1、PLC 顺序控制在药品原料称重系统上的应用摘要 ： 顺序控制是逻辑控制方法的一种 , 它适用于按预定顺序或时序动作的机器设备。作为基础自动化的重要组成部分，PLC 非常适合进行顺序逻辑控制。许多 PLC 都开发了顺序控制软件包或专用的顺序控制指令，但是在实际应用领域，许多国内外设备制造商在设计其产品的控制程序时，都没有采用专门的顺控指令和软件，而是直接使用 PLC 的普通指令来编程实现同样的顺序控制功能。这不仅节省了开发成本和时间，而且在设计上体现了极大的灵活性，可以实现任意复杂的功能，而不必遵循专用指令和软件在格式和规范上的限制。用 PLC 普通指令实现顺序逻辑控制有几种主要的方法和技巧，本
2、文将详细探讨步标志变量赋值的方法在我公司药品原料称重系统中的具体应用。关键词 ： 顺序控制 PLC Profibus-DP 称重仪表我们的药品原料称重系统由法国 TECHNILAB 公司设计，选用 PRECIA MOLEN 的称重仪表和S7-300 PLC 。我们的药品由两种主要原料蒙脱石和葡萄糖及少量辅料组成。其中蒙脱石和葡萄糖的称重是由称重系统自动完成的。方法是：将装有原料的大包装袋挂在悬臂梁称上，这台称安装有 4 只并联的称重传感器。同时将装料用的周转罐放在一台 U 型称上，该称也装有 4 只并联的称重传感器。这两台称分别由各自的称重仪表来称重。为叙述方便，我们将大袋称重仪表称为仪表 A
3、，周转罐称重仪表称为仪表 B。这两块仪表采集各自称重传感器的 mv 信号，经过变送后，转换为重量值，并按照组态的功能和模式发出相应的控制信号给 PLC。该仪表有两种工作模式，即增重模式（ loading mode）和减重模式 ( unloading mode)。在我们的系统中，仪表 A 工作于减重模式，仪表 B 不参加控制，只用来显示和打印称重结果。所谓减重模式，是指称重的目标值是由累计减重值取得的。比如，称重目标值是 1000kg, 在减重模式下，仪表会累计每次从大袋中取出的重量，直至达到 1000kg 时，称重结束。因为蒙脱石和葡萄糖都是粉状原料，所以采用真空系统首先将原料由大袋吸出，经过
4、旋震筛过滤后传送到供料缓冲器内，在由缓冲器送入周转罐。PLC 接收仪表 A 的控制信号，控制真空系统的动作，同时仪表 A 累计每次从大袋中吸出的重量，当达到目标值时，称重过程结束。PLC 控制系统采用一个 CPU 315-2DP 作为主站，两个 ET200M 作为子站（分别用于蒙脱石和葡萄糖称重） ，通过 Profibus-DP 网络通讯。当仪表 A 工作于减重模式时，它需要 3 个主要的参数：称重目标值（C1 ） ，速度切换设定值（ C2） ，管道存料偏差补偿值（ C3） 。当称重循环开始后，仪表 A 会发出高速称重命令给 PLC。所谓高速是指真空系统每次吸料时，真空负压维持时间较长，从而吸
5、入较多的原料。PLC 收到命令后，进入原料传送程序，按照一定的顺序和时序反复将原料从大袋吸入缓冲器，再由缓冲器送入周转罐。当仪表 A 累计减重达到 C1（C2 + C3）时，仪表发出低速称重命令给 PLC。PLC 收到指令后，仍然按前述顺序工作，但是真空负压的维持时间缩短，每次吸出的原料减少。因为此时累计的减重已接近目标值，所以速度要放慢。当仪表 A 累计减重达到 C1C3 时，低速命令取消，PLC 进入管道清空程序，大袋底部缓冲器的出料阀关闭，真空系统会将管道内的滞留原料全部清空，送入周转罐，最终达到目标值 C1。在整个称重过程中，如果在累计减重值达到 C1C3 之前，大袋内的原料已被吸空，
6、则 PLC 会向仪表 A 发出请求换袋的信号，仪表 A 收到信号后，自动保存已累计的减重值，同时称重过程暂停。待操作员更换大袋后，仪表 A 会向 PLC 反馈确认，称重过程可重新开始，仪表 A 会在已累计的减重值基础上继续累计。由以上称重过程可以看出，PLC 主要执行两部分顺控程序。一部分是原料传送程序，另一部分是管道清空程序。它们既相互独立，又互为条件。为了更清楚地描述这两部分程序，请参考以下流程图和顺控功能图：V5outpbfer Bigapum6sievcontairV4bufersply31vac V2V1 真空阀 ( 阀打开时, 管道形成负压,料粉被从大袋吸出 )V2 空气阀 ( 阀
7、打开时,管道接常压。V2 与 V1 互为连锁，不能同时打开)V3 压缩空气阀 （用于清洁缓冲器滤芯）V4 供料阀 （打开时，原料由缓冲器送入周转罐）V5 出料阀 V6 管道清空阀。在讨论具体的设计方法之前，我们先简单说明一些顺序逻辑控制的概念。这些概念的完整和规范的阐述，可参考 IEC-61131 标准。在这里我们仅介绍几个主要的概念。在顺序控制中，我们把机器的全部动作分为若干步 ( step ) , 在每一步，机器都会执行相应的动作 ( activation ) ；步与步之间的转换由转换条件 (transition )实现。当某一步被激活时，同时它的前一步被关闭。进入下一步的条件是当前步已被
8、激活且至下一步的转换条件满足。主要的控制结构有选择分支、并行分支、循环分支。按照顺序逻辑控制的原理，设计者将原料的传送过程和管道清空过程分为若干步 ( step), 每一步会驱动相关的执行元件动作。当满足规定的条件时，进入下一步，同时前一步关闭。前一步所驱动的非保持型输出也随之关断，而保持型输出则继续接通。这里的关键是必须设置一个变量来识别和标志每一步。在我们的系统中，设计者采用了两个 16 位中间变量 MW10 和 MW12 来分别标记传送过程和管道清空过程中的每一步。以传送过程为例，其设计思路是这样的：通过给 MW10 和 MW12 赋不同的值，来使程序进入相应的某一步。比如，当 MW10
9、 = 2 时，程序进入 STEP-2， 当由 STEP-2 进入 STEP-3 的转换条件满足时，通过 MOVE 指令给 MW10 赋值为 3，这样程序就进入了 STEP-3。当然 STEP-2 也同时关闭，因为此时的 MW10 已经不等于 2 了。对于每一步要执行的动作，则通过对 MW10 的值进行条件判断来完成。比如我们要求程序进入 STEP-2 后，电机 A 应起动，STEP-2 关闭后，电机 A 停止。那么，我们只要在电机 A 的动作条件里加入 MW10 = 2 的条件即可。这样一来，在其他条件都具备时，只有当MW10=2，即程序处在 STEP-2 时，电机 A 才会起动，而当 MW1
10、02，即程序不在 STEP-2 时，电机 A是停止的。假如我们要求电机 A 在 STEP-2 时起动，而在 STEP-2 关闭后，电机 A 保持运转，直到程序进入 STEP-5，电机 A 才停机。这时我们可以在 MW10=2 时，利用触发器指令将电机 A 的驱动信号置位，这样在 STEP-2 关闭后，虽然 MW102，但电机 A 仍然接通。直到进入 STEP-5 后，再利用 MW10=5 的条件将电机 A 的驱动信号复位，则电机 A 即可在 STEP-5 被停机。按照以上原理，我们蒙脱石称重过程为例，画出顺序控制功能图如下：T8 /E1.32414E 0.38 /1.3 . 0E0.32.2M
11、1.60M1.33M1.2 +.71. /E30MT4 +E3.02. .0 /M1 .815E.0 +A.3T3+ E.02. 1a b.4 0574 7.0 /1T4E2.E3.0 930E2.3TT7 +E1.4 .6723M2.0/ 47E0.2E0.32.10E0.3 +M1.622.1M1.7对以上每一步，我们进行简要说明。首先 STEP-0 和 STEP-20 分别是原料传送和管道清空过程的初始步，每批原料称重结束后，程序都会进入初始步，准备新一批原料的称重。初始步是顺序逻辑控制程序中必不可少的环节，它是顺控程序的入口和起点。此时 MW10=0，MW12=20。由 STEP-0
12、进入 STEP-1需要若干条件同时满足，包括大袋和周转罐必须放置到位、供料缓冲器出口与周转罐入口已正确对接、出料阀 V5 在关闭位置、大袋出料缓冲器内没有低料位信号、操作员按下真空泵启动按钮。当以上条件同时满足时，程序进入 STEP-1。接下来操作员按下 START CYCLE 按钮，程序进入 STEP-2，真空泵和悬震筛电机启动。此时 PLC 已收到仪表 A 发出的高速称重命令，程序立即进入 STEP-3。在这一步，V1，V5 打开，开始吸料，程序进入 STEP-4，同时开始计时， （高速时，时间长；低速时，时间短） ，计时时间到，进入 STEP-5。此时， V1 关闭，V2、V3 打开，同
13、时开始计时。打开 V3 是为用压缩空气清洁进料缓冲器下腔的滤芯组件，以为下次吸料做准备。待定时时间到，进入 STEP-7。此时，V4 打开，料粉由进料缓冲器进入周转罐。当检测到 V4 已在打开位置时，进入 STEP-8。此时开始计时，时间到，进入STEP-10。V4 关闭，当检测到 V4 在关闭位置时，进入 STEP-11。至此已完成了第一次吸料循环。STEP-11 是程序的关键步，在此设计了 5 个条件转移分支来控制程序的走向。第一个分支的转换条件是大袋出口缓冲器内料位正常，且仪表 A 处在高速或低速称重过程中，此时程序会跳转到 STEP-4，重复上述过程进行第二次吸料循环。第二个分支的转换
14、条件是 PLC 检测到大袋出口缓冲器内料位不足，此时程序会进入 STEP-12，在这一步，程序会驱动一个气动震荡器来震动出料缓冲器，并同时开始计时。因为低料位信号可能是由于缓冲器内料粉分布不均匀造成的，而不是大袋被吸空造成的。因此经过震动后，在定时时间到时，如果料位恢复正常，则程序返回 STEP-4，继续称重过程。假如在定时时间到时，低料位信号仍然存在，则说明大袋已被吸空，此时，程序会进入 STEP-13，PLC 向称重仪表发出换袋信号。仪表接到信号后，将已累计的减重值保存，待大袋更换完毕，仪表向 PLC 反馈确认信号，然后，程序进入 STEP-14，等待操作员重新启动称重过程。当操作员按下
15、START CYCLE 按钮时，程序返回 STEP-2，称重过程继续进行。第三个分支的转换条件是操作员按下 STOP CYCLE 按钮，此时，程序进入 STEP-15。如果再次按下START CYCLE 按钮，程序会返回 STEP-2 ；如果操作员关断真空泵，程序会通过 STEP-16 返回初始步STEP-0。第四个分支的转换条件是操作员在称重进行中，关断真空泵，则程序会经过 STEP-16 返回 STEP-0。第五个分支的转换条件是：如果仪表 A 的累计减重值达到 C1C3 时，程序进入 STEP-17，原料传送过程结束。同时管道清空过程启动，由 STEP-20 经过 STEP-31 进入
16、STEP-21。此刻，真空泵和旋震筛启动，V1 打开，同时开始计时。当计时时间到，程序进入 STEP-22。V6 打开，因此时传送过程已结束，所以出料阀 V5 保持关闭，同时开始计时。管道内的料粉被吸入缓冲器。计时时间到，进入 STEP-23。V6关闭，V1 保持打开，并开始计时。时间到，则进入 STEP-24。V1 关闭，V2、V3 打开，清洁进料缓冲器滤芯，经延时后，进入 STEP26。V4 打开，将缓冲器内的料粉送入周转罐。在检测到 V4 已开到位时，进入 STEP-27。经延时后，进入 STEP-29。V4 关闭，检测到 V4 已关到位时，进入 STEP-30。至此已完成一次管道清空操
17、作。接下来程序将比较清空操作的次数是否达到预定值，若已达到规定次数，则返回STEP-20，清空过程结束。若次数未到，则返回 STEP-21，继续进行清空程序。以上我们较详细地描述了蒙脱石原料称重程序的顺序控制流程，那么这些顺序和时序功能如何通过指令来实现呢？在此我们以蒙脱石原料传送过程的 STEP-4 和 STEP-5 的编程为例加以分析，其它 STEP的编程原理是一样的。 MW10S_EVRZCMP =IW104IN2Network 3High_Sped5T#3WLow_SpedCMP =ICMP =I4IN14W02etwork 2W10IN2etwork 5 OUT5T1b_trINLo
18、w_SpedHigh5T#SDUALEZRW_VQaVE1INCMP =IW120INetwork 4QDUAL10IN2CP =IMW02( )Siev_motrVacup34IN10CP =I210CMP =II2Network 1CP =I( )V5假定此时程序已进入 STEP-4，则此时 MW10 = 4。程序使用以下指令来完成在 STEP-4 应产生的动作及到 STEP-5 的转换。第一段指令表示：当 MW10 = 3、4 和 11 时，真空阀 V5 应打开。也就是说当程序进入 STEP-3、STEP-4 和 STEP-11 时，V5 都应打开，而在其它步 V5 都应关闭。第 2、3
19、 段指令表示：当 MW10 = 4 ， 即程序处于 STEP-4 时，如果此时称重仪表 A 发出的是高速称重命令，则定时器 T1a_tr1 启动，延时 5 秒后接通（即吸料时间为 5 秒） ，使第 5 段指令中的转换条件满足，MW10 被赋予新值 5，程序由 STEP-4 进入 STEP-5。 如果在 STEP-4 时，仪表 A 发出的是低速称重命令，则定时器 T1a_tr1 和 T1b_tr1 同时启动。但是 T1b_Tr1 的设定时间比 T1a_tr1 短，仅为 3 秒，所以延时 3 秒后也使第 5 段指令中的转换条件满足，程序由 STEP-4 进入 STEP-5，但本次的吸料时间仅为3
20、秒，即所谓的低速。第 4 段指令表示：在 MW10 0 时，当然包括 MW10 = 4 时，真空泵和旋震筛的电机都在开机状态。以上就是整个顺序控制程序的设计思路和具体的实现方法，这样的设计使程序简单易懂，结构清晰。不但节省了使用专用软件包时的开发成本，也避免了使用顺控指令时的各种约束。特别是在灵活性和故障处理方面，更显示出明显的优势。例如，我们可以修改定时器 T1a_tr1 和 T1b_tr1 的设定值，从而改变高速或低速时的吸料时间。在发生故障时，我们可以通过在线连接 PLC，观察步标志变量的当前值，即可知道程序此时停在了哪一步，然后按照其转换条件分析它为什么不能进入下一步，找出其中未满足的
21、条件，即是故障原因所在。比如故障时，MW10 = 7 ，即程序停在了 STEP-7 ，那么程序为什么没有进入STEP-8 呢？这时维修人员就应分析 STEP-7 进入 STEP-8 的条件，即供料阀 V4 必须开到位。如果此信号不存在，而 V4 确实已打开，则说明 V4 的位置指示器出现问题。这样的故障处理非常具有针对性和逻辑性，避免了维修时的盲目性，大大缩短了故障停机时间，提高了设备的生产效率。参考文献TECHNILAB Beaufour project PLC program PRECIA MOLEN industry weighting indicator user manual ( V06 version)
