第四章 可编程控制器程序设计

第四章可编程控制器程序设计

PLC系统，梯形图的设计最主要。梯形图不但沿用和发展了电气控制技术，其功能和控制指令已远远超过电气控制范畴。

梯形图设计是计算机程序设计与电气控制设计思想结合的产物。

本章针对开关量控制系统梯形图的设计提出几种常用方法。4.1程序设计方法一、程序设计方法需要设计经验和逻辑代数方面的知识。

1.继电器控制线路移植法，将继电器控制电路直接转换为具有相同功能的PLC的外部硬件接线图和梯形图。

2.经验设计方法，需要掌握大量的典型电路，在基础上，充分理解实际的控制问题，将实际控制问题分解成典型控制电路，然后用典型电路或修改的典型电路进行拼凑梯形图。4.1程序设计方法一、程序设计方法3.逻辑设计法,根据数字电子技术中的逻辑设计方法进行设计，用逻辑表达式描述实际问题，根据逻辑表达式画梯形图。4.顺序功能图加梯形图的设计方法先用顺序功能图描述控制过程，在描述中只要对各个工序进行简单的顺序设计就能保证正确动作。将顺序功能图转换成梯形图，缩短编程时间，编程简单高效。4.1程序设计方法一、程序设计方法实际中，几种方法混合使用，但梯形图、语句表和逻辑代数是我们应该熟悉掌握的最基本的设计方法。无论采用哪种方法，都需要深入了解控制问题，要了解在控制中有多少输入量和输出量，还要了解输入量和输出量之间的关系，如果是与时间有关的控制问题，还要知道各个动作（工序）之间的时间关系。4.1程序设计方法二、PLC程序设计流程

深入了解被控对象的工作原理，争取做到输入变量和输出变量数量完整，输入变量和输入变量之间，输入变量和输出变量之间、输出变量和输出变量之间的关系完整，并用文字或表格的形式进行描述。4.1程序设计方法二、PLC程序设计流程设计流程如下：1.了解控制问题。2.描述控制问题。3.交流文字描述的结果。4.进行PLC程序设计。5.模拟现场，对PLC进行调试。6.在5.的基础之上进行现场调试。4.2继电器控制线路移植法4.2.1概述

用PLC改进继电器控制系统，有捷径。原有的继电器控制系统经过长期的使用和考验，而继电器电路图又与梯形图有很多相似之处，可以将继电器电路图经过适当的“翻译”，从而设计出具有相同功能的PLC梯形图程序。这种设计方法称为“移植设计法”或“翻译法”。4.2继电器控制线路移植法4.2.1概述

将PLC想象成一个继电器控制系统中的控制箱。PLC外部接线图描述的是这个控制箱的外部接线，PLC的梯形图程序是这个控制箱内部的“线路图”，PLC输入继电器和输出继电器是这个控制箱与外部联系的“中间继电器”。这样，用分析继电器电路图的方法来分析PLC控制系统。4.2继电器控制线路移植法4.2.1概述

将输入继电器的触点想象成对应的外部输入设备的触点，将输出继电器的线圈想象成对应的外部输出设备的线圈。外部输出设备线圈除了受PLC的控制,可能还会受外部触点控制。

用上述思想就可以将继电器电路图转换为功能相同的PLC外部接线图和梯形图。4.2继电器控制线路移植法4.2.2移植设计法编程步骤：1.分析原有系统的工作原理2.PLC的I/O分配，画出PLC外部接线图。3.建立其他元器件的对应关系(1)执行元件应与PLC的输出继电器对应(2)主令电器应与PLC的输入继电器对应(3)中间继电器与PLC的辅助继电器对应(4)时间继电器与定时器或计数器对应。4.2继电器控制线路移植法4.2.2编程步骤：4.设计梯形图程序根据上述对应关系，将继电器电路图“翻译”成对应的“准梯形图”，再根据梯形图的编程规则将“准梯形图”转换成结构合理的梯形图。5.仔细校对、认真调试对转换后的梯形图一定要仔细校对、认真调试，以保证其控制功能与原图相符4.2继电器控制线路移植法

[例4-1]图4-1为电动机Y/A减压起动控制主电路和电气控制的原理图。4.2继电器控制线路移植法解决：（1）工作原理按下起动按钮SB2，KM1、KM3、KT通电并自保持，电动机接成Y型起动，2s后，KT动作，使KM3断电，KM2通电吸合，电动机接成A型运行。按下停止按钮SB1,电动机停止运行。（2）I/O分配，地址分配如表4-1所示。4.2继电器控制线路移植法输入输出10.0停止按钮SB1Q0.0KM110.1起动按钮SB2Q0.1KM210.2过载保护FRQ0.2KM3表4-1I/O地址分配4.2继电器控制线路移植法（3）图4-2

PLC硬件接线图4.2继电器控制线路移植法（4）梯形图程序。4.2继电器控制线路移植法梯形图程序。4.2继电器控制线路移植法4.2.3设计注意事项1.应遵守梯形图语言中的语法规定。2.设置中间单元。3.分离交织在一起的电路，画出相应的等效梯形图电路。4.动断触点提供的输入信号的处理。尽量采用动合触点，若用动断触点，？5.时间继电器的瞬动触点的处理。对有瞬动触点的时间继电器，在梯形图中对应的定时器的线圈两端并联辅助继电器。4.2继电器控制线路移植法4.2.3设计注意事项6.断电延时的时间继电器的处理7.外部联锁电路的设计，在PLC外部设置硬件互锁电路。8.热继电器过载信号的处理。自复位型热继电器；手动复位型热继电器。9.尽量减少PLC的输入信号和输出信号10.注意PLC输出模块的驱动能力能否满足外部负载的要求。线圈电压大于220V？4.2继电器控制线路移植法课堂测试一：按速度原则控制的可逆运行能耗制动控制线路。进行PLC改造设计。4.2继电器控制线路移植法课堂测试二：按速度原则控制的绕线转子异步电动机启动控制。进行PLC改造设计。4.3经验设计法4.3.1经验设计法的编程步骤1.控制模块的划分(工艺分析)。合理地划分控制系统的事件，一个功能一个模块。2.功能及端口定义。进行功能定义、代号定义、I/O定义，画出接线图。合理安排。3.功能模块梯形图程序设计。一个模块一个程序。关键是找到实现功能模块的典型控制程序。修改补充。4.程序组合得到最终梯形图程序。最后要修改完善，得到最终程序。4.3经验设计法[例4-2]声光报警电路设计。（1）控制要求某设备要实现一个报警控制功能，当报警信号成立（10.0=ON)时，一方面蜂鸣器鸣叫，另一方面警灯闪烁，闪烁方式为：亮2s，灭1s，警灯闪烁10次后，自动停止报警。4.3经验设计法[例4-2]声光报警电路设计。（2）设计步骤

①功能模块划分。从控制要求分析可知，报警的条件是报警信号（10.0=1)成立，而当报警信号成立后，要实现三个功能（a）蜂鸣器鸣叫功能：当BJ =ON时，立即进行鸣叫（长音）。（b）警灯闪烁功能：当BJ=ON时，立即闪烁，亮2s,灭1s。（c）自动停止报警功能：警灯闪烁10次后自动停止报警。4.3经验设计法[例4-2]声光报警电路设计。（2）设计步骤进一步分析可知，功能模块之间还具有相互联系，即蜂鸣器和警灯是在I0.0=1时同时开始工作的；在警灯闪烁10次后，蜂鸣器和警灯同时停止工作。

②功能及端口定义。主要完成PLC资源的分配及I/O接线图。

PLC资源的分配如表4-2所示。4.3经验设计法[例4-2]声光报警电路设计。（2）设计步骤

表4-2I/O地址分配输入输出10.0报警信号Q0.0警灯Q0.1蜂鸣器4.3经验设计法[例4-2]声光报警电路设计。I/O硬件接线图4.3经验设计法[例4-2]声光报警电路设计。(3)功能模块梯形图程序设计①蜂鸣器鸣叫功能程序设计：4.3经验设计法[例4-2]声光报警电路设计。(3)功能模块梯形图程序设计②警灯闪烁功能程序设计：4.3经验设计法[例4-2]声光报警电路设计。(3)功能模块梯形图程序设计③自动停止报警功能程序设计：4.3经验设计法[例4-2]声光报警电路设计。(4)最终梯形图程序。

将以上设计的三个功能模块程序进行组合，并加上一些必要的联锁，再经过一定的修改，即可得到符合设计要求的梯形图程序.4.3经验设计法[例4-3]送料小车自动控制梯形图设计。(1)被控对象对控制的要求

I/O硬件接线图如图4-10所示。送料小车在限位开关SQ1处装料，20s后装料结束，开始右行，碰到SQ2后停下来卸料，25s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X2。按钮X0和X1分别用来起动小车右行和左行。4.3经验设计法(2)设计步骤①功能模块划分。从控制要求分析可知，送料小手有两种工作方式，左行和右行。起动右行的条件：右行控制按钮X0=1，或SQ1=1且20s后。禁止右行的条件：左行控制按钮X1=1，或SQ2=1，或停止按钮X2=1。起动左行的条件：左行控制按钮X1=1，或SQ2=1且25s后。禁止左行的条件：右行控制按钮X0=1，或SQ1=1，或停止按钮X2=1。4.3经验设计法(2)设计步骤②功能及端口定义。主要完成PLC资源的分配及I/O接线图。PLC资源的分配如表4-3所示。输入输出定时器10.0右行控制按钮X0Q0.0右行T3720s10.1左行控制按钮X1Q0.1左行T3825s10.2停止控制按钮X210.3左限位SQ110.4右限位SQ24.3经验设计法(2)设计步骤②功能及端口定义。I/O的硬件接线图。4.3经验设计法(3)功能模块梯形图程序设计4.3经验设计法(3)功能模块梯形图程序设计4.3经验设计法(3)功能模块梯形图程序设计4.3经验设计法(3)功能模块梯形图程序设计4.3经验设计法4.3.2经验设计特点

对于比较简单的程序是比较有效的。可以收到快速、简单的效果，但是依靠设计人员的经验进行设计。要求设计者有一定的实践经验，对工业控制系统和工业上常用的各种典型环节比较熟悉。

没有规律可遵循,具有很大的试探性和随意性，需经多次反复修改和完善才能符合设计要求,结果往往不规范，因人而异。4.3经验设计法4.3.2经验设计特点设计复杂系统梯形图，存在以下问题。1.设计方法很难掌握，设计周期长没有一种通用的容易掌握的设计方法。用大量的中间单元来完成记忆、联锁、互锁等功能，交织在一起，分析起来非常困难，并且很容易遗漏。2.装置交付使用后维修困难梯形图看上去非常复杂。对于某些复杂的逻辑关系，即使是设计者的同行,分析起来都很困难，更不用说维修人员了。补充例题：用经验设计法设计竞赛抢答器显示系统。假定参赛者分成儿童组、学生组及成人组3组，其中儿童2人、学生1人、成人两人。4.3经验设计法1.控制要求1)主持人按下开始按钮，开始指示灯亮方可抢答，否则违规，对应指示灯闪烁。2)要求儿童只需一人按下按钮就抢答成功，对应指示灯亮；成人需要两人同时按下按钮抢答才能成功，对应指示灯亮。3)只要有人抢答成功，其他人抢答无效。4)抢答开始15s后无人抢答时响铃，表示抢答时间已过。5)当一题抢答结束后，主持人按复位按钮，状态恢复，为下次抢答做准备。4.3经验设计法2.I/O分配4.3经验设计法3.PLC接线图4.3经验设计法4.PLC程序清单网络1：儿童抢答4.3经验设计法4.PLC程序清单网络2：学生抢答4.3经验设计法4.PLC程序清单网络3：成人抢答4.3经验设计法4.PLC程序清单网络4：抢答开始并延时4.3经验设计法4.PLC程序清单网络5：抢答计时结束4.3经验设计法4.PLC程序清单网络6：抢答违规灯闪烁4.3经验设计法4.PLC程序清单网络7：儿童抢答违规4.3经验设计法4.PLC程序清单网络8：学生抢答违规4.3经验设计法4.PLC程序清单网络9：成人抢答违规4.3经验设计法4.4逻辑设计法4.4.1PLC程序的组合逻辑设计法组合逻辑设计法概念1逻辑函数与梯形图的关系。组合逻辑设计法的理论基础是逻辑代数逻辑代数的三种基本运算：与、或、非当一个逻辑函数用逻辑变量的基本运算式表达后，实现这个逻辑函数的PLC程序就确定了。4.4逻辑设计法2.组合逻辑设计法的编程步骤1）明确控制任务和要求，绘制工作循环和检测元件分布图，得到电气执行元件功能表。2）详细绘制系统状态转换表。输出信号状态表、输入信号状态表、状态转换指令表、中间记忆状态表。全面、完整地展示了控制系统的整体联系。4.4逻辑设计法2.组合逻辑设计法的编程步骤3）根据状态转换表进行系统的逻辑设计，列些中间记忆元件的逻辑表达式，列写执行元件逻辑表达式。4）将逻辑设计表达式转换为PLC的梯形图程序。再根据需要转换为其他形式。下面举例说明。4.4逻辑设计法例4-4.用PLC实现三层电梯控制。1.控制要求：①当电梯停于一楼或二楼时，按SB3，电梯上升至SQ3停止；②当电梯停于三楼或二楼时，按SB1，电梯下降到SQ1停止；③当电梯停于一楼时，按SB2，电梯上升到SQ2停止；4.4逻辑设计法④当电梯停于三楼时，按SB2，电梯下降到SQ2停止；⑤当电梯停于一楼，二楼和三楼均有人呼叫，电梯上升到SQ2时，停5秒，然后继续上升到SQ3停止；⑥当电梯停于三楼，一楼和二楼均有人呼叫，电梯下降到SQ2时，停5秒，然后继续下降到SQ1停止；4.4逻辑设计法⑦在电梯上升途中，任何反方向的下降呼叫信号均无效；⑧在电梯下降途中，任何反方向的上升呼叫信号均无效；⑨每层楼之间的到达时间应在10秒之内，否则停止。4.4逻辑设计法2.PLC资源分配表3.I/O硬件接线图。（略）4.4逻辑设计法4.设计思想。对控制要求用逻辑设计法设计对于①，输出为电梯上升Q0.1，其进入条件为SB3(I0.0)呼叫，且电梯位于一楼或二楼，分别用SQ1(I0.5)和SQ2(I0.4)表示一二楼停的位置。退出条件为SQ3(I0.3)动作。Q0.1的逻辑方程可以写出。对于②，输出为电梯下降Q0.0，其进入条件为SB1(I0.2)呼叫，且电梯位于二楼或三楼，分别用SQ2(I0.4)和SQ3(I0.3)表示二三楼停的位置。退出条件为SQ1(I0.5)动作。Q0.0的逻辑方程可以写出。4.4逻辑设计法4.设计思想。对控制要求用逻辑设计法设计对于③，输出为电梯上升Q0.1，其进入条件为SB2(I0.1)呼叫，且电梯位于一楼，用SQ1(I0.5)表示一楼停的位置。退出条件为SQ2(I0.4)动作。Q0.1的逻辑方程可以写出。对于④，输出为电梯下降Q0.0，其进入条件为SB2(I0.1)呼叫，且电梯位于三楼，分别用SQ3(I0.3)表示三楼停的位置。退出条件为SQ2(I0.4)动作。Q0.0的逻辑方程可以写出。4.4逻辑设计法4.设计思想。对控制要求用逻辑设计法设计对于⑤，输出为电梯上升Q0.1，其进入条件为SB2(I0.1)或SB3(I0.0)呼叫，且电梯位于一楼，用SQ1(I0.5)表示一楼停的位置。第一个退出条件为SQ2(I0.4)动作，T37延时5秒后，再次进入。第二个退出条件为SQ3（I0.3)动作。Q0.1的逻辑方程可以写出。4.4逻辑设计法4.设计思想。对控制要求用逻辑设计法设计对于⑥，输出为电梯下降Q0.0，其进入条件为SB1(I0.2)或SB2(I0.1)呼叫，且电梯位于三楼，用SQ3(I0.3)表示三楼停的位置。第一个退出条件为SQ2(I0.4)动作，T38延时5秒后，再次进入。第二个退出条件为SQ1（I0.5)动作。Q0.0的逻辑方程可以写出。4.4逻辑设计法4.设计思想。对控制要求用逻辑设计法设计对于⑦，为了满足电梯在上升途中不允许下降，只需在Q0.0的逻辑表达式中串联Q0.1的非，当Q0.1动作时，不允许Q0.0动作。对于⑧，为了满足电梯在下降途中不允许上升，只需在Q0.1的逻辑表达式中串联Q0.0的非，当Q0.0动作时，不允许Q0.1动作。对于⑨，用SQ1(I0.5)、SQ2(I0.4)和SQ3(I0.3)的或非控制T39，当电梯离开某层，T39通电，开始计时；正常10秒内必有一个动作，T39失电，若出故障，T39定时到，电梯停止4.4逻辑设计法（1）4.4逻辑设计法4.设计思想。对控制要求用逻辑设计法设计将逻辑方程整理得到总的Q0.1和Q0.0驱动表达式。最后，补上二层限位SQ2(I0.4)驱动T37和T38；及I0.3、I0.4、I0.5的或非驱动T39。5.控制梯形图程序列写清单。4.4逻辑设计法4.设计思想。对控制要求用逻辑设计法设计根据逻辑方程整理得到总的Q0.1和Q0.0驱动表达式设计出梯形图。利用辅助继电器M0.0、M0.1、M0.2代表Q0.1的逻辑方程(1)、(3)、(5)。利用辅助继电器M0.3、M0.4、M0.5代表Q0.0的逻辑方程(2)、(4)、(6)。4.4逻辑设计法4.4.2PLC程序的时序逻辑设计法该方法适用于各输出信号的状态有时间顺序的场合。所以要绘制各输出信号的时序图。重点是各状态的转换时刻和转换条件，找到对应关系，进行简化。经常与上节的经验法配合使用。4.4逻辑设计法时序逻辑设计法的编程步骤1.根据控制要求，明确I/O信号个数。2.明确输入输出信号之间的时序关系，画工作时序图。3.将时序图分段，找到区段分界点，弄清分界点处输出信号状态的转换关系和转换条件。4.4逻辑设计法时序逻辑设计法的编程步骤4.分配PLC的I/O、内部辅助继电器、和定制器、计数器。5.列写输出信号的逻辑表达式，根据逻辑表达式画出梯形图。6.通过模拟测试，检查程序是否符合要求，结合经验设计法进一步修改。4.4逻辑设计法时序逻辑设计法的编程步骤4.分配PLC的I/O、内部辅助继电器、和定制器、计数器。5.列写输出信号的逻辑表达式，根据逻辑表达式画出梯形图。6.通过模拟测试，检查程序是否符合要求，结合经验设计法进一步修改。4.4逻辑设计法例题4-6.用PLC实现两台电动机顺序起停控制。1.控制要求：有A1和A2两台电动机，按下起动按钮后，A1先运转10min，停止5min。A2与A1相反，即A1停止时，A2运行，A2运行时A1停止。直至按下停车按钮。4.4逻辑设计法2.PLC资源分配：3.PLC硬件接线图（略）。4.4逻辑设计法4.程序设计。用中间继电器M0.0作为运行控制标志。按要求画出时序图。T37和T38构成闪烁电路。5.设计梯形图。

本问题可不可以看做是一个顺序控制问题，利用顺序控制思想编程？其中可能的一种控制流程图顺序控制设计法

该方法根据功能流程图，以步为核心，从起始步开始一步步设计下去，直至完成。关键是画出功能流程图。将任务分成若干步，每步指出转换条件和控制对象。用M继电器记忆状态步。功能流程图是专门用于工业顺序控制的一种功能说明语言，能完整描述控制过程。由状态、转换、转换条件和动作说明组成。4.5顺序控制设计法4.5.1单流程及编程方法

确定每一步的起动条件、保持条件和停止条件。【例4-7】根据图4-28所示的功能流程图，设计出梯形图程序。将结合本例介绍常用的编程方法。1）使用起保停电路模式的编程方法。

顺序控制设计法

该方法根据功能流程图，以步为核心，从起始步开始一步步设计下去，直至完成。关键是画出功能流程图。将任务分成若干步，每步指出转换条件和控制对象。用M继电器记忆状态步。功能流程图是专门用于工业顺序控制的一种功能说明语言，能完整描述控制过程。由状态、转换、转换条件和动作说明组成。4.5顺序控制设计法4.5.1单流程及编程方法

确定每一步的起动条件、保持条件和停止条件。【例4-7】根据图4-28所示的功能流程图，设计出梯形图程序。将结合本例介绍常用的编程方法。1）使用起保停电路模式的编程方法。

2）使用置位、复位指令的编程方法

图7-7置位、复位指令编制的梯形图3）使用移位寄存器指令编程的方法

4）使用顺序控制指令的编程方法

【例4-8】顺序控制机床的主轴电动机和油泵电动机。1）控制要求：按下起动按钮SB1(I0.0）后，先启动油泵电动机，延时5秒后，再开启主轴电动机。按下停止按钮SB2(I0.1)后，先停主轴电动机，5秒后再停油泵电动机。KM1为油泵接触器(Q0.0驱动），KM2为主轴接触器(Q0.1驱动）。

例4-8顺序控制机床的主轴电动机和油泵电动机。2）顺序功能流程图：按控制要求绘制控制时序。根据时序绘制顺序功能流程图。写出各状态步的启动条件、保持条件、停止条件，整理出对应的逻辑表达式。

控制时序图顺序功能流程图状态逻辑关系表达式：