第七章 编程方法概论.docx
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第七章编程方法概论
第七章编程方法概论
ZEN是一种微型的PLC控制器，其主要是用来处理开关信号，开关信号只有两种状态，要么“开”要么“关”，此外没有第三种状态。
我们可以逻辑变量“0”和“1”来描述开关量的这种特性，即若用“0”表示开关的“关”的话，那么就用“1”表示其“开”。
另外线圈的状态也只有两种，即断电与通电，同样可以用“0”和“1”来描述。
在逻辑代数中我们将这种能用“0”和“1”描述的信号称为逻辑信号。
在继电控制中，无论是输入还是输出信号都是可以用逻辑值表示的，如控制电器的触点通和断，被控线圈得电与失电等，因此从逻辑代数的角度出发继电控制是一种逻辑控制，习惯上我们常常将其称为开关量控制。
1968年美国通用汽车公司（GM）为了适应汽车工业发展的需要，对设计新型控制电器提出了10条要求：
1．编程简单，可现场修改程序。
2．维修方便，最好是插件形式。
3．可靠性高于继电控制系统。
4．体积小于继电控制柜。
5．可将数据直接送入管理计算机。
6．在成本上可与继电器控制系统竞争。
7．输入可用交流电115V。
8．输出为交流115V、2A以上，能直接驱动电磁阀。
9．在扩展时，原有系统只需很小变动。
10．用户程序存储器容量至少能扩展到4k字。
这就是著名的GM10条，它直接导致了PLC的产生。
早期的PLC只能用于逻辑控制，所以当时称之为可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController），其设计的理念就是以CPU技术为核心，通过逻辑运算处理工业现场的逻辑判断、计时、计数和顺序控制等功能。
随着微电子技术的高速发展，PLC的功能已经远远超出了原有设想，它不再是仅有逻辑功能，还同时具备了数据处理、模拟信号处理、PID调节和数据通信等功能。
目前，对于企业中大多数的自动化设备而言依然是逻辑控制和顺序控制，用PLC控制则显得大才小用，内部资料浪费甚大，PLC的性价比得不到充分体现。
因此各PLC生产商又开发出专门适合于逻辑控制的微型PLC，不但降低了控制器成本，同时又很好地保留了PLC的优点。
ZEN是日本OMRON公司研发的一种逻辑控制器，类似的产品还有德国西门子公司的LOGO和施耐得公司的MAZA等等。
这类机型大多内嵌简易的编程工具，使用方便。
同时由于它的价格低廉、工作可靠、体积小，而且它可以输出的电流比其它的PLC都大，有的可达8A。
已经成为新一代继电控制的替代控制器，越来越得到广大工程技术人员的喜爱。
在一个ZEN控制的系统中，技术含量较高的工作是程序设计，至于安装接线则只要按照规范要求进行就可以了。
下面我们讨论程序设计的方法和步骤。
§7.1ZEN控制系统的设计步骤
一个控制系统在进行设计前首先必须了解被控制系统的电力拖动基本情况，了解被控设备或系统的工作规律和工艺特点。
在此基础上结合用户的要求制订控制方式，然后进行原理设计与施工设计。
一、了解被控制系统的电力拖动基本情况
电力拖动基本情况是指被控设备工作机构的工作特点、驱动方式、驱动电动机的参数、起动要求、制动要求、调速要求等等。
例如，在电镀流水线项目中，电力拖动的基本特点是：
1．提升机构与行走机构采用两台三相异步电动机分别驱动，电动机的型号为ZD22-4（Pn:
1.5KwNn:
1380V：
380VIn:
4.3A）和ZDY11-4（Pn:
0.2KwNn:
1380V：
380VIn:
0.72A）
2．提升机构电动机停车制动采用电磁控制的机构制动器制动。
行走机构为了准确定位采用能耗制动停车。
二、了解被控设备或系统的工作规律或工艺特点
设备或系统的工作规律和工艺特点是指其工作机构的运动特点，如工作机构的运动形式，工艺流程的规律等等。
例如，在电镀流水线项目中，电镀行车的工艺流程如下：
工人在原始位置将待镀工件放入吊蓝中后发出“起动电镀”工作命令→吊蓝自动上升至合适位置后停止→行车平移到清洗槽上方后停止→吊蓝自动下降至清洗槽内进行清洗处理（处理时间为5分钟）→清洗处理结束后吊蓝自动上升至合适位置后停止→行车平移到电镀槽上方后停止→吊蓝自动下降至电镀槽内进行电镀处理（处理时间为15分钟）→电镀处理结束后吊蓝自动上升至合适位置后停止→行车平移到中和槽上方后停止→吊蓝自动下降至中和槽内进行中和处理（处理时间为10分钟）→中和处理结束后吊蓝自动上升至合适位置后→行车返回到原始位置放下吊蓝后结束工作。
二、按用户要求制订控制方式
设备或系统的控制方式是指控制的方案，控制方案有手动控制、点动控制、半自动控制、自动控制等。
例如，在电镀流水线项目中，电镀行车的控制方案我们将采用点动调整工作、手动操作工作和半自动控制等三种工作方式。
1．点动调整是指通过按钮的点动控制来完成行车行走机构和提升机构的运动。
这种方式往往用于正式工作前的设备调整。
2．手动控制方式是指直接通过主令电器发出不同要求的工作命令，这种电路往往只需要简单的安全联锁即可。
3．半自动控制是指一旦发出启动命令后，在一个工作周期内无需人工干预，直至一个工作循环结束。
三、原理设计与施工设计
原理设计主要是指根据设备的工作规律或工艺特点结合控制要求设计出主电路和控制电路或程序。
施工设计主要是指画出各种安装图和接线图等等。
§7.2ZEN控制系统的梯形图设计
梯形图程序的设计方法很多，有经验设计法，步进设计法等等。
经验设计法这种方法来源于继电控制电路的设计思路，是一种最基本的设计方法。
另一种“步进”设计法则是模仿顺序控制的工作特点，它适合于自动化程度较高的顺序控制系统，PLC程序设计中用这种方法来设计顺序控制程序简单高效。
但是ZEN由于没有专门的“步进”指令，因此需要技术人员自行设计“步进”梯形图，相对PLC而言略显麻烦。
经验设计法用于设计简单的控制程序，这种方法由于没有规律可循，因此程序的质量高低完全由设计者的水平和经验决定。
采用这种方法对于较复杂的控制系统显得费时费力。
但这种方法直截了当，因此对于无顺序规律可循的控制系统、这种方法还是我们首选的方法。
§7.2.1梯形图经验设计法
这种方法与继电控制电路的设计方法完全相同，把梯形图看成电路，ZEN中的内部器件看成是“普通的继电器”。
在进行设计时注意以下问题：
1．必须清楚ZEN中各种“软电器”的使用方法。
例如，输入继电器的线圈、周计时器线圈等不能用于梯形图；梯形图中没有“显示位”触点等问题。
2．梯形图中的触点是可以无数次使用的，也就是说用于梯形图中的触点数量的无限的。
这一点对编制梯形图程序是十分重要的。
3．由于CPU处理的速度很快，对一般的逻辑控制控制系统不必考虑响应速度的问题。
这就意味着一般情况不必过多考虑梯形图的长短，衡量梯形图质量的标准应当时逻辑清楚、阅读简单。
下面我们通过一些例子说明经验设计法设计程序的过程。
[例一]附图7-1是自动扶梯电路的配线示意图。
要求如下：
1．工作日（周一到周五）从早上7：
00开始到中午10：
00以及晚上17：
00开始到22:
00连续运行。
2．其它时间和周末时只有当检测到有人乘坐自动扶梯时才运行，运行3分钟后自动停止运行。
3．要求有手动功能方便调整。
设计步骤：
附表7-1输入/输出端子分配表
电器名称
作用
端子分配
传感器
输入
I0
SB1
输入
I1
SB2
输入
12
KM
输出
Q0
1．分配输入输出端子（附表7-1所示，配线图已经画出），一般情况下ZEN系统的输入采用常开触点，不要采用常闭点，除非不迫不得已。
2．
程序设计：
经验设计法。
3．有关设置如下：
1）T0：
设置成为断电延时型，延时时间3分钟。
2）周定时器@1设置成为:
N型（普通型）,日期设置成:
周一～周五，时间设置成：
开始时间7：
00，结束时间10：
00。
3）周定时器@1设置成为:
N型（普通型）,日期设置成:
周一～周五，时间设置成：
开始时间17：
00，结束时间22：
00。
该梯型图未将手动调整功能加入，因此无法进行手动调试和调整，很不方便。
请同学们思考一下如何将此功能加入。
[例二]附图7-2是投币自动洗车机配线示意图。
根据投入的硬币数量，ZEN可用来控制洗车机运行的时间。
要求如下：
1．投入1个硬币，则洗车机可以工作3分钟；投入2个硬币，则洗车机可以工作6分钟。
依此类推。
2．最多只能投入3个硬币，即洗车时间最长是9分钟。
设计步骤：
1．分配输入输出端子（图示）。
2．程序设计：
经验设计法（梯形图见附图7-4所示）。
请同学们分析工作原理。
在梯形图采用了保持型辅助继电器（H）T保持型计时器（#）这是为什么？
在这个程序中能否用计数器与定时器配合来控制时间呢？
如可以，那么程序如何设计？
经验设计法是每个同学必须掌握的方法，通常我们所遇到的控制问题并不是十分复杂的问题，一般情况下用经验设计法往往是有效的。
§7.2.2步进程序设计法
在工业控制中，大多数的被控设备是按照“顺序规律”运行，因此顺序控制是采用最为频繁的一种控制手段，其中，以开关量作为被控对象的顺序控制又在顺序控制中占有很大比例。
所谓顺序控制，就是指使“生产机械的动作（或工作内容）按事先规定好的时间函数或逻辑顺序进行工作”的控制方式，这种控制方式也称为“步进”工作方式。
生产机械动特定的动作（或工作内容）称为“步”，步与步之间的顺序可以是按工艺要求，以时间原则划分，分时依次逐步控制；也可以根据工作内容划分，依前一步的结果和当时出现的条件，决定下一步应当执行的动作。
顺序控制中，某步（第N步）与前后步（第N—1步与第N+1步）之间的逻辑关系可以用以下函数描述：
式中，S称为转移条件，当S条件满足时（即S=1时），设备工作从（N—1）转入
到N步。
可以将这种逻辑关系直观地绘制成图形，见附图7—4所示，这种图在PLC编程技法里称为状态转移图。
图中的驱动执行机构指的是要实现该步工作内容时要求驱动的执行电器（例如继电器、接触器等），由于在PLC控制中，执行电器是由PLC输出继电器驱动，因此状态转移图的驱动执行机构往往直接用PLC输出继电器线圈表示。
由于PLC提供了专门编制这样程序的“步进”指令，因此在编制PLC步进程序时，通常会直接用“步进”指令编程，这样方法简单方便，编制的程序质量较好。
但是由于ZEN没有提供专门的“步进”指令，因此要编制“有规律的”步进程序，相对而言较PLC编程麻烦一些。
但是“步进”编程的思路在ZEN编程中依然是可以体现的，具体的做法如下：
1．
用辅助继电器构成“步进”移位器。
附图7—5是一个用集成电路构成的移位器。
移位器的工作原理这里就不再叙述了。
在“步进”程序的设计方法中，“环形步进移位器”的设计是整个“步进”程序设计中的关键问题。
在ZEN中虽然没有提供移位器，但是我们可以很方便地用普通辅助继电器通过编程的方法（用软件方法）来模拟“环形步进移位器”。
附图7—6是一个有4个辅助继电器M0、M1、M2、M3构成环形移位器。
（注：
图中Ma、Mb不是环形移位器的组成单元）
其工作原理分析如下：
1当ZEN接通电源，所有的辅助继电器元件均为“0”。
2按下I0瞬间，Ma闭合，于是Mb得电→[M0]=1→Ma、Mb失电。
3
按下I1瞬间→[M1]=1而[M0]=0。
4按下I2瞬间→[M2]=1而[M1]=0。
5按下I3瞬间→[M3]=1而[M2]=0。
至此完成一个工作循环。
若重新按顺序依次按下I0→I1→I2→I3，则M0、M1、M2、M3各元件中的状态变化重复前面的过程。
附图7—6中每个触点都有一定意义和作用，同学们可以去体会为什么要这样画。
这个环形移位器的工作过程可以用附图7-7表示。
初始状态可以这样定义，即ZEN已经进入RUN模式，但尚未发出操作走动命令，系统在等待起动信号以便进行运行状态。
同学们肯定会问？
这个环形移位器与我们的控制有什么关系呢？
下面我们通过一个例子来说明这种环形移位器是如何用于顺序控制的。
[例一]图7—8是电动机Y—△降压起动控制电路接线图。
ZEN控制的端子分配如图示。
电动机Y—△降压起动的过程是一个“步进”过程，可以用附图7—8所示的状态转移图来描述其启动过程。
该系统有三个状态组成，我们分别用M0、M1、M2三个辅助继电器来描述这三个状态的情况。
对用来描述三个状态的辅助继电器我们作以下定义：
1．M0=0时，我们此系统尚未被激活。
其意义可以理解为ZEN系统尚处于STOP状态。
当M0=1时，则ZEN系统已经处于RUN状态。
为了使控制过程的描述更具完整性，一般情况下都需要设置一个初始状态，[初始状态]=0时控制系统尚未被激活，其意义是对任何输入信号不能反应（例如，本例中[M0]=0时，我们定义为ZEN系统处于STOP状态），一旦[初始状态]=1时系统被激活，其意义是对任何输入信号就能作出反应，即进行入控制状态（例如，本例中[M0]=1时，我们定义为ZEN系统处于RUN状态）。
值得指出的是对初始状态的定义也不是一成不变的，要根据不同的情况而定，但是一旦其意义明确后，则通常影响到梯形图结构。
2．M1=1时，电动机已经工作在Y接法运行状态。
即此时ZEN的输出应当接通KM1、KM3接触器线圈。
3．M2=1时，电动机已经工作在△接法运行状态。
即此时ZEN的输出应当接通KM1、KM2接触器线圈。
4．
结合我们对环形移位器的理解不难发现，电动机由停止→Y→△→停止的过程，完全可以用附图7—8所示的状态转移图来描述，它是一个单循环的控制系统。
5．环形移位器的设计前面已经有“定式”，剩下的就是驱动问题如何解决。
附图7—9是电动机Y→△降压起运的驱动电路。
6．当[M1]=1时，[Q0]=1、[Q2]=1，由于联接在Q0、Q2两个端子上的接触器线圈KM1、KM3得电，电动机转入Y星起动运行。
7．当转到[M2]=1时，[Q0]=1、[Q1]=1，接触器线圈KM1依然保持得电，KM3失电而KM2得电，电动机转入△运行。
8．当转到[M0]=1时，[Q0]=0、[Q1]=0、[Q2]=0接触器线圈均失电，电动机停止运行。
至此完成一个循环。
问题是移位梯形图如何按要求进行“移位”的呢？
在这个例题中显然进行转移的条件是人发出的起动信号（SB0）或停止信号（SB1），另一个转移信号则是定时器（T0）发出的。
附图7—10为该控制的梯形图。
我们把其分为两部分，即“步进”移位梯形图和驱动梯形图。
程序的分析请同学们自己完成。
以上例子仅是说明“步进”程序设计的思路，对设计如电动机Y—△降压起动
这样的问题显然没有必要采用“步进”设计法。
从上面的分析来看，采用“步进”设计法反而显得更加麻烦。
最后要说明的是，用软件设计环形移位器的方法很多，环形移位器的梯形图结构类型有多种。
不管移位器的位数有多少，每一类的结构都是相同的，是有规律的。
这就意味着“步进程序的设计法”不象“经验设计法”完全凭个人的设计经验，而是可以遵循一定的规律。
ZEN的程序设计采用什么方法要具体问题具体分析，对于没有规律的、非顺序的、简单的控制问题可以采用经验设计法。
而对于顺序控制并且较为复杂时则可以考虑采用“步进”设计法。
方法选择问题是经验问题，也跟个人爱好有关，在这里不再讨论。
下面我们通过一些例子说明经验设计法设计程序的过程。
[例一]组合机床中常常用到小型液压动力滑台，该动力滑台工作流程如附图7—12所示，液压泵电机配合三位六通电磁阀完成快速进给→工作进给→快速后退运动。
很显然，动力滑台的工作是按照顺序原则进行的。
该动力滑台的状态转移图ZEN控制系统的输入、输出端子分配如附表7—1所示。
附表7—1液压动力滑台ZEN控制系统输入输出端子分配表
输入信号
端子分配
作用说明
SB1
I0
起动命令
SB2
I1
此信号在任何情况下均可使滑台停止运行
SB3
I2
手动使滑台退回原位
SQ1
I3
原始位置限位开关
SQ2
I4
转工作进给限位开关
SQ3
I5
终点限位开关
液压动力滑台ZEN控制系统输出端子分配表
输出信号
端子分配
说明
KM0
Q0
液压泵电机
C1
Q1
快速电磁阀
C2
Q2
工作进给电磁阀
C3
Q3
快速后退电磁阀
根据滑台示意图可知，其自动状态工作时的特点为单循环。
另外，考虑到操作需要，还另设有任何情况下的停止按钮（SB2）和返回手动按钮（SB3）。
该系统既有自动状态，又有手动状态，在这种情况下我们一般选择针对主要功能（在这个例子中主要功能为自动单循环）绘制状态转移图，而一些次要功能（在这个例子中次要功能为手动功能）则不要在状态转移图体现，否则状态转移图的结构会变得很复杂，这样往往得不偿失。
附图7—13是针对主要功能绘制的状态转移图。
图中没有体现手动功能时的一些输入信号（SB2和SB3）。
从图中不难发现要设计一个5位的环形移位器，其中初始状态定义为动力滑台在原始位置。
针对附图附图7—13所设计的梯形图如附图7—14所示。
这个梯形图将未将手动功能考虑进去，因此需要在此梯形图基础上加入手动功能。
对于停止功能而言，只要按下停止按钮SB2（I1）将所有状态（M1、M2、M3）复位，而使初始状态置位（M0）即可。
而手动后退功能（SB2）则可以
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