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文獻標識碼：B文章編號：1003-0492（2023）03-084-05中圖分類號：TP29

★ 易正花（黔南民族職業技術學院，貴州都勻558000）

摘要：隨著科學技術的迅猛發展，自動化生產線、柔性制造、智能工廠、工業機器人等對設備自動化程度的要求越來越高，相應對PLC的編程應用要求也越來越高。本文歸納總結了研發一款自動化設備其中電控系統設計的一般步驟和思路，為電控設計初學者提供了方向，并對其中PLC程序的編寫進行了總結，提出了順序控制的編程的4種方法：啟動-保持-停止、置位SET復位RST、順序控制指令SCR、傳送比較指令MOV。文中對這幾種編程方法逐一進行了講解，使用這些方法，可以把復雜的程序結構化、模塊化、簡單化，從而更快地掌握PLC的編程思路，縮短學習時間，提高效率。

關鍵詞：電控系統設計；PLC程序；順序控制；功能圖

1 引言

筆者曾在工廠做過自動化設備的設計與研發工作，對自動化設備的研發過程有一定的了解，并熟悉PLC編程技術與應用。筆者曾自主設計過四柱應刷機、涂膠機等自動化設備，后來到高職院校工作后，曾上過PLC應用技術和自動化生產線的安裝與調試等課程。在上課過程中，筆者發現學生對現有的自動化教學設備是如何生產出來的、設計的步驟和思路不清楚，對自動化控制過程中順序控制的編程思路也不是很清楚。而且目前出版的教材多為PLC指令的教學及經典案例的講解，并沒有一套完善的電控設計思路和步驟的講解。通過多年工作經驗及教學經驗，筆者總結出了自動化設備設計的一般思路和步驟。自動化設備的研發包括機械設計和電控設計兩個方面，本文重點介紹電控系統設計的一般思路和步驟，并總結了自動化設備PLC順序編程控制中常用的幾種編程思路。

2 電控系統設計的一般步驟

一套完整自動化設備的研發包括機械設計和電控設計兩個方面，所以一個自動化產品研發部門一般會分為機械設計部門和電控設計部門，這兩個部門的工程師相互合作才能完成一套自動化產品的設計。作為電控設計工程師，我們該如何完成的工作呢？筆者通過自己的工作經驗，總結為以下幾個步驟：

2.1 弄清楚本單元的工藝動作流程

當我們接到設計任務之后，不要著急繪制電路圖等工作，要先跟客戶或者機械設計師溝通交流，明確設備生產工藝流程，掌握機械硬件的基本架構布局，清楚整個設備的結構框架。

2.2 根據設備動作要求，繪制設備動作流程圖

流程圖就是使用圖形表示算法的思路，是一種極好的方法，因為千言萬語不如一張圖。流程圖在匯編語言和早期的BASIC語言環境中得到應用。從動作流程圖中，我們可以清楚地看出設備動作的先后順序及運行條件，從而對整個系統的控制功能、規模、控制方式、I/O配置等形成一個初步方案。繪制工藝流程圖，可以更清楚地掌握設備動作先后順序，為下一步編程打下基礎。圖1為亞龍自動化生產性供料單元的動作流程圖，從該圖中，我們可以清楚地知道各個執行機構動作的先后順序，便于后續編寫自動控制流程的PLC程序。

圖1 亞龍自動化生產性供料單元的動作流程圖

2.3 明確單元控制要求，反復跟客戶溝通，滿足客戶的實際需求

這一步，需要我們設計師在知道設備大概動作流程的基礎上，反復跟客戶溝通，根據客戶實際生產需要的一些特殊要求。這很重要，我們生產出來的設備，最終是要交給客戶使用的，所以我們不能全憑自己的經驗去設計，而是要符合客戶實際的需求。

2.4 統計系統的IO點數

這一步主要是根據系統控制要求，統計完成該系統的設計共需要的IO點位數，為下一步選擇PLC型號做好準備。每一款PLC的IO點數是固定的，所以我們在設計時，一定要做好統計。一般選擇PLC型號的時候，要求實際的IO點數要大于我們預統計的數，這樣在以后設備需要改動的時候，才能靈活使用。表1為自動化生產性供料單元的IO點數統計表。

表1 自動化生產性供料單元的IO點數統計表

2.5 元器件選型

根據本系統的控制要求，選擇所需的電控元件，并制成表格，發采購部門采購元件。制作的元件統計表一般要包括品名型號/規格、單位、單價、數量、交貨要求等信息，如表2所示。

表2 元件統計表

2.6 繪制電氣系統圖

電氣系統圖一般分為電路原理圖和安裝接線圖，很多新手經常把這兩個圖混淆。原理圖就是電路的工作原理圖，表達的意思是各元件是怎么工作的，指的就是詳細的電路圖，側重點就是電氣原理，知道為什么這樣。接線圖是各元件與元件之間是怎么相連的表達圖形。接線圖就是給接線員接線用的，側重點就是把復雜的線型線號分清楚，方便接線。根據原理圖可以接線，但是，原理圖對工人的要求很高，工人必須具備相應的專業知識，沒有相關專業知識的工人，在線多的情況下很容易出錯。而接線圖詳細標出線的線號、型號和具體接線的地方，不顯示接線原理，方便施工，對工人要求低，工人只要照著圖上的標識進行相應的接線即可。接線圖與原理圖如圖2所示。

（a）接線圖

（b）原理圖

圖2 接線圖與原理圖

2.7 根據電路圖，完成接線

這一步一般由專門的接線師傅根據設計師繪制的電路原理圖和接線圖，按照要求正確完成接線工作。也有的公司由于人數不夠或者其他原因，接線工作由電控設計師自己完成。

2.8 PLC程序編寫與調試

常用的PLC編程方法有經驗法和圖解法。

2.8.1 經驗法

使用經驗法編程，沒有固定的模式可以套用，全憑設計師多年的工作經驗，以及不斷總結出來的思路，即在自己以前做過的項目中找到相似的案例進行修改，直至適合當前的情況。對于比較復雜的系統，需要考慮的因素比較多，考慮的問題也比較復雜，這時候思維會很混亂。并且，經驗法對于有工作經驗的設計師來說，比較容易理解，但是對于初學者來說，沒有可以遵循的思路進行借鑒，不容易上手。

2.8.2 圖解法

圖解法是靠畫圖進行設計，常用的方法有梯形圖法、波形圖法及流程法。梯形圖法是PLC最基本的編程方法，也是最簡單、最直觀的圖形化編程方法，對于初學者來說，易懂好學。順序控制編程的思路，主要有邏輯清楚的特點，適用于編寫設備的順序動作流程。

這一步主要分為主程序和子程序的編寫。一般主程序主要考慮以下幾個問題：（1）如何初始化程序；（2）如何調用各個子程序；（3）如何啟動和停止程序。子程序主要是用來編寫系統中各個控制單元動作流程的程序，比如亞龍自動化生產線包括：供料單元、加工單元、裝配單元、分揀單元和輸送單元，共5個控制單元，就可以用5個子程序來編寫它們各自的順序動作程序。而主程序主要按照系統工藝流程分別調用這5個子程序和停止控制系統。

順序控制編程的基本思路是先畫出系統的先后動作流程圖，再根據流程圖編程。首先，將整個控制系統分解成若干個有先后動作順序的步驟，每一個步驟簡稱為步，也可以稱為狀態，用一個方框符號表示每一個步驟，可以在方框旁邊簡單地說明該步主要完成的動作內容。其次，步與步之間用短直線連接，并在中間標注步之間轉換的條件。當條件滿足的時候，跳轉到下一步，以此類推，直至完成整個系統功能流程圖的繪制。順序功能圖主要的組成如下：

（1）步：步是順序功能圖中最重要的一個參數。步一般包括：初始步和工作步。初始步表示系統的開始，用雙線框來表示；工作步分為活動步和靜止步，活動步表示系統正在執行的步，處于激活狀態，靜止步表示沒有運行的步。步又可以分為單序列、選擇序列和并行序列3種形式。單序列：從上到下只有一條分支，每一步的后面只有一個狀態執行；選擇序列：有分支，有多種情況可以選擇，滿足相應的條件，則跳轉到相應的步運行；并行序列：當滿足某個條件的時候，同時執行多個步。

（2）有向連線：步與步之間不能直接相連，必須用有向線段連接。一般情況，從上向下或者從左到右畫時，可以省略箭頭，而從下向上或者從右到左畫時，必須畫上箭頭。

（3）轉換條件：步與步之間不能無條件的跳轉，必須滿足某個條件才能跳轉，一般用短橫線表示，并在旁邊標注轉換的條件。

（4）動作：動作指的是每個步執行的內容或者要完成的功能，一般在流程圖中步的旁邊簡單說明該步的動作內容。

圖3 動作順序流程圖

動作流程圖繪制完之后，下一步就應該是程序的編寫了。而在教學過程中，筆者發現大部分同學對如何編寫順序控制流程程序的思路不是很清楚。接下來，我們重點歸納總結一下順序控制流程的PLC編程思路。在編寫順序控制流程程序的時候，要注意，在某一個時刻，只能有一步是導通的。

（1）第1種方法：啟動-保持-停止的編程思路

啟-保-停的編程思路是PLC編程中最基本的編程思路，也是最能訓練學生邏輯思維能力的一種編程方法。如圖4所示，該方法同樣是在編程之前，先畫出系統的順序控制功能圖，并用輔助繼電器M作為步的標注位。

圖4 啟動-保持-停止的編程思路圖

（2）第2種方法：使用置位-復位指令編程

對于順序控制流程，使用置位SET指令和復位RST指令也能完成PLC程序的編程。需要注意的是，一旦對某個軟元件進行置位之后，它就會一直保持導通狀態，除非用復位指令對它進行復位。SET和RST要成對使用，對某個軟元件SET之后，程序中要用RST指令對它進行復位，若少用一個，那么我們的程序就不完善，存在漏洞。

圖5 置位-復位指令編程圖

如圖5所示，以上程序含義：程序一上電運行就導通第0步，置位M10.0，同時把最后一步復位；I0.0導通的時候，導通第2步（SETM10.1），在第2步的時候，復位上一步（M10.0），一定要記得復位上一步；當滿足條件I0.1導通的時候，導通第3步（SETM10.1），按此順序下去直到所有的步都按照流程圖編程完畢。以上程序只是完成了動作流程的步驟編程，至于每一步要執行什么動作，在程序的后面統一做輸出處理。比如以下程序表示第1步和第2步的時候讓Q0.1導通，第3步和第4步的時候讓Q0.2導通，這樣過程和結果輸出分開處理，便于程序的查看，邏輯性更強。

（3）第3種方法：使用PLC特有的順序控制指令SCR編程

順序控制的編程方法，思路清楚，且有一定的規律可以遵循。對于初學者來說，很快就能入門，所以很多品牌的PLC開發商都會開發自己的順序控制編程指令。西門子公司在S7-200系列PLC中設置了順控繼電器指令用于順序控制，編程元件的編號為S0.0～S31.7。順控繼電器也稱為狀態器，順控繼電器指令用于步進順控程序的編制。順序控制主要有3條指令：SCR，段的開始；SCRT，段的跳轉；SCRE，段的結束。

圖6 順序控制指令SCR編程圖

SCR順序控制指令與之前的啟-保-停方法和置位SET復位RST方法的區別是：（1）保-停方法和置位SET復位RST方法是PLC通用的編程思路，任何一款PLC都能使用該編程思路，而SCR順序控制指令是西門子PLC特有的順序控制指令，其他PLC不能使用。其他PLC也有類似的順序控制指令，但是指令和使用方法不一樣，使用的時候要注意區別。（2）SCR轉移條件滿足：狀態轉移，前1狀態復位，后1狀態置位。SCR指令是專門為順序控制流程而開發的，其內部已經做好的設置：當滿足條件，跳轉到下一步的時候，上一步會自動復位，不像前面所述的那2種方法，要專門使用指令或者程序才能讓上一步復位。這樣對于初學者來說，很容易忘記復位上一步，從而導致在某一時刻，有2個步同時處于激活狀態。（3）使用SCR順序控制指令編程，可以減少占用的內存空間，對于復雜的程序，可以有效減少運行時間，提高PLC的運行響應速度。

（4）第4種方法：使用傳送和比較指令

使用傳送指MOVB和比較指令也可以實現順序控制程序的編寫。這種編程方法是最簡單易學的，對參加技能比賽等短期訓練，可以起到很好的預期效果，但是對于學生的PLC邏輯思維能力的訓練不是很好，有些同學學會這個方法之后，會出現放棄之前介紹的幾種方法的學習的情況，所以建議該方法放在課程最后面講，避免學生走捷徑。

圖7 傳送和比較指令編程圖

如圖7所示，程序一上電運行，把0傳送到變量VB0，然后進行比較。當VB0=0，且I0.0導通的時候把1傳送到變量VB0，跳轉到第1步，第1步輸出Q0.0，然后判斷條件；當且I0.1導通的時候把2傳送到變量VB0，跳轉到第2步，第2步輸出Q0.1，然后判斷條件；當且I0.2導通的時候把3傳送到變量VB0，跳轉到第3步，第3步輸出Q0.3，以此類推，直到完成所有流程的程序編寫。

程序編寫完成之后，電控設計師要到現場進行PLC程序的調試。現場調試一般包括以下幾個部分：機械部分調試、電氣部分調試、氣動部分調試、PLC程序調試、單元單站運行及全線自動手動運行調試等，直至達到預先設計的動作效果。

最后一步：完成設備操作說明書撰寫，交與客戶。

這是設備設計的最后一個環節，當我們把設備調試完成之后，要根據程序的編寫撰寫操作說明書，然后交給客戶便于以后操作和維護設備。

3 總結

自動化設備電控系統設計的步驟大概可以分成九步，在實際設計過程中，可以根據實際情況適當的調整。對于初學者來說，可以參考，便于更快地理清楚電控系統設計的步驟。文中提到的4種順序控制的編程方法，使用者可以根據自己的習慣和愛好，選擇其中一種適合自己的編程方法。每一種都有自己的優點和不足，在使用中可以多試不同的方法，從而更好地掌握PLC編程技巧和方法。

作者簡介：

易正花（1987-），女，貴州獨山人，學士，現就職于黔南民族職業技術學院，研究方向為PLC技術、電氣自動化技術。

參考文獻：

[1] 張志田. 西門子PLC項目式教程[M]. 北京: 機械工業出版社, 2021.

[2] 單啟兵. 基于西門子S7-200順序控制編程方法研究[J]. 巢湖學院學報, 2012, 14 (3).

[3] 馬寶秋. 西門子PLC順序控制梯形圖實現方法[J]. 石家莊職業技術學院學報, 2012, 33 (4).

摘自《自動化博覽》2023年3月刊