步进梯形指令及其编程精编.docx
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步进梯形指令及其编程精编
Documentnumber：
WTT-LKK-GBB-08921-EIGG-22986
步进梯形指令及其编程精编
第七章 FX系列可编程控制器步进梯形指令
内容提要：
本章阐述了状态编程思想、步进梯形指令及其应用。
课程重点：
步进梯形指令及其应用。
课程难点：
步进指令的执行过程和有关主意事项。
教学目标：
重点掌握步进梯形指令定义及功能；了解状态编程思想；能用步进梯形指令结合状态编程思想设计相对复杂的控制系统程序。
步进指令常用于时间和位移等顺序控制的操作过程。
FX系列可编程控制器的步进指令编程元件是状态继电器S0~S899共900点,步进指令均由后备电池提供支持。
使用步进指令时,先设计状态转移图,状态转移图中的每个状态表示顺序工作的一个操作，再将状态转移图翻译成步进梯形图。
状态转移图和步进梯形图可以直观地表示顺序操作的流程,而且可以减少指令程序的条数和容易被人们所理解。
第一节 状态编程思想
前面章节中所介绍的PLC基本指令，各种型号的PLC大体上都具备，指令符号虽有所不同，但功能大同小异。
应用上述指令，设计一般控制要求的梯形图程序非常方便，但对复杂控制系统来说，系统输入输出点数较多，工艺复杂、相互连锁关系也复杂，设计人员在设计中需根据工艺要求，周密地考虑各执行机构的动作及相互关系，保证必要的连锁保护、自锁及一些特殊控制要求。
因为需要考虑的因素很多，设计较为困难。
在设计过程中，往往要经过多次反复的修改和试验，才能使设计符合要求。
如何简化设计步骤，并使程序容易理解又便于维护呢
在分析生产工艺过程对控制的要求后，我们发现不少生产过程都可以划分为若干个工序，每个工序对应一定的机构动作。
在满足某些条件后，它又从一个工序转为另一个工序，通常这种控制被称为顺序控制。
对于顺序控制的梯形图，许多PLC都设置了专门用于顺序控制或称为步进控制的指令。
如三菱公司FX2N系列PLC中的STL指令和RET（Return）指令。
顺序控制是按顺序一步一步来进行控制的，进入下一步决定于转换条件是否满足。
转换条件可以是时间条件，也可以是被控过程中的反馈信号，实际生产中往往是两者的紧密结合。
顺序控制与逻辑控制不同，逻辑控制主要是描述输入输出信号间的静态关系，而顺序控制则主要是描述输入输出信号间的时间关系。
所以顺序控制的基本结构可以用状态转移图来描述。
状态转移图又叫状态流程图或顺序功能图,简称功能图,它是专用于工业顺序控制程序设计的一种功能说明性语言,是描述控制系统的控制过程、功能和特性的一种图形,是分析、设计PLC顺序控制程序的一种有力工具，具有简单、直观等特点。
在中小型可编程控制器程序设计时，采用状态转移图法，首先要根据控制系统的工艺流程设计状态转移图，再将状态转移图人工转化为梯形图程序。
大型或部分中型可编程控制器，有的可直接采用状态转移图进行编程。
状态编程思想是PLC程序设计的一种很重要的很有效的编程方法。
一、利用状态编程思想来进行PLC程序设计的步骤
首先要根据系统的工作过程来设计状态转移图，即将控制过程分解成若干个连续的阶段，这些阶被称为“状态”或“步”。
每一状态都要完成一定的操作。
状态与状态（步与步）之间由转换条件来分隔。
当相邻两步之间的转换条件得到满足时，转换得以实现，即上一步的活动结束而下一步的活动开始，因此不会出现步活动的相互重叠情况。
然后将状态转移图转换成梯形图。
其PLC程序设计的一般步骤是:
1.按照机械工艺提供的电气执行元件功能表，用不同的PLC输入输出点编号进行定义，并设计系统的PLC接线图。
2.根据机械运动或工艺过程的工作内容、步骤、顺序和控制要求,对控制过程进行分解,并按顺序排列各个工序,对应每个工序分配一个不同的状态继电器，不同的状态继电器对应不同的PLC输出继电器或其它编程元件。
3.用不同的PLC输入继电器或其他编程元件来定义状态转换条件。
当某转换条件的实现内容不止一个时，每个内容均要定义一个PLC元件编号，并以逻辑组合形式表现出来。
4．画出状态转移图。
5．进行PLC梯形图程序设计。
二、状态编程实例
为说明状态编程思想，我们来看一个实例：
某自动台车在启动前位于导轨的中部，按下启动按钮后,台车在电机M的带动下，在导轨上来回移动。
图7-1是台车的示意图。
图7-1台车运动示意图
自动台车在一个工作周期里的控制工艺要求如下：
1．按下启动按钮SB，电机M正转，台车前进。
2．碰到限位开关SQ1后，电机反转，台车后退。
3．台车后退碰到限位开关SQ2后，台车电机M停止5秒钟。
4．第二次前进碰到限位开关SQ3后，再次后退。
5．当后退到限位开关SQ2时，台车停止。
从而，工作周期结束。
下面以台车往返控制为例，说明运用状态编程思想设计状态转移图的方法和步骤。
1．PLC接线图的设计
为设计本控制系统的梯形图，先进行PLC的I/O分配。
台车由电机M驱动，正转（前进）由PLC的输出点Y1控制，反转（后退）由Y2控制；选用定时器T0进行5秒钟的延时；将起动按钮SB及限位开关SQ1、SQ2、SQ3分别与PLC的输入点X0、X1、X2、X3相连。
其PLC的接线示意图7-2如下：
图7-2台车运动控制PLC接线图
2．台车运动过程分解
将整个过程按任务要求分解，其中的每个工序均对应一个状态，每个状态元件的功能和作用如下:
初始状态:
S0PLC上电作好工作准备
前进:
S20（输出Y1，驱动电动机M正转）
后退:
S21（输出Y2,驱动电动机M反转）
延时5秒:
S22（定时器T0,设定为5秒，延时到T0线圈接通）
再前进:
S23同S20
再后退:
S24同S21
这里注意：
虽然S20与S23,S21与S24功能相同，但它们是状态转移图中的不同工序，也就是不同的状态，故编号也不同。
3．列出每个状态的转移条件
状态转移图就是状态和状态转移条件及转移方向构成的流程图，弄清转移条件是非常有必要的,所谓转移条件就是将下个状态“激活”的条件。
经分析可知，本控制系统中，各状态的转移条件如下：
S20的转移条件:
SB
S21的转移条件:
SQ1
S22的转移条件:
SQ1
S23的转移条件:
T0
S24的转移条件:
SQ3
状态的转移条件可以是单一的，也可以是多个元件的串、并联组合。
4．经过以上三步，可以得到台车往返控制的顺序状态转移图7-3。
图7-3台车运动状态转移图
5．台车往返运动梯形图设计
根据上面的状态转移图，可以很方便的设计出梯形图，如图7-4所示。
图7-4台车运动控制梯形图
从梯形图中可看出，在台车的顺序控制过程中，每个状态在驱动负载的同时，还需对前面的状态进行复位，并置位新状态。
为了简化这些操作，许多型号的PLC都有专门用于顺序控制的指令，如日本三菱公司中用于顺序控制的步进梯形指令。
第二节 步进梯形指令
FX2N系列PLC除了基本指令以外,还有两条简单的步进指令,同时还有大量的状态继电器,这样就可以用类似于SFC语言的状态转移图方式编程。
用步进指令设计PLC程序，通常是利用状态转移图，而且设计的程序与状态转移图有严格而明确的对应关系。
设计时，首先要按工艺及控制要求画出系统的状态转移图，用状态寄存器对各状态命名，标出与各状态对应的执行元件的PLC输出编号和各转换条件的PLC输入编号。
然后利用步进指令编程。
许多型号的PLC都有专门用于顺序控制的指令，日本三菱公司中用于顺序控制的指令有两条：
步进梯形指令（StepLadderInstruction）简称STL指令,以及使步进指令复位的RET（Return）指令。
步进指令只能与状态继电器配合使用，三菱公司FX2N系列PLC的状态继电器元件有900点（S0~S899）。
状态继电器S可以象普通辅助继电器一样，使用OUT、SET、RST等输出指令和LD、AND、OR等触点连接指令，在这种情况下，它的功能与有断电保持功能的辅助继电器M完全相同。
但当状态继电器S与STL指令一起使用时，其功能就不一样了。
STL指令只可对状态继电器S的触点使用，因此，STL指令又称为步进触点指令，用
表示。
RET为步进返回指令，用于步进触点返回左侧母线。
STL和RET指令通常要配合使用。
一、步进梯形指令的功能
STL指令与RET（Return）指令具有如下功能：
1．主控功能STL指令是用来将状态继电器S的触点与母线相连并提供主控功能。
主控功能是指当使用STL指令时，与STL触点相连的起始触点要使用LD（LDI）指令。
使用STL指令后，LD（LDI）触点均移至STL触点的右侧，直至出现RET指令为止。
步进复位指令RET使LD触点返回左母线；另外，当再次出现STL指令时，以STL触点开始的回路块也同样与原母线相连。
2.自动复位功能指状态转移后原状态会自动复位的功能。
当使用STL指令时，新的状态继电器S被置位，前一个状态继电器S将自动复位。
如图7-5中，当S020被置位后，S020的STL触点接通，其控制的负载Y000被驱动;当X000触点接通后，下一步的S021将被置位，当X010触点接通后，负载Y002被驱动，同时PLC将S020自动复位，Y000也断开。
而图7-6中，当X000触点接通后，S021被置位，其STL触点接通，但状态继电器S020没有复位，此时，S020和S021的STL触点都接通。
也就是说，只有在STL回路中，自动复位功能才有效。
图7-5状态转移图7-6状态转移图
3.负载驱动功能当STL触点接通后，与这个触点相连的回路块才可执行。
STL触点可直接驱动负载（如对Y000），也可通过其它触点驱动负载（如对Y002），如图7-5所示，当STL触点断开后，与这个触点相连的回路块将不执行。
4.步进复位功能如上所述，因为使用STL指令时，LD（LDI）触点被右移，所以在需要把LD（LDI）触点返回到母线上时，要有RET指令。
值得注意的是，STL指令与RET指令并不需要成对使用，但在系列STL电路结束时，一定要写入RET指令，否则程序将进行出错处理。
二、步进指令的执行过程和有关规定
步进指令的执行过程如图7-7所示，图7-7a、图7-7b、图7-7c分别是相对应的状态转移图、步进梯形图及其指令表程序。
当步S020为活动步时，S020的STL触点控制的负载Y000接通，当转换条件X000成立时，下一步的S021将被置位，负载Y002接通，同时PLC自动将S020断开（复位），Y000也断开。
a）b）c）
图7-7步进指令用法
a）状态转移图b）步进梯形图c）指令表程序
从状态转移图和步进梯形图中可看出,每一状态提供三个功能:
驱动负载、指定转换条件、激活目标即置位新状态（同时前面的状态自动复位）。
在状态转移图中，系统的初始状态应放在最前面，在可编程控制器开始执行用户程序时，一般用只接通一个扫描周期的初始化脉冲M8002将初始状态激活，为下一步活动状态的转移动作作准备。
当需要从某一步返回初始步时，应对初始状态使用OUT指令或SET指令。
另外，状态转移图与步进梯形图在使用时，还要注意以下几点规定：
步进触点（STL触点）只有常开接点,没有常闭接点,只用于状态继电器S的常开触点与左侧母线连接，并且同一状态继电器的STL触点只能使用一次（并行序列的合并除外）。
与步进触点连接的其它触点使用LD或LDI指令，即相当于STL指令将母线移到了步进触点右边（构成临时母线），直到出现下下一个STL指令或出现RET指令，才使母线复位。
凡是以步进触点为主体的程序，最后必须用RET指令返回母线。
步进触点可直接或通过其他触点去驱动Y、M、S、T等编程元件的线圈，而步进触点本身只能用STL和RET指令去驱动。
STL指令与MC/MCR指令类似。
使用STL指令相当于将母线移到触点之后，在步进触点（STL触点）后，应使用LD或LDI指令。
因此STL指令后不能使用MC/MCR指令。
在STL指令中可使用CJP/EJP指令，但因其操作复杂，建议一般不要使用。
在中断和子程序中不能使用STL指令。
使用STL指令允许双线圈输出。
因为可编程控制器CPU只执行活动步对应的电路块，所以使用STL指令时允许双线圈输出，即不同的步进触点可以分别驱动同一编程元件的线圈。
但在状态的步进转移过程中，相邻两步的激活状态的转移在同一个扫描周期里时，为避免不能同时接通的两个外部负载同时接通（如电动机正反转的两个接触器），应在可编程控制器外部设置硬件联锁保护。
只要不是相邻的两步，同一个定时器可在这些不同步中使用，可节省定时器。
如果不使用STL指令（或STL触点）时，状态S可作为普通辅助继电器M使用，这时其功能与M相同。
使状态S复位。
状态S均具有断电保护功能。
断电后再次来电，动作从断电时状态开始。
但在某些情况下需从初始状态开始，则需要复位所有的状态，此时应使用应用功能指令实现状态复位操作。
三、状态转移图与步进指令梯形图的转换
采用步进指令进行程序设计时，首先要设计系统的状态转移图，然后将状态转移图转换成步进梯形图，写出相应的指令表程序。
图7-8a是小车的运动示意图，从图中可看出，小车在一个周期里的运动可分为四个阶段。
小车由电动机带动，当接触器KM0接通时，电动机正转，小车前进；当接触器KM1接通时，电动机反转，小车后退。
图7-8b是小车运动的外部控制接线图，在外部接线图中，为防止短路，对控制正反转的接触器分别采用了电气互锁设计。
图7-8c、图7-8d分别是小车运动状态转移图和步进梯形图。
图7-8小车运动控制系统设计
a）小车运动示意图b）接线图c）状态转移图d）步进梯形图
由图7-8a知,小车的初始状态位于左端，小车的运动由四个阶段顺序构成，分别对应状态转移图中的S21~S24四步，S000是初始步。
当PLC主机上电时，特殊继电器M8002接通，系统处于初始步，S000被激活；按下起动按钮X011，转移条件满足，系统由初始步转移到状态S021，S021的步进触点接通后，Y001的线圈通电，小车右行前进；前进到最右端，限位开关X012接通，转移条件满足，使S022被激活，Y002的线圈通电，小车左行返回；当返回到最左端时，限位开关X014接通，转移条件满足，使S023被激活，Y001的线圈通电，小车右行前进；前进到路线中间时，限位开关X013接通，转移条件满足，使S024被激活，Y002的线圈通电，小车左行返回；返回到最左端，限位开关X014接通，转移条件满足，状态S000被激活，系统返回到原始状态，小车停止运行。
图7-8所示的步进梯形图对应的指令表程序如下所示：
0
LDM8002
7
OUTY001
14
SETS023
21
LDIY001
1
SETS000
8
LDX012
15
STLS023
22
OUTY002
2
STLS000
9
SETS022
16
LDIY002
23
LDX014
3
LDX011
10
STLS022
17
OUTY001
24
SETS000
4
SETS021
11
LDIY001
18
LDX013
25
RET
5
STLS021
12
OUTY002
19
SETS024
6
LDIY002
13
LDX014
20
STLS024
第三节 步进梯形指令应用实例
一、闪烁循环灯的程序编制
（一）
要求按下起动按钮,按以下顺序闪烁,红灯-黄灯-绿灯-黄灯,间隔2钞钟,其接线图如图7-9a所示:
Y0接通,红灯亮,Y1接通,黄灯亮,Y2接通,绿灯亮。
其状态功能图如图7-9b所示,M8002为特殊辅助继电器,当PLC刚上电时,接通一个扫描周期,激活初始状态S0；按下启动按钮X0,状态转移到S21,Y0接通,红灯亮；2钞钟后,定时器T0的常开触点接通,状态S21自动复位,Y0断开,红灯灭,状态转移到S22,Y1接通,黄灯亮；2钞钟后,定时器T1的常开触点接通,状态S22自动复位,Y1断开,黄灯灭,状态转移到S23,Y2接通,绿灯亮；2钞钟后,定时器T2的常开触点接通,状态S23自动复位,Y1断开,绿灯灭,状态转移到S24,Y1接通,黄灯亮；2钞钟后,定时器T3的常开触点接通,状态S24自动复位,Y1断开,黄灯灭,回到初始状态S0,重新等待启动命令X0。
其步进梯形图如图7-9c所示。
图7-9闪烁循环灯的程序编制
（一）
a）接线图b）状态转移图c）步进梯形图
二、闪烁循环灯的程序编制
（二）
要求按下起动按钮,按以下顺序闪烁,红灯-红灯黄灯-黄灯-黄灯绿灯-绿灯-绿灯红灯-红灯,间隔2钞钟,其接线图如7-10a所示:
Y0接通,红灯亮,Y1接通,黄灯亮,Y2接通,绿灯亮。
其状态转移图如图7-10b所示,与闪烁循环灯的程序编制
（一）不同的是,这里用到了置位（SET）和复位（RST）指令，置位指令产生的动作是存储型动作，只要不对其进行复位操作，则动作一直保持。
首先，M8002激活初始状态S0，系统处于等待状态；按下启动按钮X0,状态转移到S21,Y0线圈接通并保持,红灯亮，同时，定时器T0线圈接通；2钞钟后,T0的常开触点接通,状态S21自动复位,状态转移到S22,定时器T1线圈接通，同时Y1线圈接通并保持,红灯和黄灯一起亮；2钞钟后,T1的常开触点接通,状态S22自动复位,状态转移到S23,定时器T2线圈接通，同时Y0线圈复位,红灯灭，仅黄灯亮；2钞钟后,T2的常开触点接通,状态S23自动复位,状态转移到S24,定时器T3线圈接通，同时Y2线圈接通并保持,绿灯和黄灯一起亮；2钞钟后,T3的常开触点接通,状态S24自动复位,状态转移到S25,定时器T4线圈接通，同时Y1线圈复位,黄灯灭，仅绿灯亮；2钞钟后,T4的常开触点接通,状态S25自动复位,状态转移到S26,定时器T5线圈接通，同时Y0线圈接通并保持,绿灯和红灯一起亮；2钞钟后,T5的常开触点接通,状态S26自动复位,状态转移到S27,定时器T6线圈接通，同时Y2线圈复位,绿灯灭，仅红灯亮；2钞钟后,T6的常开触点接通,状态S27自动复位,状态回到S22……。
如此，周而复始，不断循环。
图7-10闪烁循环灯的程序编制
（二）
a）接线图b）状态转移图c）步进梯形图
三、生产流水线送料小车自动循环系统的程序编制
送料小车由电动机带动在流水线上作往返循环运动,工作示意图如图7-11所示,小车停在材料库,装好材料后,按下启动按钮,小车装满材料向加工中心前进,在加工中心停留2秒钟,把材料缷下来,并把加工中心加工好的零件装在小车上,再送往成品库,停留2秒钟,把零件缷下来后再返回到材料库,停留2钞钟,装好材料,再准备下一次循环。
小车前进由接触器KM0控制（Y0接通）,后退由接触器KM1控制（Y1接通）,为防止电动机短路,KM0与KM1互锁,X0为启动按钮,X1~X3为限位开关,小车流水线的PLC接线图如图7-12所示。
图7-11送料小车运动示意图图7-12送料小车PLC接线图
状态转移图如图7-13所示,M8002为特殊辅助继电器,当PLC刚上电时,接通一个扫描周期,激活初始状态S0,按下启动按钮X0,状态转移到S21,Y0接通,驱动电机正转,小车前往加工中心,限位开关X3动作,激活状态S22,小车停止运行2秒钟（缷下材料,装好加工好后的零件）后,状态S23被激活,Y0接通,小车继续前往成品库,限位开关X2动作,激活状态S24,小车停止运行2秒钟（缷下加工好的零件）后,状态S25被激活,Y1接通,小车开始返回到材料库,限位开关X1动作,激活状态S26,停止运行2秒钟（装好待加工的材料）后,回到状态S21,接着进行下一个循环。
其步进梯形图如图7-14所示。
图7-13送料小车运动状态转移图图7-14送料小车步进梯形图
四、机械手控制系统的程序编制
1．机械手工作情况与控制要求
图7-15是坐标式机械手工作示意图，目的是按一定的工作顺序将将工件从位置A搬到位置B。
其工作顺序是:
机械手从原位下降到位,从A处夹紧工件上升到位后,右移到位后,机械手下降,下降到位后,将物体放在位置B,然后上升到位,左移到位停在原点,一次循环结束。
整个系统由液压驱动,上升、下降、左移、右移由双向电磁阀控制（Y0接通-上升,Y1接通-下降,Y3接通-左移,Y4接通-右移）,夹紧用单向电磁阀控制（Y2接通-夹紧,Y2断电-松开）,左右上下限位开关分别为X1、X2、X3、X4。
图7-16为可编程控制器外部接线图。
图7-15坐标式机械手工作示意图
图7-16坐标式机械手可编程控制器外部接线图
手动工作操作方式包括机械手上升、下降、左移、右移、夹紧，均为点动方式，用相应的手动按钮控制。
按下手动按钮X7，系统处于点动工作状态，此时自动工作方式失效，可分别完成机械手的上升、下降、左移、右移、夹紧等动作。
自动工作方式包括连续工作和单周期工作。
在自动工作方式下，系统应处于原点状态，即机械手的上限位和左限位开关均处于接通状态。
如不满足这一条件，首先应采用手动工作方式将机械手送回原位状态。
1）单周期工作
机械手处于原位，按下自动按钮X6，机械手起动，工作一个周期，最后停在原位。
2）连续工作
机械手处于原点，按下连续/单周期旋钮X5，再按下自动按钮X6，机械手连续循环工作。
在工作过程中，按下停止按钮X16，机械手完成当前工作周期后，机械手自动返回原点并停止工作。
2．机械手控制系统的程序设计
坐标式机械手的控制系统主要有手动和自动工作方式，手动程序较简单，一般可用经验法设计，而复杂的自动程序，可根据控制系统的状态转移图，用顺序控制法设计。
手动自动及停止工作方式选择程序如图7-17所示。
图7-17坐标式机械手工作方式选择程序
程序说明:
按下手动按钮X7,辅助继电器M7接通并自锁,系统处于手动工作方式,可完成相应的点动动作。
X6为自动按钮,手动与自动处于互锁状态。
停止按钮X16仅在自动方式下起作用。
1）手动程序
图7-18坐标式机械手手动工作程序
辅助继电器M7接通后,系统处于手动工作方式,可完成机械手的上升、下降、左移、右移等点动动作,这些点动动作在手动方式时是单一的,每次只能完成一个,夹紧和松开用旋钮X15控制,可与其它点动动作一起使用。
2）自动程序
机械手自动控制状态转移图如图7-19所示,它的步进梯形图如图7-20所示,当PLC通电后,M8002接通一个周期,S0被激活,当左限位X1和上限位X3接通时,机械手处于原点,按下自动按钮X6,M6接通,系统按照设计的步骤开始进行单循环动作,然后返回到原位状态S0。
当连续/单周期按钮按下后,机械手则开始连续循环动作,在动作过程中,如果按下停止按钮X16,则辅助断电器M16接通,在完成当前周期工作后,返回到原位状态S0,机械手控制系统停止工作。
下面是单循环程序的动作过程:
PLC通电后,M8002接通，使初始状态S0被激活,当左限位X1和上限位X3接通时,机械手处于原位,按下自动按钮X6,M6接通,
的逻辑值为1,状态S21被激活,电磁阀Y1接通,机械手开始下降；当下降到位后,X4接通,状态S22被激活,电磁阀Y2被置位为1,夹紧动作开始；经过2秒钟后,夹紧动作完成,状态S23被激活,电磁阀Y0接通,机械手夹紧工件开始上升；上升到位后,X3接通,状态S24被激活,电磁阀Y4接通,机械手开始右移；右移到位后,X2接通,状态S25被激活,电磁阀Y1接通,机械手开始下降；下降到位后,X4接通,状态S26被激活,电
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