開關(guān)量設(shè)備驅(qū)動(dòng)模塊的plc程序設(shè)計(jì)方法剖析

1 引言

一般來說，可以把控制系統(tǒng)劃分為三類：過程調(diào)節(jié)系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)和生產(chǎn)控制系統(tǒng)。第一種側(cè)重于回路的調(diào)節(jié)控制，往往涉及較復(fù)雜的控制算法，主要應(yīng)用于煉油等化工行業(yè);第二種側(cè)重于機(jī)械的運(yùn)動(dòng)控制，實(shí)時(shí)性和同步性較強(qiáng)，主要應(yīng)用于機(jī)械包裝行業(yè)，如啤酒罐裝生產(chǎn)過程;第三種側(cè)重于有大量獨(dú)立的檢測和控制信號，控制程序的順序性較強(qiáng)，與工藝流程結(jié)合比較緊密，啤酒釀造過程就屬于此類。這三種控制系統(tǒng)，各有各的編程側(cè)重點(diǎn)。對于生產(chǎn)控制系統(tǒng)，其編程重點(diǎn)有兩部分：一部分是設(shè)備驅(qū)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)模塊的設(shè)計(jì)，主要針對生產(chǎn)中大量相對獨(dú)立的檢測和控制信號，通過歸類分析，設(shè)計(jì)出各類設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)處理功能塊，來實(shí)現(xiàn)這些設(shè)備的手動(dòng)/自動(dòng)開關(guān)/調(diào)節(jié)、報(bào)警檢測、模擬、忽略等控制功能，這部分設(shè)計(jì)包括各類開關(guān)量設(shè)備驅(qū)動(dòng)功能塊、連續(xù)量設(shè)備驅(qū)動(dòng)功能塊和調(diào)節(jié)回路驅(qū)動(dòng)功能塊的設(shè)計(jì);另一部分是生產(chǎn)工藝流程控制程序的設(shè)計(jì)，根據(jù)生產(chǎn)工藝流程中每一步驟的控制要求，在每個(gè)順序步中實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的控制動(dòng)作，而這些動(dòng)作命令是發(fā)送給設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)模塊，由標(biāo)準(zhǔn)模塊處理后才影響現(xiàn)場設(shè)備。可以看出第一部分的設(shè)備驅(qū)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)模塊設(shè)計(jì)是基礎(chǔ)，它直接管理所有的輸入/輸出設(shè)備，生產(chǎn)工藝流程控制程序必須通過他們才能發(fā)揮作用。下面就以啤酒釀造生產(chǎn)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)為例，論述開關(guān)量設(shè)備驅(qū)動(dòng)模塊的plc程序設(shè)計(jì)方法。

2 數(shù)字量設(shè)備控制模塊的設(shè)計(jì)分析

啤酒釀造生產(chǎn)涉及大量的數(shù)字量信號，如閥位檢測信號、物料高低位檢測信號、氣動(dòng)閥門開關(guān)控制信號，電機(jī)啟停控制信號等，如一個(gè)年產(chǎn)20萬噸的啤酒發(fā)酵和過濾車間，其數(shù)字量設(shè)備的數(shù)量至少在千點(diǎn)以上。如何按標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的程序設(shè)計(jì)要求來編寫這些數(shù)字量設(shè)備的控制塊，使這些控制塊既能通用于啤酒釀造設(shè)備，又能提供較全面的生產(chǎn)操作功能，這些是程序設(shè)計(jì)人員在動(dòng)手寫控制程序之前需要考慮的問題。在這里，通過分析啤酒釀造生產(chǎn)控制設(shè)備的特點(diǎn)，可以根據(jù)這些設(shè)備的信號類型和操作要求，把所有數(shù)字量設(shè)備劃分成8種控制類型，從而設(shè)計(jì)出相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)控制模塊，就可以大大提高整個(gè)控制系統(tǒng)編程的效率，使控制程序具有好的可讀性和移植性。

2.1 數(shù)字量設(shè)備控制類型

根據(jù)數(shù)字量設(shè)備的輸入輸出信號特點(diǎn)，筆者把它劃分成八類：

（1）第一種是常開輸入（io）的信號設(shè)備。該類設(shè)備只有輸入信號，沒有輸出信號，且平時(shí)的輸入信號為0。如液位的高位信號，管板上的彎管連接狀態(tài)信號等，它們正常時(shí)輸入信號都為0，等到有變化了，需要提醒或報(bào)警時(shí)才變?yōu)?。

（2）第二種是常閉輸入（ic）的信號設(shè)備。該類設(shè)備只有輸入信號，沒有輸出信號，且平時(shí)的輸入信號為1，與第一種恰好相反。如液位的低位信號，壓力容器的關(guān)閉鍋蓋檢測信號，設(shè)備的急停信號等，它們正常時(shí)輸入信號都為1，等到有變化了，需要提醒或報(bào)警時(shí)才變?yōu)?。

（3）第三種是單輸出（out）且不帶反饋的控制設(shè)備。該類設(shè)備有一個(gè)開關(guān)輸出信號，沒有輸入反饋信號。如電磁閥，不帶位置反饋的單驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)蝶閥等。通常輸出信號為0，對應(yīng)于設(shè)備關(guān)，為1，對應(yīng)于設(shè)備開。

（4）第四種是單輸出（out）且?guī)А伴_”反饋（io）的控制設(shè)備。該類設(shè)備有一個(gè)開關(guān)輸出信號，有開到位時(shí)的輸入反饋信號。如帶閥門開狀態(tài)檢測的單驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)蝶閥等。通常輸出信號為0，設(shè)備是關(guān)的，反饋信號為0;輸出信號為1，設(shè)備是開的，反饋信號為1;

（5）第五種是單輸出（out）且?guī)А瓣P(guān)”反饋（ic）的控制設(shè)備。該類設(shè)備有一個(gè)開關(guān)輸出信號，有關(guān)到位時(shí)的輸入反饋信號。如帶閥門關(guān)狀態(tài)檢測的單驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)蝶閥等。通常輸出信號為0，設(shè)備是關(guān)的，反饋信號為1;輸出信號為1，設(shè)備是開的，反饋信號為0;

（6）第六種是單輸出（out）且?guī)ч_關(guān)雙反饋（io，ic）的控制設(shè)備。該類設(shè)備有一個(gè)開關(guān)輸出信號，有開到位和關(guān)到位兩個(gè)輸入反饋信號。如帶開到位和關(guān)到位檢測的雙驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)蝶閥等。通常輸出信號為0，對應(yīng)于設(shè)備關(guān)，為1，對應(yīng)于設(shè)備開。開到位時(shí)一個(gè)反饋信號為1，關(guān)到位時(shí)另一個(gè)反饋信號為1。

（7）第七種是單輸出（out）且?guī)н\(yùn)行（io）和報(bào)警（ic）雙反饋的控制設(shè)備。該類設(shè)備有一個(gè)開關(guān)輸出信號，有運(yùn)行狀態(tài)和報(bào)警檢測兩個(gè)輸入反饋信號。如普通電機(jī)的開關(guān)控制等。通常輸出信號out為0，對應(yīng)于電機(jī)停止，為1，對應(yīng)于電機(jī)啟動(dòng);電機(jī)啟動(dòng)后主接觸器閉合，運(yùn)行反饋信號io輸入變?yōu)?;電機(jī)跳閘或其他故障時(shí)，報(bào)警反饋輸入信號ic為0，沒有報(bào)警時(shí)為1。

（8）第八種是雙輸出（outl，outr）且?guī)щp運(yùn)行（iol，ior）和報(bào)警（ic）的輸入信號反饋的控制設(shè)備。該類設(shè)備有左/右轉(zhuǎn)（高/低速）兩種輸出信號，有左/右轉(zhuǎn)（高/低速）兩個(gè)運(yùn)行狀態(tài)反饋信號和報(bào)警檢測反饋信號。如左/右轉(zhuǎn)（高/低速）電機(jī)的開關(guān)控制等。通常一個(gè)輸出信號為1，對應(yīng)于電機(jī)左轉(zhuǎn)，另一個(gè)輸出信號為1，對應(yīng)于電機(jī)右轉(zhuǎn)，相應(yīng)的有兩個(gè)運(yùn)行狀態(tài)的反饋信號。電機(jī)跳閘或其他故障時(shí)，報(bào)警反饋輸入信號為0，正常時(shí)為1。

其實(shí)第八種是兩個(gè)第七種的組合控制，再加上一些輸出命令的互鎖邏輯。

2.2 數(shù)字量設(shè)備的操作菜單

上面，我們根據(jù)開關(guān)量設(shè)備的信號特點(diǎn)，把所有開關(guān)量設(shè)備歸納成八種類型?？梢钥闯鲞@些開關(guān)量設(shè)備的輸入、輸出信號較簡單，但是根據(jù)啤酒生產(chǎn)的操作要求，開關(guān)設(shè)備的操作功能要比較完善，才能提高設(shè)備操作的靈活性。下面，針對八類設(shè)備的操作特點(diǎn)，分析其相應(yīng)操作菜單條的功能：

先來看看較好理解的輸出設(shè)備的操作菜單條。

對于（3）類型單輸出不帶反饋的設(shè)備，其操作功能簡單，只有設(shè)備狀態(tài)顯示、手動(dòng)/自動(dòng)切換按鈕、開關(guān)切換按鈕等，其操作菜單如圖1所示：

說明：

open，close：指示設(shè)備當(dāng)前開關(guān)狀態(tài)，根據(jù)設(shè)備輸入信號來判斷。

auto open/close：自動(dòng)輸出值，由工藝流程控制程序運(yùn)行時(shí)賦值。

interlocked：設(shè)備鎖存位，保持設(shè)備當(dāng)前狀態(tài)，不容許操作，一般是為了安全需要。

manual/auto：自動(dòng)、手動(dòng)控制切換按鈕。

open/close：手動(dòng)開、手動(dòng)關(guān)切換按鈕。

ignore：忽略按鈕，忽略設(shè)備的反饋信號，強(qiáng)制輸入信號跟隨輸出信號變化，從而也忽略了報(bào)警。

alarm：設(shè)備報(bào)警位。

reset：報(bào)警復(fù)位按鈕。

對于（8）類型雙輸出帶雙反饋的設(shè)備，其操作菜單如圖3所示?？梢钥闯?，它是上一種類型的組合控制。

對于沒有輸出，只有輸入的（1）、（2）兩種設(shè)備的控制，為了增強(qiáng)其操作功能，參考輸出設(shè)備的控制，賦予它有自動(dòng)預(yù)置/手動(dòng)模擬的輸出功能，從而也就可以手動(dòng)改變其狀態(tài)和實(shí)現(xiàn)自動(dòng)報(bào)警功能。這樣一來，這兩類設(shè)備的功能塊處理過程就幾乎與d、e、f、g類的輸出設(shè)備一樣。

（1）、（2）兩種類型的輸入信號設(shè)備，其操作菜單如如圖4所示：

圖4說明：

on，off：指示設(shè)備當(dāng)前開關(guān)狀，on是需要提醒或報(bào)警的狀態(tài)。

preset auto：自動(dòng)預(yù)置輸出值，當(dāng)生產(chǎn)流程控制程序運(yùn)行時(shí)，步程序預(yù)置希望的信號狀態(tài)，如果輸入信號與預(yù)置值不一樣，則產(chǎn)生報(bào)警。

alarm enable：設(shè)備報(bào)警使能。（輸出信號設(shè)備也具有該功能，但沒在菜單條上提供）

simulate：自動(dòng)預(yù)置/手動(dòng)模擬切換。

preset on/of f：改變手動(dòng)模擬值。

ignore：忽略設(shè)備的反饋信號，強(qiáng)制輸入信號跟隨輸出信號變化，從而也忽略了報(bào)警。

reset：報(bào)警復(fù)位。

八種開關(guān)量設(shè)備對應(yīng)四種操作菜單，分別操作單輸出信號設(shè)備、單輸出單反饋信號設(shè)備、雙輸出雙反饋信號設(shè)備和輸入信號設(shè)備。仔細(xì)分析這些操單的操作功能，可以看出它們的操作功能是基本一致的，所以它們對應(yīng)的程序功能塊的編程處理過程也是雷同。

3 數(shù)字量設(shè)備處理功能塊的plc程序設(shè)計(jì)

通過把數(shù)字量設(shè)備劃分成八種類型，并給出相應(yīng)類型的操作菜單條，可以看出數(shù)字量設(shè)備的程序控制功能塊具有如圖5的統(tǒng)一結(jié)構(gòu)。

按類劃分的設(shè)備控制模塊，其調(diào)用的輸入輸出參數(shù)只包括設(shè)備順序號和現(xiàn)場設(shè)備輸入輸出信號的plc地址，非常簡單。劃分八類數(shù)字量信號設(shè)備就有八個(gè)plc設(shè)備控制模塊，不管生產(chǎn)控制設(shè)備的數(shù)量多少，歸屬于同類的生產(chǎn)控制設(shè)備，其控制程序的處理過程是一樣的，不同的只是它們的輸入輸出信號地址和plc內(nèi)部存儲(chǔ)區(qū)地址。

如果用西門子step7來編程，可以用一個(gè)數(shù)據(jù)塊db來儲(chǔ)存所有數(shù)字量設(shè)備的狀態(tài)位和命令位，每個(gè)設(shè)備占用一個(gè)數(shù)據(jù)字dw，根據(jù)設(shè)備的順序編號，可以訪問該設(shè)備在數(shù)據(jù)塊中的數(shù)據(jù)字。下面列出各種模塊的輸入輸出參數(shù)和各個(gè)狀態(tài)位、命令位的符號。見附表。

可以從表1看出，八種功能塊具有很多共同屬性，并且其地址偏移是一致的，只要理解了各種功能塊所需要的命令參數(shù)和狀態(tài)參數(shù)，就不難編寫出相應(yīng)的處理過程。圖6給出功能塊的主要處理流程。

有了各類數(shù)字量設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)處理功能塊，涉及到數(shù)字量設(shè)備的plc控制程序編寫起來就非常簡單。想修改某個(gè)設(shè)備的報(bào)警檢測時(shí)間也很方便，只要通過電腦修改對應(yīng)的plc內(nèi)部數(shù)據(jù)字就行。每增加一個(gè)設(shè)備，只要增加一次功能塊調(diào)用，賦給功能塊四個(gè)參數(shù)：設(shè)備順序號、輸入信號地址、輸出信號地址，則信號處理過程就自動(dòng)完成，處理結(jié)果也放在了對應(yīng)的數(shù)據(jù)字中?？梢钥闯?，利用設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)處理功能塊，幾百個(gè)設(shè)備與幾千個(gè)設(shè)備的編程難度是一樣的。

4 結(jié)束語

通過以上的論述，可以看出，這些數(shù)據(jù)量設(shè)備控制模塊的設(shè)計(jì)遵從面向?qū)ο缶幊趟枷?，各類設(shè)備的處理過程封裝在標(biāo)準(zhǔn)功能塊中，只保留了與具體設(shè)備有關(guān)的四個(gè)輸入輸出地址參數(shù)，設(shè)備控制功能塊只需設(shè)計(jì)一次，就可以反復(fù)調(diào)用，這樣就大大簡化了控制系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)。該方法已經(jīng)在大型啤酒發(fā)酵過濾生產(chǎn)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的得到應(yīng)用。