基于顺序功能图的自动配料控制系统设计

摘 要：顺序功能图是一种专用于工业顺序控制的图形化编程语言，它能把复杂的梯形图程序简化为每个状态里的简单动作程序。自动配料控制系统控制要求较高而且电机启停都符合顺序控制，所以本文提出了采用功能图法来实现自动配料控制系统的软件设计。实践证明其实现过程比较直接简单、容易理解，避免了梯形图法编制自动配料程序中逻辑复杂、不好理解的缺陷。

关键词：顺序功能图；PLC；自动配料；梯形图

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.22.114

0 引言

可编程控制器的编程语言主要有梯形图、顺序功能图、语句表等，但是使用较为广泛的是梯形图和顺序功能图两种语言[1]。梯形图是在继电器控制系统的电气原理图的基础上变化而来的，它的电气逻辑关系表示方法和电气原理图是相同的，所以梯形图语言入门比较容易，一直是最常用的一种编程方法，但是梯形图在处理复杂控制问题时，显得力不从心而且有时感觉无从下手，即使能勉强编制出来复杂顺序梯形图，该程序也逻辑关系复杂且很难理解。顺序功能图语言是一种真正的图形化编程语言，非常擅长处理复杂顺序问题，是专用于工业顺序控制的一种功能性程序设计语言，不管顺序有多复杂，它都能以图形的方式把问题表达或叙述清楚[2，3]。1994年5月，IEC公布的PLC标准中，顺序功能图被确定为PLC的位居首位的编程语言。本文选用德国西门子S7-200PLC为自动配料的控制器来介绍功能图编程语言在自动配料中的应用。

1 顺序功能图

顺序功能图用近似流程图来表达控制过程，主要由状态（或步）、有向连线、转移、动作组成。顺序功能图设计法最基本的设计思想就是将系统的一个工作周期划分为若干个顺序相连的阶段，这些阶段称为状态（或步），并用编程元件（M或S）来代表个状态。状态是根据输出量的状态来划分的，在任何一个状态之内，各输出量的ON/OFF状态不变[4，5]。每个功能图都至少有一个等待启动命令的初始状态，状态和状态之间用有向线段隔开，有向线段上画一短横线注明状态之间的转移条件，当条件满足时下个状态就成为活动状态，其对应的动作将被执行，当某个状态没被激活，它所对应的动作是不会被执行的。

2 自动配料控制系统要求

自动配料系统由料斗、传送带、检测系统组成。配料装置能自动识别货车到位情况并对货车进行自动配料，当车检测到装满时，配料系统自动停止配料，料斗中物料不足时会停止配料并自动进料。闭合启动开关，红灯L2灭，绿灯L1亮，表明允许汽车开进准备装料。初始时料斗出料口D2关闭，若物料检测传感器S1为OFF（料斗中的物料不满），进料阀开启进料（D1亮）。当S1为ON（料斗中的物料已满），就停止进料（D1灭）。电动机M1、M2、M3和M4初始都为OFF。当汽车开到装车位置时，限位开关SQ2为ON，红灯信号灯L2亮，绿灯L1灭；同时启动电机M4，经过2S后，再启动M3，再经2S后启动M2，再经过2S最后启动M1，再经过2S后才打开出料阀（D2亮），物料经料斗下料。当车装满时，限位开关SQ1为ON，料斗关闭停止出料，2S后M1停止，M2在M1停止2S后停止，M3在M2停止2S后停止，M4在M3停止2S后最后停止。同时红灯L2灭，绿灯L1亮，表明汽车可以开走。关闭“启动”开关，自动配料装车的整个系统停止运行。

3 自动配料系统硬件设计

本文选用德国西门子S7-200PLC为自动配料的控制器，西门子S7-200PLC是小型PLC，它体积小，价格低，但是功能很强，无论是单机运行还是联网控制都能实现自动化领域的几乎全部控制要求。根据自动配料控制要求，该系统需要4个输入/10个输出，选择德国西门子S7-200PLC的CPU224來做控制器，CPU224有14个输入点/10个输出点，故能满足控制要求。自动配料控制系统的输入/输出分配表[6]如下表表1输入/输出分配表所示。

4 功能图法自动配料程序设计

对于自动配料的控制，它的工作过程是按一定时序进行工作的，需要循环工作，且控制要求比较复杂，如果用梯形图法来设计会感到一时无从下手，这种符合一定顺序的工作任务，选用功能图法更简单直接并且很快就能上手编程。

用顺序功能图法来实现顺序控制，状态划分非常关键，根据工艺流程把控制过程分成若干个阶段，每个阶段对应一个状态，状态划分完以后，编程就仅仅是按部就班而已。顺序功能图中，状态之间的转换要具备两个条件，即该状态的前级状态为活动状态并且还要满足转移条件。状态转换要实现的两个操作是使所有和有向线段及转移条件相连的前级状态复位，并且激活所有和有向线段及转移条件相连的后续状态[7]。选用西门子S7-200PLC来实现自动配料控制系统，虽然S7-200PLC不直接支持功能图，但是它提供了专门的顺序控制指令可以把功能图方便转换为梯形图或语句表语言[8，9]。顺序控制指令有状态开始LSCR S_bit、状态转移指令SCRT S_bit、状态结束指令SCRE。即使要经过顺序控制指令的转换，使用功能图语言也要比其它编程语言好很多，快很多。因为每个状态几乎都分四步，状态开始，动作，转移和状态结束，虽然经过顺序控制指令转换程序有点长，但是几乎都是复制的过程，就仅仅需要简单修改其相应的动作和转换条件即可。

自动配料的功能图程序如图1自动配料功能图所示。

5 结束语

在用功能图编制程序时需要注意的是重复性动作的处理，重复性动作处理主要有置位复位法、软元件M辅助法、软元件S驱动法，本文自动配料控制系统中电机工作是一个连续的过程，所以采用的是置位复位法比较方便，能够让动作连续有效一段时间，直到遇到复位指令。顺序功能图法来实现自动配料程序设计，可以把复杂的控制要求化整为零分成若干步，再用近似的步骤：状态开始、处理动作、转移、状态结束来解决每一步，化难为易，实际应用表明实现起来下手容易、高效，并且编制的程序逻辑清晰容易理解。

参考文献

[1]王永华.现代电气控制及PLC应用技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2016.

[2]嵇海旭，梁秀娟.用功能图实现机械手臂及货物传输带的控制[J].机械制造，2015（11）：13.

[3]解大秦.浅谈西门子PLC中梯形图编程和顺序功能图编程的区别[J].科技展望，2016（12）：173.

[4]嵇海旭，梁秀娟.用顺序功能图实现复杂的PLC控制[J].制造业自动化，2012，34（07）：71.

[5]巨向丽.顺序控制设计法在PLC控制系统中的应用[J].山东工业技术，2015（02）：194.

[6]吴顺华.基于顺序功能图的交通灯PLC控制[J].智慧工厂，2016（06）：61-62.

[7]肖世耀，李湘伟，关春天.顺序功能图在多种工作方式系统中的应用[J].自动化技术与应用，2016，35（09）：66.

[8]陈青艳.编制功能图的技巧与三种实现方法[J].机械工程师，2016（05）：129-130.

[9]张祁.S7-200PLC顺序控制程序编写的几种思路[J].电子技术与软件工程，2015（04）：259.

作者简介：王秀（1978-），女，山东菏泽人，硕士，讲师，研究方向：自动控制与检测。endprint