PLC扫盲材料5.docx

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PLC扫盲材料5

第五章Fx2N系列可编程控制器步进指令及状态编程法

内容提要：

状态法提供了将复杂的顺控过程分解为小的“状态”分别编程，再组合成整体程序的编程思想。

可使编程工作程式化，规范化。

是PLC程序编制的重要方法。

状态转移图是状态编程的工具，图中包含了程序所需用的全部状态及状态间的关联。

针对具体状态来说，状态转移图给出该状态的任务及状态转移的条件及方向。

采用状态法编程时一般先绘出状态转移图，再由状态转移图转绘为梯形图或编写指令表。

本章在介绍状态编程思想、状态元件、状态指令的基础上，结合实例说明了状态编程方法的应用。

第一节状态编程思想及状态元件

一、状态编程思想导引

在介绍状态编程思想之前，先回顾一下第四章已经讨论过的例子：

小车自动往返系统。

为该项目设计的梯形图见图4—16。

该图的设计暴露了使用经验法及基本指令编制的程序存在的以下一些问题。

①工艺动作表达繁琐。

②梯形图涉及的联锁关系较复杂，处理起来较麻烦。

③梯形图可读性差，很难从梯形图看出具体控制工艺过程。

为此，人们一直寻求一种易于构思，易于理解的图形程序设计工具。

它应有流程图的直观，又有利于复杂控制逻辑关系的分解与综合。

这种图就是状态转移图。

为了说明状态转移图，现将小车的各个工作步骤用工序表示，并依工作顺序将工序连接成图5-1，这就是状态转移图的雏形。

从图5—1看到，该图有以下特点。

①复杂的控制任务或工作过程分解成了若干个工序。

②各工序的任务明确而具体。

③各工序间的联系清楚，工序间的转换条件直观。

④这种图很容易理解，可读性很强，能清晰地反映整个控制过程，能带给编程人员清晰的编程思路。

其实，将上图中的“工序”更换为“状态”，就得到了小车往返运行控制的状态转移图如图5一2所示。

状态转移图是状态编程的重要工具，图中以“S口口”标志的方框表示“状态”．方框间的连线表示状态间的联系，方框间连线上的短横线表示状态转移的条件，方框上横向引出的类似于梯形图支路的符号组合表示该状态的任务。

而“s口口”是状态器——FX2N系列PLC为状态编程特地安排的专用软元件的编号（也是存储单元的地址）。

状态编程的一般思想为：

将一个复杂的控制过程分解为若干个工作状态，明确各状态的任务、状态转移条件和转移方向，再依据总的控制顺序要求，将这些状态组合形成状态转移图，最后依一定的规则将状态转移图转绘为梯形图程序。

二、状态元件

FX2N系列PLC状态元件的分类及编号见表5—1。

此外，FX2N系列PLC还为状态编程安排了两条专用的步进指令如表5—2所示。

注：

l．状态的编号必须在指定范围内选择。

2．各状态元件的触点，在PLC内部可自由使用，次数不限。

3．在不用步进顺控指令时，状态元件可作为辅助继电器在程序中使用。

4．通过参数设置，可改变一般状态元件和掉电保持状态元件的地址分配。

第二节Fx2N系列PLC步进顺控指令应用规则

从表5-2可知，FX2N系列PLC有两条步进指令：

步进接点指令STL和步进返回指令RET。

在了解了状态转移图后，采用步进顺控指令编程的重点是弄清状态转移图与状态梯形图间的对应关系，并掌握步进指令编程的规则。

一、步进顺控指令的意义

图5-3为状态转移图片断与状态法梯形图对照。

从图中不难看出，转移图中的一个状态在梯形图中用一条步进接点指令表示。

STL指令的意义为“激活”某个状态，在梯形图上体现为主母线上引出的常开状态触点（用空心粗线绘出以与普通常开触点区别）。

该触点有类似于主控触点的功能，该触点后的所有操作均受这个常开触点的控制。

“激活”的第二层意思是采用STL指令编程的梯形图区间，只有被激活的程序段才被扫描执行，而且在状态转移图的一个单流程中，一次只有一个状态被激活，被激活的状态有自动关闭激活它的前个状态的能力。

这样就形成了状态间的隔离，使编程者在考虑某个状态的工作任务时，不必考虑状态间的联锁。

而且当某个状态被关闭时，该状态中以OUT指令驱动的输出全部停止，这也使在状态编程区域的不同的状态中使用同一个线圈输出成为可能（并不是所有的PLC厂商的产品都是这样）。

二、状态程序图的三要素

使用STL指令编绘的状态梯形图和状态转移图一样每个状态的程序表述十分规范。

分析图5-3中一个状态程序段不难看出每个状态程序段都由以下三要素构成。

（1）负载驱动即本状态作什么。

如图中OUTY005，输入X001接通后的0UTY004及Ml00接通后的SETY010。

表达本状态的工作任务（输出）时可以使用OUT指令也可以使用SET指令。

它们的区别是OUT指令驱动的输出在本状态关闭后自动关闭，使用SET指令驱动的输出可保持到其他状态执行，直到在程序的别的地方使用RST指令使其复位。

（2）转移条件满足什么条件实行状态转移。

如图中X003接点接通时，执行SETS21指令，实现状态转移。

这里有个要说明的问题是转移如发生流程的跳跃及回转等情况时，转移应使用0UT指令。

图5—4（a，b，c）给出了几种使用OUT指令实现状态转移的情况。

（3）转移方向转移到什么状态去。

如图5-3中SETS21指令指明下一个状态为S21。

三、使用状态STL指令编绘梯形图时的注意事项

（1）关于顺序状态三要素的表达要按先任务再转移的方式编程，顺序不得颠倒。

（2）关于母线STL步进接点指令有建立子（新）母线的功能，其后进行的输出及状态转移操作都在子母线上进行。

这些操作可以有较复杂的条件。

可在步进接点后使用的指令如表5-3所示。

表中的栈操作指令MPS／MRD／MPP在状态内不能直接与步进接点指令后的新母线连接，应接在LD或LDl指令之后，如图5-5所示。

在STL指令内允许使用跳转指令，但其操作复杂，厂家建议最好不要使用。

（3）关于元器件的使用允许同一元件的线圈在不同的STL接点后多次使用。

但要注意，同一定时器不要用在相邻的状态中。

在同一程序段中，同一状态继电器也只能使用一次。

（4）其他在为程序安排状态继电器元件时，要注意状态器的分类功用，初始状态要从S0～S9中选择，S10S19是为需设置动作原位的控制安排的，在不需设置原位的控制中不要使用。

在一个较长的程序中可能有状态程序段及非状态编程程序段。

程序进入状态编程区间可以使用M8002作为进入初始状态的信号。

在状态编程段转入非状态程序段时必须使用RET指令。

该指令的含义是从STL指令建立的新（子）母线返回到梯形图的原（主）母线上去。

对应图5-2的状态梯形图如图5-6所示，图中同时给出了语句表程序，梯形图与语名表的对应关系，请读者自行分析。

第三节Fx2N系列可编程控制器分支、汇合状态转移图的程序编制

上一节小车的状态流程图的结构是最简单的，只有一个流动路径。

这种流程图称为单流程流程图。

针对复杂控制任务的流程图可能存在多种需依一定条件选择的路径，或者存在几个需同时进行的并行过程。

为了应对这类程序的编制，FX2N系列PLC编程手册将多分支汇合流程图规范为选择性分支汇合及并行性分支汇合二种典型形式，并提出了它们的编程表达原则。

一、选择性分支、汇合及其编程

1．选择性分支状态转移图的特点

从多个分支流程中根据条件选择某一分支执行，其他分支的转移条件不能同时满足，即每次只满足一个分支转移条件，称为选择性分支。

图5—7就是一个选择性分支的状态转移图。

从图中可以看出以下几点。

①该状态转移图有三个分支流程顺序。

②S20为分支状态。

根据不同的条件（X000、X010、X020），选择执行其中的一个分支流程。

当X000为ON时执行第一分支流程；X010为ON时执行第二分支流程；X020为ON时执行第三分支流程。

X000，X010，X020不能同时为ON。

③S50为汇合状态，可由S22、S32、S42任一状态驱动。

2．选择性分支、汇合的编程

编程原则是先集中处理分支状态，然后再集中处理汇合状态。

（1）分支状态的编程针对分支状态S20编程时，先进行驱动处理（OUT

Y000），然后按S21、S31、S41的顺序进行转移处理。

图5—7的分支状态S20如图5—8（a）所示，图5—8（b）是分支状态的编程。

（2）汇合状态的编程汇合状态编程前先依次对S21、S22、S31、S32、S41、S42状态进行汇合前的输出处理编程，然后按顺序从S22（第一分支）、S32（第二分支）、S42（第三分支）向汇合状态S50转移编程。

图5-7的汇合状态如图5-9（a）所示，图5-9（b）是各分支汇合前的输出处理和向汇合状态S50转移的编程。

（3）选择性分支状态转移图对应的状态梯形图根据图5—7的选择性分支状态转移图和对应的指令表程序，可以绘出它的状态梯形图如图5—10所示。

3．选择性分支状态转移图及编程实例

图5-11为使用传送带将大、小球分类选择传送装置的示意图。

左上为原点，机械臂的动作顺序为下降、吸住、上升、右行、下降、释放、上升、左行。

机械臂下降时，当电磁铁压着大球时，下限位开关LS2（X002）断开；

压着小球时，LS2接通，以此可判断吸住的是大球还是小球。

左、右移分别由Y004、Y003控制；上升、下降分别由Y002、Y000控制，吸球电磁铁由Y001控制。

根据工艺要求，该控制流程根据吸住的是大球还是小球有两个分支，且属于选择性分支。

分支在机械臂下降之后根据下限开关LS2的通断，分别将球吸住、上升、右行到LS4（小球位置X004动作）或LS5（大球位置X005动作）处下降，然后再释放、上升、左移到原点。

其状态转移图如图5-12所示。

在图5—12中有两个分支，若吸住的是小球，则X002为ON，执行左侧流程；若为大球，X002为OFF，执行右侧流程。

根据图5—12，可编制出大、小球分类传送的程序如下。

二、并行分支与汇合的编程

1．并行分支状态转移图及其特点

当满足某个条件后使多个分支流程同时执行的分支称为并行分支，如图5—13所示。

图中当X000接通时，状态转移使S21、S31和S41同时置位，三个分支同时运行，只有在S22、S32和S42三个状态都运行结束后，若X002

接通，才能使S30置位，并使S22、S32和S42同时复位。

从图5—13可以看出：

①S20为分支状态。

S20动作，若并行处理条件X000接通，则S21、S31和S41同时动作，三个分支同时开始运行。

②S30为汇合状态。

三个分支流程运行全部结束后，汇合条件X002为ON，则S30动作，S22、S32和S42同时复位。

这种汇合，有时又叫做排队汇合（即先执行完的流程保持动作，直到全部流程执行完成，汇合才结束）。

2．并行分支状态转移图的编程

编程原则是先集中进行并行分支处理，再集中进行汇合处理。

（1）并行分支的编程编程方法是先对分支状态进行驱动处理，然后按分支顺序进行状态转移处理。

图5一14（a）为分支状态S20图，图5—14（b）是并行分支状态S20的编程。

（2）并行汇合处理编程编程方法是先进行汇合前状态的驱动处理，然后按顺序进行汇合状态的转移处理。

按照并行汇合的编程方法，应先进行汇合前的输出处理，即按分支顺序对S21和S22、。

S31和S32、S41和S42进行输出处理，然后依次进行从S22、S32、S42到S30的转移。

图5一15（a）为S30的并行汇合状态，图5—15（b）是各分支汇合前的输出处理和向汇合状态S30转移的编程。

（3）并行分支状态转移图对应的状态梯形图根据图5—13及图5—14、图5—15及其指令表程序，可以绘出状态梯形图如图5—16所示。

（4）并行分支、汇合编程应注意的问题

①并行分支的汇合最多能实现8个分支的汇合，如图5—17所示。

②并行分支与汇合流程中，并联分支后面不能使用选择转移条件※，在转移条件*后不允许并行汇合，如图5—18（a）所示，应改成图5—18（b）后，方可编程。

3．并行分支、汇合编程实例

图5-19为按钮式人行横道交通灯控制示意图。

通常车道信号由状态s0控制绿灯（Y003）亮，人行横道信号由状态S30控制红灯（Y005）亮。

人过横道，应按路两边的人行横道按钮X000或XOOl，延时30s后由状态S22控制车道黄灯（Y002）亮，再延时lOs，由状态S23控制车道红灯（Y001）亮。

此后延时5s启动状态S31使人行横道绿灯（Y006）点亮。

15S后，人行横道绿灯由状态S32和S33交替控制0.5S闪烁,闪烁5次后人行横道红灯亮。

5s后返回初始状态。

人行横道交通灯控制的状态转移图及程序如图5-20所示。

在图中S33处有一个选择性分支，人行道绿灯闪烁不到五次，选择局部重复动作；闪烁五次后使车道红灯亮.

三、分支、汇合的组合流程及虚设状态I

运用状态编程思想解决工程问题，当状态转移图设计出后，发现有些状态转移图不单单是某一种分支、汇合流程，而是若干个或若干类分支、汇合流程的组合。

如按钮式人行横道的状态转移图，并行分支、汇合中，存在选择性分支，只要严格按照分支、汇合的原则和方法，就能对其编程。

但有些分支、汇合的组合流程不能直接编程，需要转换后才能进行编程，如图5—21，应将左图转换为可直接编程的右图形式.

另外，还有一些分支、汇合组合的状态转图如图5—22所示，它们连续地直接从汇合线转移到下一个分支线，而没有中间状态。

这样的流程组合既不能直接编程，又不能采用上述办法先转换后编程。

这时需在汇合线到分支线之间插入一个状态，以使状态转移图与前边提到的标准图形结构相同。

但在实际工艺中这个状态并不存在，所以只能虚设，这种状态称为虚设状态。

加入虚设状态之后的状态转换图就可以进行编程了。

FX2N系列PLC中一条并行分支或选择性分支的电路数限定为8条以下；有多条并行分支与选择性分支时，每个初始状态的电路总数应小于等于16条如图5—23所示。

四、跳转与循环结构

跳转与循环是选择性分支的一种特殊形式。

若满足某一转移条件，程序跳过几个状态往下继续执行，这是正向跳转；或程序返回上面某个状态再开始往下继续执行，这是逆向跳转，也称作循环。

任何复杂的控制过程均可以由以上四种结构组合而成。

图5-24所示就是跳转与循环结构的状态转移图和状态梯形图。

图5—24中，S23工作时，X003和Xl00均接通，则进入逆向跳转，返回到S21重新开始执行（循环工作）；若Xl00断开，则XlO0常闭触点闭合，程序则顺序往下执行S24。

当X004和Xl01均接通时，程序由S24直接转移到S27状态，跳过S25和S26，执行状态S27，为正向跳转。

当X007和Xl02均接通时，程序将返回到S21状态，开始新的工作循环；若Xl02断开，X102常闭触点闭合时，程序返回到预备工作状态S0，等待新的启动命令。

跳转与循环的条件，可以由现场的行程（位置）开关获取，也可以用计数方法确定循环次数，在时间控制中也可以用定时器来确定。

第四节状态编程思想在非状态元件编程中的应用

以上介绍了如何运用状态元件实现状态编程，但这并不是说只有用状态元件才能实现状态编程。

作为解决顺序控制问题的一种思想，非状态元件同样可以实现状态编程。

下面就介绍这些方法。

一、用辅助继电器实现状态编程

仍以小车自动往返控制为例。

采用状态器编程的小车自动往返状态转移图和状态梯形图曾绘于图5—2及图5-6，从两图的对照中可以看到，状态转移图的每一个状态在状态梯形中均对应一个程序单元块，每个单元块都包含了负载驱动、转移条件及转移方向等状态三要素。

状态元件在状态梯形图中有两个作用，一是提供STL接点形成针对某个状态的专门处理区域，二是一旦某状态被“激活”就会自动将其前一个状态复位。

通过以上分析，如果解决了状态复位及专门处理区的问题，也就实现了状态编程。

而这两个问题可以借助于辅助继电器M及复、置位指令实现。

比如在小车程序中，用Ml00、M101、Ml02、Ml03、Ml04及Ml05分别代替S0、S20、S21、S22、S23、S24，采用复、置位指令实现的小车自动往返的步进程序如图5—25所示。

由于基本指令梯形图中不允许出现双重输出，所以引入Ml1l、Mll2、Mll3、Mll4，其中M111、Mll2与Y010为前进，M113、Mll4与Y011为后退。

从图5-25来看．它同样体现了状态编程的思想，每一工序同样具有三要素：

负载驱动、转移条件和转移方向。

只是原来由PLC自动完成的状态复位及双重输出等问题，此时需用户自己通过编程完成。

辅助继电器实现的状态编程方法，同基本指令梯形图的编程完全相同。

注意：

在设计每个工序的梯形图时，应将前工序辅助继电器的复位操作放在本工序负载驱动的前面，防止编程时出现逻辑错误，导致控制混乱。

二、用移位寄存器实现状态编程

许多可编程控制器具有移位寄存器及专用的移位寄存器指令。

移位寄存器可以由许多位辅助继电器顺序排列组成。

移位寄存器各位的数据可在移位脉冲的作用下依一定的方向移动。

比如在移位寄存器的第一位中存一个“1”，当移位信号到来时，这个“l”就移到了第二位。

下次就移到第三位。

这样，就又找到了一个替代状态器的方法。

由此可以将移位寄存器的这些位看作代表一个个状态。

当有“1”移入时，可认为是该状态被激活，而使移位寄存器移位的脉冲则可看作状态转移的条件。

FX2N系列可编程控制器设有移位指令（功能指令）。

使用这些指令用于辅助继电器可方便地实现状态编程思想。

这方面的例子可见本书第七章相关部分。