PLC顺序控制在气动多缸演奏系统中的应用
赵龙,易孟林,罗晓玉
(华中科技大学机械科学与工程学院,武汉430074)
摘要:顺序控制是气动自动化系统的一个重要的应用领域,利用顺序功能图和梯形图语句编制控制程序,实现单台设备或生产过程的顺序控制,是PLC的主要功能之一。本文以三菱FX系列PLC为例,介绍了利用步进指令设计顺序控制程序的方法,并结合一气动多缸弹琴系统,设计了其气动回路和基于步进梯形图语言的PLC顺序控制系统。
关键词:顺序控制;气压传动;PLC;步进指令中图分类号:TP273 文献标识码:B 文章编号:1001-3881(2006)11-145-3
PLCBasedSequentialControlMethodanditsApplicationinaMulti-cylinder
PneumaticPerformingSystem
ZHAOLong,YIMenglin,LUOXiaoyu
(HuazhongUniversityofScience&Technology,Wuhan430074,China)
Abstract:Sequentialcontrolisanimportantpartofpneumaticcontrolsystem,whichiswidelyusedinthecontrolofbothsingleequipmentandmanufacturingprocess1Basedonsequentialfunctionchart(SFC)andstepladder(STL),sequentialcontrolisoneofthemajorfunctionsofPLC1TakingtheFX-seriesPLCofMITSUBISHIasanexample,themethodofprogrammingbyusingSTLanditsuseinapneumaticmulti-cylindersystem,aswellasthepneumaticandcontrolsystemoftheequipmentwereintroduced1
Keywords:Sequentialcontrol;Pneumatics;PLC;STL
1 顺序控制及PLC顺序控制的实现
顺序控制是工业生产过程中的一种常见的和典型的控制方式。所谓顺序控制,就是按照生产工艺预先规定的顺序,在各个输入信号的作用下,根据内部状态和时间的顺序,在生产过程中各个执行机构自动且有秩序地进行操作,其受控设备通常是动作顺序不变或相对固定的生产机械。
PLC的设计者继承了传统的顺序控制的基本思想,又为控制程序的编制提供了大量通用和专用的编辑元素和指令,并开发了供编制顺序控制程序的功能表图。基于功能表图的顺序控制方法已成为当前PLC梯形图设计的主要方法。功能表图主要由工步、有向连线、转换、转换条件和动作(或命令)组成。在IEC的PLC标准(IEC61131)中,顺序功能图是PLC居首位的编程语言。功能表图并不涉及所描述的控制功能的具体技术,它是一种通用的技术语言。2 基于功能表图的顺序控制梯形图设计
一般来说,基于功能表图,实现顺序控制的程序设计方法主要有四种,即:用起保停电路编程、用置位/复位指令编程、用移位寄存器编程和利用步进指令编程等。使用PLC提供的专门的顺序控制指令进行编程的方法简单易行,使用方便,编制的程序也较短。本文重点介绍用步进指令设计顺序控制梯形图的编程方法。
三菱FX系列PLC提供了步进梯形图指令(STL)和步进复位指令(RET)。STL是利用内部软元件状态S在顺控程序上面进行工序步进控制的指令。返回RET是表示状态S流程的结束,用于返回
主程序(母线)的指令。使用STL指令的状态寄存器的常开触点称为STL触点,它在梯形图中有特殊的表示,以区别于普通触点。图1表明了功能图与STL触点回路之间的对应关系。
图1 功能表图与STL指令的关系
在步进梯形图中,状态S被看作为一个控制工
序,从中将输入条件与输出控制按顺序编程。这种控制方式最大的特点是在某一工序进行时,与前一工序不接通,以各道工序的简单顺序来控制设备运行。3 PLC顺序控制在气动多缸系统中的应用
气动技术是以压缩气体为工作介质进行能量和信号的传递,从而实现生产过程自动化的一门技术。顺序控制是气动系统的一个重要的应用领域,在自动化设备特别是自动生产线、机械手等顺序控制场合,气动顺序控制系统是最为常见的系统。气动技术由于PLC的参与,使得庞杂多变的控制系统变得简单明了,程序的编制与修改也变得更为容易。本文以40个缸气动系统组成的气动自动弹琴装置为例,具体说明其气动回路的设计以及PLC控制系统的实现。311 气动回路设计
本系统共设置40个气缸,由PLC控制实现40路气缸联动。气动原理图如图2所示(只画出其中3个
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气缸,其它略)。气源通过气动三联件处理后,经二位三通电磁阀通向各个回路,驱动各气缸动作。本系统选用集装式电磁换向阀,电磁阀全部集中在阀板上,安装方便,节省空间。所有回路通过阀板统一进气与排气。
《机床与液压》20061No111
某一拍的时值将是015s的整数倍。类似于人手弹琴,
要将一连串音符组成的乐谱转化为气缸的动作并演奏出一首连贯的乐曲,重要的是要保证弹奏的每一个音符的准确性和精确性。
在本系统中,每一个气缸对应一个琴键,这已经完成了真人弹琴时手臂的来回移动。若将一首乐曲的演奏进程进行划分,以每个音符的弹奏动作作为一个工步,则某气缸的一次动作即完成一个工步,工步的转步主令信号由时间继电器控制,其延时值取决于具体曲子的乐谱和演奏速率。如此一来,弹琴的过程被简化为开关量的顺序控制过程,选用PLC来实现其控制,很好地发挥了其特长。控制系统原理如图3所示。
图2 气动原理图
就某一气缸而言,其动作状态完全取决于换向阀
电磁铁得电与否、何时得电以及持续多长时间。其工作过程是:气缸伸出敲击琴键并保持伸出状态,同时计时器开始计时,当延时时间到,电磁阀换向,气缸缩回,琴键复位,转由下一个音符对应的气缸伸出并弹琴。依次下去,即完成一整首曲子的弹奏。为了调节气缸运动的速度和力度,并减少系统动作过程中的冲击和噪声,回路中为每一个气缸的进气及排气均设置了节流阀。
312 PLC控制系统设计
(1)控制要求分析
音乐中有两个最重要的量———音高和音长。音高指某个音符的发声频率,音长则指某音符发声的持续时间,它涉及一首曲子所采用的节拍的快慢。比如一个2/4拍的曲子,若其演奏速率是120拍/min,则
序号
123456
图3 控制系统原理图
(2)PLC选型及I/O地址定义
分析可知,其输入信号有系统开启、停止按钮信
号,另外还有10个信号的输入用以选曲;输出有对40个单电控电磁阀以及指示灯的控制信号。整个系统的控制全是开关量,选用FX2N-80MR型PLC作为控制器,它分别有40个输入和40个输出。系统的I/O地址定义如表1所示。表中仅列出部分音符所对应的输出元件,实际中应该是40个气缸分别对应40个不同的音符(琴键)。
序号
789101112
表1 PLC的I/O定义表
输入元件开启按钮停止按钮曲目1曲目2曲目3曲目4
输入地址
X000X013X001X002X003X004
输出元件5键
6键7键1键2键3键
输出地址
Y007Y011Y013Y014Y016Y020
输入元件曲目5曲目6曲目7曲目8曲目9曲目10
输入地址
X005X006X007X010X011X012
输出元件
4键5键6键7键
输出地址
Y021Y023Y025Y027Y040Y041
指示灯1指示灯2
(3)PLC控制梯形图设计
为使编制的程序较短,缩短程序执行时间,节省存储空间,选用步进梯形图进行程序设计。FX2N系列PLC内部有S0～S999共1000个状态器,除去初始化用的S0～S9,其余均可与步进指令结合使用,很好地实现状态转移功能。如前所述,由每个状态S对应执行一个工步,这对于一般的乐曲来说,用900多个状态器演奏10首曲子是足够的。编程软件采用产品附带的FXGP-WIN-C软件,该软件可以方便地
实现梯形图与语句表的转换。用编程电缆将PLC的
编程口与计算机的RS-232口连接起来,联机调试完成后,将用户程序下载到PLC用户程序区即可。
下面以两首曲子的片断进行示例,并假设两首曲子的演奏速率均为60拍/min。整个十首曲子的编程,可在此基础上进行扩展完成。
示例曲目1(2/4拍):‖61 31—2 17‖示例曲目2(4/4拍):‖5-12—3
431‖
《机床与液压》20061No111用STL语句编制的梯形图如图4所示。
图4 梯形图
工作过程分析如下:当按下选择按钮X001时,
在应用指令ZRST的作用下,整体复位状态S0～S999和定时器T0～T245;同时,输入继电器X001的常开触点闭合,并通过主控触点(M1常开触点)自锁,输出继电器Y040接通,显示曲子1被选中;与此同时,状态S0被置位实现初始化,若此时再按下启动按钮X000,则开始执行演奏第一首曲子的程序。在曲子1的演奏过程中,若按下停止按钮X013,则主控接点M1断开,系统停止动作,并返回到初始状态;这时再依次选择按钮X002和X000,则第二首曲子被选中并开始演奏。对于所有的10首曲目的选择和控制均是类似的,程序之间已经实现了软件互锁,不会在执行中发生冲突。313 程序设计中的注意事项
(1)状态号不可重复使用。STL指令仅限于状态寄存器S的操作,在没有并行序列时,一个STL触点
在同一程序中只能出现一次。但是,在不同的状态之间,可编写同样的输出软元件。这是本系统应用STL语句进行编程的关键,它很好地解决了曲子中某一音符要求出现多次的可能。
(2)定时器可以重复使用。定时器线圈与输出线圈一样,也可以在不同状态间对同一软元件编程,即同一定时器可以在程序中重复使用,这样就大大节省了定时器的数目。但是,须要注意的是,在相邻状
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态中不能对同一定时器编程,否则,工序转移时定时
器线圈不断开,当前值不能复位,使程序执行陷入混乱。
(3)主控指令的使用。遇到多个线圈同时受一个或一组触点控制时,若在每个线圈的控制电路中都串入同样的触点,将多占存储单元,所编程序冗长,应用主控指令可以很好地解决这一问题。它们是与母线相连的常开触点,是控制一组电路的总开关。通过更改软元件地址号Y、M,可多次使用主控指令,且可简化程序,使之结构清晰。
4 结束语
顺序控制是PLC控制的一个非常重要的应用领域,采用STL指令设计顺序控制用户程序,具有使用方便、易于掌握和编制的特点,且允许“双线圈输出”,可有效提高输出电路的设计效率。同时,用STL指令设计顺序控制程序,可有效减少内存占用空间,特别是对于复杂控制系统,可显著缩短用户程序的执行时间,提高PLC的输入、输出响应速度。
不过,作为顺序控制程序设计时的专用指令,STL指令仅适用于某一厂家所生产的某些PLC产品,实现通用与互换还有待于各生产厂家对国际标准的认同与贯彻。本文所设计的PLC控制的弹琴装置目前已经安装调试完成,运行状况良好,类似控制完全可以推广应用到其它气动自动化系统。
参考文献
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北京:人民邮电出版社,20041
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上海科学技术文献出版社,20001
3】廖常初1大中型PLC应用教程[M]1北京:机械工
业出版社,20051
4】许福玲,陈尧明1液压与气压传动[M]1北京:机
械工业出版社,19961
作者简介:赵龙,男,华中科技大学机械科学与工程学院硕士研究生。主要研究方向:机电控制工程及其自动化。
收稿日期:2005-09-12
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