單瞬時按鈕開關控制是一種便捷的機器啟動和停止方式，尤其是在使用帶燈按鈕的情況下。結果是一個簡化的控制面板，並帶有清晰的開關指示燈。這種帶燈按鈕的最大優點或許在於，它完全由軟體控制機器。如果發生故障，機器將停止運行，相關指示燈也會熄滅。
我們將使用梯形邏輯在 Schneider Electric Modicon TM221CE24T PLC 中實現控制模式。本演示本質上是學術性的，建議的解決方案可能並非最簡單的實作。相反，它試圖基於您已知的資訊，並指出 PLC 特有的編程功能。例如，我們將使用狀態變數和跳越指令。這兩項功能並非強制要求，但對於高階 PLC 程式設計來說，它們都是必備的知識。
技術提示：機器的「軟體控制」是重要的安全因素。為了更好地理解其含義，請考慮另一種情況。假設您的機器透過撥動開關或選擇開關來控制。在正常運作條件下，當開關置於開啟位置時，機器處於開啟狀態並運作。這種情況一直正常，直到機器發生故障並關閉。現在，機器的前面板顯示設定與內部狀態之間存在差異。更好的方法是使用帶燈的瞬時按鈕，機器的運作狀態會透過指示燈點亮來顯示。故障時指示燈熄滅。因此，機器的前面板始終能夠真實地反映機器的狀態。
安全：切勿 100% 信賴電子控制。務必進行風險評估，並將安全關鍵操作置於獨立的控制系統中。例如，緊急停止、光幕、油箱溢流或機器超速等控制應始終獨立於 PLC。我們應該將這些關鍵感測器輸入的副本傳送給 PLC，但切勿依賴 PLC 來處理所有情況。
圖 1：PLC 訓練器上的 Modicon TM221 PLC 和按鈕的圖片。
單按鈕控制的梯形邏輯實現
圖 2 展示了單一按鈕控制的梯形邏輯。首先，我們來了解它的一些程式設計特性：
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符號的使用：Modicon PLC 的記憶體位置是固定的。例如，輸出以 %Q 開頭，輸入以 %I 開頭，位元記憶體位置以 %M 開頭。我們不會使用這些難以記憶的名稱，而是使用描述性符號。這樣做的目的是使程式碼具有自文檔性。
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上升沿觸點：梯級 1 和梯級 2 具有上升沿觸點。這些觸點顯示為常開觸點，中間帶有「P」。在此程式碼中，L_PB1_Switch（帶燈按鈕 1 號開關元件）將在按鈕按下的上升沿對應的一個程式週期內評估為真。
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梯級 0 包含一個跳越至標籤的指令。它看起來像一個帶有 %L0 標籤的雙箭頭。如果梯級 0 的計算結果為真，我們將跳過梯級 1。此功能必須格外小心使用，因為該技術容易導致程式錯誤。到目前為止，我還沒能找到為該名稱添加別名的方法。因此，我們只能使用 %L 標識符。在我看來，這可能會引入一個非常難以排除的 bug。或許最好避免使用該功能，我們將在本文後面討論替代方案。
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輸入和輸出對應的使用：本項目包含三個程式組織單元（POU），包括 prgInMap、prgCtrl 和 prgOutMap（圖中未顯示）。輸入和輸出對應用於防止從主控制 POU 內部呼叫螺絲端子 I/O（%I 和 %Q）。雖然並非絕對必要，但這種程序風格可以簡化故障排除。它還能確保每個 I/O 點在專案中僅出現一次。這使得將來更改物理 I/O 變得非常容易，並且您確信不會錯過任何 %I 或 %Q。
技術提示：觸點跳動對 PLC 程式設計師來說可能是一個問題，尤其是圖 2 所示的觸發系統。值得慶幸的是，大多數 PLC 都配備了濾波器，可以消除這種困擾。Modicon 數位輸入預設了 3ms 的濾波器。這應該可以減輕大多數輸入的觸點跳動。在 Modicon TM221 中，我們關閉了濾波器或將其延長至 12ms。
圖 2：單按鈕啟動停止控制的梯形圖邏輯。
梯形圖邏輯程式的基本概念是尋找按鈕按下的上升沿。偵測到按鈕按下後，狀態變數就會切換。
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如果以語言表達，與梯形圖 0 相關的主要思想是：「如果狀態變數已設置，並且按鈕按下了上升沿，則清除狀態變數。」
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梯形圖 1 的意思是：「如果狀態變數已清除，並且按鈕按下了，則設定狀態變數。」
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梯形圖 2 對於本對話來說並不特別重要。它是眾多可能與狀態變數相關的梯形圖之一。例如，如果狀態變數已設置，我們可以啟動馬達以及點亮的按鈕燈。
這兩個語句似乎足以解決這種情況，但存在一個問題。
無需進一步關注，梯級 1 總是會撤銷梯級 0。
考慮發生按鈕按下的程式掃描。按鈕按下事件在梯級 0 和梯級 1 中都將評估為真。假設狀態變數已設置，梯級 0 將透過重設線圈將 0 放入狀態變數的記憶體位置。
這就是我們遇到麻煩的地方。
對於與按鈕按下上升沿相關的程序掃描，梯級 1 將狀態變數視為清零，然後透過置位線圈將 1 放入狀態儲存單元。這會撤銷梯級 0 中的所有操作。這兩個梯級合在一起什麼也不做，狀態變數永遠保持在置位狀態。
解決這種情況的一種方法是添加跳越指令。如果 Rung 0 的計算結果為真，則跳過 Rung 1。因此，Rung 1 永遠沒有機會撤銷 Rung 0。如前所述，跳轉至標籤操作有效，但如果我們不小心使用了錯誤的標籤，可能導致程式碼難以排除故障。
在本文的開頭，我提到了軟體控制機器的概念。這項重要考慮包含在 Rung 0 中。請注意，GLOBAL_FAULT 變數用於強制狀態變數進入重設狀態。由於跳過 Rung 1，操作員將無法在故障存在時重新啟動機器。在發生故障時，任何情況下都不會重新斷言狀態變數。這可以防止意外啟動，即使啟動按鈕被物理卡住也是如此。
技術提示：按鈕使用上升沿檢測可以提高安全性。在本範例程式碼中，它可以防止不耐煩的操作員和技術人員物理卡住啟動開關。要啟動機器，按鈕必須完成從關閉到開啟的整個循環。這比電平敏感的使用者介面更受歡迎，因為電平敏感的使用者介面會導致旁路，例如當牙籤卡到啟動按鈕時。
本例中最後一個，或許也是最重要的接點是 SB_FIRSTRUN。此系統變數在第一次（且僅在第一次）程式掃描時為真。此操作會強制狀態變數進入清除狀態。因此，每次 PLC 重新啟動或在電源故障後啟動時，系統都會以重設（關閉）狀態啟動。這可以防止設備意外啟動，從而保護機器操作員、維修機器的技術人員以及機器本身。
記住安全提示，不要依賴此機制。務必添加冗餘且獨立的系統，以防止設備意外啟動。
影片 1 示範了系統的運作。您可以觀察到，點亮的綠色面板指示燈會透過按鍵激活，然後關閉。同時，您也可以觀察到，按下紅色按鈕會停止系統。在本例中，它模擬了 GLOBAL_FAULT 情況。您可以聽到背景中大型三相馬達啟動器和介入繼電器的聲音。
影片 1：綠色發光按鈕的單按鈕控制示範。
修改程式碼以在不使用跳躍指令的情況下運行
我們可以修改程式碼以消除梯級 1 上的跳轉指令。一種方案是新增圖 3 所示的 L_PB1_LOCKOUT 變數。此變數的作用與跳躍指令相同，即每當梯級 0 的計算結果為真時，停用梯級 1。在這兩種方案中，圖 3 列出的方案可能更安全，因為它消除了跳躍指令。它也更容易閱讀。用英語來說，我們會說：“如果梯級未處於鎖定狀態，狀態變數已清除，並且發光按鈕出現上升沿，則將狀態更改為活動狀態。
圖 3：程式碼清單中包含一個用於防止啟動梯級 1 的帶燈按鈕 1 鎖定變數。
最後的想法
現在，我們應該考慮將這段程式碼封裝到使用者定義功能區塊 (UDFB) 中。這似乎對我們的程式碼庫來說是一個有用的補充。
您覺得怎麼樣？這是處理單按鈕開關控制的好方法嗎？我們遺漏了什麼嗎？請在下方留下您的評論和建議。
附註：此組件基於先前文章中介紹的 PLC 訓練器建構。點擊連結查看零件清單。