自动化设备电控系统设计的步骤和思路探讨

发布时间：2025-04-29 00:05

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文献标识码：B文章编号：1003-0492（2023）03-084-05中图分类号：TP29

★ 易正花（黔南民族职业技术学院，贵州都匀558000）

摘要：随着科学技术的迅猛发展，自动化生产线、柔性制造、智能工厂、工业机器人等对设备自动化程度的要求越来越高，相应对PLC的编程应用要求也越来越高。本文归纳总结了研发一款自动化设备其中电控系统设计的一般步骤和思路，为电控设计初学者提供了方向，并对其中PLC程序的编写进行了总结，提出了顺序控制的编程的4种方法：启动-保持-停止、置位SET复位RST、顺序控制指令SCR、传送比较指令MOV。文中对这几种编程方法逐一进行了讲解，使用这些方法，可以把复杂的程序结构化、模块化、简单化，从而更快地掌握PLC的编程思路，缩短学习时间，提高效率。

关键词：电控系统设计；PLC程序；顺序控制；功能图

1 引言

笔者曾在工厂做过自动化设备的设计与研发工作，对自动化设备的研发过程有一定的了解，并熟悉PLC编程技术与应用。笔者曾自主设计过四柱应刷机、涂胶机等自动化设备，后来到高职院校工作后，曾上过PLC应用技术和自动化生产线的安装与调试等课程。在上课过程中，笔者发现学生对现有的自动化教学设备是如何生产出来的、设计的步骤和思路不清楚，对自动化控制过程中顺序控制的编程思路也不是很清楚。而且目前出版的教材多为PLC指令的教学及经典案例的讲解，并没有一套完善的电控设计思路和步骤的讲解。通过多年工作经验及教学经验，笔者总结出了自动化设备设计的一般思路和步骤。自动化设备的研发包括机械设计和电控设计两个方面，本文重点介绍电控系统设计的一般思路和步骤，并总结了自动化设备PLC顺序编程控制中常用的几种编程思路。

2 电控系统设计的一般步骤

一套完整自动化设备的研发包括机械设计和电控设计两个方面，所以一个自动化产品研发部门一般会分为机械设计部门和电控设计部门，这两个部门的工程师相互合作才能完成一套自动化产品的设计。作为电控设计工程师，我们该如何完成的工作呢？笔者通过自己的工作经验，总结为以下几个步骤：

2.1 弄清楚本单元的工艺动作流程

当我们接到设计任务之后，不要着急绘制电路图等工作，要先跟客户或者机械设计师沟通交流，明确设备生产工艺流程，掌握机械硬件的基本架构布局，清楚整个设备的结构框架。

2.2 根据设备动作要求，绘制设备动作流程图

流程图就是使用图形表示算法的思路，是一种极好的方法，因为千言万语不如一张图。流程图在汇编语言和早期的BASIC语言环境中得到应用。从动作流程图中，我们可以清楚地看出设备动作的先后顺序及运行条件，从而对整个系统的控制功能、规模、控制方式、I/O配置等形成一个初步方案。绘制工艺流程图，可以更清楚地掌握设备动作先后顺序，为下一步编程打下基础。图1为亚龙自动化生产性供料单元的动作流程图，从该图中，我们可以清楚地知道各个执行机构动作的先后顺序，便于后续编写自动控制流程的PLC程序。

图1 亚龙自动化生产性供料单元的动作流程图

2.3 明确单元控制要求，反复跟客户沟通，满足客户的实际需求

这一步，需要我们设计师在知道设备大概动作流程的基础上，反复跟客户沟通，根据客户实际生产需要的一些特殊要求。这很重要，我们生产出来的设备，最终是要交给客户使用的，所以我们不能全凭自己的经验去设计，而是要符合客户实际的需求。

2.4 统计系统的IO点数

这一步主要是根据系统控制要求，统计完成该系统的设计共需要的IO点位数，为下一步选择PLC型号做好准备。每一款PLC的IO点数是固定的，所以我们在设计时，一定要做好统计。一般选择PLC型号的时候，要求实际的IO点数要大于我们预统计的数，这样在以后设备需要改动的时候，才能灵活使用。表1为自动化生产性供料单元的IO点数统计表。

表1 自动化生产性供料单元的IO点数统计表

2.5 元器件选型

根据本系统的控制要求，选择所需的电控元件，并制成表格，发采购部门采购元件。制作的元件统计表一般要包括品名型号/规格、单位、单价、数量、交货要求等信息，如表2所示。

表2 元件统计表

2.6 绘制电气系统图

电气系统图一般分为电路原理图和安装接线图，很多新手经常把这两个图混淆。原理图就是电路的工作原理图，表达的意思是各元件是怎么工作的，指的就是详细的电路图，侧重点就是电气原理，知道为什么这样。接线图是各元件与元件之间是怎么相连的表达图形。接线图就是给接线员接线用的，侧重点就是把复杂的线型线号分清楚，方便接线。根据原理图可以接线，但是，原理图对工人的要求很高，工人必须具备相应的专业知识，没有相关专业知识的工人，在线多的情况下很容易出错。而接线图详细标出线的线号、型号和具体接线的地方，不显示接线原理，方便施工，对工人要求低，工人只要照着图上的标识进行相应的接线即可。接线图与原理图如图2所示。

（a）接线图

（b）原理图

图2 接线图与原理图

2.7 根据电路图，完成接线

这一步一般由专门的接线师傅根据设计师绘制的电路原理图和接线图，按照要求正确完成接线工作。也有的公司由于人数不够或者其他原因，接线工作由电控设计师自己完成。

2.8 PLC程序编写与调试

常用的PLC编程方法有经验法和图解法。

2.8.1 经验法

使用经验法编程，没有固定的模式可以套用，全凭设计师多年的工作经验，以及不断总结出来的思路，即在自己以前做过的项目中找到相似的案例进行修改，直至适合当前的情况。对于比较复杂的系统，需要考虑的因素比较多，考虑的问题也比较复杂，这时候思维会很混乱。并且，经验法对于有工作经验的设计师来说，比较容易理解，但是对于初学者来说，没有可以遵循的思路进行借鉴，不容易上手。

2.8.2 图解法

图解法是靠画图进行设计，常用的方法有梯形图法、波形图法及流程法。梯形图法是PLC最基本的编程方法，也是最简单、最直观的图形化编程方法，对于初学者来说，易懂好学。顺序控制编程的思路，主要有逻辑清楚的特点，适用于编写设备的顺序动作流程。

这一步主要分为主程序和子程序的编写。一般主程序主要考虑以下几个问题：（1）如何初始化程序；（2）如何调用各个子程序；（3）如何启动和停止程序。子程序主要是用来编写系统中各个控制单元动作流程的程序，比如亚龙自动化生产线包括：供料单元、加工单元、装配单元、分拣单元和输送单元，共5个控制单元，就可以用5个子程序来编写它们各自的顺序动作程序。而主程序主要按照系统工艺流程分别调用这5个子程序和停止控制系统。

顺序控制编程的基本思路是先画出系统的先后动作流程图，再根据流程图编程。首先，将整个控制系统分解成若干个有先后动作顺序的步骤，每一个步骤简称为步，也可以称为状态，用一个方框符号表示每一个步骤，可以在方框旁边简单地说明该步主要完成的动作内容。其次，步与步之间用短直线连接，并在中间标注步之间转换的条件。当条件满足的时候，跳转到下一步，以此类推，直至完成整个系统功能流程图的绘制。顺序功能图主要的组成如下：

（1）步：步是顺序功能图中最重要的一个参数。步一般包括：初始步和工作步。初始步表示系统的开始，用双线框来表示；工作步分为活动步和静止步，活动步表示系统正在执行的步，处于激活状态，静止步表示没有运行的步。步又可以分为单序列、选择序列和并行序列3种形式。单序列：从上到下只有一条分支，每一步的后面只有一个状态执行；选择序列：有分支，有多种情况可以选择，满足相应的条件，则跳转到相应的步运行；并行序列：当满足某个条件的时候，同时执行多个步。

（2）有向连线：步与步之间不能直接相连，必须用有向线段连接。一般情况，从上向下或者从左到右画时，可以省略箭头，而从下向上或者从右到左画时，必须画上箭头。

（3）转换条件：步与步之间不能无条件的跳转，必须满足某个条件才能跳转，一般用短横线表示，并在旁边标注转换的条件。

（4）动作：动作指的是每个步执行的内容或者要完成的功能，一般在流程图中步的旁边简单说明该步的动作内容。

图3 动作顺序流程图

动作流程图绘制完之后，下一步就应该是程序的编写了。而在教学过程中，笔者发现大部分同学对如何编写顺序控制流程程序的思路不是很清楚。接下来，我们重点归纳总结一下顺序控制流程的PLC编程思路。在编写顺序控制流程程序的时候，要注意，在某一个时刻，只能有一步是导通的。

（1）第1种方法：启动-保持-停止的编程思路

启-保-停的编程思路是PLC编程中最基本的编程思路，也是最能训练学生逻辑思维能力的一种编程方法。如图4所示，该方法同样是在编程之前，先画出系统的顺序控制功能图，并用辅助继电器M作为步的标注位。

图4 启动-保持-停止的编程思路图

（2）第2种方法：使用置位-复位指令编程

对于顺序控制流程，使用置位SET指令和复位RST指令也能完成PLC程序的编程。需要注意的是，一旦对某个软元件进行置位之后，它就会一直保持导通状态，除非用复位指令对它进行复位。SET和RST要成对使用，对某个软元件SET之后，程序中要用RST指令对它进行复位，若少用一个，那么我们的程序就不完善，存在漏洞。

图5 置位-复位指令编程图

如图5所示，以上程序含义：程序一上电运行就导通第0步，置位M10.0，同时把最后一步复位；I0.0导通的时候，导通第2步（SETM10.1），在第2步的时候，复位上一步（M10.0），一定要记得复位上一步；当满足条件I0.1导通的时候，导通第3步（SETM10.1），按此顺序下去直到所有的步都按照流程图编程完毕。以上程序只是完成了动作流程的步骤编程，至于每一步要执行什么动作，在程序的后面统一做输出处理。比如以下程序表示第1步和第2步的时候让Q0.1导通，第3步和第4步的时候让Q0.2导通，这样过程和结果输出分开处理，便于程序的查看，逻辑性更强。

（3）第3种方法：使用PLC特有的顺序控制指令SCR编程

顺序控制的编程方法，思路清楚，且有一定的规律可以遵循。对于初学者来说，很快就能入门，所以很多品牌的PLC开发商都会开发自己的顺序控制编程指令。西门子公司在S7-200系列PLC中设置了顺控继电器指令用于顺序控制，编程元件的编号为S0.0～S31.7。顺控继电器也称为状态器，顺控继电器指令用于步进顺控程序的编制。顺序控制主要有3条指令：SCR，段的开始；SCRT，段的跳转；SCRE，段的结束。

图6 顺序控制指令SCR编程图

SCR顺序控制指令与之前的启-保-停方法和置位SET复位RST方法的区别是：（1）保-停方法和置位SET复位RST方法是PLC通用的编程思路，任何一款PLC都能使用该编程思路，而SCR顺序控制指令是西门子PLC特有的顺序控制指令，其他PLC不能使用。其他PLC也有类似的顺序控制指令，但是指令和使用方法不一样，使用的时候要注意区别。（2）SCR转移条件满足：状态转移，前1状态复位，后1状态置位。SCR指令是专门为顺序控制流程而开发的，其内部已经做好的设置：当满足条件，跳转到下一步的时候，上一步会自动复位，不像前面所述的那2种方法，要专门使用指令或者程序才能让上一步复位。这样对于初学者来说，很容易忘记复位上一步，从而导致在某一时刻，有2个步同时处于激活状态。（3）使用SCR顺序控制指令编程，可以减少占用的内存空间，对于复杂的程序，可以有效减少运行时间，提高PLC的运行响应速度。

（4）第4种方法：使用传送和比较指令

使用传送指MOVB和比较指令也可以实现顺序控制程序的编写。这种编程方法是最简单易学的，对参加技能比赛等短期训练，可以起到很好的预期效果，但是对于学生的PLC逻辑思维能力的训练不是很好，有些同学学会这个方法之后，会出现放弃之前介绍的几种方法的学习的情况，所以建议该方法放在课程最后面讲，避免学生走捷径。

图7 传送和比较指令编程图

如图7所示，程序一上电运行，把0传送到变量VB0，然后进行比较。当VB0=0，且I0.0导通的时候把1传送到变量VB0，跳转到第1步，第1步输出Q0.0，然后判断条件；当且I0.1导通的时候把2传送到变量VB0，跳转到第2步，第2步输出Q0.1，然后判断条件；当且I0.2导通的时候把3传送到变量VB0，跳转到第3步，第3步输出Q0.3，以此类推，直到完成所有流程的程序编写。

程序编写完成之后，电控设计师要到现场进行PLC程序的调试。现场调试一般包括以下几个部分：机械部分调试、电气部分调试、气动部分调试、PLC程序调试、单元单站运行及全线自动手动运行调试等，直至达到预先设计的动作效果。

最后一步：完成设备操作说明书撰写，交与客户。

这是设备设计的最后一个环节，当我们把设备调试完成之后，要根据程序的编写撰写操作说明书，然后交给客户便于以后操作和维护设备。

3 总结

自动化设备电控系统设计的步骤大概可以分成九步，在实际设计过程中，可以根据实际情况适当的调整。对于初学者来说，可以参考，便于更快地理清楚电控系统设计的步骤。文中提到的4种顺序控制的编程方法，使用者可以根据自己的习惯和爱好，选择其中一种适合自己的编程方法。每一种都有自己的优点和不足，在使用中可以多试不同的方法，从而更好地掌握PLC编程技巧和方法。

作者简介：

易正花（1987-），女，贵州独山人，学士，现就职于黔南民族职业技术学院，研究方向为PLC技术、电气自动化技术。

参考文献：

[1] 张志田. 西门子PLC项目式教程[M]. 北京: 机械工业出版社, 2021.

[2] 单启兵. 基于西门子S7-200顺序控制编程方法研究[J]. 巢湖学院学报, 2012, 14 (3).

[3] 马宝秋. 西门子PLC顺序控制梯形图实现方法[J]. 石家庄职业技术学院学报, 2012, 33 (4).

摘自《自动化博览》2023年3月刊

网址：自动化设备电控系统设计的步骤和思路探讨 https://www.yuejiaxmz.com/news/view/891067

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