数字量控制系统梯形图程序设计方法.docx
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数字量控制系统梯形图程序设计方法
第四章数字量控制系统梯形图程序设计方法
教学目的
Ø了解梯形图程序的经验设计法及其局限性
Ø了解根据继电器电路图设计梯形图程序的基本方法
Ø熟悉梯形图程序的顺序控制系统程序设计方法
Ø掌握顺序控制设计法中顺序功能图的绘制
4.1PLC的经验设计法
数字量控制系统又称为开关量控制系统，继电器控制系统就是典型的数字量控制系统。
这种控制系统的电路设计采用传统的经验设计法。
经验设计法：
在一些典型电路的基础上，根据被控对象对控制系统的具体要求，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，增加一些中间编程元件和触点，最后才能得到一个满意的结果。
Ø本质：
实际上是试图用输入信号X直接控制输出信号Y，如果无法控制或为了解决记忆、联锁、互锁等功能，只好被动地增加一些辅助元件和辅助触点，由于各系统输出量Y与输入量X之间的关系和对联锁、互锁的要求千变万化，不可能找出一种简单通用的设计方法。
Ø特点：
设计方法没有普遍规律可以遵循，具有很大的试探性和随意性，最后的结果不是唯一的，设计所用的时间、设计质量与设计者的经验有很大关系，设计出的程序可读性差，可维护性差。
Ø适用场合：
可用于较简单的梯形图程序和随机控制系统程序设计。
4.1.1有记忆功能的电路（起保停电路）
4.1.2定时器应用电路
【例：
4－1】定时器延时接通/延时断开电路
【例4－2】用计数器设计长延时电路SM0.41min时钟脉冲
LDSM0.4
LDI0.1
CTUC2,30000
LDC2
=Q0.0
【例4－3】用计数器扩展定时器的定时范围3000S=50min定时
LDI0.2
ANT37
TONT37,30000
LDT37
LDNI0.2
CTUC4,12000
LDC4
=Q0.0
【例4－4】用定时器设计闪烁电路
LDI0.0
ANT38
TONT37,20
LDT37
TONT38,30
=Q0.0
4.2根据继电器电路设计梯形图的方法
继电器控制系统改为PLC自动控制概述
PLC中的梯形图语言与继电器控制电路图极为相似，可以根据继电器电路图来设计梯形图程序，从而用PLC改造继电器控制系统。
由于原有的继电器控制系统经过长期的使用和考验，已经证明能完成系统要求的控制功能，而继电器电路图又与梯形图有很多相似之处，因此可以将继电器电路“翻译”成梯形图，即用PLC的外部硬件接线图和梯形图程序来实现继电器系统的功能。
且这种设计方法一般不需要改动控制面板，保持了系统原有的外部特性，操作人员不用改变长期形成的操作习惯。
4.2.1系统改造的基本方法
将PLC看成是继电器控制系统中的控制柜，原继电器控制系统中控制柜的输入、输出信号即看成是PLC的I/O信号，柜内的中间继电器、时间继电器、计数器等物理元器件即看成是PLC内部的编程元件。
在此基础上即可对继电器控制电路进行梯形图程序的改造。
将继电器电路转换成功能相同的PLC外部接线图和梯形图的步骤为：
1）了解和熟悉被控设备的工艺过程和机械动作情况，根据继电器电路图分析和掌握控制系统的工作原理，做到在设计和调试控制系统时心中有数。
2）确定PLC的输入信号和输出负载，以及与它对应的梯形图中的I/O地址，画出PLC的外部接线图。
3）确定与继电器电路图的中间继电器、时间继电器对应的梯形图中的位存储器（M）和定时器（T）地址，建立继电器电路中的物理元件与梯形图中编程元件的地址间的对应关系。
4）根据上述对应关系画出梯形图，同时对图中不符合梯形图语法规则的程序结构作局部修改和调试。
4.2.2系统改造中的注意事项
梯形图和继电器电路图表面相似，实际上有本质区别。
继电器电路是硬件电路，而梯形图是软件程序。
改造中应注意如下问题：
1.应遵守梯形图语言中的语法规定。
2.设置中间单元：
若多个线圈都受某组串并联触点的控制，为了简化电路，在梯形图中可以设置用该电路控制的位存储器（类似继电器电路的中间继电器）。
3.尽量减少PLC的输入信号和输出信号，减少PLC的I/O点数，降低费用。
4.设立外部联锁电路，增强系统的安全性和可靠性。
5.对梯形图进行优化设计，在串联电路中将单个触点放在右边，在并联电路中将单个触点放在下边，以避免电路的块连接操作，从而减少程序指令条数。
6.关注外部负载的额定工作电压要求，选用PLC输出模块的输出类型需与之匹配。
4.3顺序控制设计法与顺序功能图
4.3.1顺序控制设计法
用经验设计法设计梯形图程序存在的问题：
经验设计法没有一套固定的方法和步骤可以遵循，具有很大的试探性和随意性，对于不同的控制系统，没有一种通用的容易掌握的设计方法。
在设计复杂系统的梯形图时，用大量的中间元件来完成记忆、联锁和互锁等功能，由于需要考虑的因素较多，它们往往又交织在引起，分析起来十分困难，并且容易遗漏一些应该考虑的问题。
修改某一局部电路时，很可能会“牵一发而动全身”，对系统的其它部分产生意想不到的影响，因此梯形图的修改十分麻烦，往往花了很长时间还得不到一个满意的结果。
用经验设计法设计出的梯形图程序往往很难阅读，给系统的维修和改进带来了很大困难。
顺序控制：
就是按照生产工艺预先规定的顺序，在各个输入信号的作用下，根据内部状态和时间的顺序，在生产过程中各个执行机构自动地有秩序地进行操作。
顺序控制系统的特点：
有很强的时序性，即先做什么，后做什么，前面的工作没做完，则不能做后面的工作，其中有很多联锁、互锁等逻辑关系。
若采用传统的经验设计法来设计用户程序，一般是比较困难的。
顺序控制设计法设计过程：
首先根据被控系统的工艺过程，画出顺序功能图，然后根据顺序功能图设计出梯形图程序。
有的PLC为用户提供了顺序功能图语言，在编程软件中生成顺序功能图便完成了编程工作，编程软件会自动生成对应的梯形图程序。
顺序控制设计法的优点：
这是一种先进的设计方法，设计过程规律性强，容易接受和掌握，可以极大地提高设计效率，是顺序控制的生产现场设计PLC梯形图程序的主要方法，它用输入量X控制代表各步的编程元件（如辅助继电器M）,再用它们控制输出量Y，设计出的程序可读性强，程序的调试、修改和维护方便，要重点学习和掌握。
顺序控制设计法的基础是系统的顺序功能图的绘制。
顺序功能图（SeguentialFunctionChart）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顺序控制程序的有力工具。
顺序功能图并不涉及所描述的控制功能的具体技术，它是一种通用的技术语言，可以供进一步设计和不同专业人员之间进行技术交流之用。
4.3.2顺序功能图中的步与动作
1.步的基本概念及工步划分的基本方法
可以将被控系统的一个工作周期划分为若干个顺序相连的阶段，这些阶段称为步，并用编程元件（如位存储器M和顺序控制继电器S）来代表各步。
根据输出量的状态变化来划分步：
在任何一步之内，各输出量的接通/断开状态不变，但相邻两步输出量总的状态不相同。
然后确定步与步之间的转换条件，若上一步为活动步，且由上一步到当前步的转换条件成立，则发生步的活动状态的进展，当前步变为活动步，上一步变为静步。
各步相应的输出即命令或动作，当步处于活动状态时，相应的动作被执行；处于不活动步时，相应的动作被停止。
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PLC的各输出位。
2.初始步
每个顺序功能图至少要有一个初始步，对应于等待起动命令时的相对静止状态，用双线方框表示。
这一步可能没有什么输出处于接通状态，但这一步是必不可少的。
一方面因为该步与它的相邻步相比，输出变量总的状态各不相同，另一方面如果没有该步，系统将无法表示其初始状态，系统也将无法返回停止状态。
3与步对应的动作和命令
Ø
施控系统：
控制设备（如PLC、工控计算机等），发出控制命令；
Ø被控系统：
生产设备（如机床、输送带、锅炉等）接收控制命令，
完成相应动作，实现生产过程。
在顺序功能图中，称呼命令或动作均可。
同一步中的命令或动作排列位置之间没有任何先后顺序。
还可通过使用动作修饰词来完成各步中的命令或动作（见表4－1）。
4.活动步
当系统正处在某一步所在的阶段时，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；处于不活动状态时，相应的非存储型动作被停止执行。
4.3.3顺序功能图中的有向连线与转换条件
1.有向连线
在顺序功能图中，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进展，这种进展按有向连线规定的路线和方向进行。
在顺序功能图中，将代表各步的方框按它们成为活动步的顺序排列，并用有向连线将它们连接起来。
步的活动状态习惯的进展方向是从上到下或从左到右，在这两个方向有向连线的箭头可以省略。
如果不是上述方向，应在有向连线上用箭头标出进展方向。
若图中有向连线必须中断，应在中断处标出后续步序和所在页数。
2.转换
转换用有向连线上与有向连线垂直的短划线来表示，转换将相邻两步隔开。
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
使系统由当前步进入下一步的信号称为转换条件。
转换条件可以是外部输入信号，如按钮、开关等的接通/断开等；
也可以是PLC内部产生的信号，如定时器、计数器触点的接通/断开等；
还可以是若干个信号的与、或、非等的逻辑组合。
顺序功能图中转换条件的表示方法：
可以用文字语言、图形符号和布尔代数来表示在代表转换的短划线旁，多使用布尔代数表达式。
初始化脉冲（SM0.1）的使用：
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。
如果用没有断电保持功能的编程元件代表各步，PLC接入RUN工作方式时，工步均处于OFF状态，系统将无法启动并工作。
所以顺序功能图中必须使用初始化脉冲SM0.1的常开触点作为转换条件，将初始步预置为活动步，系统才能正常启动并进入相应工作状态。
4.3.4顺序功能图的基本结构
1.单系列
由一系列相继激活的步组成，每一步之后仅有一个转换，每一个转换之后也仅有一个步。
2.选择系列
Ø分支：
开始称为分支，其结构是某一步之后在不同转换条件的控制之下，当某个转换条件满足时，可以由该步有选择地进入到后续的某一步所对应的分支系列中。
该步转换符号只能标注于水平线之下。
Ø合并：
结束称为合并。
几个选择系列合并到一个公共系列时，用需要重新组合的系列相同数量的转换符号和水平连线来表示。
转换符号只允许标注于水平连线之上。
3.并行系列
用来表示系统的几个同时工作的独立部分的工作情况。
当转换的实现导致几个系列同时激活时，这些系列称为并行系列。
Ø分支：
并行系列开始（同时开始多个活动步）
Ø合并：
并行系列结束（同时结束多个活动步）
在表示同步的水平双线之下，只允许有一个转换符号。
4.复杂顺序功能图
顺序功能图中同时具有单系列、选择系列和并行系列等结构
的顺序功能图称为复杂顺序功能图。
例：
三工位钻床圆形工作台控制系统顺序功能图
模型描述：
Ø在初始状态，按下启动按钮后，三个工位同时工作。
Ø一个工位将待加工工件送到圆形工作台上，然后送料液压缸退回
Ø另一个工位将工件夹紧并钻孔，钻完后钻头向上返回初始位置并放开工件
Ø在第三个工位用深度计测量加工的孔是否合格：
✓如果合格，测量头上升，并自动卸下加工好的工件，
然后卸料缸返回；
✓如果不合格，测量头返回后由工人取走次品，
并用按钮发出人工卸料完成的重新启动信号。
Ø三个工位的操作都完成后，工作台顺时针旋转120o，最后系统返回初始步。
例：
板料剪切机自动控制系统顺序功能图
模型描述：
开始（初始状态）时压钳和剪刀在上限位置，限位开关I0.0和I0.1为ON。
按下启动按钮I1.0，工作过程如下：
首先板料右行（Q0.0为ON）至限位开关I0.3动作，然后压钳下行（Q0.1为ON并保持），压紧板料后，压力继电器I0.4为ON，压钳保持压紧，剪刀开始下行（Q0.2为ON）。
剪断板料后，I0.2变为ON，压钳和剪刀同时上行（Q0.3和Q0.4为ON，Q0.1和Q0.2为OFF），它们分别碰到限位开关I0.0和I0.1后，分别停止运行。
都停止后，又开始下一周期的工作，剪完10块料后停止工作并停在初始状态。
4.3.5顺序功能图中转换实现的基本规则
1.转换实现的条件
Ø该转换的所有前级步都是活动步，
Ø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。
为了强调同步实现，有向连线的水平部分用双实线表示。
2.转换实现应完成的操作
Ø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
Ø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
转换实现的基本规则是根据顺序功能图设计梯形图程序的基础，它适用于顺序功能图中的各种基本结构的梯形图编程。
在梯形图中，用编程元件（例如M和S）代表步，当某步为活动步时，该步对应的编程元件为ON。
当该步之后的转换条件满足时，转换条件对应的触点或电路接通，因此可以将该触点或电路与代表所有前级步的编程元件的常开触点串联，作为与转换实现的两个条件同时满足的电路。
上述规则可以适用于任意结构顺序功能图的转换。
单系列中，一个转换仅有一个前级步和一个后续步。
Ø并行系列中，分支处的转换有几个后续步，在转换实现时应同时将它们对应的编程元件置位；在并行系列的合并处，转换有几个前级步，它们均为活动步时才有可能实现转换，在转换实现时应将它们对应的编程元件全部复位。
Ø选择系列的分支与合并处，一个转换实际上只对应有一个前级步和一个后续步，但是一个步可能有多个前级步或多个后续步。
3.绘制顺序功能图时的注意事项
Ø顺序功能图中，两个步不能直接相连，须用一个转换将它们隔开
Ø两个转换也不能直接相连，必须用一个步将它们隔开。
Ø初始步必不可少，且必须初始化激活系统才可能启动。
Ø单周期操作的控制系统：
当启动信号到来时，系统从初始步开始运行，在执行完一次工艺过程的全部操作之后，从最后一步返回到初始步，系统停止在初始状态，等待下一次启动信号的到来。
Ø连续循环工作的控制系统：
当启动信号到来时，系统从初始步开始运行，在执完一次工艺过程的全部操作之后，系统从最后一步返回到工作周期中开始运行的第一步（即初始等待步），继续执行下一个周期的操作，直到系统的停止信号到来时，系统执行完一个工作周期后，返回并停在初始等待状态（即初始等待步），等待下一个启动信号的到来。
上述两种操作的控制系统的区别在于：
单周期操作的控制系统中只有启动信号，没有停止信号（异常情况需要急停系统的急停按钮除外），正常情况下系统运行完一个工作过程后回到并停于初始状态，即每启动一次只运行一个工作周期。
连续循环操作的控制系统中有启动输入信号和停止输入信号，系统运行完一个工作过程后重复下一个工作周期的工作，直到停止信号到来后，系统执行结束该周期的工作后，停于初始状态。
4.经验设计法与顺序控制设计法的本质区别
经验设计法实际上是试图用输入信号I直接控制输出信号Q，如果无法直接控制，或为了实现记忆、联锁、互锁等功能，只好被动地增加一些辅助元件和辅助触点。
由于不同系统的输入量I与输出量Q之间的关系各不相同，以及它们对联锁、互锁的要求千变万化，不可能找出一种简单通用的设计方法，且修改时牵一发而动全身，微小改动可能对系统造成较大影响。
顺序控制设计法则是用输入量I控制代表各步的编程元件（如M、S等），再用它们控制输出量Q。
步是根据输出量Q的变化来划分的，M与Q之间具有比较简单的“与”或相等的逻辑关系，输出电路的设计较为简单。
任何复杂系统的代表步的M的控制电路，其设计方法都是相似的，规律性强，容易掌握。
电路的记忆、联锁等问题都已经考虑在了控制电路中，不需要额外进行处理。
所以顺序控制设计法具有简单、规范、通用等优点。
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