在生產(chǎn)機械的自動控制領域，PLC順序控制系統(tǒng)的應用量大面廣。然而，工藝不同的生產(chǎn)機械要求設計不同的控制系統(tǒng)梯形圖。目前，不少電氣設計人員仍然采用經(jīng)驗設計法來設計PLC順序控制系統(tǒng)，不僅設計效率低，容易出差錯，而且設計階段難以發(fā)現(xiàn)錯誤，需要多次調試、修改才符合設計要。本文提出的4種簡易設計方法，能快速地一次設計成功PLC順序控制系統(tǒng)。
順序控制系統(tǒng)的特點及設計思路
1．特點順序控制系統(tǒng)是指按照預定的受控執(zhí)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系統(tǒng)。其受控設備通常是動作順序不變或相對固定的生產(chǎn)機械。這種控制系統(tǒng)的轉步主令信號大多數(shù)是行程開關（包括有觸點或無觸點行程開關、光電開關、干簧管開關、霍爾元件開關等位置檢測開關），有時也采用壓力繼電器、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。
為了使順序控制系統(tǒng)工作可靠，通常采用步進式順序控制電路結構。所謂步進式順序控制，是指控制系統(tǒng)的任一程序步（以下簡稱步）的得電必須以前一步的得電并且本步的轉步主令信號已發(fā)出為條件。對生產(chǎn)機械而言，受控設備任一步的機械動作是否執(zhí)行，取決于控制系統(tǒng)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，則后一步的動作無法執(zhí)行。這種控制系統(tǒng)的互鎖嚴密，即便轉步主令信號元件失靈或出現(xiàn)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(xiàn)由轉步主令信號控制輔助繼電器得失電；然后根據(jù)步進階梯設計輸出階梯，在輸出階梯實現(xiàn)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于大多數(shù)PLC機型，具有通用性。
由于各種PLC機型的編程元件代號及其編號不盡相同，為便于闡述，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(shù)表示。用這些方法設計實際的控制系統(tǒng)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
下面分別介紹各種設計方法。其中，前3種方法的設計依據(jù)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，后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系統(tǒng)設計法
如圖2所示，這種設計方法是根據(jù)“與”、“或”、“非”的基本邏輯關系，設計成串聯(lián)、并聯(lián)或串、并聯(lián)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處于壓合狀態(tài)（若受控機械有多個執(zhí)行機構，則要求每個執(zhí)行機構的原位開關均處于壓合狀態(tài)），滿足原位條件后按起動按鈕X0才能得電。M1得電后自鎖，并為步2提供步進條件信號（M1的常開觸點）。步1的執(zhí)行動作完成時觸發(fā)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后得電自鎖，并為步3提供步進條件信號。按此規(guī)律即可實現(xiàn)后續(xù)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：最后一個工作步M4發(fā)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(fā)的轉步信號X1。由于M5的得電信號令控制系統(tǒng)失電，所以M5的回路不自鎖，而且要將其常閉觸點串聯(lián)在步1回路的最左端。從步2起后續(xù)各個步的回路構成分支回路。一旦M5得電便使整個系統(tǒng)失電。如不用分支回路的結構，也可采用圖3所示的回路。即把M5常閉觸點分別串聯(lián)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(lián)。
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(lián)。如果某個輸出繼電器在一個工作循環(huán)中多次得電失電，則將每次得失電的串聯(lián)信號互相并聯(lián)即可。例如，圖1中輸出繼電器Y1要求在步1和步3得電，在其余步失電。在圖2b畫其控制回路時，將圖1所示的第一次得電信號M1和第一次失電信號M2串聯(lián)，第二次得電信號M4和第二次失電信號串聯(lián)，然后將二者并聯(lián)起來，再與Y1的線圈串聯(lián)便構成Y1的控制回路。其余依此類推。
二、逐步得電逐步失電型步進順序控制系統(tǒng)設計法
1．步進階梯設計
按圖1所示的控制流程，采用逐步得電逐步失電型順序控制系統(tǒng)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回路必須串聯(lián)步2至最后工作步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。其余的電路結與圖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(jù)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的常開觸點并聯(lián)，再與Y1的線圈串聯(lián)即可。其余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系統(tǒng)梯形圖
三、置位/復位指令型順序控制系統(tǒng)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系統(tǒng)步進階梯。其設計依據(jù)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線圈得電后內部自鎖），建立步1程序，并為步2提供步進條件信號。當步2的轉步主令信號發(fā)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。同理可畫出后續(xù)各步繼電器置位/復位梯形圖。當最后一步完成并回到原位（X1閉合）時，指令R使M4復位，系統(tǒng)的工作循環(huán)結束。
2．輸出階梯設計圖5b為輸出階梯結構，與圖4b完全相同，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系統(tǒng)設計
1．步進階梯設計設計依據(jù)如圖6所示。圖7a為按圖6所示要求采用移位指令設計法設計的順序控制系統(tǒng)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(shù)據(jù)輸入端，CP為移位脈沖輸入端，R為復位端。這三個輸入端的輸入信號均為脈沖上升沿有效。對順序控制系統(tǒng)來說，輸入IN的信號必須是一個單脈沖信號，即移位數(shù)據(jù)為“1”。起動步1時，IN和CP同時輸入按鈕信號X0的脈沖上升沿后，在IN端生成的移位數(shù)據(jù)“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，并為步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(shù)據(jù)“1”輸入和移位脈沖輸入。從步2起，本步的轉步主令信號一發(fā)出（X2接通），便輸入一個移位脈沖上升沿，使原來移入M20位的數(shù)據(jù)“1”移入M21位，建立步2程序，并為步3提供步進條件信號。移位后，M20位的狀態(tài)變?yōu)?，即其相應的步1被撤銷，輸出為0。依此類推便可實現(xiàn)整個步進階梯逐步得電和逐步失電。最后一步完成并回到原位（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，整個控制系統(tǒng)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(huán)內，移位寄存器的移位數(shù)據(jù)輸入端IN只允許起動時輸入一個單脈沖信號。也就是說起動時只能輸入移位數(shù)據(jù)“1”。步進階梯的工作原理就是根據(jù)輸入的數(shù)據(jù)“1”，在移位寄存器中逐步向高位移位來實現(xiàn)逐步得電和逐步失電。所以輸入端IN要串聯(lián)每個移位輸出位的常閉觸點；（2）移位寄存器對移位脈沖輸入端開關的抖動非常敏感。若開關抖動一次，相當于多輸入了一個移位脈沖，移位數(shù)據(jù)“1”隨之多移了一位。由于接點式開關被觸發(fā)時難免產(chǎn)生抖動。為消除這種影響，在移位脈沖輸入端的步1輸入回路，必須串聯(lián)移位寄存器0位（本例為M20）的常閉觸點，一旦移位數(shù)據(jù)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(lián)上一位的常開觸點。例如步2的輸入回路要串聯(lián)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。采用這樣的移位脈沖輸入回路結構，可確保每步的轉步輸入信號持續(xù)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于PLC的一個掃描周期。所以可有效地消除開關抖動的影響。
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順序控制系統(tǒng)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(guī)律的回路結構。不管要設計的順序控制系統(tǒng)有多少步，也不管其輸入輸出點數(shù)有多少，只要弄清各種設計方法所設計的步進階梯和輸出階梯的回路結構的規(guī)律性，根據(jù)設計依據(jù)，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順序控制系統(tǒng)。
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