點）和該步動作完成時所觸發的轉步信號X1。由於M5的得電信號令控制係統失電，所以M5的回路不自鎖，而且要將其常閉觸點串聯在步1回路的左端。從步2起後續各個步的回路構成分支回路。一旦M5得電便使整個係統失電。如不用分支回路的結構，也可採用圖3所示的回路。即把M5常閉觸點分別串聯在每步輔助繼電器的回路上。應該注意的是：無論工作步還是停止步，如果某步的轉步主令信號有多個，則應將多個轉步主令信號互相串聯。

圖3 逐步得電同步失電梯形圖

2．輸出階梯的設計輸出階梯

如圖2b所示。其設計方法是：（1）在控制流程圖中，找出某輸出繼電器M在哪一步開始得電和在哪一步開始失電，以此確定其得電信號（步進階梯中使M開始得電的輔助繼電器常開觸點）和失電信號（步進階梯中使M開始失電的輔助繼電器常閉觸點）；（2）將得電信號、失電信號和受控輸出繼電器線圈串聯。如果某個輸出繼電器在一個工作循環中多次得電失電，則將每次得失電的串聯信號互相並聯即可。例如，圖1中輸出繼電器Y1要求在步1和步3得電，在其餘步失電。在圖2b畫其控制回路時，將圖1所示的次得電信號M1和次失電信號M2串聯，第二次得電信號M4和第二次失電信號串聯，然後將二者並聯起來，再與Y1的線圈串聯便構成Y1的控制回路。其餘依此類推。

二、逐步得電逐步失電型步進順序控制係統設計法

1．步進階梯設計

按圖1所示的控制流程，採用逐步得電逐步失電型順序控制係統設計法設計的步進階梯如圖4a所示，其電路結構與圖3的不同點之一是每步的失電由下一步輔助繼電器的常閉接點控制；之二是步1回路串聯步2至後工作步4的輔助繼電器常閉觸點。以防電路工作時，因誤操作再次起動而導致控制順序錯亂。其餘的電路結與圖3相同。

2．輸出階梯設計輸出階梯如圖4b所示，輸出繼電器的控制回路根據控制流程直觀確定。例如，輸出繼電器Y1要求在步1、3得電，則將步1、3的輔助繼電器M1、M3的常開觸點並聯，再與Y1的線圈串聯即可。其餘輸出繼電器的控制回路構成方法與此相同。

圖4 逐步得電逐步失電型順控係統梯形圖

PLC技術展的終趨勢仍然是人們所爭論的焦點之一。大多數人認為，PLC將會繼續失去市場份額；更有甚者認為，在工業PC面前，PLC將會一步一步走向死亡；但也有一部分人相信，一些特殊工業應用領域仍將為PLC提供的市場份額。本文從11方面介紹了PLC在其上的應用趨勢

前言

長期以來，PLC始終處於工業自動化控制領域的主戰場，為各樣的自動化控制設備提供了非常可靠的控制應用。其主要原因，在於它能夠為自動化控制應用提供可靠和比較的解決方案，適合於當前工業企業對自動化的需要。另一方面，PLC還依靠其他新技術來面對市場份額逐漸縮小所帶來的衝擊，尤其是工業PC所帶來的衝擊。PLC需要解決的問題依然是新技術的採用、係統開放性和價格。

PLC技術展的終趨勢仍然是人們所爭論的焦點之一。大多數人認為，PLC將會繼續失去市場份額；更有甚者認為，在工業PC面前，PLC將會一步一步走向死亡；但也有一部分人相信，一些特殊工業應用領域仍將為PLC提供的市場份額。

在工業計算機控制領域，圍繞開放與再開放過程控制係統、開放式過程控制軟件、開放性數據通信協議，已經發生巨大變革，幾乎到處都有PLC，但這種趨勢也許不會繼續發展下去。隨著軟PLC(SoftPLC)控制組態軟件技術的誕生與進一步和發展，安裝有SoftPLC組態軟件和基於工業PC控制係統的市場份額正在逐步得到增長，這些事實使傳統PLC供應商在思想上已經發生了戲劇性的變化，他們面對現實，在傳統PLC的技術發展與提高方面作出更加開放的高姿態。對於控制軟件來講，這是PLC控制器的核心，PLC供應商正在向工業用戶提供開放式的編程組態工具軟件，而且對於工業用戶表現得非常積極。此外，開放式通信網絡技術也得到了突破，其結果是將PLC融入更加開放的工業控制行業。

一、開放和基於工業PC控制

PLC制造商已經開始注視基於工業PC控制技術所帶來的強大衝擊。有專家甚至認為，新商務活動所帶來的新技術和開放技術規範將會埋葬傳統PLC。PLC制造商認為，雖然在工業現場安裝有大量的PLC控制設備，但他們仍然需要聯合工控軟件公司，以便開發他們自己的基於工業PC的過程控制軟件。

誠然，幾年前在工業現場明顯存在著新舊PLC混合使用的情況，工業用戶不得不同時學習相關的新舊知識，甚至彼此借鑒學習。大多數PLC制造商為工業用戶僅僅提供了軟邏輯和一種操作平臺。

在應用方面，很難進一步區分PLC控制係統和工業PC控制係統之間的差異，因為這兩者均採用了同樣類型的微處理器和內存芯片。形象地打個比喻，如果你忘掉工業PC和PLC這些詞語字面上的含義，那麼在箱子裏所能夠觀察到的恰恰是一些基本計算機硬件技術，我們更多觀察到的卻是那些基本技術的復雜化和混合體，這些技術被有效地組合到控制係統中去。

另外，採用開放控制的原因一方面是係統功能集成的需要，另一方面也是由於一些工業用戶對功能過分苛求所致。如果能夠給予高度的重視，就能夠獲得更多的基本技術知識。PLC制造商專注於係統功能化，而工業用戶則專注於係統應用。人們可以看到，將來的發展趨勢是將更多的功能進一步集成到一個控制箱內。因而像順序控制和過程控制這樣的事件將會採用功能化方式進行處理，其他像運動控制等也能夠共享到相同的控制結構體係中。

可以相信，PLC技術將繼續向開放式控制係統方向轉移，尤其是基於工業PC的控制係統。後者除了在靈活性方面比傳統PLC具有截然不同的優勢外，還具有其他優點，如能夠縮短係統投放到市場的周期，降低係統投資費用，提高從工廠底層到企業辦公自動化的數據信息流動效率等。

關於工業PC控制係統的實時響應問題已經得到很好的解決，也許其主要的東西仍然隱藏在技術背後，但缺乏相應的跟蹤記錄。對於PLC來講，堅固性是其主要特點之一，這已經有相當多的跟蹤記錄來驗證。工業用戶仍然非常小心地對待PLC，他們正在對PLC作不同的技術測試工作。在利用一種新技術時，工業用戶需要考慮的問題是要冒多大的風險，同時需要考慮對其商務活動能夠帶來多少機會和收益。

但工業用戶不相信開放式控制係統所帶來的好處。隨著技術的進一步發展，他們開始逐漸淡化這些思想觀念。工業用戶正在平衡採用新技術所存在的風險和給他們的商務活動所帶來的收益，以便為今後的決策提供有效的保障。

工業PC技術提供了許多功能，能夠增強PLC的功能特性，包括內藏視頻和高速浮點數字協處理器。盡管Microsoft公司沒有進一步提升該項功能特性的計劃，但新的Windows CE 3.0能夠地滿足過程控制的需要。

不久前，Siemens公司公布了一套新的基於開放式控制係統的軟件產品，即3.0版本的SIMATIC WinAC(Windows自動化中心)。WinAC是基於Windows NT，與SIMATIC S7 PLC兼容的適合於工業PC的控制係統解決方案。WinAC 3.0提供了具有較高集成度的Profibus現場總線局域網的連接性能，以及遠程程序設計。此外，它還為現場控制設備本地化集成提供了一種新的DeviceNet I/O設備驅動程序，用於連接所安裝的DeviceNet I/O設備。

Steeplechase軟件公司也已推出了一套支持硬實時過程控制的嵌入式Windows NT操作係統接口部件。該部件進一步結合了Steeplechase公司採用SBS技術並運行於Windows NT環境的工業Compact PCI的硬實時控制軟件。現在，Steeplechase公司的可視化邏輯控制器已經升級到5.0版。該控制器適合於Windows NT 4.0和Windows 2000兩種操作係統，它的實時引擎能夠直接與普通的Ethernet和TCP/IP集成在一起。5.0版本的控制器利用了一種增強型OPC服務器驅動程序，因而比以前的版本具有更快的運行速度。其他一些特點還包括新OI網絡特性，以及能夠讓工業用戶自己設計出豐富多彩的動態圖形畫面等。

Transysoft公司近推出了新版本ISaGRAF係列工業控制組態軟件包，即ISaGRAF PRO，它是基於IEC 61131-3國際標準，並獨立於任何硬件平臺的軟邏輯自動化控制軟件包。在一個網絡化過程控制係統環境中，該軟件包能夠應用於多種組態和分布式控制係統的開發，它包含了一套開發工具、應用程序工作平臺，以及相應的“虛擬機器”運行時目標。該運行時目標能夠運行於各樣的硬件平臺。

CTC自動化工程公司已經發布了一套新的控制軟件包MachineLogic PCLC（工業PC邏輯控制器），該軟件可以讓工業PC扮演PLC的角色，且仍然保持著工業PC的功能特性。該軟件能夠完成一臺PLC所確定的控制任務，並且與程序執行時間一樣快，均在1 ms以內；還能夠同時處理多任務工作，但不能同時超過16個控制任務。一種具有優先級和多任務處理內核的機制保持著對每一件控制任務的跟蹤，確保控制任務能夠取得高的優先權。該軟件能夠運行全部5種IEC 61131-3標準程序設計語言和PID控制程序，支持兩種類型的I/O控制設備。一種是像Profibus和DeviceNet等這樣的現場總線I/O設備；另一種是像ISA和PC/104這樣的工業PC I/O模板。另外，該軟件還提供了對控制係統的在線編輯組態功能。程序可以在Windows 95/98和Windows NT下開發並運行，但也能夠在RTXDOS下執行。

SoftPLC公司也提供了一種工控軟件產品Tealware，有人非常形象地把這種軟件產品稱作穿著工業PC衣服的PLC。那些安裝在支架上的控制係統已經有了小型PLC的形狀係數，但SoftPLC公司的控制軟件已經被嵌入到CPU中。Tealware軟件能夠滿足類型工業用戶的需要，從小型、單機係統到大型、分散多控制工作站應用。其特點包括全係列I/O模件、內藏Ethernet和工業串行通信接口。

近，Tealware軟件已經升級到2.3版本。其中，控制軟件提供了事實上的梯形圖邏輯控制步序，同時允許有超過百萬字的數據表；許多OI/SCADA應用接口；內藏Java引擎和FTP服務器用於遠程維護與管理；支持用戶自己編寫的C、C++、Java程序和設備驅動程序；適合於嵌入式Web服務器用；程序設計的在線運行模式；堅固的I/O模件支持能力和許多其他標準PLC功能；可以運行所輸入的，或者是經過轉換的A-B公司的PLC-5、PLC-2/PLC、PLC-3和SLC-500程序。

二、Ethernet的擴展與進一步容納Web技術

當前，在所有過程控制領域，大的發展趨勢之一就是Ethernet技術的擴展。PLC也例外，現在，越來越多的PLC供應商開始提供Ethernet接口部件。在近的幾年間，我們已經看到，發展比現有普通小快靈PLC更加強大的PLC是種趨勢。Ethernet將會成為PLC的通信標準嗎？也許終結果是這樣的，但現在還為時尚早。對於在PLC上提供Ethernet接口將能夠解決所有通信問題，人們普遍存在著誤解。Ethernet僅僅定義了OSI參考模型底部的幾層協議標準，如果上層協議相互之間不能兼容，那麼仍然不可能進行相互之間的通信處理。打個比方，這如同一個不懂英語的中國人與一個不懂漢語的美國人之間是不能夠通過電話進行對話一樣。因此，協議就是設備之間相互通信的語言

另一方面，前進的步伐已經邁出，我們只有迎著困難而上，為了將Ethernet技術應用到工廠底層的現場過程控制設備中去，ODVA協會為此建立了一套性標準技術規範，即Ethernet/IP標準，以便能夠解決在實際工作中所遇到的困難。

向Ethernet靠近的一個目的在於通過Internet能夠連接到所希望的任何地方。實際上，在一些意想不到的地方，Web服務器正在顯露出其應有的威力。幾年前，有一些PLC係統已經內藏了Web服務器，這無疑又為PLC係統增加了更多的特點。其他類型的控制設備也正在準備進一步集成Web服務器。例如，Square D公司已經有一個具備Ethernet連接接口的發動機控制中心，並正在準備開發一種內藏Web服務器連接接口的變速裝置。

內藏Web服務器所體一風的益處包括開放網絡、商業工具的影響、客戶機/服務器關係。在過去，工業用戶可能會有代表性地詢問一些有關PLC方面的信息，但在現在，由於新技術的不斷誕生和發展，工業用戶很容易就可以得到有關這方面的信息。另一方面，隨著芯片和處理器大規模的生產，PLC生產制造商能夠生產並提供開放網絡的產品，讓工業用戶花較少的費用就能夠購買到功能非常的PLC產品。

在為將PLC連接到Ethernet和Web上提供技術支持方面，Schneider公司已經成了者之一。近，該公司推出了一種運行於Premium PLC平臺的新型快速Ethernet(100 Mb/s)模件。該模件為PLC能夠連接到TCP/IP的Ethernet提供了全雙工自適應10/100Mb/s的連接速度，現場過程控制器之間可以共享實時數據信息，自動掃描Momentum I/O模件和其他任何基於Modbus通信協議的現場控制設備，採用一個嵌入式Web服務器提供HTML通信服務，同時提供了SNMP用於標準網絡通信管理。在一次展覽會上，Schneider公司還向工業用戶展示了他們有關透明工廠的觀念。

另外，Schneider公司近還推出了基於Modicon公司的Momentum MIE係列處理器的適配器，該適配器提供了標準IEC程序控制性能，進一步為e-制造提供了的解決方案。該適配器還提供了將智能化I/O係統和其他現場過程控制設備連接到Internet和Ethernet的能力，現場過程控制設備包括所有功能化實時過程控制器。

幾年前，Rockwell自動化公司也在其PLC產品中提供了Ethernet接口，而且正在堅定不移地穩步提高Ethernet的功能特性。該公司近已經公布了一種柔性I/O模件解決方案，這種柔性I/O模件利用非版本的Ethernet技術能夠提供實時過程控制性能。A-B公司提供的1756型ControlLogix I/O也是基於標準Ethernet TCP/IP和UDP數據傳輸協議的組件，其應用層使用了一種開放式、面向對象、基於生產者/ 消費者的技術。這種技術在ControlNet、DeviceNet和FF現場總線H1網絡係統中也能夠找到。

三、置位/復位指令型順序控制係統設計法

1．步進階梯設計圖5a為用置位/復位指令設計的順序控制係統步進階梯。其設計依據也是圖1所示的控制流程。該步進階梯結構的特點是每步的輔助繼電器都有一個置位線圈和一個復位線圈，二者編號相同。步1利用置位指令S使輔助繼電器M1置位（即M1線圈得電後內部自鎖），建立步1程序，並為步2提供步進條件信號。當步2的轉步主令信號發出（X2閉合），指令S使M2置位，建立步2程序，同時復位指令R使M1復位，撤銷步1程序。同理可畫出後續各步繼電器置位/復位梯形圖。當後一步完成並回到原位（X1閉合）時，指令R使M4復位，係統的工作循環結束。

2．輸出階梯設計圖5b為輸出階梯結構，與圖4b相同，不再贅述。

圖5 置位/復位指令型順序控制電路

四、移位指令型順序控制係統設計

1．步進階梯設計設計依據如圖6所示。圖7a為按圖6所示要求採用移位指令設計法設計的順序控制係統步進階梯，這種步進階梯由一個8位移位寄存器（由移位指令定義輔助繼電器M20～M27而成）作為控制元件。該移位寄存器中的IN為移位數據輸入端，CP為移位脈衝輸入端，R為復位端。這三個輸入端的輸入信號均為脈衝上升沿有效。對順序控制係統來說，輸入IN的信號是一個單脈衝信號，即移位數據為“1”。起動步1時，IN和CP同時輸入按鈕信號X0的脈衝上升沿後，在IN端生成的移位數據“1”便移入移位寄存器的M20位，此時該位有輸出（即輸出M20的常開觸點閉合信號），建立步1程序，並為步2提供步進條件信號；M20的常閉觸點即時斷開IN輸入端和CP的步1輸入端，完成數據“1”輸入和移位脈衝輸入。從步2起，本步的轉步主令信號一發出（X2接通），便輸入一個移位脈衝上升沿，使原來移入M20位的數據“1”移入M21位，建立步2程序，並為步3提供步進條件信號。移位後，M20位的狀態變為0，即其相應的步1被撤銷，輸出為0。依此類推便可實現整個步進階梯逐步得電和逐步失電。後一步完成並回到原位（X1接通）時，接通移位寄存器的復位端R，使移位寄存器復位清零，整個控制係統失電停止。

圖6 移位順序控制流程圖

圖7 移位指令型順序控制電路

設計這種步進階梯時要注意以下問題：（1）在一個自動工作循環內，移位寄存器的移位數據輸入端IN只允許起動時輸入一個單脈衝信號。也就是說起動時只能輸入移位數據“1”。步進階梯的工作原理就是根據輸入的數據“1”，在移位寄存器中逐步向高位移位來實現逐步得電和逐步失電。所以輸入端IN要串聯每個移位輸出位的常閉觸點；（2）移位寄存器對移位脈衝輸入端開關的抖動非常敏感。若開關抖動一次，相當於多輸入了一個移位脈衝，移位數據“1”隨之多移了一位。由於接點式開關被觸發時難免產生抖動。為這種影響，在移位脈衝輸入端的步1輸入回路，串聯移位寄存器0位（本例為M20）的常閉觸點，一旦移位數據移入M20位，便斷開步1的輸入回路；而從步2開始，每步的輸入回路也要串聯上一位的常開觸點。例如步2的輸入回路要串聯上一位M20的常開觸點。這樣，當移位到步2轉步主令信號對應的M21位時，便立即斷開步2的輸入回路。採用這樣的移位脈衝輸入回路結構，可確保每步的轉步輸入信號持續時間只有PLC的一個掃描周期（一般只有幾Mｓ），因開關的抖動時間遠大於PLC的一個掃描周期。所以可有效地開關抖動的影響。

2．輸出階梯設計圖7b為輸出階梯，其結構與圖4b相同，只是輔助繼電器編號不同而已。

結束語

上述4種PLC順序控制係統設計方法的共同特點是：

（1）由輸入繼電器控制輔助繼電器（包括由置位/復位指令和移位指令定義的輔助繼電器），按此構成步進階梯；

（2）由輔助繼電器控制輸出繼電器，以此構成輸出階梯

（3）無論步進階梯還是輸出階梯，都是很有規律的回路結構。不管要設計的順序控制係統有多少步，也不管其輸入輸出點數有多少，只要弄清設計方法所設計的步進階梯和輸出階梯的回路結構的規律性，根據設計依據，套用其中任一種設計方法的回路結構，就能快速地一次成功設計出較復雜的PLC順序控制係統。