《可编程序控制器应用技术》项目三 机械手的PLC控制-单序列状态转移图设计法

项目三机械手的PLC控制——单序列状态转移图设计法3.1项目任务3.2项目分析与实施小结

巩固与提高习题与思考

学习目标：本项目从机械手的PLC控制入手，以机械手的PLC设计为主线，以状态转移图法为设计手段，详细介绍机械手的PLC设计过程。通过本项目的学习，学生能够领会可编程序控制器的单序列状态转移图法的设计思路，熟悉较复杂顺序控制项目的分析与实施的方法及步骤，掌握并熟练应用步进指令，形成一定的PLC设计实践能力。

教学提示：

(1)在项目二的基础上，运用单序列状态转移图法对机械手控制进行分析和设计，然后在“巩固与提高”环节中增加项目任务的功能。

(2)充分利用学校的实验、实训设施进行现场的调试与运行，在条件不充裕的情况下，让学生在仿真环境中进行模拟调试与运行。3.1项目任务

1．机械手的一般介绍工业机械手是近些年在自动化生产领域从工业机器人中发展起来的一个分支产物。其特点是通过对控制核心PLC进行编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器的优点，尤其体现了人的智能性和适应性。机械手作业可实现多个自由度控制，具有准确地在各种环境中完成作业的能力，在生产中应用广泛，是企业自动化设备的重要标志之一。

2．机械手的控制特点机械手一般由执行机构、驱动-传动机构、控制系统、智能系统、远程诊断监控系统五部分组成。驱动-传动机构与执行机构是联动关系，在驱动系统中可以分为机械式、电气式、液压式和复合式，其中液压式操作力最大。在实际生产中，气动控制的机械手由于其控制简单，更符合生产实际，应用最广。但在教学中用气动机械手辅助教学也存在一定的缺点：一是成本较高，不利于一对一地开展教学活动；二是动作变化少，一般只能实现四个自由度；三是需要气源，噪音较大。在本项目中，动力部分采用了步进电机，传动部分使用了同步带，提高了控制精度。在机械结构和步进电机驱动电路的设计中，考虑了PLC控制的需要，具有多点位置控制，还可以用脉冲计数来实现无位置联系条件下的多点控制，从而根据不同的动作需要，编制较多的练习程序。

3．机械手的控制要求图3-1所示为机械手的结构示意图。机械手右、上为原点，开机时机械手自动回原点，按启动按钮SB1，机械手先向下运动碰到下限位SQ2，向下运动停止，电磁铁通电，吸住工件，延时1秒钟，机械手向上运动碰到上限位SQ1，向上运动停止，机械手向左旋转，碰到左限位SQ3，向左运动停止，机械手向下运动，碰到下限位SQ2，向下运动停止，电磁铁断电，松开工件，延时1秒钟，机械手再向上运动，碰到上限位SQ1，向上运动停止，机械手向右旋转，碰到右限位SQ4，向右旋转停止，然后机械手向下运动进行自动循环。如果在任意时刻按下停止按钮SB2，则机械手完成一个工作周期到达原点后停止。图3-2所示为机械手的实物外形图。图3-1机械手的结构示意图图3-2机械手的实物外形图

4．机械手的主要性能指标

1)机械手的自由度和结构该机械手为圆柱坐标型，具有两个自由度，可以实现沿Z轴(上下方向)升降、绕Ｚ轴旋转。运动全部由步进电机驱动，手爪采用电磁方式控制。

2)机械手的主要性能指标在Z轴上，最大移动距离为90 mm。转盘绕Z轴旋转时，最小控制转角为15°，最大转角为135°。在两个自由度的相应位置上，装有限位开关SQ1～SQ4，其作用是机械手的位置控制以及防止因运动过限而损坏。

3)机械手的运动流程运动流程为：手臂下降→手爪抓紧(电磁铁吸合)→手臂上升→顺时针旋转→手臂下降→手爪放松(电磁铁放松)→手臂上升→逆时针旋转→返回原位，还可以根据实际需要设计其他控制流程。

4)机械手控制机械手的升降、旋转的控制流程由PLC实现，机械手的行走由步进电机来驱动，手爪动作由电磁铁实现。

5)机械手与PLC的接线机械手上的输出部分有：上升、下降、左旋、右旋、步进上、步进下、步进左、步进右、吸合、COM、+24 V。以上各点与PLC的输出(Y)相连。机械手上的输入部分有：上限、下限、中限、左限、右限、上升、下降、左旋、右旋、启动、停止、暂停、自动、手动、单步、单周期、回原点、COM。以上各点与PLC的输入(X)相连。3.2项目分析与实施下面围绕机械手的控制要求，介绍机械手的PLC控制系统的设计过程，并适时穿插PLC的相关知识。

1．分析被控对象，明确输入/输出信号为了明确控制系统的输入/输出信号，下面我们分析机械手的工作过程及特点。

(1)机械手能够上、下、左、右运动，到达上、下、左、右限位开关位置时，上、下、左、右限位开关分别动作。机械手上下运动由步进电机一来控制；机械手左右运动由步进电机二来控制。当步进电机一驱动器正转输入端为低电平时，步进电机一正转，机械手向上运动；当步进电机一驱动器反转输入端为低电平时，步进电机反转，机械手向下运动。当步进电机二驱动器正转输入端为低电平时，步进电机一正转，机械手向左旋转；当步进电机二驱动器反转输入端为低电平时，步进电机反转，机械手向右旋转。

(2)手爪使用电磁铁，当电磁铁通电时，电磁铁产生磁场，手爪可以吸住铁质工件；电磁铁断电，磁性消失，手爪松开工件。根据以上分析，我们确定了系统的输入信号由启动按钮SB1、停止按钮SB2、上限位开关SQ1、下限位开关SQ2、左限位开关SQ3、右限位开关SQ4等6个输入元件提供，输出信号提供给步进电机一驱动器的正转输入端(上升)和反转输入端(下降)，步进电机二驱动器的正转驱动端(左转)和反转输入端(右转)，以及电磁铁等五个执行元件，据此确定PLC的I/O点数分别最少为6和5。

2．选择PLC根据项目二选择PLC的原则及本项目的要求，我们可以选择三菱FX2N-20MR，但为了满足后续提高部分中复杂运动控制的要求，我们直接选用了三菱FX2N-48MR机型。

3．分配I/O点，画出电气接线图

1) PLC的I/O分配确定好控制系统的输入/输出信号后，就要与PLC的I/O端一一对应，编排地址，列出外部I/O信号与PLC的I/O端地址编号分配表。机械手PLC控制系统的I/O端口地址分配表如表3-1所示。

2) PLC电气接线图可编程序控制器的输入/输出端子分配好后，就可以进行硬件连接了。机械手PLC控制系统的电气接线图如图3-3所示。表3-1机械手PLC控制系统的I/O端口地址分配表图3-3机械手PLC控制系统的电气接线图

4．软件设计

【相关知识8】状态转移图法和相关指令介绍状态转移图法也叫功能表图法，是程序编制的重要方法及工具。近年来不少PLC厂商结合此法开发了相关的指令。FX2系列可编程控制器的步进顺控指令及大量的状态软元件就是为状态编程法安排的。状态转移图是状态编程的重要工具，它包含了状态编程的全部要素。进行状态编程时，一般先绘出状态转移图，再转换成梯形图及指令表。我们首先介绍状态编程思想、状态元件、状态三要素、状态指令及状态转移图，然后说明常见状态转移图的编程及调试方法，并结合实例介绍状态编程思想在顺序控制中的应用。

Ⅰ．状态编程思想及状态元件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。在设计复杂系统的梯形图时，用大量的中间单元来完成记忆、联锁和互锁等功能。由于需要考虑的因素很多，它们往往又交织在一起，因此分析起来非常困难，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，而且用经验法设计出的梯形图往往很难阅读，给系统的维修和改进带来了很大的困难。

FX系列PLC为解决以上问题，采用了IEC标准的SFC(SequentialFunctionChart)语言，它以流程图形式表示机械动作，用于编制复杂的顺序控制程序，使其编程与调试大为简化。FX系列备有两条步进顺控指令，并设有大量状态元件，可以用SFC语言的顺序功能图或状态转移图方式编程。所谓顺序控制，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。

1)状态编程思想在介绍状态编程思想之前，下面先来看看小车自动往返系统。某自动小车在启动前位于导轨的中部，如图3-4所示。图3-4自动小车示意图其一个工作周期的控制工艺要求如下：

(1)按下启动按钮SB，小车电机M正转，小车前进，碰到限位开关SQl后，小车电机M反转，小车后退。

(2)小车后退碰到限位开关SQ2后，小车电机M停转，小车停车，停5 s，第二次前进，碰到限位开关SQ3，再次后退。

(3)当后退再次碰到限位开关SQ2时，小车停止。为设计本控制系统的梯形图，应先安排输入口、输出口及机内器件。小车由电机M驱动，正转(前进)由PLC的输出点Y001控制，反转(后退)由Y002控制。为了延时5 s，选用定时器T0。将启动按钮SB及限位开关SQ1、SQ2、SQ3分别接于X000、X001、X002、X003。本例及后续的所有实例，除特殊说明的以外，都选用FX2系列可编程控制器。根据对启-保-停电路的分析，梯形图设计的根本目标是找出符合控制要求的以输出为对象的工作条件。本例的输出是代表电机前进及后退的两个接触器。分析电机前进和后退的条件，可得出以下几点。

(1)第一次前进：从启动按钮SB(X000)按下开始至碰到SQ1(X001)为止。

(2)第二次前进：由SQ2(X002)接通，定时器T0延时，T0延时时间为从开始至SQ3(X003)被接通为止。

(3)第一次后退：从SQl(X001)接通时起至SQ2(X002)被接通止。

(4)第二次后退：从SQ3(X003)接通时起至SQ2(X002)被接通止。将这个往返系统按工序画出如图3-5所示的工作顺序流程图，这就是状态转移图的雏形。图3-5小车的工作顺序流程图从图3-5中可看到，该图具有以下特点。

(1)将复杂的任务或过程分解成若干个工序(状态)。无论多么复杂的过程，均能分解为小的工序，这有利于程序的结构化设计。

(2)相对某一个具体的工序来说，控制任务实现了简化，这给局部程序的编制带来了方便。

(3)整体程序是局部程序的综合，只要弄清各工序成立的条件、工序转移的条件和转移的方向，就可进行这类图形的设计。

(4)这种图很容易理解，可读性很强，能清晰地反映全部控制工艺过程。其实，将图3-5中的“工序”更换为“状态”，就得到了状态转移图——状态编程法的重要工具。状态编程的一般思想为：将一个复杂的控制过程分解为若干个工作状态，弄清各状态的工作细节(状态的功能、转移条件和转移方向)，再依据总的控制顺序要求，将这些状态联系起来，即可形成状态转移图，进而编写梯形图程序。

2) FX2的状态元件称为“状态”的软元件是构成状态转移图的重要元素。状态元件是构成状态转移图的基本元素，是可编程控制器的软元件之一。FX2系列可编程控制器共有1000个状态元件，其中900点状态(S0～S899)可用于构成状态转移图。状态元件(S)用来记录系统运行中的状态，是编制顺序控制程序的重要编程元件，它与后述的步进顺控指令STL配合应用。状态元件有五种类型：初始状态元件S0～S9，共10点；返回状态元件S10～S19，共10点；一般状态元件S20～S499，共480点；具有断电保持功能的状态元件S500～S899，共400点；供报警用的状态元件(可用作外部故障诊断输出)S900～S999，共100点。在使用状态元件时应注意：

(1)状态元件与辅助继电器一样有无数的常开和常闭触点；

(2)状态元件不与步进顺控指令STL配合使用时，可作为辅助继电器M使用；

(3) FX2N系列PLC可通过程序设定将S0～S499设置为有断电保持功能的状态元件。状态元件的分类、编号、数量及用途如表3-2所示。表3-2FX2的状态元件注：①状态的编号必须在指定范围内选择。②各状态元件的触点在PLC内部可自由使用，次数不限。③在不用步进顺控指令时，状态元件可作为辅助继电器在程序中使用。④通过参数设置，可改变一般状态元件和断电保持状态元件的地址分配。

3) FX2系列PLC的步进顺控指令

FX2系列PLC的步进指令有两条：步进接点指令STL和步进返回指令RET。

(1) STL指令。步进接点指令在SWOPC-FXGP/WIN-C软件中的梯形图符号为，在GXDeveloper软件中表示为插入一行【STLS*】(*为状态元件编号数)，它们只是符号表述不同，这些符号和内容在梯形图中不能直接用符号的形式输入，只能通过转换来出现。在具体使用开发软件时将会详细介绍。为了更贴近实际应用，本书不使用开发软件中没有的指令及符号，本书的所有程序全部在开发软件中调试仿真成功。

STL指令的意义为激活某个状态，在梯形图上体现为从主母线上引出的状态接点。STL指令有建立子母线的功能，以使该状态的所有操作均在子母线上进行。

(2) RET指令。步进返回指令的梯形图符号为【RET】。RET指令用于返回主母线，使步进顺控程序执行完毕时，非状态程序的操作在主母线上完成，防止出现逻辑错误。状态转移程序的结尾必须使用RET指令。在开发系统中，RET指令是在程序转换中自动加入，直接输入时开发系统出错。图3-6中显示了状态转移图、梯形图和指令表三者之间的对应关系。由图可知，梯形图更直观、清楚，PLC开发系统提供了这三者之间可以互相转换的功能，为调试、修改和阅读程序带来了方便。这种模式给出了初步检验程序的方法，即在编写程序时一定要三者统一，如果三者不一致，则说明程序肯定有问题，经过反复修改直到三者完全相符才能调试。图3-6STL指令使用说明

STL触点可以驱动Y、M、S、T等继电器。同一状态寄存器的STL触点只能使用一次。STL电路中不能用MC/MCR指令，可以使用CJP/EJP指令。MPS指令不能紧跟着STL点使用。同一元件的线圈可以被不同的STL触点驱动，即STL指令可以双线圈输出。一系列STL指令的最后必须写入RET指令。

4)状态转移图的三要素对状态转移图进行编程，不仅是使用STL、RET指令的问题，还要搞清楚状态的特性及要素。状态转移图中的状态有驱动负载、指定转移目标和指定转移条件三个要素。其中，指定转移目标和指定转移条件是必不可少的，而驱动负载则视具体情况而定，也可能不进行实际的负载驱动。图3-6说明了状态转移图和梯形图的对应关系。图中，Y001为其驱动的负载，S21为其转移目标，X001为其转移条件。根据1993年5月公布的PLC标准(IEC61131)，我们把状态转移图中的每一个转移目标称为步，把转移条件称为转换，把驱动负载称为动作(或命令)，再通过有向连线连接。下面对步、转换和动作作具体介绍。

(1)步。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)。状态转移图法中用状态元件(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。

(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启动命令的相对静止的状态。初始步用双线方框表示，状态转移图法中用S0～S9来代表初始步。

(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，并用矩形框中的文字或符号表示，该矩形框应与相应的步的符号相连。如果某一步有几个动作，则可以用图3-7中的两种画法来表示，但是并不隐含这些动作之间的任何顺序。在图3-6中，Y001线圈应在S20为活动步时“通电”，S20为停止步时断电，从这个意义上来说，Y001线圈相当于步S20的一个动作，所以将Y001放在步S20的动作框内。步S20下面的转换条件由X001的常开触点提供。因此动作框中的Y001对应的是Y001线圈，转换条件X001对应的是X001的常开触点。图3-7与步对应动作的表示方法

(5)有向连线与转换。①有向连线。在状态转移图中，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。在画状态转移图时，将代表各步的方框按它们成为活动步的先后次序排列，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。如果不是上述方向，则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状态转移图时)，则应在有向连线中断之处标明下一步的标号和所在的页数，例如步S6、12页等。②转换。转换用有向连线上与有向连线垂直的短画线来表示，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旁边(见图3-8)，使用得最多的是布尔代数表达式。转换条件X000和X000分别表示当输入信号X000为ON和OFF时转换的实现。↑X000和↓X000分别表示当X000从0→1状态和从1→0状态时转换的实现。图3-8(b)中用高电平表示步12为活动步，反之则用低电平表示。转换条件X000·表示X000的常开触点与C000的常闭触点同时闭合，在梯形图中用两个触点的串联来表示这样一个“与”转换条件。图3-8转换与转换条件为了便于将状态转移图转换为梯形图，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转换实现的条件。在状态转移图中，步的活动状态的进展是由转换的实现来完成的。转换的实现必须同时满足以下两个条件：

(a)该转换所有的前级步都是活动步；

(b)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，则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线表示，如图3-9所示。图3-9转换的同步实现转换实现的第一个条件是不可缺少的，如果取消了第一个条件，则不能保证系统按顺序功能图规定的次序工作。取消了第一个条件后，如果因为人为的原因或器件本身的故障造成限位开关或指令开关的误动作，则不管当时处于哪一步，都会转换到对应的转换条件的后续步，很可能会造成重大的事故。⑤转换实现应完成的操作。

(a)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；

(b)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的基础，它适用于顺序功能图中的各种基本结构。在梯形图中，用编程元件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，电路转换到下一步，上一步自动复位。

5)绘制状态转移图时的注意事项下面是针对绘制状态转移图时常见的错误提出的注意事项。

(1)两个步绝对不能直接相连，必须用一个转换将它们隔开。

(2)两个转换也不能直接相连，必须用一个步将它们隔开。

(3)状态转移图中的初始步一般对应于系统等待启动的初始状态。这一步可能没有什么输出处于ON状态，因此有的初学者在画状态转移图时很容易遗漏这一步。初始步是必不可少的，一方面该步与它的相邻步相比，从总体上说输出变量的状态各不相同；另一方面如果没有该步，则无法表示初始状态，系统也无法返回停止状态。

(4)自动控制系统应能多次重复执行同一工艺过程，因此在状态转移图中一般应有由步和有向连线组成的闭环，即在完成一次工艺过程的全部操作之后，应从最后一步返回初始步，系统停留在初始状态(单周期操作)，在连续循环工作方式时，将从最后一步返回下一工作周期开始运行的第一步。

(5)在状态转移图中，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，则进入RUN工作方式时，它们均处于OFF状态，必须用初始化脉冲M8002的常开触点作为转换条件，将初始步预置为活动步，否则因状态转移图中没有活动步，系统将无法工作。如果系统有自动、手动两种工作方式，则状态转移图用来描述自动工作过程，这时还应在系统由手动工作方式进入自动工作方式时，用一个适当的信号将初始步置为活动步。

(6)定时器在下一次运行之前，首先应复位。同一定时器可以在不同的步使用(一般不要这样做)，但是如果用于相邻的两步，则在步的活动状态转换时，该定时器的线圈不能断开，当前值不能复位，将导致定时器的非正常运行。

(7)状态编程顺序为：先进行驱动，再进行转移，不能颠倒。

(8)对状态处理，编程时必须使用步进接点指令STL。

(9)程序的最后必须使用步进返回指令RET返回主母线。

(10)驱动负载使用OUT指令。当同一负载需要连续多个状态驱动时，可使用多重输出，也可使用SET指令将负载置位，等到负载不需驱动时用RST指令将其复位。在状态程序中，不同时“激活”的“双线圈”是允许的。另外，相邻状态使用的T、C元件其编号不能相同。

(11)负载的驱动、状态转移条件可能为多个元件的逻辑组合，视具体情况按串、并联关系处理，不能遗漏。

(12)若为顺序不连续转移，则不能使用SET指令进行状态转移，应改用OUT指令进行状态转移。

(13)在STL与RET指令之间不能使用MC、MCR指令。

(14)需在停电恢复后继续原状态运行时，可使用S500→S899停电保持状态元件。

6)状态转移图设计法的本质经验设计法实际上是试图用输入信号X直接控制输出信号Y，如果无法直接控制，或为了实现记忆、联锁、互锁等功能，则只好被动地增加一些辅助元件和辅助触点。由于不同系统的输出量Y与输入量X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，因此不可能找出一种简单通用的设计方法。状态转移图设计法是用输入量X控制代表各步的编程元件S，再用它们控制输出量Y。任何复杂系统的代表步的辅助继电器的控制电路，其设计方法都是相同的，并且很容易掌握。由于代表步的辅助继电器是依次按顺序变为ON/OFF状态的，因此实际上已经基本解决了经验设计法中的记忆、联锁等问题。不同控制系统的输出电路都有其特殊性，因为步S是根据输出量Y的ON/OFF状态划分的，S与Y之间具有很简单的相等或“与”的逻辑关系，输出电路的设计极为简单。由于以上原因，状态转移图设计法具有简单、规范、通用的优点。

7)状态转移图的基本结构

(1)单序列。单序列由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。例如，图3-5所示的小车自动往返的控制过程以及图3-10(a)只有一种顺序，所以叫单系列。

(2)选择序列。①分支及合并的定义。选择序列的开始称为分支(见图3-10(b))，将每一个分支看做一个单序列。转换符号只能标在水平连线之下。图3-10(b)中有三个分支：如果步S23是活动步，并且转换条件X004=1，则将发生由步S23→步S24的进展，形成第一分支；如果步S23是活动步，并且X005=1，则将发生由步S23→步S25的进展，形成第二分支；如果步S23是活动步，并且X006=1，则将发生由步S23→步S26的进展，形成第三分支。如果将选择条件X005改为X005·X004，则当X005和X004同时为ON时，将优先选择X004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应同时执行。选择序列的结束称为合并(见图3-10(b))，几个选择序列合并到一个公共序列时，用与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S24是活动步，并且转换条件X007=1，则将发生由步S24→步S27的进展；如果步S25是活动步，并且X010=1，则将发生由步S25→步S27的进展；如果步S26是活动步，并且X011=1，则将发生由步S26→步S27的进展。图3-10单一序列和选择序列②分支及合并的编程。编程原则是先集中处理分支状态，然后集中处理汇合状态。分支状态的编程方法是先进行分支状态前的驱动处理，再依由左至右的顺序进行转移处理。例如图3-10(b)的处理程序如下：

STLS23 ；分支前的驱动处理

LDX004

SETS24 ；转移到第一分支

LDX005

SETS25 ；转移到第二分支

LDX006

SETS26 ；转移到第三分支汇合状态的编程方法是：先进行汇合状态前的驱动处理，再依由左至右顺序进行向汇合状态的转移处理。例如图3-10(b)的汇合处理程序如下：

STLS24；第一分支转移到汇合点STLS25，第二分支转移到汇合点STLS26；第三分支转移到汇合点

LDX00LDX010LDX011

SETS27SETS27SETS27在实际编程中没有这么规范和集中处理的严格要求，在具体项目中按实际要求画出流程图草图，草图中最先工作或工作最多的分支画在图的左边，然后按思路一个分支又一个分支地编程，遵从先左边分支再右边分支，每个分支从上到下的编写规则，将每一个分支看做一个单序列编程。

8)区间复位指令

(1)区间复位指令要素。指令的助记符、指令代码、操作数、程序步如表3-3所示。

(2)指令说明。区间复位指令ZRST(ZoneReset，FNCAO)将[D1]～[D2]指定的元件号范围内的同类元件成批复位，目标操作数可以取T、C和D(字元件)，或Y、M和S(位元件)。[D1]和[D2]指定的应为同一类元件，[D1]的元件号应小于[D2]的元件号。如果[D1]的元件号大于[D2]的元件号，则只有[D1]指定的元件被复位。单个位元件和字元件可以用RST指令复位。例如，“ZRSTM500M599”指令可以将M500～M599之间的元件复位。虽然ZRST指令是17位处理指令，但[D1]和[D2]也可以指定32位计数器。表3-3区间复位指令要素

9)运用状态编程思想解决顺控问题的方法与步骤下面仍以小车往返控制为例，说明运用状态编程思想设计状态转移图(SFC)的方法和步骤。

(1)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，并分配状态元件如下：①初始状态S0④延时5 s

S22②前进S20⑤再前进S23③后退S21⑥再后退S24注意：虽然S20与S23，S21与S24的功能相同，但它们是状态转移图中的不同工序，也就是不同状态，故编号也不同。

(2)弄清每个状态的功能、作用。

S0 PLC上电，做好工作准备

S20 前进(输出Y1，驱动电动机M正转)

S21 后退(输出Y2，驱动电动机M反转)

S22 延时5 s(定时器T0，设定为5 s，延时到T0动作)

S23 同S20

S24 同S21各状态的功能是通过PLC驱动其各种负载来完成的。负载可由状态元件直接驱动,也可由其他软元件触点的逻辑组合驱动。

(3)找出每个状态的转移条件，即在什么条件将下一个状态“激活”。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重要的一步。经分析可知，本例中各状态的转移条件如下：

S20转移条件SB

S21转移条件SQl

S22转移条件SQ2

S23转移条件T0

S24转移条件SQ3状态的转移条件可以是单一的，也可以有多个元件的串、并联组合。经过以上三步，可得到小车往返控制的顺控状态转移图如图3-11(a)所示，图3-11(b)为对应的梯形图。在图3-11中，Ladder0对应梯形图中的0步，初始状态S0步没有动作，也就没有对应的梯形图，因而还保留了*号，S0下面的转移条件对应的梯形图为图3-11(b)中的第3步；S20对应的梯形图为图3-11(b)中的第7步；S20下面的转移条件对应的梯形图为图3-11(b)中的第10步；S21对应的梯形图为图3-11(b)中的第13步；S21下面的转移条件对应的梯形图为图3-11(b)中的第16步；S22对应的梯形图为图3-11(b)中的第19步；S22下面的转移条件对应的梯形图为图3-11(b)中的第23步；S23对应的梯形图为图3-11(b)中的第26步；S23下面的转移条件对应的梯形图为图3-11(b)中的第29步；S24对应的梯形图为图3-11(b)中的第32步；S24下面的转移条件对应的梯形图为图3-11(b)中的第35步。注意：图3-11(b)中的第38步即[RET]指令是在SFC转换为梯形图的过程中自动加入的，在编写S24下面的转移条件对应的梯形图时无法输入此指令。Ladder1对应的梯形图为图3-11(b)中的第39步。图3-11小车自动往返系统状态转移流程图1特别提示：Ladder0和Ladder1对应的梯形图一定不能省，否则在程序转换时会出错。很多教材中将图3-11(a)和(b)合画在一起，成为图3-12的形式，这种形式便于理解编程过程，但是这与实际的开发和编程过程相差太远，编者认为在用SFC方法编程的过程中，已将每一步理解得相当清楚和透彻，若要整体分析理解程序，用梯形图最明白不过了，因而编者在本书中就不采用合画在一起的形式编写，严格按实际的在开发软件中常用的方法来编写。由上面的分析和编程过程可见，用SFC编程的优点很突出，将复杂的控制过程分解成一步一步的状态，每一个状态具体做什么驱动，需要具备哪些条件都一一确定，这样很方便调试、修改和阅读程序,给开发应用PLC带来了极大的便利,很容易被初学者接受，对于有经验的工程师，也会提高设计的效率。图3-12小车自动往返系统状态转移流程图2

Ⅱ．单序列状态转移图的编程

(1)单序列状态转移图的编程方法。单序列状态转移图遵从步进顺控的编程原则，即先进行负载驱动处理，然后进行状态转移处理。小车自动往返系统就是典型的单系列结构。从图3-11中的程序可看到，负载驱动及转移处理首先要使用STL指令，这样保证负载驱动和状态转移均是在子母线上进行的。状态的转移使用SET指令，但若为向上游转移、向非相连的下游转移或向其他流程转移，则称为顺序不连续转移(非连续转移不能使用SET指令，而用OUT指令)。

(2)状态的开启与关闭及状态转移图执行的特点。STL指令的含义是提供一个步进接点，其对应状态的三个要素均在步进接点之后的子母线上实现。若对应的状态是开启的(即“激活”)，则状态的负载驱动和转移才有可能；若对应状态是关闭的，则负载驱动和状态转移就不可能发生。因此，除初始状态外，其他所有状态只有在其前一个状态处于激活且转移条件成立时才能开启。同时一旦下一个状态被“激活”，上一个状态就会自动关闭。从PLC程序的循环扫描执行原理出发，在状态编程程序段落中，“激活”可以理解为该段程序被扫描执行，“关闭”则可以理解为该段程序被跳过，未能扫描执行。这样，状态转移图的分析其条理就变得十分清楚，无需考虑状态间的繁杂联锁关系，可以理解为“只干自己需要干的事，无需考虑其他”。另外，这也方便程序的阅读理解，使程序的试运行、调试以及故障的检查和排除变得非常容易，这就是运用状态编程思想解决顺控问题的优点。

【例】彩灯自动闪烁程序的编写。设有4个彩灯分别接于输出端口Y000、Y001、Y002、Y003，当接通X000时，各彩灯每隔1秒依次点亮，反复循环。彩灯控制程序如图3-13所示。对应的程序指令如图3-14所示。通过分析比较状态转移图、梯形图、指令表三种编程方法，显而易见，SFC图最简捷、方便，每个过程一看就清清楚楚，一目了然，而要读懂用指令编写的程序就有些费力，梯形图虽然较容易读懂，但是由于梯形图中没有状态符号，因而不能直接编程，只能通过指令列表或SFC转换而来。图3-13彩灯控制程序图3-14程序指令表如果在初学阶段碰到状态图程序不会编写，或者出现状态所对应的梯形图输不进(提示有问题)等问题，这时可用指令输入，然后互相转换。在项目二中我们已经用经验设计法对正反转、自动往返进行了编程，下面我们根据单序列状态转移图法来设计机械手的控制程序。

(1)根据机械手控制要求画出状态转移图。我们回顾机械手的控制要求：开机后机械手自动回右、上原点，按启动按钮SB1，机械手先向下运动，碰到下限位SQ2后，向下运动停止，电磁铁通电，吸住工件，延时1秒钟，机械手向上运动，碰到上限位SQ1后，向上运动停止，机械手向左旋转，碰到左限位SQ3后，向左运动停止，机械手向下运动，碰到下限位SQ2后，向下运动停止，电磁铁断电，松开工件，延时1秒钟，机械手再向上运动，碰到上限位SQ1后，向上运动停止，机械手向右旋转，碰到右限位SQ4后，向右旋转停止，然后机械手向下运动进行自动循环。如果在任意时刻按下停止按钮SB2，则机械手完成一个工作周期到达原点后停止。机械手的状态转移图如图3-15所示。

(2)根据状态转移图得到梯形图，如图3-16所示。图3-15机械手的状态转移图图3-16机械手的梯形图

(3)按照画出的梯形图进行软件编程。在项目一中介绍了SWOPC-FXGP/WIN-C编程软件，这里介绍另一个编程软件——GXDeveloper软件，它是一个三菱全系列PLC(FX、AnU、QnA和Q系列)程序设计软件，支持梯形图、指令表、SFC、ST、FB、Label语言程序设计，可进行程序的在线更改、监控及调试，结构化程序的编写(分部程序设计)，可制作成标准化程序在其他同类系统中使用。若再安装三菱PLC的仿真调试软件——GXSimulator，则能支持三菱所有型号PLC的外部I/O信号模拟，设定软件状态与数值。下面介绍建立程序的基本步骤。单击“开始”按钮，在“程序”项的级联菜单下找到“MELSOFT应用程序”，在此应用项下单击“GXDeveloper”便可启动程序。也可用鼠标双击桌面上的图标GXDeveloper快捷方式启动GXDeveloper程序。①新建文件。创建一个新工程，点击菜单中的“文件”/“新文件”，弹出如图3-17所示的对话窗口来选定PLC类型，按“确定”先打开编程软件，创建一个新工程，在“PLC系列”中选择“FXCPU”系列，在“PLC类型”中选择“FX2N”类型，确定系统寄存器中的内容以及有关参数，如图3-17所示。当要编辑保存在PLC或磁盘中的程序时，可通过打开或读取调入已有的程序。图3-17创建新工程当要编辑保存在PLC或磁盘中的程序时，可通过打开或读取调入已有的程序。②把编制的梯形图输入计算机，以END语句结尾，然后进行程序转换，可用功能键F4或菜单操作。如果输入的程序有错，则在程序转换过程中会显示出来，也可通过菜单“工具”查询程序的正确性。只有当梯形图转换完毕后，才能进行程序的传送。③梯形图与指令表的转换。要将梯形图转换成指令表，可以应用软件中梯形图和指令转换功能来实现，按下快捷按钮或进行菜单操作都可实现梯形图的转换。图3-18所示的指令表即为图3-16所示的梯形图转换而来的。④将通信线连接PLC与电脑，把程序写入PLC。将PLC面板上的编程开关拨到STOP位置，打开窗口的梯形图界面，选择“在线”菜单，选中“PLC写入”菜单命令，如图3-19所示，弹出“PLC写入”对话框，如图3-20所示，在“PLC写入”对话框中进行传送设置，在执行读取及写入前选中MAIN、PLC参数(否则不能执行对程序的读取、写入)，然后点击“执行”和“是”即可，如图3-21所示。图3-22所示为程序写入和写入完成窗口。图3-18机械手的指令表图3-19选中“PLC写入”图3