工业自动化的PLC程序逻辑计算：原理、方法与实例

一、引言

在工业自动化领域，可编程逻辑控制器（PLC）扮演着至关重要的角色。PLC能够根据预先编写的程序对工业生产过程中的各种设备进行精确控制。而PLC程序中的逻辑计算则是实现这些控制功能的核心部分。正确的逻辑计算能够确保设备按照预期的顺序、条件进行操作，从而提高生产效率、保证生产安全并降低成本。本文将详细介绍PLC程序逻辑计算的相关知识，并通过实际案例展示其应用。

二、PLC程序逻辑计算的基础概念

（一）PLC的工作原理

PLC采用循环扫描的工作方式。它不断地读取输入信号，按照程序中的逻辑关系进行计算处理，然后将结果输出到相应的设备。一个典型的PLC扫描周期包括输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。在输入采样阶段，PLC将所有输入点的状态采集到内部寄存器中；在程序执行阶段，PLC根据程序中的逻辑指令对输入状态进行计算，得出输出结果；在输出刷新阶段，将计算得到的输出结果发送到输出点，以控制外部设备。

（二）逻辑计算中的基本元素

  1. 逻辑变量
    • 在PLC程序逻辑计算中，逻辑变量代表着输入和输出信号的状态。例如，一个传感器的信号（如接近开关的通断信号）可以作为一个输入逻辑变量，而一个电机的启动停止信号则可以作为一个输出逻辑变量。逻辑变量只有两种状态，通常用0和1表示，0表示低电平（或False、断开等），1表示高电平（或True、闭合等）。
  2. 逻辑运算符
    • 与（AND）运算符：当且仅当所有参与运算的逻辑变量都为1时，结果才为1。例如，在一个自动化流水线上，只有当两个安全光幕都没有被遮挡（即输入信号都为1）时，传送带才可以启动。
    • 或（OR）运算符：只要参与运算的逻辑变量中有一个为1，结果就为1。比如，一个设备可以由两个不同的启动按钮控制，只要其中一个按钮被按下（输入信号为1），设备就可以启动。
    • 非（NOT）运算符：对逻辑变量取反。如果一个传感器正常状态下输出1，当传感器故障时，我们可以通过非运算符将其转换为0，以便在PLC程序中进行故障判断。

三、PLC程序逻辑计算的常见类型

（一）顺序逻辑计算

  1. 顺序控制的概念
    • 顺序控制是指按照预先规定的顺序，依次执行各个操作步骤。在工业生产中，许多设备的运行都遵循一定的顺序，如自动装配线上的零件组装过程。
  2. 实现方法
    • 可以使用顺序功能图（SFC）来设计顺序逻辑。SFC由步、转换条件和动作组成。例如，在一个饮料灌装生产线中，第一步是瓶子的传送，当瓶子到达灌装位置（转换条件满足）时，进入第二步灌装操作，同时停止瓶子传送动作，开始灌装动作。在PLC程序中，可以使用状态寄存器来表示不同的步，通过逻辑判断转换条件来实现步与步之间的转换。

（二）联锁逻辑计算

  1. 联锁控制的意义
    • 联锁控制是为了保证设备的安全运行，防止误操作。例如，在一个化工反应釜的控制系统中，只有当反应釜的温度、压力等参数在安全范围内，并且搅拌电机正常运行时，才允许向反应釜中加入反应物。
  2. 逻辑设计
    • 假设反应釜的温度正常信号为T，压力正常信号为P，搅拌电机运行信号为M，反应物加入允许信号为Y。那么联锁逻辑可以表示为：Y = T AND P AND M。只有当T、P、M都为1时，Y才为1，即允许加入反应物。

四、PLC程序逻辑计算实例

（一）自动化仓库货物存取系统

  1. 系统概述
    • 自动化仓库中有货架、堆垛机、货物输送带等设备。堆垛机负责在货架的不同货位之间存取货物，货物输送带将货物输送到堆垛机的取货位置或者将堆垛机取出的货物输送到指定地点。
  2. 逻辑计算需求
    • 堆垛机的运行需要遵循一定的逻辑顺序。首先，当有货物需要存入时，输送带将货物送到指定的交接位置，此时堆垛机需要移动到交接位置取货，然后将货物送到指定的货架货位。当有货物需要取出时，堆垛机需要先移动到货物所在的货位取货，然后将货物送到输送带的交接位置，由输送带将货物送出。
  3. PLC程序逻辑计算实现
    • 输入信号定义
      • 货物存入请求信号：I1，表示有货物需要存入仓库。
      • 货物取出请求信号：I2，表示有货物需要从仓库取出。
      • 输送带货物到达交接位置信号：I3。
      • 堆垛机到达指定货位信号：I4。
      • 堆垛机在原点位置信号：I5。
    • 输出信号定义
      • 输送带启动信号：O1。
      • 堆垛机移动信号：O2。
      • 堆垛机取货/放货信号：O3。
    • 顺序逻辑计算
      • 当I1为1（货物存入请求）且I5为1（堆垛机在原点位置）时，O1为1（启动输送带）。当I3为1（输送带货物到达交接位置）时，O2为1（堆垛机移动到交接位置），同时O1为0（停止输送带）。当堆垛机到达交接位置（I4为1）时，O3为1（堆垛机取货）。然后根据存储货位信息，O2为1（堆垛机移动到指定货位），当I4为1（堆垛机到达指定货位）时，O3为1（堆垛机放货）。
      • 当I2为1（货物取出请求）时，首先根据货物所在货位信息，O2为1（堆垛机移动到货物所在货位），当I4为1（堆垛机到达货位）时，O3为1（堆垛机取货）。然后O2为1（堆垛机移动到交接位置），当I4为1（堆垛机到达交接位置）时，O1为1（启动输送带），O3为1（堆垛机放货）。

（二）电梯控制系统中的逻辑计算

  1. 系统功能要求
    • 电梯能够响应轿厢内和各楼层的呼叫信号，按照一定的规则运行。例如，优先响应轿厢内的呼叫信号，当轿厢在运行过程中，按照运行方向依次响应同方向的楼层呼叫信号等。
  2. 逻辑计算要点
    • 呼叫信号处理
      • 定义轿厢内呼叫信号为C1 - Cn（n为轿厢内最大呼叫层数），各楼层向上呼叫信号为U1 - Um（m为楼层数），各楼层向下呼叫信号为D1 - Dm。
      • 当轿厢在某一层时，首先判断轿厢内呼叫信号，如果有呼叫信号，按照呼叫层数的顺序运行。如果没有轿厢内呼叫信号，则判断当前运行方向。如果是向上运行，优先响应同方向（向上）的楼层呼叫信号，按照楼层顺序依次响应；如果是向下运行，优先响应同方向（向下）的楼层呼叫信号。
    • 运行方向逻辑
      • 定义一个运行方向变量Dir，Dir = 1表示向上运行，Dir=- 1表示向下运行。当轿厢静止时，如果有向上的呼叫信号（轿厢内或楼层向上呼叫），Dir = 1；如果有向下的呼叫信号，Dir=- 1。在运行过程中，如果轿厢到达最高层且还有向下呼叫信号，Dir=- 1；如果轿厢到达最底层且还有向上呼叫信号，Dir = 1。
    • 门控制逻辑
      • 定义轿厢门打开信号为O4，轿厢到达目标楼层且静止时，O4为1（轿厢门打开），经过一定的延迟时间（例如3秒）后，O4为0（轿厢门关闭）。

五、PLC程序逻辑计算的优化

（一）减少逻辑运算的复杂度

  1. 逻辑简化原则
    • 利用逻辑代数的基本定律，如吸收律、分配律等对复杂的逻辑表达式进行简化。例如，对于表达式(A AND B) OR (A AND C)，可以简化为A AND (B OR C)。这样可以减少PLC程序中的逻辑运算步骤，提高程序的执行效率。
  2. 模块化编程
    • 将复杂的逻辑功能分解成多个相对独立的模块，每个模块实现特定的功能。例如，在一个大型的自动化生产线控制系统中，可以将物料输送、加工、检测等功能分别编写成不同的模块，然后在主程序中进行调用。这样不仅便于程序的编写和维护，也可以降低逻辑计算的复杂度。

（二）提高逻辑计算的可靠性

  1. 信号滤波处理
    • 在PLC程序逻辑计算中，输入信号可能会受到干扰而产生误动作。例如，由于电气设备的电磁干扰，接近开关的信号可能会出现短暂的波动。可以采用信号滤波的方法，如设置信号的上升沿和下降沿触发时间，只有当信号稳定保持一定时间（如100ms）后才认为是有效信号。
  2. 冗余设计
    • 对于一些关键的逻辑控制，可以采用冗余设计。例如，在一个重要的安全联锁系统中，可以采用双传感器检测同一物理量，只有当两个传感器的信号都满足联锁条件时才执行相应的操作。这样可以提高逻辑计算的可靠性，防止因单个传感器故障而导致的安全事故。

六、结论

PLC程序逻辑计算是工业自动化控制系统的核心部分。通过合理的逻辑计算，可以实现设备的精确控制、顺序操作和安全联锁等功能。在实际应用中，我们需要深入理解PLC的工作原理、逻辑计算的基本概念和常见类型，结合实际的控制需求，设计出高效、可靠的PLC程序。同时，通过不断优化逻辑计算，如简化逻辑表达式、采用模块化编程、提高信号处理的可靠性等措施，可以进一步提高工业自动化系统的性能和稳定性。随着工业自动化技术的不断发展，PLC程序逻辑计算也将不断创新和完善，以适应更加复杂的工业生产需求。