数字量控制系统梯形图设计方法

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1、1福州大学电气工程与自动化学院2022-3-4第第 4 章章数字量控制系统梯形图设计方法数字量控制系统梯形图设计方法2福州大学电气工程与自动化学院2022-3-4提 纲 经验设计法 顺序控制设计法与顺序功能图 基于顺序功能图的梯形图设计方法3福州大学电气工程与自动化学院2022-3-4v 继电器控制线路（上篇）转换法 先设计继电器控制线路 转换成梯形图语言v 起保停电路 按下起动按钮（I0.0）后放开自锁 按下停止按钮（I0.1）后放开停止5.1 经验设计法经验设计法图4-1a 起保停电路I0.0I0.1Q0.0Q0.04福州大学电气工程与自动化学院2022-3-44.1 经验设计法经验设计法

2、v 起保停电路-置位复位指令 可以用S指令和R指令来实现。图图4-1b 置位复位电路置位复位电路I0.0Q0.0I0.1Q0.1SR 起保停电路与置位复位电路是后面要重点介绍的顺序控制设计法的基本电路 在实际电路中，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。5福州大学电气工程与自动化学院2022-3-4图4-2 三相异步电动机的正反转控制电路右行左行停车4.1 经验设计法经验设计法6福州大学电气工程与自动化学院2022-3-4L1L2L3FU1FU2KM1KM2SB2SB3SB1KM1KM2UVWQS松开SB1KM2KM1FRKM1KM2FRM3SB3SB25.1 经验设计法经验

3、设计法7福州大学电气工程与自动化学院2022-3-4图图4-3 PLC的外部接线图的外部接线图v 将继电器电路转换为梯形图 确定PLC的输入信号和输出信号。 画PLC的外部接线图 启动/停止一般使用常开按钮 互锁使用常闭开关4.1 经验设计法经验设计法功能名功能名触点触点( (物理物理) )I/OI/O接口接口正转按钮正转按钮SB2I0.0反转按钮反转按钮SB3I0.1停止按钮停止按钮SB1I0.2热继电器热继电器FRI0.2正转线圈正转线圈KM1Q0.0反转线圈反转线圈KM2Q0.18福州大学电气工程与自动化学院2022-3-4I0.0I0.1I0.2Q0.1Q0.0Q0.0I0.1I0.0

4、I0.2Q0.0Q0.1Q0.1图4-4 梯形图v 将继电器电路转换为梯形图 控制线路图 梯形图 注意互锁环节4.1 经验设计法经验设计法9福州大学电气工程与自动化学院2022-3-4拓展案例1：按下右行起动按钮SB2或左行起动按钮SB3后，小车在两个限位开关之间不停地循环往返，按下停止按钮SB1后，电动机断电，小车停止运动。KM2Q0.1KM1Q0.0I0.3 SQ1I0.4 SQ24.1 经验设计法经验设计法10福州大学电气工程与自动化学院2022-3-4拓展案例1：4.1 经验设计法经验设计法I0.0I0.1 I0.4 I0.2Q0.0I0.3I0.1I0.0 I0.3I0.2Q0.1Q

5、0.0Q0.1Q0.0I0.4Q0.1图4-5 PLC的外部接线图图4-6 小车自动往返的梯形图KM2Q0.1KM1Q0.0I0.3 SQ1I0.4 SQ211福州大学电气工程与自动化学院2022-3-4拓展案例2：小车开始时停在左边，左限位开关SQ1的常开触点闭合。要求按下列顺序控制小车：（1）按下右行起动按钮，小车开始右行。（2）走到右限位开关处，小车停止运动，延时8s 后开始左行。（3）回到左限位开关处，小车停止运动。4.1 经验设计法经验设计法KM2Q0.1KM1Q0.0I0.3 SQ1I0.4 SQ212福州大学电气工程与自动化学院2022-3-4I0.0I0.1I0.4I0.2Q0

6、.0I0.3I0.1I0.0I0.3I0.2Q0.1Q0.0Q0.1Q0.0M2.0Q0.1I0.4DB1TONTimeIN QPT ETT#8SM2.0图4-7 梯形图4.1 经验设计法经验设计法13福州大学电气工程与自动化学院2022-3-44.1 经验设计法经验设计法总结总结v 将继电器电路转换为梯形图 确定PLC的输入/和输出信号。 画PLC的外部接线图 启动/停止一般使用常开按钮 互锁使用常闭开关 控制线路图 梯形图 注意互锁环节I0.0I0.1I0.2Q0.1Q0.0Q0.0I0.1I0.0I0.2Q0.0Q0.1Q0.1功能名功能名触点触点( (物理物理) )I/OI/O接口接口

7、正转按钮正转按钮SB2I0.0反转按钮反转按钮SB3I0.1停止按钮停止按钮SB1I0.2热继电器热继电器FRI0.2正转线圈正转线圈KM1Q0.0反转线圈反转线圈KM2Q0.114福州大学电气工程与自动化学院2022-3-4提 纲 经验设计法 顺序控制设计法与顺序功能图 基于顺序功能图的梯形图设计方法15福州大学电气工程与自动化学院2022-3-44.2 顺序控制设计法与顺序功能图顺序控制设计法与顺序功能图动力头控制的动力头控制的顺序功能图顺序功能图 16福州大学电气工程与自动化学院2022-3-4顺序控制设计法v 首先根据系统的工艺过程，画出顺序功能图v 然后根据顺序功能图编写梯形图程序。

8、 部分PLC提供了顺序功能图编程语言，用户在编程软件中生成顺序功能图后便完成了编程工作，如西门子S7-300/400 PLC中的S7 Graph编程语言。 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。 4.2 顺序控制设计法与顺序功能图顺序控制设计法与顺序功能图17福州大学电气工程与自动化学院2022-3-44.2 S7-1200的编程语言的编程语言国际标准国际标准IEC 61131是PLC的国际标准，其中第三部分IEC 61131-3是PLC的编程语言标准。 IEC 61131-3是世界上第一个，也是至今唯一的工业控制系统的编程语言标准。IEC

9、61131-3的5种编程语言： 指令表(Instruction List) 结构文本(Structured Text, ST) 梯形图(Ladder Diagram, LD) 功能块图(Function Block Diagram, FBD) 顺序功能图(Sequential Function Chart, SFC)IEC-国际电工委员会，International Electrotechnical Commission18福州大学电气工程与自动化学院2022-3-4I0.3I0.1I0.2组合机床动力头运动示意图组合机床动力头运动示意图4.2 顺序控制设计法与顺序功能图顺序控制设计法与顺序功

10、能图19福州大学电气工程与自动化学院2022-3-4v 步步-Step 将系统的一个工作周期划分为若干个顺序相连的阶段，每个将系统的一个工作周期划分为若干个顺序相连的阶段，每个阶段称为步。阶段称为步。 以以输出的变化输出的变化来划分阶段来划分阶段(步步)4.2 顺序控制设计法与顺序功能图顺序控制设计法与顺序功能图20福州大学电气工程与自动化学院2022-3-44.2 顺序控制设计法与顺序功能图顺序控制设计法与顺序功能图初始步步与步对应的动作/命令转换条件有向连线21福州大学电气工程与自动化学院2022-3-4 v 活动步当系统正处于某一步所在的阶段时，称该步处于活动状态，即该步为“活动步”通常

11、通过编程元件的位状态(M)来表征步的状态。步处于活动状态时，执行相应的动作。v 与步对应的动作或命令系统每一步中输出的状态或者执行的操作标注为步对应的动作或命令，用矩形框中的文字或符号表示M0.0动作动作A动作动作BM0.0动作动作A动作动作B4.2 顺序控制设计法与顺序功能图顺序控制设计法与顺序功能图22福州大学电气工程与自动化学院2022-3-4v 有向连线 有向连线表明步的转换过程，即系统输出状态的变化过程 有向连线的方向若是从上到下或从左至右，则有向连线上的箭头可以省略； 否则应在有向连线上用箭头注明步的进展方向v 转换条件 系统由当前步进入下一步的信号 外部输入信号，如按钮，开关的变

12、化 PLC内部的信号，如定时器、计数器等 多个信号的逻辑组合 (P79，图4-11)4.2 顺序控制设计法与顺序功能图顺序控制设计法与顺序功能图23福州大学电气工程与自动化学院2022-3-4顺序功能图的基本结构顺序功能图的基本结构 单序列单序列 选择序列选择序列 并列序列并列序列 4.2 顺序控制设计法与顺序功能图顺序控制设计法与顺序功能图24福州大学电气工程与自动化学院2022-3-4绘制顺序功能图的基本规则绘制顺序功能图的基本规则 1转换实现的条件转换实现的条件 在顺序功能图中，步的活动状态的进展是由转在顺序功能图中，步的活动状态的进展是由转换的实现来完成的。转换实现必须同时满足两个条换

13、的实现来完成的。转换实现必须同时满足两个条件：件： (1) 该转换所有的前级步都是活动步；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。相应的转换条件得到满足。 4.2 顺序控制设计法与顺序功能图顺序控制设计法与顺序功能图25福州大学电气工程与自动化学院2022-3-42转换实现应完成的操作转换实现应完成的操作转换实现时应完成以下两个操作：转换实现时应完成以下两个操作：（1）使所有由有向连线与相应转换符号相连的后）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；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）使所有由有向连线与相应转换符号相连的前级步都

14、变为不活动步。级步都变为不活动步。 4.2 顺序控制设计法与顺序功能图顺序控制设计法与顺序功能图绘制顺序功能图的基本规则绘制顺序功能图的基本规则 26福州大学电气工程与自动化学院2022-3-4绘制顺序功能图的注意事项绘制顺序功能图的注意事项 （1）顺序功能图中两个步绝对不能直接相连，必须用一个）顺序功能图中两个步绝对不能直接相连，必须用一个转换将它们隔开；转换将它们隔开；（2）顺序功能图中的初始步一般对应于系统等待启动的初）顺序功能图中的初始步一般对应于系统等待启动的初始状态，不要遗漏这一步；始状态，不要遗漏这一步；（3）实际控制系统应能多次重复执行同一工艺过程，因此）实际控制系统应能多次重

15、复执行同一工艺过程，因此在顺序功能图中一般应有由步和有向连线组成的在顺序功能图中一般应有由步和有向连线组成的闭环回路闭环回路，即在完成一次工艺过程的全部操作之后，应该根据工艺要求即在完成一次工艺过程的全部操作之后，应该根据工艺要求返回到初始步或下一工作周期开始运行的第一步；返回到初始步或下一工作周期开始运行的第一步；（4）在顺序功能图中，只有当某一步的前级步是活动步时，）在顺序功能图中，只有当某一步的前级步是活动步时，该步才有可能变成活动步。该步才有可能变成活动步。 4.2 顺序控制设计法与顺序功能图顺序控制设计法与顺序功能图27福州大学电气工程与自动化学院2022-3-4提 纲 经验设计法

16、顺序控制设计法与顺序功能图 基于顺序功能图的梯形图设计方法28福州大学电气工程与自动化学院2022-3-4 I0.0 启动，快速移动 I0.1 触发后，进入工速 I0.2 触发后，停止并退回起点 (I0.3)4.3 基于顺序功能图的梯形图设计方法I0.3I0.1I0.2组合机床动力头运动示意图 起保停电路 置位复位指令29福州大学电气工程与自动化学院2022-3-44.3 基于顺序功能图的梯形图设计方法起保停编程转换示例 M0.1 (步序标志位) 进入M0.1的转换条件 保持M0.1为活动步 M0.2激活时，M0.1不活动30福州大学电气工程与自动化学院2022-3-44.3 基于顺序功能图的

17、梯形图设计方法起保停编程转换示例31福州大学电气工程与自动化学院2022-3-44.3 基于顺序功能图的梯形图设计方法起保停起始步编程转换示例初始化标志位32福州大学电气工程与自动化学院2022-3-44.3 基于顺序功能图的梯形图设计方法起保停编程转换示例动作(输出) 由步序标志位(保存步的状态)统一控制输出33福州大学电气工程与自动化学院2022-3-4转换条件控制步序标志部分步序标志实现输出部分优点 程序结构清晰 便于调试和维护4.3 基于顺序功能图的梯形图设计方法起保停34福州大学电气工程与自动化学院2022-3-4 I0.0 启动，快速移动 I0.1 触发后，进入工速 I0.2 触发

18、后，停止并退回起点 (I0.3)4.3 基于顺序功能图的梯形图设计方法I0.3I0.1I0.2组合机床动力头运动示意图 起保停电路 置位复位指令35福州大学电气工程与自动化学院2022-3-44.3 基于顺序功能图的梯形图设计方法置位/复位编程转换示例 M0.1 (步序标志位) 进入M0.1的转换条件 置位指令保持M0.1为活动步 将M0.0复位(不活动)时间顺序更直观36福州大学电气工程与自动化学院2022-3-44.3 基于顺序功能图的梯形图设计方法置位/复位起始步编程转换示例步序标志位清037福州大学电气工程与自动化学院2022-3-44.3 基于顺序功能图的梯形图设计方法置位/复位编程

19、转换示例动作(输出) 由步序标志位(保存步的状态)统一控制输出与采用起保停电路相同38福州大学电气工程与自动化学院2022-3-44.3 基于顺序功能图的梯形图设计方法置位/复位39福州大学电气工程与自动化学院2022-3-4谢 谢！40福州大学电气工程与自动化学院2022-3-441福州大学电气工程与自动化学院2022-3-4拓展示例42福州大学电气工程与自动化学院2022-3-4拓展示例43福州大学电气工程与自动化学院2022-3-444福州大学电气工程与自动化学院2022-3-445福州大学电气工程与自动化学院2022-3-446福州大学电气工程与自动化学院2022-3-447福州大学电

20、气工程与自动化学院2022-3-448福州大学电气工程与自动化学院2022-3-4 在控制右行的Q0.0的线圈回路中串联了I0.4的常闭触点，小车走到右限位开关SQ2处时，I0.4的常闭触点断开，使Q0.0的线圈断电，小车停止右行。同时I0.4的常开触点闭合，定时器TON的IN输入为1状态，开始定时。8s后定时时间到，用定时器的Q输出端控制的M2.0的常开触点闭合，使Q0.1的线圈通电并自保持，小车开始左行。离开限位开关SQ2后，I0.4的常开触点断开，定时器因为其IN输入变为0状态而被复位。小车运行到左边的起始点时，左限位开关SQ1的常开触点闭合，I0.3的常闭触点断开，使Q0.1的线圈断电

21、，小车停止运动。 49福州大学电气工程与自动化学院2022-3-4 画出PLC的外部接线图后，可以将继电器电路图“翻译”为梯形图。 图4-4中的梯形图将控制Q0.0和Q0.1的两个起保停电路分离开来，虽然多用了两个常闭触点，但是避免了使用与局域数据位有关的指令。此外，将各线圈的控制电路分离开后，电路的逻辑关系也比较清晰。随然多用了一个I0.2的常闭触点，但是并不会增加硬件成本。 图4-4中使用了Q0.0和Q0.1的常闭触点组成的软件互锁电路，它们只能保证输出模块中与Q0.0和Q0.1对应的硬件继电器的常开触点不会同时接通。如果从正转马上切换到反转，由于切换过程中电感的延时作用，可能会出现原来接

22、通的接触器的主触点还未断50福州大学电气工程与自动化学院2022-3-4弧，另一个接触器的主触点已经合上的现象，从而造成交流电源瞬间短路的故障。 此外，如果没有硬件互锁电路，且因为主电路电流过大或接触器质量不好，某一接触器的主触点被断电时产生的电弧熔焊而被粘结，其线圈断电后主触点仍然是接通的，这时如果另一个接触器的线圈通电，仍将造成三相电源短路事故。为了防止出现这种情况，应在PLC外部设置由KM1和KM2的辅助常闭触点组成的硬件互锁电路(见图4-3)。这种互锁与图4-2中的继电器电路的互锁原理相同，假设KM1的主触点被电弧熔焊，这时它与KM2线圈串联的辅助常闭触点处于断开状态，因此KM2的线圈

23、不可能得电。51福州大学电气工程与自动化学院2022-3-4 这种方法没有普遍的规律可以遵循，具有很大的试探性和随意性，最后的结果不是惟一的，设计所用的时间、设计的质量与设计者的经验有很大的关系，所以有人把这种设计方法叫做经验设计法，它一般用于较简单的梯形图(如手动程序) 的设计。一些电工手册中给出了大量常用的继电器控制电路，在用经验法设计梯形图时可以参考这些电路。 52福州大学电气工程与自动化学院2022-3-4 为使小车的运动在极限位置自动停止，将右限位开关I0.4的常闭触点与控制右行的Q0.0的线圈串联，将左限位开关I0.3的常闭触点与控制左行的Q0.1的线圈串联。为使小车自动改变运动方向，将左限位开关I0.3的常开触点与手动起动右行的 I0.0 的常开触点并联，将右限位开关I0.4的常开触点与手动起动左行的I0.1的常开触点并联。 假设按下左行起动按钮I0.1，Q0.1变为ON，小车开始左行，碰到左限位开关时，I0.3的常闭触点断开，使Q0.1的线圈“断电”，小车停止左行。I0.3的常开触点接通，使Q0.0的线圈“通电”，开始右行。以后将这样不断地往返运动下去，直到按下停车按钮I0.2。 这种控制方法适用于小容量的异步电动机，且往返不能太频繁，否则电动机将会过热。53福州大学电气工程与自动化学院2022-3-4部分资料从网络收集整理而来，供大家参考，感谢您的关注！