可编程控制器原理与实践(三菱fx2n系列)第3章 可编程控制器程序设计

1、第4章 可编程控制器程序设计 教学提示教学提示：本章主要介绍了可编程控制器的各种程序设计方法，包括梯形图程序设计方法、状态转移程序设计方法和顺序控制类程序设计方法。每种方法经过举例分析，详细介绍了它们的特点、设计思路和设计步骤。 教学目标教学目标：熟悉梯形图编程的基本规则，熟练掌握梯形图编程的方法；掌握状态转移图的设计步骤和方法；设计顺序控制类程序时，领会各种方法的设计思路，并能灵活应用。4.1 梯形图程序设计方法梯形图程序设计方法4.2 状态转移程序设计方法状态转移程序设计方法4.3 顺序控制类程序设计方法顺序控制类程序设计方法4.1 梯形图程序设计方法4.1.1 梯形图设计基本规则梯形图设

2、计基本规则4.1.2 输入信号最高频率输入信号最高频率4.1.3 梯形图程序设计方法的步骤梯形图程序设计方法的步骤4.1.4 梯形图程序设计注意事项梯形图程序设计注意事项4.1.1 梯形图设计基本规则 梯形图编程基本规则：1、梯形图编写程序时，应按照自上而下、自左而右的顺序编写 。2、梯形图的每一行（阶梯）都是始于左母线，终于右母线 。 (a) 不正确 (b) 正确 图4.1 线圈与右母线之间不可以有接点3、线圈不能直接与左母线相连接。 (a) 不正确 (b) 正确图4.2 线圈不能直接与左母线相连接4、梯形图中的接点可以任意的进行串联或并联, 但线圈不能串联输出。5、不宜采用双线圈输出。 (

3、a) 双线圈输出 (b) 并行输出 图4.3 双线圈输出和并行输出6、梯形图中接点要画在水平线上，不可画在垂直线上 (a) 不可编程桥式电路 (b) 可编程等效电路 图4.4 桥式电路及等效电路7、梯形图编程时应遵循“上重下轻”和“左重右轻”的原则。即串联多的支路应尽可能放在上部，并联多的支路应尽可能放在左边靠近左母线。 (a) 安排不当 (b) 安排得当图4.5“上重下轻”原则 (a) 安排不当 (b) 安排得当图4.6 “左重右轻”原则8、每个程序结束后都应该有程序结束指令（END）。4.1.2 输入信号的最高频率 PLC采用集中I/O刷新的扫描工作方式，从PLC的输入信号发生到引起输出端

4、信号变化是需要一定时间的，另外，PLC输入端采用RC滤波、光电隔离等技术，也会引起输出滞后。这样，如果输入信号变化的太快，即输入信号ON时间或OFF时间过窄，PLC就有可能检测不到。也就是说，PLC的输入信号的ON或OFF时间必须比PLC的扫描周期长。 若扫描周期为10ms，考虑输入滤波器的响应延迟时间也为10ms，则要求输入信号的ON或OFF时间至少为20 ms，即输入脉冲的周期至少为40 ms。因此，要求输入脉冲的频率低于25HZ（1/40 ms）。这种滞后响应对一般的控制系统是无关紧要的，而且还能增强系统的抗干扰能力，所以在一般的工业顺序控制场合是完全允许的，但它不能满足要求I/O响应速

5、度快的实时控制场合。 现在的PLC除了提高扫描速度、优化用户程序外，还在软硬件上采取响应的措施，来提高I/O的响应速度。（1）在硬件方面，可选用高速计数模块、快速响应模块等。FX2系列PLC提供了8个高速输入（X0X7），其滤波时间很短。（2）在软件方面，主要采用改变信息刷新方式、运用中断技术、调整输入滤波器等措施，可以处理的输入信号的最高频率有很大的提高。随着技术的不断进步，三菱FX系列中最高档次机型FX2N系列PLC可以处理的输入信号的频率可达20KHZ。 4.1.3 梯形图程序设计方法的步骤例4.1 图4.7为一个电机点动和长动的继电接触控制电路，该控制电路既可实现点动运转，又可实现连续

6、运转。试将其控制部分线路改成与其等效的PLC控制的梯形图。图4.7 电机点动和长动控制电路图设计步骤如下： (1) 明确功能要求明确功能要求 接上电源，按下点动按钮SB1后，KM线圈得电，KM主触点闭合，电机作点动运转。 按下长动按钮SB2，KA线圈得电，KA辅触点闭合自锁，KM线圈得电，电机作长动运转。 按下停止按钮SB3，电机停止运转。 FR为热继电器触点，动作后电机因过载保护而停止。(2) 设置设置I/0端口端口输 入输 出名称 输入点名 称输入点点动按钮SB1X001接触器KMY000长动按钮SB2X002停止按钮SB3X003热继电器触点FRX004(3) 梯形图梯形图 (4) 指令

7、表指令表图4.8 梯形图和指令表(5) 画接线图画接线图 图4.9 电机点动和长动接线图 虽然图4.7中SB3和FR都是常闭接点，但改成PLC控制后，它们都是以常开接点的形式与PLC相连接，这一点尤其要注意。 只要是输入点就接在PLC的输入端与输入COM之间，如SB1接在X001和COM之间；只要是输出点就与电源串联后接在PLC的输出端与输出COM之间，如KM与220V电源串联后接在Y000和COM之间。 PLC控制接线图实际上只与输入/输出点有关，当我们需要改变控制要求而输入/输出点不变时，PLC控制接线图就可以不变了，这就是采用PLC控制优于传统的继电器控制之处。4.1.4 梯形图程序设计

8、的注意事项1、中间元件的设置、中间元件的设置 在梯形图中，某些元件只作为中间过渡作用而不起最后输出作用时，可以把它们设置为辅助继电器，如图4.7中的KA。当多个线圈都受某一触点的串并复杂电路控制时，在梯形图中就可设置用该电路控制的辅助继电器，再用该辅助继电器的触点去控制线圈输出，以起到简化电路的作用。 2、梯形图编程时，应尽量少占用、梯形图编程时，应尽量少占用PLC的输入点和的输入点和输出点输出点 PLC的价格与I/O点数有关，减少PLC的输入/输出点是降低硬件费用的主要措施。在梯形图中，同一编号的接点可以使用无限多次。一般只需同一输入器件的常开/常闭接点给PLC提供一个输入信号，在梯形图中就

9、可多次使用该输入继电器的常开/常闭接点了。 有时候，在一些继电器电路中，几个输入触点的串并电路作为整体多次出现时，我们可以将它们当作PLC的一个输入信号，就占用一个输入点。3、程序的优化设计、程序的优化设计 在用梯形图设计程序时，为减少语句指令表的条数，串联多的支路应尽可能放在上部，并联多的支路应尽可能放在左边靠近左母线，单个接点在串联电路中应放在电路块的右边，在并连电路中应放在电路块的下面。另外，在有线圈并联的电路中，将单个线圈放在上面。图4.10 安排不当的梯形图和优化后的梯形图（a） 安排不当的梯形图（b） 优化后的梯形图 比较一下图4.10中（a）图和（b）图，不难看出优化后的梯形图不

10、仅少用了块指令ORB和ANB，也避免了使用入栈指令MPS和出栈指令MPP，缩短了指令表的条数。 在用梯形图设计程序时，应遵守梯形图设计的基本规则，使图形尽可能的优化，电路清晰，易于读图。4.2 状态转移程序设计方法4.2.1 状态转移程序设计方法的步骤状态转移程序设计方法的步骤4.2.2 状态转移图的编制方法状态转移图的编制方法4.2.1 状态转移程序设计方法的步骤 SFC主要有“工步”、“状态转移”、“状态输出”及“有向线段”等元素组成，状态转移程序设计方法的一般步骤如下：确定确定SFC的工步的工步(1) 每一个工步都是描述控制系统中对应的一个相对稳定的状态，在整个控制过程中，执行元件的状态

11、变化决定了工步数。注：*表示序号 （a） 一般工步 （b） 初始工步 图4.11 工步的符号表示 初始工步对应于初始状态，是控制系统运行的起点。一个控制系统至少有一个初始工步。一般工步指控制系统正常运行时的某个状态。 (2) 设置状态输出设置状态输出 确定好SFC的工步后，即可设置每一工步的状态输出，也就是明确每个状态的负载驱动和功能。状态输出符号写在对应工步的右边，假设此时对应输出用Y001表示，如图4.12所示。 图4.12 状态输出符号表示 (3) 设置状态转移设置状态转移 状态转移说明了从一个工步到另一个工步的变化。转移符号如图4.13所示，即用有向线段加一段横线表示。 转移需要满足转

12、移条件，我们可以用文字语言或逻辑表达式等方式把转移条件表示在转移符号旁。 图4.13 转移符号表示 4.2.2 状态转移图的编制方法例4.2 设计一个控制洗衣机清洗的SFC程序。（1）功能要求）功能要求 按下起动按钮SB1后，控制洗衣机清洗的电机先正转3s，停3s； 然后电机变为反转3s，停3s； 重复5次，自动停止清洗。(2) I/O端口设置端口设置输 入输 出 名 称输入点名 称输入点起动按钮SB1X001正转接触器KM1Y001反转接触器KM2Y002(3) 状态分配状态分配 可以把整个工作过程分成4个工步，如下表中第1列的第一工步到第四工步，其中每个工步对应一个状态，如下表中3第2列所

13、示。T3、0C(4) 状态输出状态输出 状态输出如上表中第3列所示，即写出每个状态的负载驱动与功能。(5) 状态转移状态转移 状态转移如上表中第4列所示，即写出状态转移的条件和状态转移的方向。如上表中当转移条件X001成立时，状态从S2转移到S20，此时电机正转。如上表中当T3时间到，但清洗次数C0没到时，状态从S23转移到S20，此时又开始重复正转；当T3时间到，清洗次数C0也到时，状态从S23转移到S2，洗衣机就自动停止清洗。(6) 绘制状态转移图绘制状态转移图 对照状态表绘制状态转移图，由状态转移图，可以转换成相应的梯形图，如图4.14所示。复杂的控制系统的状态转移图由单流程状态、选择结

14、构状态流程和并行结构状态流程组成。图4.1.4 控制洗衣机清洗的状态转移图 选择性结构状态流程的特点是在多个分支结构中，当状态的转移条件在一个以上时，根据转移条件来选择转向具体哪个分支。图4.14中，状态S23之后有一个选择结构分支，当状态S23被击活时，如果转移动条件T3为ON、C0为OFF，将转移到状态S20；如果转移动条件T3为ON、C0也为ON，将转移到状态S2。 并行结构状态流程的特点是当某个状态的转移条件满足时，将同时执行两个或两个以上的分支，称为并行结构分支。例4.3中SFC即为并行结构状态流程。结论：复杂的控制系统的状态转移图由单流程状态、选择结构状态流程和并行结构状态流程组成

15、。 选择性结构状态流程的特点是在多个分支结构中，当状态的转移条件在一个以上时，根据转移条件来选择转向具体哪个分支。图4.14中，状态S23之后有一个选择结构分支，当状态S23被击活时，如果转移动条件T4为ON、C0为OFF，将转移到状态S20；如果转移动条件T4为ON、C0也为ON，将转移到状态S2。 并行结构状态流程的特点是当某个状态的转移条件满足时，将同时执行两个或两个以上的分支，称为并行结构分支。例4.3中SFC即为并行结构状态流程。例4.3 某钻床控制系统的控制过程如下：用钻床来加工盘状零件上的孔，放好工件后，按下起动按钮X000，Y000为ON，工件被加紧，加紧后压力继电器X001为

16、ON，甲、乙两个钻头同时向下给进Y001、Y003为ON。甲钻头到限位开关X002设定的深度时，Y002为ON，甲钻头上升；乙钻头钻到限位开关X004设定的深度时，Y004为ON，乙钻头上升。X003、X005为甲、乙两个钻头的上限位开关，两个都到位后，Y000为OFF，使工件松开，松开到位后，限位开关X006为ON，系统返回到初始状态。钻床甲、乙两个钻头的工作示意图如图4.15所示，试画出该控制系统的状态流程图及相应的步进梯形图。图4.15 钻床钻头的工作示意图解解：根据要求和工作示意图，可以画出状态表 由状态表可以画出状态转移图，如图4.16所示图4.16 钻床控制系统状态转移图4.3 顺

17、序控制类程序设计方法4.3.1 使用起保停电路的编程方法使用起保停电路的编程方法4.3.2 状态转化的编程方法状态转化的编程方法4.3.3 步进指令的编程方法步进指令的编程方法图4.18 起保停电路 4.3.1 使用起保停电路的编程方法 图4.18中，辅助继电器M1、M2和M3代表状态转移图中顺序相连的3个工步，X001是M2之前的转化条件，当M1为活动步，即M1为ON，转换条件X001满足时，X001的常开接点就闭合，此时可以认为M1和X001的常开接点组成的串联电路作为转换实现的两个条件，使后续工步M2变为活动步，即M2为ON，同时使M1变为不活动步，即M1为OFF。 X002是M2之后的

18、转换条件，为了使工步M2为ON后能保持到转换条件X002满足，就必须有保持功能或有记忆功能的电路来控制代表工步的辅助继电器，起保停电路就是典型的有记忆功能的电路。 利用起保停电路由状态转移图画出梯形图，通常要从以下两个方面进行考虑。(1) 工步的处理工步的处理 在起保停电路中，用辅助继电器来代表工步，当某一工步为活动步时，对应的辅助继电器为“ON”状态。当某一转换实现时，该转换的后续步变为活动步，前级步就变为不活动步。 在设计起保停电路时，关键是找出起它的动条件和停止条件。转换实现的条件是它的前级步为活动步，并且满足相应的转换条件。 (2) 输出电路输出电路 如果某一输出量仅在某一步中为ON时

19、，可以将它们的线圈分别和对应的辅助继电器的常开接点串联，也可以将它们的线圈和对应的辅助继电器的线圈并联。 如果某一输出继电器在几步中都为ON时，应将各辅助继电器的常开接点并联后，驱动该输出继电器的线圈。例4.4 某自动送料小车工作如图4.19所示。图4.19 自动送料小车工作示意图 开始小车停在料斗下面，压下限位开关X001，当按下起动按钮X000，料斗Y002打开，开始装料，10S后装料结束，料斗关闭，小车右行，Y000为ON，到达卸料处，压下限位开关X002，开始卸料，10S后卸料结束，小车左行，Y001为ON，返回装料处装料，完成一个工作周期，如此循环，当按下停止按钮X003，小车在完成

20、当前工作周期的最后一步后返回初始状态，小车停止工作。小车自动送料的状态转移图 图4.20 小车自动送料的转移图 小车自动送料的梯形图 图4.21 小车自动送料的梯形图 在图4.21所示的梯形图中，设置了用起保停电路控制的辅助继电器M5，以便实现当按下停止按钮X003，小车在工步M4之后停止工作。在该起保停电路中，当按下起动按钮X000后，M5变为ON，M5只是在工步M4之后的转换条件中出现，所以按下停止按钮X003后，M5虽然变OFF，但小车不会马上停止工作。在图4.20所示的顺序功能图中，工步M4后，如果转换条件X001满足而M5不满足，系统将返回初始步M0，小车停止工作；如果转换条件X00

21、1和M5满足，系统返回工步M1，重新开始一个周期的工作。 4.3.2 状态转换的编程方法 状态转换的编程方法与起保停电路的编程方法一样，也是用辅助继电器M代表各工步。 图4.21 状态转换的编程方法 图4.21中，M1、M2、M3代表状态转移图中相连的3步，X001、X002分别是工步M1和M2之后的转移条件。当M1为ON（活动步），转换条件X001也为ON时，可以认为M1和X001的常开接点组成的串联电路作为转换实现的两个条件，使后续工步M2变为ON，同时使前级步M1变为OFF（不活动步）。同样，当M2为ON，转换条件X002也为ON时，可以认为M1和X002的常开接点组成的串联电路作为转换

22、实现的两个条件，使后续工步M3变为ON，同时使前级步M2变为OFF。在梯形图中，我们用“SET”指令将转换的后续步置位为活动步，用“RST”指令使转换的前级步复位为不活动步。 图4.21中，每一个转换对应一个置位和复位的电路块，有几个转换就对应几个这样的电路块，所以这种编写方法比较有规律，不容易出错，在设计较复杂的状态转移图和梯形图时非常有用。 例4.5 某自动门控制系统的工作示意图如图4.22所示。图4.22 自动门控制系统的工作示意图 当传感器检测到有人接近自动门时，传感器检测信号X000为ON，Y000驱动电动机快速开门，当碰到开门减速开关X001为ON时，变为慢速开门，Y001为ON，

23、碰到开门极限开关X002为ON时，电动机停转，并延时5s。若5s后，传感器检测到无人，Y002为ON，启动电机快速关门，碰到关门减速开关X003为ON时，改为慢速关门，Y003为ON，碰到关门极限开关X4时，电动机停转。在关门期间，若传感器检测到有人时，马上停止关门，并延时0.5s后自动转换为快速开门。自动门控制系统的状态转移图 图4.23 自动门控制系统的状态转移图自动门控制系统的梯形图 图4.23 自动门控制系统的梯形图 注意：使用这种编程方法，不能将输出继电器的线圈与SET指令和RST指令并联。应该根据状态转移图，将代表工步的辅助继电器的常开接点或它们的并联电路来驱动输出继电器的线圈。4

24、.3.3 步进指令的编程方法 步进指令即STL指令，我们通过学习本书的3.4节知道，FX系列PLC有一对步进指令“STL”和“RET”，分别表示步进开始和步进结束，利用这两条指令可以很方便的编制步进梯形图。 FX系列PLC采用步进指令的编程方法，在设计状态转移图时，用状态组件S表示系统运行中某个状态，FX2系列PLC共有1000个状态组件，详细参看表3-7。它们是构成状态转移图的基本组件，也是构成步进梯形图的重要元素。 用FX系列PLC的状态组件编写顺序控制程序时，应与STL指令一起使用，使用STL的状态组件的常开触点称为STL触点。 图4.24 状态转移图、梯形图和指令表的对应关系例4.6 将图4.14所示的控制洗衣机清洗的状态转移图改成步进梯形图图4.1.4 控制洗衣机清洗的状态转移图图4.25 控