工业自动化计算中的PLC编程逻辑计算

一、引言

在工业自动化领域，可编程逻辑控制器（PLC）扮演着极为重要的角色。PLC编程逻辑计算是实现自动化控制的核心环节之一。它涉及到对工业生产过程中的各种逻辑关系、信号处理、数据运算等进行精确的计算和编程，以确保工业设备按照预定的规则和流程高效、稳定地运行。通过合理的PLC编程逻辑计算，可以实现诸如自动化生产线的顺序控制、温度和压力等工艺参数的精确调节、设备故障的自动检测与报警等功能。这不仅提高了生产效率，还提升了生产过程的安全性和可靠性。

二、PLC编程逻辑计算的基础概念

（一）逻辑运算基础

  1. 布尔代数
    • 在PLC编程逻辑计算中，布尔代数是基础。布尔代数主要处理真（True）和假（False）两种逻辑值。基本的布尔运算包括与（AND）、或（OR）、非（NOT）等。例如，在一个简单的电机启动停止控制电路中，如果有启动按钮（A）和停止按钮（B），当启动按钮按下（A = True）且停止按钮未按下（B = True）时，电机才会启动。这里就运用了与运算。用布尔表达式表示为：Motor_Start = A AND B。
    • 与运算：当且仅当所有输入为真时，输出为真。在PLC编程中，这可以通过相应的逻辑指令来实现。
    • 或运算：只要有一个输入为真，输出就为真。例如，在一个报警系统中，有多个故障检测点，只要其中一个检测点检测到故障（输入为真），报警灯就会亮起。
    • 非运算：对输入的逻辑值取反。如果输入为真，输出为假；如果输入为假，输出为真。
  2. 逻辑变量与数据类型
    • 在PLC编程中，逻辑变量用于表示各种输入输出信号的状态。这些变量的数据类型通常有位（bit）类型，例如在西门子PLC中，一个位变量可以表示一个开关量的状态，如一个传感器的接通或断开。
    • 除了位类型，还有字节（Byte）、字（Word）和双字（DWord）等数据类型，它们用于处理多位的数据，如模拟量输入输出信号的数值。

（二）PLC编程中的逻辑元件

  1. 输入输出元件
    • 输入元件用于接收外部信号，如传感器信号（接近开关、光电传感器等）、操作按钮信号等。这些信号被转换为PLC能够识别的逻辑电平信号，通常为高电平（True）或低电平（False）。
    • 输出元件则用于将PLC的控制信号输出到外部设备，如继电器、电磁阀、电机驱动器等。例如，当PLC根据逻辑计算判定某个电机需要启动时，它会通过输出元件向电机驱动器发送启动信号。
  2. 定时器与计数器
    • 定时器是PLC编程中常用的逻辑元件之一。它用于实现时间相关的逻辑控制。例如，在一个自动灌溉系统中，需要每隔一定时间（如30分钟）打开一次电磁阀进行灌溉。可以使用定时器来计算这个时间间隔。定时器有不同的类型，如接通延时定时器（TON）、断开延时定时器（TOF）和保持型接通延时定时器（TONR）。
    • 计数器用于对输入脉冲信号进行计数。例如，在一个产品包装生产线中，需要对生产的产品数量进行计数，当计数达到一定数值（如100个）时，触发包装动作。计数器可以是加计数器、减计数器或可逆计数器。

三、PLC编程逻辑计算的方法

（一）顺序逻辑计算

  1. 状态转移图（SFC）
    • 状态转移图是一种直观表示顺序逻辑的方法。它将一个复杂的顺序控制过程分解为多个状态，每个状态表示生产过程中的一个特定阶段。例如，在一个自动化装配生产线中，可能有零件上料状态、装配状态、检测状态和成品下料状态等。
    • 在状态转移图中，通过定义状态之间的转移条件来实现顺序逻辑计算。转移条件通常是基于输入信号的逻辑组合。例如，从零件上料状态转移到装配状态的条件可能是上料完成信号（传感器检测到零件已上料）且装配设备准备好信号（通过其他传感器检测）。
    • 在PLC编程中，可以根据状态转移图使用顺序功能图（SFC）指令来实现逻辑计算。例如，在三菱PLC中，有专门的SFC编程指令集。
  2. 基于逻辑指令的顺序控制
    • 除了使用SFC，还可以直接使用逻辑指令来实现顺序控制。例如，通过使用一系列的与、或、非指令以及定时器和计数器来构建顺序逻辑。以一个简单的三工位旋转工作台的控制为例，工位1进行零件加工，工位2进行零件检测，工位3进行零件下料。
    • 首先，定义初始状态为工位1加工状态。当加工时间到（由定时器控制），且检测工位2设备准备好（通过传感器信号判断），则转移到工位2进行检测。在工位2检测完成（由检测传感器信号判断）且下料工位3设备准备好时，转移到工位3进行下料。这个过程可以通过编写一系列的逻辑指令来实现，如：
    • LD X0（加工工位1启动按钮）
    • OUT Y0（工位1加工设备启动）
    • T0 K100（设定加工时间为100个单位时间，这里的单位时间根据PLC的定时器分辨率确定）
    • LD T0
    • AND X1（工位2设备准备好信号）
    • OUT Y1（工位2检测设备启动）
    • 以此类推构建整个顺序逻辑。

（二）组合逻辑计算

  1. 逻辑表达式化简
    • 在进行PLC编程逻辑计算时，经常会遇到复杂的逻辑表达式。为了提高程序的执行效率和可读性，需要对逻辑表达式进行化简。例如，对于表达式(A AND B) OR (A AND C)，可以根据布尔代数的分配律化简为A AND (B OR C)。
    • 化简逻辑表达式可以减少PLC程序中的逻辑指令数量，从而缩短程序的扫描周期，提高系统的响应速度。在实际编程中，可以使用布尔代数的各种定律（如交换律、结合律、分配律等）来化简逻辑表达式。
  2. 多输入逻辑计算
    • 当处理多个输入信号的组合逻辑时，需要仔细分析输入信号之间的逻辑关系。例如，在一个复杂的物料混合系统中，有多个物料进料阀门，根据不同的产品配方，需要计算各个阀门的开启和关闭逻辑。
    • 假设系统有三种物料A、B、C，产品配方要求当生产产品1时，需要同时开启物料A和B的进料阀门，关闭物料C的进料阀门；当生产产品2时，需要开启物料B和C的进料阀门，关闭物料A的进料阀门。这就需要根据产品类型的输入信号（如通过一个选择开关来选择产品类型）和各个物料阀门的状态反馈信号来进行组合逻辑计算。

四、PLC编程逻辑计算的实际案例

（一）自动化仓储系统中的货物存取控制

  1. 系统概述
    • 自动化仓储系统由货架、堆垛机、货物输送系统等组成。堆垛机负责在货架的不同货位之间存取货物，货物输送系统将货物从入库口输送到堆垛机取货位置，或者将堆垛机卸下的货物输送到出库口。
  2. 逻辑计算需求
    • 入库逻辑：当有货物到达入库口（由光电传感器检测到货物），且对应的货架货位有空位（通过货架管理系统提供的货位状态信息）时，货物输送系统启动，将货物输送到堆垛机取货位置，然后堆垛机启动，将货物存入指定货位。
    • 出库逻辑：当有出库请求（通过操作终端输入出库指令，指令中包含货物所在货位信息），且堆垛机空闲（堆垛机有空闲标志位）时，堆垛机移动到指定货位取出货物，然后货物输送系统将货物输送到出库口。
  3. PLC编程实现
    • 定义输入信号：
      • In_Goods_In：入库口货物检测信号（光电传感器信号）
      • In_House_Empty：货架货位空闲信号（来自货架管理系统）
      • Out_Request：出库请求信号（来自操作终端）
      • Crane_Idle：堆垛机空闲信号
    • 定义输出信号：
      • Out_Conveyor_Start：货物输送系统启动信号
      • Crane_Start：堆垛机启动信号
    • 入库逻辑编程：
      • LD In_Goods_In
      • AND In_House_Empty
      • OUT Out_Conveyor_Start
      • LD Out_Conveyor_Start
      • AND Crane_Idle
      • OUT Crane_Start
    • 出库逻辑编程：
      • LD Out_Request
      • AND Crane_Idle
      • OUT Crane_Start
      • LD Crane_Start
      • AND NOT In_Goods_In
      • OUT Out_Conveyor_Start

（二）电梯控制系统中的逻辑计算

  1. 系统概述
    • 电梯控制系统需要控制电梯的升降、门的开关、楼层的停靠等功能。它需要根据乘客的呼叫请求、电梯当前位置、运行方向等因素进行逻辑计算，以实现高效、安全的电梯运行。
  2. 逻辑计算需求
    • 呼叫响应逻辑：当有乘客在某楼层按下呼叫按钮时，电梯需要根据当前位置和运行方向来决定是否响应呼叫。如果电梯正在向呼叫楼层方向运行，且未满载，则响应呼叫；如果电梯正在远离呼叫楼层方向运行，则需要判断是否有更近的呼叫在电梯当前运行方向上，如果没有，则改变运行方向响应呼叫。
    • 楼层停靠逻辑：当电梯到达目标楼层时，需要准确停靠，然后打开电梯门，停留一定时间（如5秒）后关闭电梯门，继续运行。
  3. PLC编程实现
    • 定义输入信号：
      • Call_Upn：n楼层向上呼叫按钮信号（n = 1, 2, …, N，N为最高楼层）
      • Call_Downn：n楼层向下呼叫按钮信号
      • Inside_Calln：电梯内部n楼层呼叫按钮信号
      • Door_Open_Button：电梯门开按钮信号
      • Door_Close_Button：电梯门关按钮信号
      • Floor_Sensorn：n楼层传感器信号（用于检测电梯是否到达楼层）
    • 定义输出信号：
      • Motor_Up：电梯上升电机启动信号
      • Motor_Down：电梯下降电机启动信号
      • Door_Open：电梯门开信号
      • Door_Close：电梯门关信号
    • 呼叫响应逻辑编程：
      • 首先，计算电梯的运行方向。定义一个变量Direction，如果Motor_Up = True，则Direction = 1（表示向上运行）；如果Motor_Down = True，则Direction = - 1（表示向下运行）；如果两者都为False，则Direction = 0（表示停止）。
      • 以某楼层向上呼叫为例，如3楼层向上呼叫（Call_Up3）：
        • LD Call_Up3
        • LD Floor_SensorElevator_Current_Floor（Elevator_Current_Floor为电梯当前楼层变量）
        • SUB K3（假设当前楼层为1楼，这里计算与3楼的楼层差）
        • MUL Direction
        • LD NOT Full_Load（Full_Load为电梯满载信号）
        • AND LD > K0（如果楼层差与运行方向的乘积大于0，表示电梯正在向呼叫楼层方向运行，且未满载）
        • OUT Motor_Up
    • 楼层停靠逻辑编程：
      • LD Floor_Sensorn
      • OUT Door_Open
      • T0 K50（设定开门时间为50个单位时间，这里假设单位时间为0.1秒）
      • LD T0
      • OUT Door_Close

五、结论

PLC编程逻辑计算在工业自动化中具有不可替代的重要性。通过对逻辑运算基础、编程逻辑计算方法的深入理解，并结合实际案例的分析，我们可以看到合理的逻辑计算能够精确地控制工业设备和生产过程。在实际的工业自动化项目中，需要根据具体的控制需求，准确地定义输入输出信号，构建合适的逻辑表达式和程序结构，以实现高效、稳定、安全的自动化控制。随着工业自动化技术的不断发展，PLC编程逻辑计算也将不断创新和优化，以适应更加复杂和多样化的工业生产需求。