可编程控制器程序的设计方法

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1、第五章可编程控制器的程序设计方法第一节梯形图的编程规则PLC 是专为工业控制而开发的装置，其主要使用者是工厂广大电气技术人员，为了适应他们的传统习惯和掌握能力，通常PLC 不采用微机的编程语言，而常常采用面向控制过程、面向问题的“自然语言”编程。国际电工委员会（IEC ）1994 年 5 月公布的IEC1131-3 （可编程控制器语言标准）详细地说明了句法、语义和下述5 种编程语言：功能表图（sequentialfunctionchart）、梯形图（Ladder diagram ）、功能块图（Function black diagram ）、指令表（ Instruction list ）、结构

2、文本（ structured text ）。梯形图和功能块图为图形语言，指令表和结构文本为文字语言，功能表图是一种结构块控制流程图。一、梯形图概述梯形图是使用得最多的图形编程语言，被称为 PLC 的第一编程语言。梯形图与电器控制系统的电路图很相似，具有直观易懂的优点，很容易被工厂电气人员掌握，特别适用于开关量逻辑控制。梯形图常被称为电路或程序，梯形图的设计称为编程。梯形图编程中，用到以下四个基本概念：1软继电器PLC 梯形图中的某些编程元件沿用了继电器这一名称，如输入继电器、输出继电器、内部辅助继电器等，但是它们不是真实的物理继电器，而是一些存储单元（软继电器），每一软继电器与PLC 存储器中

3、映像寄存器的一个存储单元相对应。该存储单元如果为“1”状态，则表示梯形图中对应软继电器的线圈“通电”，其常开触点接通，常闭触点断开， 称这种状态是该软继电器的“1”或“ ON”状态。如果该存储单元为“0”状态，对应软继电器的线圈和触点的状态与上述的相反，称该软继电器为“0”或“ OFF ”状态。使用中也常将这些“软继电器”称为编程元件。2能流如图 5-1 所示触点1、 2 接通时，有一个假想的“概念电流”或“能流”(Power Flow) 从左向右流动，这一方向与执行用户程序时的逻辑运算的顺序是一致的。能流只能从左向右流动。利用能流这一概念，可以帮助我们更好地理解和分析梯形图。图5-1a 中可

4、能有两个方向的能流流过触点5（经过触点1、 5、 4 或经过触点3、 5、 2），这不符合能流只能从左向右流动的原则，因此应改为如图5-1b 所示的梯形图。1图 5-1 梯形图a）错误的梯形图b）正确的梯形图3母线梯形图两侧的垂直公共线称为母线(Bus bar)，。在分析梯形图的逻辑关系时，为了借用继电器电路图的分析方法，可以想象左右两侧母线（左母线和右母线）之间有一个左正右负的直流电源电压，母线之间有“能流”从左向右流动。右母线可以不画出。4梯形图的逻辑解算根据梯形图中各触点的状态和逻辑关系，求出与图中各线圈对应的编程元件的状态，称为梯形图的逻辑解算。梯形图中逻辑解算是按从左至右、从上到下的

5、顺序进行的。解算的结果，马上可以被后面的逻辑解算所利用。逻辑解算是根据输入映像寄存器中的值，而不是根据解算瞬时外部输入触点的状态来进行的。二、梯形图的编程规则尽管梯形图与继电器电路图在结构形式、元件符号及逻辑控制功能等方面相类似，但它们又有许多不同之处，梯形图具有自己的编程规则。1）每一逻辑行总是起于左母线， 然后是触点的连接， 最后终止于线圈或右母线 （右母线可以不画出）。注意： 左母线与线圈之间一定要有触点， 而线圈与右母线之间则不能有任何触点。2）梯形图中的触点可以任意串联或并联，但继电器线圈只能并联而不能串联。3）触点的使用次数不受限制。4）一般情况下， 在梯形图中同一线圈只能出现一次

6、。如果在程序中， 同一线圈使用了两次或多次，称为“双线圈输出”。对于“双线圈输出” ，有些 PLC 将其视为语法错误，绝对不允许；有些PLC 则将前面的输出视为无效，只有最后一次输出有效；而有些PLC ，在含有跳转指令或步进指令的梯形图中允许双线圈输出。5）对于不可编程梯形图必须难过等效变换，变成可编程梯形图，例如图5-1 所示。6）有几个串联电路相并联时，应将串联触点多的回路放在上方，如图5-2a 所示。在有几个并联电路相串联时，应将并联触点多的回路放在左方，如图5-2b 所示。 这样所编制的程序简洁明了，语句较少。图 5-2 梯形图之二另外，在设计梯形图时输入继电器的触点状态最好按输入设备

7、全部为常开进行设计更为合适，不易出错。建议用户尽可能用输入设备的常开触点与PLC输入端连接，如果某些信号2只能用常闭输入，可先按输入设备为常开来设计，然后将梯形图中对应的输入继电器触点取反（常开改成常闭、常闭改成常开）。第二节典型单元的梯形图程序PLC 应用程序往往是一些典型的控制环节和基本单元电路的组合，熟练掌握这些典型环节和基本单元电路，可以使程序的设计变得简单。本节主要介绍一些常见的典型单元梯形图程序。一、具有自锁、互锁功能的程序1具有自锁功能的程序利用自身的常开触点使线圈持续保持通电即“ON”状态的功能称为自锁。如图5-3 所示的起动、保持和停止程序（简称起保停程序）就是典型的具有自锁

8、功能的梯形图，X1 为起动信号和 X2 为停止信号。图 5-3起保停程序与时序图a）停止优先b）起动优先图 5-3a 为停止优先程序，即当X1 和 X2 同时接通，则Y1 断开。图5-3b 为起动优先程序，即当 X1 和 X2 同时接通，则Y1 接通。起保停程序也可以用置位（SET）和复位（ RST）指令来实现。 在实际应用中， 起动信号和停止信号可能由多个触点组成的串、并联电路提供。2具有互锁功能的程序利用两个或多个常闭触点来保证线圈不会同时通电的功能成为“互锁”。三相异步电动机的正反转控制电路即为典型的互锁电路，如图5-4 所示。其中KMl 和 KM2 分别是控制正转运行和反转运行的交流接

9、触器。图 5-4三相异步电动机的正反转控制电路如图 5-5 所示为采用PLC控制三相异步电动机正反转的外部I/O 接线图和梯形图。实现正反转控制功能的梯形图是由两个起保停的梯形图再加上两者之间的互锁触点构成。3图 5-5用 PLC控制电动机正反转的I/O 接线图和梯形图应该注意的是虽然在梯形图中已经有了软继电器的互锁触点（ X1 与 X0、Y1 与 Y0），但在I/O 接线图的输出电路中还必须使用KM1、KM2的常闭触点进行硬件互锁。因为 PLC软继电器互锁只相差一个扫描周期，而外部硬件接触器触点的断开时间往往大于一个扫描周期，来不及响应，且触点的断开时间一般较闭合时间长。例如 Y0 虽然断开

10、， 可能 KM1的触点还未断开，在没有外部硬件互锁的情况下，KM2 的触点可能接通，引起主电路短路，因此必须采用软硬件双重互锁。采用了双重互锁，同时也避免因接触器KM1或 KM2的主触点熔焊引起电动机主电路短路。二、定时器应用程序1产生脉冲的程序（ 1）周期可调的脉冲信号发生器如图 5-6 所示采用定时器T0 产生一个周期可调节的连续脉冲。当X0 常开触点闭合后，第一次扫描到T0 常闭触点时，它是闭合的，于是T0 线圈得电，经过1s 的延时， T0 常闭触点断开。 T0 常闭触点断开后的下一个扫描周期中，当扫描到T0 常闭触点时，因它已断开，使 T0 线圈失电， T0 常闭触点又随之恢复闭合。

11、这样，在下一个扫描周期扫描到T0 常闭触点时，又使T0 线圈得电，重复以上动作，T0 的常开触点连续闭合、断开，就产生了脉宽为一个扫描周期、脉冲周期为1s 的连续脉冲。改变T0 的设定值，就可改变脉冲周期。图 5-6周期可调的脉冲信号发生器a）梯形图b）时序图（ 2）占空比可调的脉冲信号发生器如图 5-7 所示为采用两个定时器产生连续脉冲信号，脉冲周期为5 秒，占空比为3：2（接通时间：断开时间） 。接通时间3s，由定时器T1 设定，断开时间为2s，由定时器T0 设定，用 Y0 作为连续脉冲输出端。图 5-7 占空比可调的脉冲信号发生器a）梯形图b）时序图4（ 3）顺序脉冲发生器如图 5-8a

12、 所示为用三个定时器产生一组顺序脉冲的梯形图程序，顺序脉冲波形如图5-8b所示。当X4 接通， T40 开始延时，同时Y31 通电，定时l0s 时间到， T40 常闭触点断开，Y31 断电。 T40 常开触点闭合， T41 开始延时， 同时 Y32 通电，当 T41 定时 15s 时间到， Y32 断电。 T41 常开触点闭合， T42 开始延时同时 Y33 通电， T42 定时 20s 时间到， Y33 断电。如果 X4 仍接通，重新开始产生顺序脉冲，直至X4 断开。当 X4 断开时，所有的定时器全部断电，定时器触点复位，输出Y31 、Y32 及 Y33 全部断电。图 5-8顺序脉冲发生器a

13、）梯形图b）时序图2断电延时动作的程序大多数 PLC 的定时器均为接通延时定时器，即定时器线圈通电后开始延时，待定时时间到，定时器的常开触点闭合、常闭触点断开。 在定时器线圈断电时，定时器的触点立刻复位。如图 5-9 所示为断开延时程序的梯形图和动作时序图。当X13 接通时， M0 线圈接通并自锁， Y3 线圈通电， 这时 T13 由于 X13 常闭触点断开而没有接通定时；当 X13 断开时， X13的常闭触点恢复闭合，T13 线圈得电，开始定时。经过10s 延时后， T13 常闭触点断开，使M0 复位， Y3 线圈断电，从而实现从输入信号X13 断开，经10s 延时后，输出信号Y3 才断开的

14、延时功能。图 5-9断电延时动作的程序a）梯形图b）时序图3多个定时器组合的延时程序一般 PLC 的一个定时器的延时时间都较短，如FX 系列 PLC 中一个 0.1s 定时器的定时范围为0.13276.7s，如果需要延时时间更长的定时器，可采用多个定时器串级使用来实现长时间延时。定时器串级使用时，其总的定时时间为各定时器定时时间之和。如图 5-10 所示为定时时间为1h 的梯形图及时序图，辅助继电器M1 用于定时启停控制，采用两个0.1s 定时器 T14 和 T15 串级使用。当T14 开始定时后，经1800s 延时， T14 的常开触点闭合，使T15 再开始定时，又经1800s 的延时， T

15、15 的常开触点闭合，Y4 线圈接通。从X14 接通，到Y4 输出，其延时时间为1800s+1800s=3600s=1h。5图 5-10 用定时器串级的长延时程序a）梯形图b）时序图三、计数器应用程序1应用计数器的延时程序只要提供一个时钟脉冲信号作为计数器的计数输入信号，计数器就可以实现定时功能，时钟脉冲信号的周期与计数器的设定值相乘就是定时时间。时钟脉冲信号， 可以由 PLC 内部特殊继电器产生（如FX 系列 PLC 的 M8011 、M8012 、 M8013 和 M8014 等），也可以由连续脉冲发生程序产生，还可以由PLC 外部时钟电路产生。如图 5-11 所示为采用计数器实现延时的程

16、序，由 M8012 产生周期为0.1s 时钟脉冲信号。当启动信号X15 闭合时， M2 得电并自锁， M8012 时钟脉冲加到C0 的计数输入端。当C0 累计到 18000 个脉冲时，计数器C0 动作， C0 常开触点闭合，Y5 线圈接通， Y5 的触点动作。从 X15 闭合到 Y5 动作的延时时间为 18000 0.11800s。延时误差和精度主要由时钟脉冲信号的周期决定，要提高定时精度，就必须用周期更短的时钟脉冲作为计数信号。图 5-11应用一个计数器的延时程序a）梯形图b）时序图延时程序最大延时时间受计数器的最大计数值和时钟脉冲的周期限制，如图 5-11 所示计数器 C0 的最大计数值为

17、32767，所以最大延时时间为：32767 0.1 3276.7s。要增大延时时间，可以增大时钟脉冲的周期，但这又使定时精度下降。为获得更长时间的延时，同时又能保证定时精度， 可采用两级或多级计数器串级计数。如图 5-12 所示为采用两级计数器串级计数延时的一个例子。图中由C0 构成一个1800s（30min ）的定时器，其常开触点每隔30min闭合一个扫描周期。 这是因为 C0 的复位输入端并联了一个C0 常开触点，当 C0 累计到 18000个脉冲时，计数器C0 动作， C0 常开触点闭合，C0 复位， C0 计数器动作一个扫描周期后又开始计数，使C0 输出一个周期为30min 、脉宽为一

18、个扫描周期的时钟脉冲。C0 的另一个常开触点作为C1 的计数输入， 当 C0 常开触点接通一次，C1 输入一个计数脉冲，当 C1 计数脉冲累计到10 个时，计数器C1 动作， C1 常开触点闭合，使Y5 线圈接通， Y5 触点动作。从X15 闭合，到 Y5 动作，其延时时间为 180000.1 10 18000s（ 5h）。计数器 C0 和 C1 串级后，最大的延时时间可达： 32767 0.132767s 29824.34 h1242.68 天。6图 5-12应用两个计数器的延时程序2定时器与计数器组合的延时程序利用定时器与计数器级联组合可以扩大延时时间，如图 5-13 所示。图中 T4 形

19、成一个20s的自复位定时器，当X4 接通后， T4 线圈接通并开始延时，20s 后 T4 常闭触点断开，T4 定时器的线圈断开并复位，待下一次扫描时，T4 常闭触点才闭合，T4 定时器线圈又重新接通并开始延时。所以当X4 接通后， T4 每过 20s 其常开触点接通一次，为计数器输入一个脉冲信号，计数器C4 计数一次，当C4 计数 100 次时，其常开触点接通Y3 线圈。可见从X4 接通到 Y3 动作，延时时间为定时器定时值（20s）和计数器设定值（100）的乘积（ 2000s）。图中 M8002 为初始化脉冲，使C4 复位。图 5-13定时器与计数器组合的延时程序3计数器级联程序计数器计数值

20、范围的扩展，可以通过多个计数器级联组合的方法来实现。图 5-14 为两个计数器级联组合扩展的程序。X1 每通 /断一次， C60 计数 1 次，当 X1 通 /断 50 次时， C60 的常开触点接通，C61 计数 1 次，与此同时C60 另一对常开触点使C60 复位，重新从零开始对X1 的通 /断进行计数，每当 C60 计数 50 次时， C61 计数 1 次，当 C61 计数到 40 次时， X1 总计通 /断 50 40 2000 次， C61 常开触点闭合， Y31 接通。可见本程序计数值为两个计数器计数值的乘积。图 5-14两个计数器级联的程序四、其它典型应用程序1单脉冲程序单脉冲程

21、序如图5-15 所示，从给定信号（X0 ）的上升沿开始产生一个脉宽一定的脉冲信号（ Y1 ）。当 X0 接通时， M2 线圈得电并自锁，M2 常开触点闭合，使T1 开始定时、 Y1线圈得电。定时时间2s 到， T1 常闭触点断开，使Y1 线圈断电。无论输入X0 接通的时间长短怎样，输出Y1 的脉宽都等于T1 的定时时间2s。7图 5-15单脉冲程序a）梯形图b）时序图2分频程序在许多控制场合， 需要对信号进行分频。 下面以如图 5-16 所示的二分频程序为例来说明 PLC 是如何来实现分频的。图 5-16二分频程序a）梯形图b）时序图图中， Y30 产生的脉冲信号是X1 脉冲信号的二分频。图5

22、-16b中用了三个辅助继电器M160 、M161和 M162 。当输入 X1在 t1 时刻接通（ ON），M160 产生脉宽为一个扫描周期的单脉冲， Y30线圈在此之前并未得电，其对应的常开触点处于断开状态，因此执行至第3 行程序时，尽管M160 得电，但 M162 仍不得电， M162 的常闭触点处于闭合状态。执行至第4行， Y30 得电（ ON）并自锁。此后，多次循环扫描执行这部分程序，但由于M160 仅接通一个扫描周期，M162 不可能得电。由于 Y30已接通，对应的常开触点闭合，为M162 的得电做好了准备。等到 t2 时刻，输入 X1 再次接通（ ON ）， M160 上再次产生单脉

23、冲。此时在执行第3 行时，M162 条件满足得电， M162 对应的常闭触点断开。 执行第 4 行程序时，Y30 线圈失电（ OFF）。之后虽然 X1继续存在，由于 M160 是单脉冲信号，虽多次扫描执行第4 行程序， Y30也不可能得电。在t3 时刻， X1 第三次 ON ， M160 上又产生单脉冲，输出Y30再次接通（ ON ）。t4 时刻， Y30再次失电（ OFF），循环往复。这样 Y30 正好是X1 脉冲信号的二分频。由于每当出现 X1 （控制信号）时就将 Y30的状态翻转（ ON/0FF/ON/0FF ），这种逻辑关系也可用作触发器。除了以上介绍的几种基本程序外，还有很多这样的程

24、序不再一一列举，它们都是组成较复杂的 PLC 应用程序的基本环节。第三节PLC 程序的经验设计法一、概述8在 PLC 发展的初期， 沿用了设计继电器电路图的方法来设计梯形图程序，即在已有的些典型梯形图的基础上，根据被控对象对控制的要求，不断地修改和完善梯形图。有时需要多次反复地调试和修改梯形图，不断地增加中间编程元件和触点，最后才能得到一个较为满意的结果。这种方法没有普遍的规律可以遵循，设计所用的时间、设计的质量与编程者的经验有很大的关系，所以有人把这种设计方法称为经验设计法。它可以用于逻辑关系较简单的梯形图程序设计。用经验设计法设计 PLC 程序时大致可以按下面几步来进行：分析控制要求、 选

25、择控制原则；设计主令元件和检测元件，确定输入输出设备；设计执行元件的控制程序；检查修改和完善程序。下面通过例子来介绍经验设计法。二、设计举例1送料小车自动控制的梯形图程序设计（ 1）被控对象对控制的要求如图 5-17a所示送料小车在限位开关X4 处装料， 20s 后装料结束，开始右行，碰到X3 后停下来卸料，25s 后左行，碰到X4 后又停下来装料，这样不停地循环工作，直到按下停止按钮X2 。按钮 X0 和 X1 分别用来起动小车右行和左行。图 5-17送料小车自动控制a）小车运行示意图b）梯形图（ 2）程序设计思路以众所周知的电动机正反转控制的梯形图为基础，设计出的小车控制梯形图如图6-17

26、b 所示。为使小车自动停止，将X3 和 X4 的常闭触点分别与Y0 和 Y1 的线圈串联。为使小车自动起动，将控制装、卸料延时的定时器T0 和 T1 的常开触点，分别与手动起动右行和左行的X0 、X1 的常开触点并联，并用两个限位开关对应的X4 和 X3 的常开触点分别接通装料、卸料电磁阀和相应的定时器。（ 3）程序分析设小车在起动时是空车，按下左行起动按钮X1 ，Y1 得电，小车开始左行，碰到左限位开关时，X4 的常闭触点断开，使Y1 失电，小车停止左行。X4 的常开触点接通，使 Y2 和 T0 的线圈得电，开始装料和延时。20s 后 T0 的常开触点闭合，使Y0 得电，小车右行。小车离开左

27、限位开关后，X4 变为“ 0”状态， Y2 和 T0 的线圈失电，停止装料，T0 被复位。对右行和卸料过程的分析与上面的基本相同。如果小车正在运行时按停止按钮X2 ，小车将停止运动，系统停止工作。2两处卸料小车自动控制的梯形图程序设计两处卸料小车运行路线示意图如图6-18a 所示，小车仍然在限位开关X4 处装料，但在X5 和 X3 两处轮流卸料。小车在一个工作循环中有两次右行都要碰到X5 ，第一次碰到它时9停下卸料，第二次碰到它时继续前进，因此应设置一个具有记忆功能的编程元件，区分是第一次还是第二次碰到X5 。图 5-18两处卸料小车自动控制a）小车运行示意图b）梯形图两处卸料小车自动控制的梯

28、形图如图6-18b 所示，它是在图6-17b 的基础上根据新的控制要求修改而成的。小车在第一次碰到X5 和碰到 X3 时都应停止右行，所以将它们的常闭触点与 Y0 的线圈串联。其中X5 的触点并联了中间元件M100 的触点，使X5 停止右行的作用受到 M100 的约束， M100 的作用是记忆X5 是第几次被碰到，它只在小车第二次右行经过X5 时起作用。 为了利用PLC 已有的输入信号，用起保停电路来控制M100 ，它的起动条件和停止条件分别是小车碰到限位开关X5 和 X3 ，即 M100 在图 6-18a 中虚线所示路线内为ON ，在这段时间内M100 的常开触点将Y0 控制电路中X5 常闭

29、触点短接，因此小车第二次经过X5 时不会停止右行。为了实现两处卸料，将 X3 和 X5 的触点并联后驱动Y3 和 T1。调试时发现小车从X3 开始左行，经过X5 时 M100 也被置位，使小车下一次右行到达X5 时无法停止运行，因此在M100 的起动电路中串入Y1 的常闭触点。另外还发现小车往返经过X5 时，虽然不会停止运动，但是出现了短暂的卸料动作，为此将 Y1 和 Y0 的常闭触点与 Y3 的线圈串联，就可解决这个问题。系统在装料和卸料时按停止按钮不能使系统停止工作，请读者考虑怎样解决这个问题。三、经验设计法的特点经验设计法对于一些比较简单程序设计是比较奏效的，可以收到快速、简单的效果。但

30、是，由于这种方法主要是依靠设计人员的经验进行设计， 所以对设计人员的要求也就比较高，特别是要求设计者有一定的实践经验，对工业控制系统和工业上常用的各种典型环节比较熟悉。经验设计法没有规律可遵循，具有很大的试探性和随意性，往往需经多次反复修改和完善才能符合设计要求，所以设计的结果往往不很规范，因人而异。经验设计法一般适合于设计一些简单的梯形图程序或复杂系统的某一局部程序（如手动程序等）。如果用来设计复杂系统梯形图，存在以下问题：1 考虑不周、设计麻烦、设计周期长用经验设计法设计复杂系统的梯形图程序时，要用大量的中间元件来完成记忆、联锁、互锁等功能，由于需要考虑的因素很多，它们往往又交织在一起，分

31、析起来非常困难，并且很容易遗漏一些问题。修改某一局部程序时，很可能会对系统其它部分程序产生意想不到的10影响，往往花了很长时间，还得不到一个满意的结果。2 梯形图的可读性差、系统维护困难用经验设计法设计的梯形图是按设计者的经验和习惯的思路进行设计。因此，即使是设计者的同行，要分析这种程序也非常困难，更不用说维修人员了，这给 PLC 系统的维护和改进带来许多困难。第四节PLC 程序的顺序控制设计法一、概述如果一个控制系统可以分解成几个独立的控制动作，且这些动作必须严格按照一定的先后次序执行才能保证生产过程的正常运行，这样的控制系统称为顺序控制系统，也称为步进控制系统。 其控制总是一步一步按顺序进

32、行。 在工业控制领域中， 顺序控制系统的应用很广，尤其在机械行业，几乎无例外地利用顺序控制来实现加工的自动循环。所谓顺序控制设计法就是针对顺序控制系统的一种专门的设计方法。这种设计方法很容易被初学者接受，对于有经验的工程师，也会提高设计的效率，程序的调试、修改和阅读也很方便。 PLC 的设计者们为顺序控制系统的程序编制提供了大量通用和专用的编程元件，开发了专门供编制顺序控制程序用的功能表图， 使这种先进的设计方法成为当前 PLC 程序设计的主要方法。二、顺序控制设计法的设计步骤采用顺序控制设计法进行程序设计的基本步骤及内容如下：1步的划分顺序控制设计法最基本的思想是将系统的一个工作周期划分为若

33、干个顺序相连的阶段，这些阶段称为步，并且用编程元件（辅助继电器M 或状态器S）来代表各步。如图5-19a 所示，步是根据PLC 输出状态的变化来划分的，在任何一步之内，各输出状态不变，但是相邻步之间输出状态是不同的。步的这种划分方法使代表各步的编程元件与PLC 各输出状态之间有着极为简单的逻辑关系。图 5-19 步的划分a)划分方法一b)划分方法二步也可根据被控对象工作状态的变化来划分，但被控对象工作状态的变化应该是由PLC输出状态变化引起的。如图5-19b 所示，某液压滑台的整个工作过程可划分为停止（原位）、11快进、工进、快退四步。但这四步的状态改变都必须是由PLC 输出状态的变化引起的，

34、否则就不能这样划分，例如从快进转为工进与PLC 输出无关，那么快进和工进只能算一步。2转换条件的确定使系统由当前步转入下一步的信号称为转换条件。转换条件可能是外部输入信号，如按钮、指令开关、限位开关的接通/断开等，也可能是PLC 内部产生的信号，如定时器、计数器触点的接通 /断开等，转换条件也可能是若干个信号的与、或、非逻辑组合。如图5-19b 所示的 SB、 SQ1、 SQ2、 SQ3 均为转换条件。顺序控制设计法用转换条件控制代表各步的编程元件，让它们的状态按一定的顺序变化，然后用代表各步的编程元件去控制各输出继电器。3功能表图的绘制根据以上分析和被控对象工作内容、步骤、顺序和控制要求画出

35、功能表图。绘制功能表图是顺序控制设计法中最为关键的一个步骤。绘制功能表图的具体方法将后面详细介绍。4梯形图的编制根据功能表图，按某种编程方式写出梯形图程序。有关编程方式将在本章节第五节中介绍。如果 PLC支持功能表图语言，则可直接使用该功能表图作为最终程序。三、功能表图的绘制功能表图又称做状态转移图，它是描述控制系统的控制过程、功能和特性的一种图形，也是设计PLC 的顺序控制程序的有力工具。功能表图并不涉及所描述的控制功能的具体技术，它是种通用的技术语言，可以用于进一步设计和不同专业的人员之间进行技术交流。各个 PLC 厂家都开发了相应的功能表图，各国家也都制定了功能表图的国家标准。我国于 1

36、986 年颁布了功能表图的国家标准（GB6988.6-86 ）。如图 5-20 所示为功能表图的一般形式，它主要由步、有向连线、转换、转换条件和动作（命令）组成。图 5-20功能表图的一般形式1步与动作（ 1）步在功能表图中用矩形框表示步，方框内是该步的编号。如图5-20 所示各步的编号为 -1、n、n+1 。编程时一般用PLC 内部编程元件来代表各步，因此经常直接用代表该步的编程元件的元件号作为步的编号，如M300 等，这样在根据功能表图设计梯形图时较为方便。12（ 2）初始步 与系统的初始状态相对应的步称为初始步。 初始状态一般是系统等待起动命令的相对静止的状态。初始步用双线方框表示，每一

37、个功能表图至少应该有一个初始步。（ 3）动作一个控制系统可以划分为被控系统和施控系统，例如在数控车床系统中，数控装置是施控系统，而车床是被控系统。对于被控系统，在某一步中要完成某些“动作”，对于施控系统， 在某一步中则要向被控系统发出某些“命令”，将动作或命令简称为动作，并用矩形框中的文字或符号表示，该矩形框应与相应的步的符号相连。如果某一步有几个动作，可以用如图5-21 所示的两种画法来表示，但是图中并不隐含这些动作之间的任何顺序。图 5-21 多个动作的表示（ 4）活动步 当系统正处于某一步时，该步处于活动状态，称该步为“活动步” 。步处于活动状态时，相应的动作被执行。若为保持型动作则该步

38、不活动时继续执行该动作，若为非保持型动作则指该步不活动时，动作也停止执行。一般在功能表图中保持型的动作应该用文字或助记符标注，而非保持型动作不要标注。2有向连线、转换与转换条件（ 1）有向连线 在功能表图中， 随着时间的推移和转换条件的实现， 将会发生步的活动状态的顺序进展，这种进展按有向连线规定的路线和方向进行。在画功能表图时，将代表各步的方框按它们成为活动步的先后次序顺序排列，并用有向连线将它们连接起来。活动状态的进展方向习惯上是从上到下或从左至右，在这两个方向有向连线上的箭头可以省略。如果不是上述的方向，应在有向连线上用箭头注明进展方向。（ 2）转换转换是用有向连线上与有向连线垂直的短划

39、线来表示，转换将相邻两步分隔开。步的活动状态的进展是由转换的实现来完成的，并与控制过程的发展相对应。（ 3）转换条件转换条件是与转换相关的逻辑条件，转换条件可以用文字语言、布尔代数表达式或图形符号标注在表示转换的短线的旁边。转换条件X 和 X 分别表示在逻辑信号X为“ 1”状态和“ 0”状态时转换实现。符号X 和 X 分别表示当X 从 01 状态和从 10 状态时转换实现。使用最多的转换条件表示方法是布尔代数表达式，如转换条件(X0 X3) C0。3功能表图的基本结构（ 1）单序列单序列由一系列相继激活的步组成，每一步的后面仅接有一个转换，每一个转换的后面只有一个步，如图5-22a 所示。13

40、图 5-22单序列与选择序列a）单序列b）选择序列开始c）选择序列结束（ 2）选择序列选择序列的开始称为分支，如图5-22b 所示，转换符号只能标在水平连线之下。如果步2 是活动的，并且转换条件e=1，则发生由步5步 6 的进展；如果步5 是活动的，并且f=1 ，则发生由步5步 9 的进展。在某一时刻一般只允许选择一个序列。选择序列的结束称为合并，如图5-22c 所示。如果步5 是活动步，并且转换条件m=1，则发生由步5步 12 的进展； 如果步 8 是活动步， 并且 n=1，则发生由步8步 12 的进展。（ 3）并行序列并行序列的开始称为分支，如图5-23a 所示，当转换条件的实现导致几个序

41、列同时激活时，这些序列称为并行序列。当步4 是活动步，并且转换条件a=1、3、7、9这三步同时变为活动步，同时步4 变为不活动步。为了强调转换的同步实现，水平连线用双线表示。步3、 7、 9 被同时激活后，每个序列中活动步的进展将是独立的。在表示同步的水平双线之上，只允许有一个转换符号。图 5-23并行序列a）并行序列开始b）并行序列结束并行序列的结束称为合并，如图5-23b 所示，在表示同步的水平双线之下，只允许有一个转换符号。当直接连在双线上的所有前级步都处于活动状态，并且转换条件b=1 时，才会发生步 3、6、 9 到步 10 的进展，即步3、 6、 9 同时变为不活动步，而步10 变为

42、活动步。并行序列表示系统的几个同时工作的独立部分的工作情况。（ 4）子步 如见图 5-24 所示，某一步可以包含一系列子步和转换，通常这些序列表示整个系统的一个完整的子功能。子步的使用使系统的设计者在总体设计时容易抓住系统的主要矛盾， 用更加简洁的方式表示系统的整体功能和概貌，而不是一开始就陷入某些细节之中。设计者可以从最简单的对整个系统的全面描述开始，然后画出更详细的功能表图，子步中还可以包含更详细的子步，这使设计方法的逻辑性很强，可以减少设计中的错误，缩短总体设计和查错所需要的时间。图 5-24子步4转换实现的基本规则（ 1）转换实现的条件在功能表图中，步的活动状态的进展是由转换的实现来完

43、成的。14转换实现必须同时满足两个条件：1）该转换所有的前级步都是活动步；2）相应的转换条件得到满足。如果转换的前级步或后续步不止一个，转换的实现称为同步实现，如图5-25 所示。图 5-25 转换的同步实现（ 2）转换实现应完成的操作转换的实现应完成两个操作：1）使所有由有向连线与相应转换符号相连的后续步都变为活动步；2）使所有由有向连线与相应转换符号相连的前级步都变为不活动步。5绘制功能表图应注意的问题1）两个步绝对不能直接相连，必须用一个转换将它们隔开。2）两个转换也不能直接相连，必须用一个步将它们隔开。3）功能表图中初始步是必不可少的，它一般对应于系统等待起动的初始状态，这一步可能没有

44、什么动作执行，因此很容易遗漏这一步。如果没有该步，无法表示初始状态，系统也无法返回停止状态。4）只有当某一步所有的前级步都是活动步时，该步才有可能变成活动步。如果用无断电保持功能的编程元件代表各步，则 PLC 开始进入RUN 方式时各步均处于“0”状态， 因此必须要有初始化信号，将初始步预置为活动步，否则功能表图中永远不会出现活动步，系统将无法工作。6绘制功能表图举例某组合机床液压滑台进给运动示意图如图5-19 所示，其工作过程分成原位、快进、工进、快退四步，相应的转换条件为SB、SQ1、SQ2、 SQ3。液压滑台系统各液压元件动作情况如表 5-1 所示。根据上述功能表图的绘制方法，液压滑台系

45、统的功能表图如图5-26a 所示。表 5-1液压元件动作表元件工步YV1YV2YV3原位快进工进快退15图 5-26液压滑台系统的功能表图如果 PLC 已经确定，可直接用编程元件M300 M303 （ FX 系列）来代表这四步，设输入 /输出设备与PLC 的 I/O 点对应关系如表5-2 所示，则可直接画出如图5-26b 所示的功能表图接线图，图中M8002 为 FX 系列 PLC 的产生初始化脉冲的特殊辅助继电器。表 5-2输入 /输出设备与PLC I/O 对应关系PLCI/OX0X1X2X3Y0Y1Y2输入 /输出设备SBSQ1SQ2SQ3YV1YV2YV3三、顺序控制设计法中梯形图的编程

46、方式梯形图的编程方式是指根据功能表图设计出梯形图的方法。 为了适应各厂家的 PLC 在编程元件、指令功能和表示方法上的差异，下面主要介绍使用通用指令的编程方式、以转换为中心的编程方式、使用 STL 指令的编程方式和仿 STL 指令的编程方式。为了便于分析，我们假设刚开始执行用户程序时，系统已处于初始步（用初始化脉冲M8002 将初始步置位） ，代表其余各步的编程元件均为OFF，为转换的实现做好了准备。1使用通用指令的编程方式编程时用辅助继电器来代表步。某一步为活动步时，对应的辅助继电器为“1”状态，转换实现时，该转换的后续步变为活动步。由于转换条件大都是短信号，即它存在的时间比它激活的后续步为

47、活动步的时间短，因此应使用有记忆（保持）功能的电路来控制代表步的辅助继电器。 属于这类的电路有“起保停电路” 和具有相同功能的使用SET、RST 指令的电路。如图 5-27a 所示 M i-1 、 M i 和 M i+l 是功能表图中顺序相连的 3 步， X i 是步 M i 之前的转换条件。图 5-27 使用通用指令的编程方式示意图编程的关键是找出它的起动条件和停止条件。根据转换实现的基本规则，转换实现的条件是它的前级步为活动步，并且满足相应的转换条件，所以步M i 变为活动步的条件是 M i-1为活动步，并且转换条件X i 1，在梯形图中则应将 M i-1和 X i 的常开触点串联后作为控

48、制Mi 的起动电路，如图5-27b 所示。当 M i 和 X i+1 均为“ l”状态时，步M i+1 变为活动步，这时步 M i 应变为不活动步，因此可以将M i+1=1 作为使 Mi 变为“ 0”状态的条件，即将 M i+1 的常闭触点与 M i 的线圈串联。也可用SET、 RST 指令来代替“起保停电路” ，如图 5-27c 所示。16这种编程方式仅仅使用与触点和线圈有关的指令，任何一种 PLC 的指令系统都有这一类指令，所以称为使用通用指令的编程方式，可以适用于任意型号的PLC 。如图 5-28 所示是根据液压滑台系统的功能表图（见图5-26b ）使用通用指令编写的梯形图。开始运行时应

49、将M300 置为“ 1”状态，否则系统无法工作，故将M8002 的常开触点作为 M300 置为“ 1”条件。 M300 的前级步为 M303 ，后续步为 M301 。由于步是根据输出状态的变化来划分的，所以梯形图中输出部分的编程极为简单，可以分为两种情况来处理：1）某一输出继电器仅在某一步中为“1”状态，如Y1 和 Y2 就属于这种情况，可以将Y1 线圈与 M303 线圈并联， Y2 线圈与 M302 线圈并联。看起来用这些输出继电器来代表该步（如用 Y1 代替 M303 ），可以节省一些编程元件，但 PLC 的辅助继电器数量是充足、够用的，且多用编程元件并不增加硬件费用，所以一般情况下全部用

50、辅助继电器来代表各步，具有概念清楚、编程规范、梯形图易于阅读和容易查错的优点。2）某一输出继电器在几步中都为“1”状态，应将代表各有关步的辅助继电器的常开触点并联后，驱动该输出继电器的线圈。如Y0 在快进、工进步均为“1”状态，所以将M301和 M302 的常开触点并联后控制Y0 的线圈。 注意，为了避免出现双线圈现象，不能将Y0 线圈分别与M301 和 M302 的线圈并联。图 5-28使用通用指令编程的液压滑台系统梯形图。2以转换为中心的编程方式如图 5-29 所示为以转换为中心的编程方式设计的梯形图与功能表图的对应关系。图中要实现 X i 对应的转换必须同时满足两个条件：前级步为活动步

51、（M i-1=1）和转换条件满足 （ X i=1），所以用 M i-1 和 X i 的常开触点串联组成的电路来表示上述条件。两个条件同时满足时， 该电路接通时，此时应完成两个操作：将后续步变为活动步（用SET Mi 指令将 Mi 置位）和将前级步变为不活动步 (用 RST M i-1 指令将 M i-1 复位 )。这种编程方式与转换实现的基本规则之间有着严格的对应关系，用它编制复杂的功能表图的梯形图时，更能显示出它的优越性。图 5-29以转换为中心的编程方式如图 5-30 所示为某信号灯控制系统的时序图、功能表图和梯形图。初始步时仅红灯亮，按下起动按钮X0 ， 4s 后红灯灭、绿灯亮，6s 后

52、绿灯和黄灯亮，再过5s 后绿灯和黄灯灭、红灯亮。按时间的先后顺序，将一个工作循环划分为4 步，并用定时器T0 T3 来为 3 段时间17定时。开始执行用户程序时，用M8002 的常开触点将初始步M300 置位。按下起动按钮X0后，梯形图第2 行中 M300 和 X0 的常开触点均接通，转换条件X0 的后续步对应的M301 被置位，前级步对应的辅助继电器M300 被复位。 M301 变为“ 1”状态后，控制Y0（红灯）仍然为“ l”状态，定时器T0 的线圈通电，4s 后 T0 的常开触点接通，系统将由第2 步转换到第 3 步，依此类推。图 5-30某信号灯控制系统a）时序图b）功能表图c）以转换

53、为中心编程的梯形图使用这种编程方式时，不能将输出继电器的线圈与SET、RST 指令并联，这是因为图5-30中前级步和转换条件对应的串联电路接通的时间是相当短的，转换条件满足后前级步马上被复位，该串联电路被断开，而输出继电器线圈至少应该在某一步活动的全部时间内接通。3使用 STL 指令的编程方式许多 PLC 厂家都设计了专门用于编制顺序控制程序的指令和编程元件，如美国 GE 公司和 GOULD 公司的鼓形控制器、 日本东芝公司的步进顺序指令、 三菱公司的步进梯形指令等。步进梯形指令 （ Step Ladder Instruction ）简称为 STL 指令。 FX 系列就有 STL 指令及 RE

54、T复位指令。利用这两条指令，可以很方便地编制顺序控制梯形图程序。FX 2N 系列 PLC 的状态器 S0S9 用于初始步， S10S19 用于返回原点， S20 S499 为通用状态， S500 S899 有断电保持功能， S900 S999 用于报警。用它们编制顺序控制程序时，应与步进梯形指令一起使用。FX 系列还有许多用于步进顺控编程的特殊辅助继电器以及使状态初始化的功能指令IST ，使 STL 指令用于设计顺序控制程序更加方便。使用 STL 指令的状态器的常开触点称为STL 触点，它们在梯形图中的元件符号如图5-31所示。图中可以看出功能表图与梯形图之间的对应关系，STL 触点驱动的电路

55、块具有三个功能：对负载的驱动处理、指定转换条件和指定转换目标。图 5-31 STL 指令与功能表图除了后面要介绍的并行序列的合并对应的梯形图外，STL 触点是与左侧母线相连的常开触点，当某一步为活动步时，对应的STL 触点接通，该步的负载被驱动。当该步后面的转换条件满足时，转换实现，即后续步对应的状态器被SET 指令置位，后续步变为活动步，同时与前级步对应的状态器被系统程序自动复位，前级步对应的STL 触点断开。18使用 STL 指令时应该注意以下一些问题：1）与 STL 触点相连的触点应使用LD 或 LDI 指令，即LD 点移到 STL 触点的右侧，直到出现下一条STL 指令或出现RET 指令， RET 指令使 LD 点返回左侧母线。各个STL 触点驱动的电路一般放在一起，最后一个电路结束时定要使用RET 指令。2） STL 触点可以直接驱动或通过别的触点驱动Y 、 M 、 S、 T 等元件的线圈，STL 触点也可以使 Y 、 M 、S 等元件置位或复位。3） STL 触点断开时，CPU 不执行它驱动的电路块，即C