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组合机床液压滑台进给运动功能表图绘制举例

某组合机床液压滑台进给运动示意图如图1所示，其工作过程分成原位、快进、工进、快退四步，相应的转换条件为SB、SQ1、SQ2、SQ3。液压滑台系统各液压元件动作情况如表5-1所示。根据上述功能表图的绘制方法，液压滑台系统的功能表图如图2a所示。

图1 某组合机床液压滑台进给运动示意图

表1  液压元件动作表

元件 工步	YV1	YV2	YV3
原位	?	?	?
快进	┼	?	?
工进	┼	?	┼
快退	?	┼	?

 

图2  液压滑台系统的功能表图

如果PLC已经确定，可直接用编程元件M300～M303（FX系列）来代表这四步，设输入/输出设备与PLC的I/O点对应关系如表2所示，则可直接画出如图2b所示的功能表图接线图，图中M8002为FX系列PLC的产生初始化脉冲的特殊辅助继电器。

表2  输入/输出设备与PLC I/O对应关系

PLC  I/O	X0	X1	X2	X3	Y0	Y1	Y2
输入/输出设备	SB	SQ1	SQ2	SQ3	YV1	YV2	YV3

可编程控制器的编程语言简介

可编程控制器目前常用的编程语言有以下几种：梯形图语言、助记符语言、顺序功能图、功能块图和某些高级语言。手持编程器多采用助记符语言，计算机软件编程采用梯形图语言，也有采用顺序功能图、功能块图的。

（1）梯形图语言

梯形图的表达式沿用了原电气控制系统中的继电接触控制电路图的形式，二者的基本构思是一致的，只是使用符号和表达方式有所区别。

【例1-1】某一过程控制系统中，工艺要求开关1闭合40S后，指示灯亮，按下开关2后灯熄灭。采用三菱 FX_2N系列 PLC实现控制，图1-5(a)为实现这一功能的梯形图程序，它是由若干个梯级组成的，每一个输出元素构成一个梯级，而每个梯级可由多条支路组成。

梯形图从上至下按行编写，每一行则按从左至右的顺序编写。CPU将按自左到右，从上而下的顺序执行程序。梯形图的左侧竖直线称母线(源母线)。梯形图的左侧安排输入触点(如果有若干个触点相并联的支路应安排在**左端)和辅助继电器触点（运算中间结果），**右边必须是输出元素。

梯形图中的输入触点只有二种：动合触点和动断触点（     ），这些触点可以是PLC的外接开关对应的内部映像触点，也可以是PLC内部继电器触点，或内部定时、计数器的触点。每一个触点都有自己特殊的编号，以示区别。同一编号的触点可以有常开和动断两种状态，使用次数不限。因为梯形图中使用的“继电器”对应PLC内的存储区某字节或某位，所用的触点对应于该位的状态，可以反复读取，故人们称PLC有无限对触点。梯形图中的触点可以任意的串联、并联。

梯形图中的输出线圈对应PLC内存的相应位，输出线圈包括输出继电器线圈、辅助继电器线圈以及计数器、定时器线圈等，其逻辑动作只有线圈接通后，对应的触点才可能发生动作。用户程序运算结果可以立即为后续程序所利用。

（2）助记符语言

助记符语言又称命令语句表达式语言，它常用一些助记符来表示PLC的某种操作。它类似微机中的汇编语言，但比汇编语言更直观易懂。用户可以很容易地将梯形图语言转换成助记符语言。

图1-5(b)为梯形图对应的用助记符表示的指令表。

这里要说明的是不同厂家生产的PLC所使用的助记符各不相同，因此同一梯形图写成的助记符语句不相同。用户在将梯形图转换为助记符时，必须先弄清PLC的型号及内部各器件编号、使用范围和每一条助记符的使用方法。

（3）顺序功能图

顺序功能图常用来编制顺序控制程序，它包括步、动作、转换三个要素。顺序功能图法可以将一个复杂的控制过程分解为一些小的工作状态。对于这些小状态的功能依次处理后再把这些小状态依一定顺序控制要求连接成组合整体的控制程序。图1-6所示为采用顺序功能图编制的程序段，详情请见项目十。

（4）功能块图

功能块图是一种类似于数字逻辑电路的编程语言，用类似与门、或门的方框来表示逻辑运算关系，方块左侧为逻辑运算的输入变量，右侧为输出变量，输入端、输出端的小圆点表示“非”运算，信号自左向右流动。类似于电路一样，方框被“导线”连接在一起。图1-7所示为功能块图示例。

PLC编程指令——符合检查指令（COIN）

此指令用来检查参考值与比较值是否一致，可用于检查刀库、转台等旋转体是否到达目标位置等。功能指令格式如图1所示。 

图1  COIN指令格式

控制条件说明：

1）指定数据位数  BYT＝0，处理数据为两位BCD码；BYT＝1，处理数据为4位BCD码。

2）指定参考值格式  DAT＝0，参考值用常数指定；DAT＝1，指定存放参考值的数据地址。

注；也有另一种格式把DAT条件放到指令方格后的参数1中，则条件少一行，而参数多一格。

3）执行命令  ACT＝0，不执行；ACT＝1，执行COIN指令。

4）比较结果  R₁=0，参考值≠比较值；R₁＝1，参考值＝比较值

S7-300是模块化小型PLC系统，能满足中等性能要求的应用。各种单独的模块之间可进行广泛组合构成不同要求的系统。与S7-200 PLC比较，S7-300 PLC采用模块化结构，具备高速（0.6~0.1μs）的指令运算速度；用浮点数运算比较有效地实现了更为复杂的算术运算；一个带标准用户接口的软件工具方便用户给所有模块进行参数赋值；方便的人机界面服务已经集成在S7-300操作系统内，人机对话的编程要求大大减少。SIMATIC人机界面（HMI）从S7-300中取得数据，S7-300按用户指定的刷新速度传送这些数据。S7-300操作系统自动地处理数据的传送；CPU的智能化的诊断系统连续监控系统的功能是否正常、记录错误和特殊系统事件（例如：超时，模块更换，等等）；多级口令保护可以使用户高度、有效地保护其技术机密，防止未经允许的复制和修改；S7-300 PLC设有操作方式选择开关，操作方式选择开关像钥匙一样可以拔出，当钥匙拔出时，就不能改变操作方式，这样就可防止非法删除或改写用户程序。具备强大的通信功能，S7-300 PLC可通过编程软件Step 7的用户界面提供通信组态功能，这使得组态非常容易、简单。S7-300 PLC具有多种不同的通信接口，并通过多种通信处理器来连接AS-I总线接口和工业以太网总线系统；串行通信处理器用来连接点到点的通信系统；多点接口（MPI）集成在CPU中，用于同时连接编程器、PC机、人机界面系统及其他SIMATIC S7/M7/C7等自动化控制系统。

西门子PLC触点并联指令：O（Or）/ON（Or not）功能举例说明

（1）指令功能

O：或操作，在梯形图中表示并联连接一个常开触点。

     ON：或非操作，在梯形图中表示并联连接一个常闭触点。

（2）指令格式如图1所示

梯形图                                     

 

 语句表

 

  

图1  O/ON 指令的使用

（3）O/ON指令使用说明：

2        2        O/ON指令可作为并联一个触点指令，紧接在LD/LDN指令之后用，即对其前面的LD/LDN指令所规定的触点并联一个触点，可以连续使用。

2        2        若要并联连接两个以上触点的串联回路时，须采用OLD指令。

2        2        ON操作数：I、Q、M、SM、V、S

立即类指令是指执行指令时不受S7-200循环扫描工作方式的影响，而对实际的I/O点立即进行读写操作。分为立即读指令和立即输出指令两大类。

立即读指令用于输入I接点，立即读指令读取实际输入点的状态时，并不更新该输入点对应的输入映像寄存器的值。如：当实际输入点（位）是1时，其对应的立即触点立即接通；当实际输入点（位）是0时，其对应的立即触点立即断开。

立即输出指令用于输出Q线圈，执行指令时，立即将新值写入实际输出点和对应的输出映像寄存器。

立即类指令与非立即类指令不同，非立即指令仅将新值读或写入输入/输出映像寄存器。

立即类指令的格式及说明如表1所示。

表1 立即类指令的格式及说明

  电动机正、反转控制电路的PLC程序设计

在例一的基础上，如果希望实现三相异步电动机的可逆运行，只需增加一个反转控制按钮和一个反转控制的接触器KM2即可。其相对应的元件安排如下：

在梯形图设计上可以考虑选两套起—保—停电路，一个用于正转，一个用于反转，考虑正反两个接触器不能同时接通，在两个接触器的驱动支路中分别串入对方的常闭触点来达到“互锁”的目的。其相应的控制梯形图如图1所示：

      

程序清单：

LD  X000

OR  Y000

ANI  X002

ANI  Y001

ANI  X001

OUT  Y000

LD  X001

OR  Y001

 

ANI  X002

ANI  Y000

ANI  X000

OUT  Y001

END

图1  电动机正、反转控制电路的PLC梯形图程序——双重输出线圈

PLC的三大应用领域简介——开关逻辑和顺序、过程控制、运动控制

  (1) 开关逻辑和顺序控制：这是可编程序控制器**基本的控制功能，在工业场合应用**广泛，可代替继电器控制系统。开关量逻辑控制不但能用于单台设备，而且可用于生产线上。

        (2) 过程控制：PLC通过模拟量I/O模块，可对温度、流量、压力等连续变化的模拟量进行控制。大中型PLC都具有PID闭环控制功能并已广泛地用于电力、化工、机械、冶金等行业。

      (3) 运动控制：PLC可应用于对直线运动或圆周运动的控制，如数控机床、机器人、金属加工、电梯控制等。

  1 引言

    可编程序控制器是以微处理器为基础，综合计算机、通信、联网以及自动控制技术而开发的新一代工业控制装置。可编程序控制器在我国的发展与应用已有30多年的历史，现在它已经广泛应用于国民经济的各个工业生产领域，成为提高传统工业装备水平和技术能力的重要设备和强大支柱。随着全球一体化经济的发展，努力发展可编程序控制器在我国的大规模应用，形成具有自主知识产权的可编程序控制器技术，应该是广大技术人员努力的方向。

    2 可编程序控制器的发展历程

    可编程序控制器问世于 20 世纪 60 年代，当时的可编程序控制器功能都很简单，只有逻辑、定时、计数等功能；硬件方面用于可编程序控制器的集成电路还没有投入大规模工业化生产， CPU 以分立元件组成；存储器为磁心存储器，存储容量有限；用户指令一般只有二三十条，还没有成型的编程语言；机型单一，没有形成系列。一台可编程序控制器**多只能替代200~300个继电器组成的控制系统，在体积方面，与现在的可编程序控制器相比，可以说是庞然大物。

    进入70年代，随着中小规模集成电路的工业化生产，可编程序控制器技术得到了较大的发展。可编程序控制器功能除逻辑运算外，增加了数值运算、计算机接口、模拟量控制等；软件开发有自诊断程序，程序存储开始使用EPROM ；可靠性进一步提高，初步形成系列，结构上开始有模块式和整体式的区分，整机功能从专用向通用过渡。

    70年代后期和80年代初期，微处理器技术日趋成熟，单片微处理器、半导体存储器进入工业化生产，大规模集成电路开始普遍应用。可编程序控制器开始向多处理器发展，使可编程序控制器的功能和处理速度大为增强，并具有通信和远程 I/O 能力，增加了多种特殊功能，如浮点运算、三角函数、查表、列表等，自诊断和容错技术也迅速发展。

    80年代后期到90年代中期，随着计算机和网络技术的普及应用，超大规模集成电路、门阵列以及专用集成电路的迅速发展，可编程序控制器的CPU已发展为由16位或32位微处理器构成，处理速度得到很大提高，高速计数、中断、PID、运动控制等功能引入了可编程序控制器。使得可编程序控制器能够满足工业生产过程的各个领域，可编程序控制器已完全取代了传统的逻辑控制装置，模拟量仪表控制装置和以小型机为核心的DDC（直接数字控制）控制装置。由于联网能力增强，既可和上位计算机联网，也可以下挂 FLEX I/O 或远程 I/O ，从而组成分布式控制系统（DCS）已无困难。梯型图语言和语句表语言完全成熟，基本上标准化，SFC（顺序功能图）语言逐步普及，专用的编程器已被个人计算机和相应编程软件所替代，人机界面装置日趋完善，已能进行对整个工厂的监控、管理，并发展了冗余技术，大大加强了可靠性。

    进入21世纪，可编程序控制器仍保持旺盛的发展势头，并不断扩大其应用领域，如为用户配置柔性制造系统（FMS）和计算机集成制造系统（CIMS）。目前可编程序控制器主要向两 个方向扩展：一是综合化控制系统，它已经突破了原有的可编程序控制器的概念，将工厂生产过程控制与信息管理系统密切结合起来，甚至向上为MES和ERP系统准备了技术基础，这种发展趋势会使得举步为艰的ERP系统有了坚实的技术基础，从而会带来工业控制的一场变革，实现真正意义上的电子信息化工厂；二是微型可编程序控制器异军突起，体积如手掌大小，功能可覆盖单体设备及整个车间的控制功能，并具备联网功能，这种微型化的可编程序控制器使得控制系统可将触角延伸到工厂的各个角落。随着**经济一体化进程的加快，在技术发展的同时，发达国家更加注重了对可编程序控制器的知识产权的保护，国际大型可编程序控制器制造商纷纷加入了可编程序控制器的国际标准化组织，他们利用许多技术标准建立了符合他们经济利益的技术保护壁垒。

    3 可编程序控制器在我国的发展

    我国可编程序控制器的发展与国际上的发展有所不同，国际上可编程序控制器的发展是从研制、开发、生产到应用，而我国则是从成套设备引进、可编程序控制器引进应用、消化移植、合资生产到广泛应用。大致可划分为下述三个阶段：

    (1) 可编程序控制器的初级认识阶段（70 年代后期到 80 年代初期）

    国际上可编程序控制器的发展，首先引起了国内工程技术界的极大兴趣，所以我国对可编程序控制器的认识始于 70 年代后期到 80 年代初期的成套设备引进中，当时的上海宝钢一期工程中有多项工程引进了十几种机型约 200 多台可编程序控制器。这些可编程序控制器用于原料码头到高炉、轧钢、钢管等整个钢铁冶炼以及加工生产线上，取代了传统的继电器逻辑系统，并部分取代了模拟量控制和小型 DDC 系统。继宝钢一期工程后，国内许多厂家陆续引进的设备和生产线大都配备了可编程序控制器，其应用范围包括电站、石油化工、汽车制造、港口和码头等各领域。正是在成套设备引进过程中，我们打开了眼界，了解认识了可编程序控制器，这也促进了可编程序控制器在我国的发展。

    (2) 可编程序控制器的引进应用和消化移植阶段（80 年代初期到90年代初期）

    80年代初期开始，随着我国改革开放的不断深入，在成套设备引进的同时，国外原装的可编程序控制器开始涌入国内市场。许多部门和单位相继引进可编程序控制器并自己设计组成控制系统，其应用范围也扩大到建材、轻工、煤炭、水处理、食品、制药、造纸、橡胶和精细化工等工业领域。

    随着应用能力的提高和市场需求的扩大，一些部门和单位本着技贸结合、消化移植的方针，一方面进行二次开发和应用研究，一方面也在引进可编程序控制器的生产线，建立生产可编程序控制器的合资企业，积极开发自己的产品。

    同时，国内也开始研制可编程序控制器产品，当时在上海、北京、西安、广州、长春等地有约 20 多家科研单位、大专院校和工厂都在研制和生产可编程序控制器，但由于缺乏资金和后续研究力量、生产技术相对落后，只能停留在实验室阶段，没能投入实际应用和形成工业化生产。

    (3) 可编程序控制器的广泛发展阶段（90 年代初期到现在）

    进入90年代，我国的可编程序控制器进入了广泛发展阶段，主要表现在以下几个方面：

    a. 政府重视

    可编程序控制器的发展得到了政府的高度重视，在当时机械电子工业部的领导下，于 1991 年成立了可编程序控制器行业协会。可编程序控制器行业协会在政府和企事业之间起到了桥梁作用，沟通了情况，为做出决策提供了依据。同时可编程序控制器的标准化工作也受到了有关部门的重视，于 1993 年成立了可编程序控制器标准化技术委员会，为我国可编程序控制器的进一步发展打下了基础。

    b. 应用更加广泛

    这一阶段可编程序控制器的应用已经渗透到国民经济的各个部门和工业过程的各个角落，已成为企业提高装备技术水平的重要标志。在宝钢的二期三期工程中使用了国外多个厂家三十几种机型计六百多台套的可编程序控制器，在广西玉柴机器有限公司的柴油机生产线中使用了近二百台罗克韦尔自动化公司的可编程序控制器，像这样大范围使用可编程序控制器的系统已很常见。在这一阶段中，我国的工程技术人员充分显示出了设计应用、软件制作、设备成套的能力。**近，在笔者自行设计成套、软件开发、安装调试的我国西部大开发重点项目青海盐湖100万吨氯化钾项目中，采用可编程序控制器组成了全厂的自动化控制系统，并将可编程序控制器设计在MCC柜中，实现了全厂六百多面MCC柜、覆盖全厂各个工艺流程的综合自动化系统。该应用项目已引起国外各大公司的注意，罗克韦尔自动化公司邀请项目设计人员去美国公司总部进行介绍。

    c. 研制、开发、生产取得成果

    随着我国改革开放的不断深入，国外厂商纷纷看好中国的市场，在中国建立他们的办事处，甚至将他们的亚太总部设在中国。国内企业纷纷引进国外技术，从而促进了一批技术引进企业、合资企业的建立，带动了我国可编程序控制器行业的技术发展。可喜的是从90年代初期开始，由于可编程序控制器应用的不断深入，国内又掀起了自主研制开发可编程序控制器的高潮，虽然多为小型可编程序控制器，批量亦不大，但其功能、质量和可靠性已有明显的提高，代表产品如南京嘉华的JH200，I/O为12到120点，有高速计数器和模拟量功能；杭州新箭公司的D20P，其I/O为12/8点，D100的I/O可从40点扩展到120点；兰州全志的RD100、RD200，前者I/O为9/4点，2点模入，后者I/O为20~40点，扩展的功能有编码盘测速，热电偶测温和模拟量I/O，能联网32台RD200以及与PC机进行实时通信。同时，中大规模的可编程序控制器在国内也开始出现，交通部上海船舶运输研究所的STI2000，I/O为256点，多台联网时I/O可达4096点；北京和利时公司研制生产的Hollias-PLC 可编程序控制器，其中典型的产品为数字量I/O达1024点，模拟量I/O达256点，内置TCP/IP通信接口，很容易接入管理网，配有PROFIBUS-DP现场总线的主站，从站和远程I/O，并与合作伙伴一起推出了 InterControl G3小型可编程序控制器系统。在国外产品强手如林的情况下，这些产品已具有和国外同类产品进行竞争的能力，充分说明国产可编程序控制器发展已进入了一个新的阶段。