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plc教案3

课题：

第四章开关量控制系统梯形图设计方法

4.1梯形图的经验设计法

要求：

1.掌握PLC程序设计的一般步骤；

2.掌握PLC程序设计的常用方法。

重点：

PLC程序设计的一般步骤

难点：

PLC程序设计的常用方法

教学手段：

口述、板书

教学方法：

多媒体、讲授法、启发式等直观教学法

第四章开关量控制系统梯形图设计方法

程序设计是PLC应用中最关键的问题。

程序设计方法是指用什么方法设计PLC梯形图。

它们是梯形图设计的状态表法、PLC程序设计的功能图法、PLC程序设计的流程图法及PLC程序设计的现代Petri网方法等。

状态表和功能图是用于程序设计的两种表示方法。

状态表法是从传统继电器逻辑设计方法继承而来的，经过适当改进，适合于可编程控制器梯形图设计的一种方法。

它的基本思想是，被控过程由若干个状态组成，每个状态都是由于接受了某个切换主令信号而建立，辅助继电器用于区分状态且构成执行元件的输入变量，而辅助继电器的状态由切换主令信号来控制。

正确写出辅助继电器与切换主令信号之间的逻辑方程及执行元件与辅助继电器之间的逻辑关系，也就基本完成了程序设计任务。

但状态表法仅适合于单一顺序问题的程序设计，而对于具有并发顺序和选择顺序的问题就显得无能为力了。

功能图法是先将控制要求表达为功能图，用功能图来说明可编程控制器所要完成的控制功能，然后由功能图写出逻辑方程，再画出梯形图或写出指令。

在工业控制中，往往要求按确定的顺序按步操作，这时除了用基本逻辑指令编程外，还可采用移位寄存器来实现其控制，这样将大大简化程序设计。

随着PLC技术的发展，PLC的数据处理功能愈来愈强的数据处理功能愈来愈强。

而且，对逻辑问题，有时采用数据处理指令来解决，比单纯用逻辑指令要简单。

但是，许多逻辑设计的方法很难直接用于设计与数据处理有关的PLC程序。

流程图是熟悉计算机高级语言的程序设计人员常用的一种解决与数据处理指令有关PLC程序设计的有效方法。

状态表法、功能图法可以解决顺序、随机等类型问题的程序设计。

但是，这些方法不适用于具有协调、竞争等性质系统控制程序的设计。

Petri网方法是解决并行系统程序设计的一种好方法。

4.1梯形图的经验设计法

4.1.1PLC程序设计的一般步骤

1．梯形图的绘制原则

1）梯形图按自上而下、从左到右的顺序排列。

每个继电器线圈为一个逻辑行，即一层阶梯。

每一个逻辑行起于左母线，然后是触点的连接，最后终止于继电器线圈或右母线。

绘制梯形图时应注意的是：

线圈与右母线之间没有任何触点，而线圈与左母线之间必须要有触点。

2）在梯形图中某个编号继电器线圈只能出现一次，而继电器触点（常开或常闭）可无限次引用。

有些PLC，在含有跳转指令或步进指令的梯形图中允许线圈重复输出。

3）在每一逻辑行中，串联触点多的支路应放在上方。

如果将串联触点多的支路放在下方，则语句增多，程序变长。

如图4-1所示。

4）在每一个逻辑行中，并联触点多的支路应放在左边。

如果将并联触点多的电路放在右边，则语句增多、程序变长。

如图4-2所示。

5）梯形图中，不允许一个触点上有双向“电流”通过。

如图4-3a所示，触点X002上有双向“电流”通过，该梯形图不能编程，这是不允许的。

对于这样的梯形图，应根据其逻辑功能作适当的等效变换，如图4-3b所示。

6）梯形图中，当多个逻辑行都具有相同条件时，为了节省语句数量，常将这些逻辑行合并。

如图4-4a所示，并联触点X000、X001是各个逻辑行所共有的相同条件。

可合并成图4-4b所示的梯形图，可以利用主控指令或分支指令来编程。

7）如果电路结构复杂，用ANB、ORB等指令难以处理时，可以重复使用一些触点改成等效电路，再进行编程，如图4-5所示。

8）设计梯形图时，输入继电器的触点状态全部按相应的输入设备为常开进行设计更为合适，不易出错。

2．PLC程序设计的一般步骤

1）详细了解生产工艺和设备对控制系统的要求。

必要时画出系统的工作循环图或流程图、功能图及有关信号的时序图。

2）将所有输入信号（按钮、行程开关、速度及时间等传感器），输出信号（接触器、电磁阀、信号灯等）及其它信号分别列表，并按PLC内部软继电器的编号范围，给每个信号分配一个确定的编号，即编制现场信号与PLC软继电器编号对照表。

3）根据控制要求设计梯形图。

图上的文字符号应按现场信号与PLC软继电器编号对照表的规定标注。

4）编写程序清单。

梯形图上的每个逻辑元件均可相应地写出一条命令语句，编写程序应按梯形图的逻辑行和逻辑元件的编排顺序由上至下、自左至右依次进行。

4.1.2程序设计的常用方法

1.将继电器控制电路，改画成梯形图。

对于成熟的继电器控制系统，可用此法改画成PLC梯形图。

图4-6为三相感应电动机正反转控制电路，现以此为例来说明此法。

1）分析控制要求

正转：

按下SB2，KM1通电吸合，M正转；

反转：

按下SB3，KM2通电吸合，M反转；

停止：

按下SB1，KM1（KM2）断电释放，M停。

2）编制现场信号与PLC软继电器对照表，见表4-1。

表4-1现场信号与PLC地址对照表

类别

名称

现场信号

PLC地址

输入信号

停止按钮

SB1

X000

正转按钮

SB2

X001

反转按钮

SB3

X002

热继电器

X003

输出信号

正转接触器

KM1

Y000

反转接触器

KM2

Y001

3）画梯形图。

按梯形图的要求把原控制电路适当改动，并根据表4-1标出各触点，线圈的文字符号，见图4-7。

改用PLC软继电器后，触点的使用次数不受限制，故作为停止按钮和热继电器的输入继电器触点各用了两次。

由于梯形图中得触点代表软继电器的状态，其中X000的常闭触点只有在输入继电器X000未得电的条件下才保持闭合，所以当电动机运行时，停止按钮应该断开输入继电器X000，即停止按钮SB1应当接常开触点，其接线图如图4-8所示。

4）列写程序清单。

根据梯形图自上而下，从左到右按它们的逻辑关系，列写程序清单如表4-2所示。

2.经验设计法。

根据被控对象对控制的要求，初步设计出继电器控制电路，或直接设计出梯形图，再进行必要的化简和校验，有时在调试过程中还需要进行必要的修改。

这种设计方法灵活性大，其结果一般不是唯一的。

例如：

电动机正反转控制电路

图4-7a所示为PLC的外部硬件接线图。

其中SB1为停止按钮，SB2为正转起动按钮，SB3为反转起动按钮，KM1为正转接触器，KM2为反转接触器。

实现电动机正反转功能的梯形图如图4-7b所示。

应该注意的是：

图4-7虽然在梯形图中已经有了内部软继电器的互锁触点（X001与X002、Y000与Y001），但在外部硬件输出电路中还必须使用KM1、KM2的常闭触点进行互锁。

因为，一方面是PLC内部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扫描周期，来不及响应。

另一方面也是避免接触器KM1或KM2的主触点熔焊引起电动机主电路短路。

表4-2程序清单

步序号

指令

数据

步序号

指令

数据

01234567

LDORANIANIANIANIOUTLD

X001Y000X000X002X003Y001Y000X002

891011121314

ORANIANIANIANIOUTEND

Y001X000X001X003Y000Y001

4.1.3实例设计

（一）送料小车自动控制系统的程序设计

题目：

如送料小车系统示意图，SQ1、SQ2为运料小车左右终点的行程开关。

运料小车在SQ1处装料，20s后装料结束，开始右行。

当碰到SQ2后停下来卸料，15s后左行，碰到SQ1后又停下来装料。

这样不停地循环工作，直到按下停止按钮SB3。

按钮SB1和SB2分别是小车右行和左行的起动按钮。

课题：

第四章开关量控制系统梯形图设计方法

4.2顺序控制设计法与顺序功能图

要求：

1.掌握PLC程序设计的一般步骤；

2.掌握PLC程序设计的常用方法。

重点：

PLC程序设计的一般步骤

难点：

PLC程序设计的常用方法

教学手段：

口述、板书

教学方法：

多媒体、讲授法、启发式等直观教学法

4.2顺序控制设计法与顺序功能图

4.2.1顺序控制设计法

用经验设计法设计梯形图时，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。

在设计较为复杂系统的梯形图时，用大量的中间单元来完成记忆、连锁和互锁等功能，由于需要考虑的因素很多，它们往往又交织在一起，分析起来非常困难，并且很容易遗漏一些应该考虑的问题。

修改某一局部电路时，可能对系统的其他部分产生意想不到的影响，因此梯形图的修改也很麻烦，花了很长的时间还得不到一个满意的结果。

用经验法设计出的梯形图往往很难阅读、，给系统的修改和改进带来了很大的困难。

所谓顺序控制，就是按照生产预先规定的顺序，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序地行操作。

使用顺序控制设计法时首先根据系统的工艺过程，画出顺序功能图，然后根据顺序功能图画出梯形图。

有的PLC编程软件为用户提供了顺序功能图（SFC）语言，在编程软件中生成顺序功能图后便完成了编程工作。

顺序控制设计设计法是一种先进的设计方法，很容易被初学者接受，对于有经验的设计者也会提高设计的效率，程序的阅读和测试修改也很方便。

某厂有经验的电气工程师用经验设计法设计某控制系统的梯形图，花了两周的时间，同一系统改用顺序控制设计法，只用了不到半天的时间，就完成了梯形图的设计和模拟调试，现场试车一次成功。

使系统由当前步进入下一步的信号为转换条件，转换条件可以是外部的输入信号，如按扭、指令开关、限位开关的接通和断开等，也可以是PLC内部产生的信号，如定时器、记数器常开触点的接通等，转换条件还可能是若干个信号的与、或、非逻辑组合。

顺序控制设计法用转换条件控制代表各步的编程元件，让他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的各输出继电器。

顺序功能图（Sequentialfunctionchart,简称为SFC）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。

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的人员之间进行技术交流之用。

1993年5月公布的IECPLC标准（IEC1131）中，顺序功能图被定为PLC位居首位的编程语言。

顺序功能图主要由步、有向连线、转换、转换条件和动作（或指令）组成。

4.2.2步与动作

1．步

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干个顺序相连的阶段，这些阶段称为步（Step）可以用编程元件（例如内部辅助继电器M和状态继电器S）来代表各步。

步是根据输出量的状态变化来划分的在任何一步之内，各输出量的ON/OFF状态不变，但是相邻两步输出量总的状态是不同的，步的这种划分方法使代表各步的编程元件的状态与各输出量的状态之间有着极为简单的逻辑关系。

送料小车开始停在左侧限位开关X1处（见图4-11），按下起动按扭X0，Y2变为ON，打开贮料斗的闸门，开始装料，同时用定时器T0定时，10S后关闭贮料斗的闸门，Y0变为ON，开始右行，碰到限位开关X2后停下来卸料（Y3为ON），同时用定是器T1定时；5S后Y1变为ON，开始左行，碰到限位开关X1后返回初始状态，停止运行。

根据Y0~Y3的ON/OFF状态的变化。

显然一个周期可以分为装料、右行、卸料和左行这4步，另外还应设置等待起动的初始步，分别用M0~M4来代表这5步。

图4-11左边是运料小车运行的空间示意图，右边是描述该系统的顺序功能图，图中用矩形方框表示步，方框中可以用数字表示该步的编号，一般用代表该步的编程元件的元件号作为步的编号，如M0等，这样在根据顺序图设计梯形图时较为方便。

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，每一个顺序功能图至少应该有一个初始步。

3．活动步

当系统正处于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．与步对应的动作或命令

可以将一个控制系统划分为被控制系统和施控系统，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”（action）；对于施控系统，在某一步中则要向被控系统发出某些“命令”（command）。

为了叙述方便，下面将命令或动作统称为动作，并将矩形框中的文字或符号表示，该矩形框应于相应的步的符号相连。

如果某一步有几个动作，可以用图4-12中的两中画法来表示，但是并不隐含这些动作之间的任何顺序。

说明命令的语句应清楚的表明该命令是存储型的还是非存储型的。

例如某步的存储型命令“打开1号阀并保持”，是指该步为活动步时1号阀打开，该步为不活动步时继续打开；非存储型命令“打开1号阀”，是指该步为活动步时打开，为不活动步时关闭。

除了以上的基本结构之外，使用动作的修饰词（见表4-3）可以在一步中完成不同的动作。

修饰词允许在不增加逻辑的情况下控制动作。

例如，可以使用修饰词L来限制配料阀打开的时间。

表4-3动作的修饰词

非存储型

当步变为不活动步时动作终止

置位（存储）

当步变为不活动步时动作继续，直到动作被复位

复位

被修饰词S，SD，SL或DS起动的动作被终止

时间限制

步变为活动步时动作被起动，直到步变为不活动步或设定时间到

时间延迟

步变为活动步时延迟定时器被起动，如果延迟之后步仍然是活动的，动作被起动和继续，直到步变为不活动步

脉冲

当步变为活动步，动作被起动并且只执行一次

存储与时间延迟

在时间延迟之后动作被起动，一直到动作被复位

延迟与存储

在延迟之后如果步仍然是活动的，动作被起动直到被复位

存储与时间限制

步变为活动步时动作被起动一直到设定的时间到或动作被复位

在图4-11中定时器T0的线圈应在M1为活动步时“通电”，M1为不活动步时断电，从这个意义上来说，T0的线圈相当于步M1的一个动作，所以将T0作为步M1的动作来处理。

步M1下面的转换条件T0由在指定时时间到时闭和的T0的常开触点提供。

因此动作框中的T0对应的是T0的线圈，转换条件T0对应的是T0的常开触点。

4.2.3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。

在画顺序功能图时，将代表各步的方框按它们成为活动步的向后次序顺序排列，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。

在可以省略箭头的有向连线上，为了更易于理解也可以加箭头。

如果在画图时有向连线必须中断（例如在复杂的图中，或用几个图来表示一个顺序功能图时），应在有向连线中断之处标明，下一步的标号和所在的页数，如步12、8页。

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命题，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，使用得最多的是布尔代数表达式。

转换条件X0和

分别表示当输入信号X0为ON和OFF时转换实现。

↑X0和↓X0分别表示当X0从0→1状态和从1→0状态时转换实现。

为了便于将顺序功能图转换为梯形图，最好用代表各步的编程元件的元件号作为步的代号，并用编程元件的元件号来标注转换条件和各步的动作或命令。

4.2.4顺序功能图的基本结构

1．单序列

单序列有一系列相继激活的步组成，每一步的后面仅有一个转换，每一个转换的后面只有一个步（见图4-12a）。

2．选择序列

选择序列的开始称为分支（见图4-12b），转换符号只能标在水平连线之下。

如果步2是活动步，并且转换条件c=1，将发生有步2→步3的进展。

如果步2是活动步，并且h=1，讲发生由步2→步5的进展。

如果将选择条件h改为ch，则当c和h同时为ON时，将优先选择c对应的序列，一般只允许同时选择一个序列，即选择序列中的各序列是互相排斥的，其中的任何两个序列都不会同时执行。

选择序列的结束称为合并（见图4-12b），几个选择序列合并到一个公共序列时，用需要重新组合的序列相同数量的转换符号和水平连线来表示，转换符号只允许标在水平连线之上。

如果步4是活动步，并且转换条件e=1，将发生由步4→步7的进展。

如果步6是活动步，并且j=1，将发生由步6→步7的进展。

3．并行序列

并行序列的开始称为分支（见图4-12c）,当转换的实现导致几个序列同时激活时，这些序列成为并行序列。

当步2是活动步，并且转换条件c=1，3和6这两步同时变为活动步，同时步2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、6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。

并行序列用来表示系统的几个同时工作的独立部分的工作情况。

并行序列的结束称为合并（见图4-12c），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（步4、7）都处于活动状态，并且转换条件e=1时才会发生步4、7到步5的进展，即步4、7同时变为不活动步，而步5变为活动步。

在每一个分支点，最多允许8条支路，每条支路的步数不受限制。

4．跳步、重复和循环

1）跳步在生产过程中，有时要求在一定条件下停止执行某些原定动作，可用图4-13a所示的跳步序列。

这是一种特殊的选择序列，当步1为活步时，若转换条件f=1，b=0时，则步2、3不被激活而直接转入步4。

2）重复在一定条件下，生产过程需重复执行某几个工步的动作，可按图4-13b绘功能图。

它也是特殊的选择序列，当步4为活步时，若转换条件e=0而h=1时，序列返回到步3，重复执行步3、4，直到转换条件e=1才转入步7。

3）循环在序列结束后，用重复的办法直接返回到初始步，就形成了系统的循环入图4-13c所示。

课题：

第四章开关量控制系统梯形图设计方法

4.3顺序控制梯形图的编程方法

要求：

1.掌握PLC程序设计的一般步骤；

2.掌握PLC程序设计的常用方法。

重点：

PLC程序设计的一般步骤

难点：

PLC程序设计的常用方法

教学手段：

口述、板书

教学方法：

多媒体、讲授法、启发式等直观教学法

4.3顺序控制梯形图的编程方法

根据控制系统的顺序功能图设计梯形图的方法，称为顺序控制梯形图的编程方法。

在本节内主要介绍使用起保停电路的编程方法、以转换为中心的编程方法、使用步进梯形指令（STL）的编程方法。

4.3.1使用起保停电路的编程方法

根据顺序功能图设计梯形图时，可用内部辅助继电器M（特殊辅助继电器除外）来代表各步。

某一步为活动步时，对应的辅助继电器为ON，某一转换实现时，该转换的后续步变为活动步，前一级步变为不活动步。

很多转换条件都是短信号，即它存在的时间比它激活的后续步为活动步的时间短，因此应使用有记忆（或称保持）功能的电路来控制代表步的辅助继电器。

如常用的有起、保、停电路和置位、复位指令组成的电路。

起保停电路仅仅使用与触点和线圈有关的通用逻辑指令，各种型号PLC都有这一类指令，所以这是一种的编程方法，适用于任何型号PLC。

如图4-14所示，采用了起保停电路进行顺序控制梯形编程。

图中M2、M3和M4是顺序功能图中顺序相连的3步，X2是步M3之前的转换条件。

设计起保停电路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，转换实际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M3变为活动步的条件是它的前级步M2为活动步，且转换条件X2=1。

在起保停电路中，则应将前级步M2和转换条件X2对应的常开触点串联，作为控制M2的起动电路。

当M3和X3均为ON时，步M4变为活动步，这时步M3应变为不活动步，因此可以将M4=1作为使辅助继电器M3变为OFF的条件，即将后续步M4的常闭触点与M3的线圈串联，作为起保停电路的停止电路。

图4-12中的梯形图可以用逻辑代数式表示为

在这个例子中，M4的常闭触点可以用X3的常闭触点来代替。

但是当转换件由多个信号经“与、或、非”逻辑运算组合而成的，应将它的逻辑表达式求反，再将对应的触点串并联电路作为起保停电路的停止电路，不如使用后续步的常闭触点这样简单方便。

表4-4运料小车的现场信号和PLC软继电器编号对照表

分类

输入信号

输出信号

步序继电器

其它

信号名称

起动按钮

左限位开关

右限位开关

右行接触器

左行接触器

装料电磁铁

卸料电磁铁

预备状态

一工步

二工步

三工步

四工步

激活初始步

装料卸料时间

现场信号

SQ1

SQ2

KM1

KM2

YV1

YV2

t0t1

PLC地址

M8002

T0T1

1．使用起保停电路的单序列结构的编程方法

以图4-15a所示的运料小车自动循环的控制过程为例说明单序列的编程方法和用顺序功能图绘制梯形图的步骤：

根据控制要求绘制功能图首先把工作循环分成预备、装料、右行、卸料和左行共5步，它们的转换条件分别为SB（X0）、T0、SQ2（X2）、T1和SQ1（X1）图4-15c画出了功能图，并且填写了各步对应的动作及执行电器的工作情况

2）编制现场信号与PLC软继电器编号对照表，根据图4-12运料小车的功能图，给标在功能图上的各个现场信号或工步，分配一个PLC软继电器编号与之对应，可列出对照表4-4。

3）工步状态的逻辑表达式根据功能图直接写出五个工步状态的以

PLC地址表达的逻辑式：

4）各执行电器（即输出信号）的逻辑表达式为：

Y002=M1，T0=M1

Y000=M2

Y003=M3，T1=M3

Y001=M4

5）根据逻辑表达式画出梯形图由电路的逻辑表达规律，可画出步序继电器和输出信号的梯形图（图4-16）。

6）写出指令语句表（略）

2、使用起保停电路的选择序列结构的编程方法

复杂控制系统的顺序功能图由单序列、选择序列和并行序列组成，掌握了选择序列和并行序列的编程方法，就可以将复杂的顺序功能图转换为梯形图。

对选择序列和并行序列编程的关键在于对它们的分支和合并的处理，转换实现的基本规则是设计复杂系统梯形图的基本规则。

如图4-17是自动门控制系统的顺序功能图。

人靠近自动门时，感应器X0为ON，Y0变为ON，驱动电动机正转高速开门，碰到开门减速开关X1时，Y1变为ON，减速开门。

碰到开门极限开关X2时电动机停转，开始延时。

若在1秒内感应器检测到无人，Y2变为ON，起动电动机反转高速关门。

碰到关门减速开关X4时，Y3变为ON，改为减速关门，碰到关门极限开

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