《电气控制与PLC技术》课件第7章

第7章程序设计7.1根据电气控制图设计梯形图7.2常见程序分析7.3顺序控制设计方法7.4使用STL指令编写顺序控制梯形图7.5使用启保停电路的编程方法7.6以转换为中心的编程方法小结

思考与练习7.1根据电气控制图设计梯形图7.1.1概述用PLC改造继电器控制系统时，由于原有的继电器控制系统经过长期使用和考验，已经被证明能完成系统要求的控制功能，而继电器电路图与梯形图在表示方法和分析方法上有很多相似之处，因此可以根据继电器电路图来设计梯形图，即将继电器电路图“转换”为具有相同功能的PLC的外部硬件接线图和梯形图。可见，根据继电器电路图来设计梯形图是一条捷径。使用这种设计方法时应注意梯形图是PLC的程序，是一种软件，而继电器电路是由硬件元件组成的，梯形图和继电器电路有很大的本质区别，例如在继电器电路图中，各继电器可以同时动作，而PLC的CPU是串行工作的，即CPU同时只能处理1条指令，根据继电器电路图设计梯形图时有很多需要注意的地方。这种设计方法一般不需要改动控制面板，保持了系统原有的外部特性，操作人员不用改变长期形成的操作习惯。7.1.2基本方法在分析PLC控制系统的功能时，可以将它想象成一个继电器控制系统中的控制箱，其外部接线图描述了这个控制箱的外部接线，梯形图是这个控制箱的内部“线路图”，梯形图中的输入继电器和输出继电器是这个控制箱与外部世界联系的“接口继电器”，这样就可以用分析继电器电路图的方法来分析PLC控制系统。在分析时，可以将梯形图中输入继电器的触点想象成对应的外部输入器件的触点或电路，将输出继电器的线圈想象成对应的外部负载的线圈。外部负载的线圈除了受梯形图的控制外，还可能受外部触点的控制。图7.1是某摇臂钻床的继电器控制电路原理图。钻床的主轴电机用接触器KM1控制，摇臂的升降电机用KM2和KM3控制，立柱的松开和夹紧电机用KM4和KM5控制。图7.2和图7.3是实现具有相同功能的PLC控制系统的外部接线图和梯形图。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的步骤如下：

(1)了解和熟悉被控设备的工艺过程和机械的动作情况，根据继电器电路图分析和掌握控制系统的工作原理，这样才能做到在设计和调试控制系统时心中有数。图7.1继电器电路图图7.2PLC外部接线图图7.3梯形图与断电延时的波形图

(2)确定PLC的输入信号和输出负载，画出PLC的外部接线图。继电器电路图中的交流接触器和电磁阀等执行机构用PLC的输出继电器来控制，它们的线圈接在PLC的输出端。按钮、控制开关、限位开关、接近开关等用来给PLC提供控制命令和反馈信号，它们的触点接在PLC的输入端。继电器电路图中的中间继电器和时间继电器的功能用PLC内部的辅助继电器和定时器来完成，它们与PLC的输入继电器和输出继电器无关。画出PLC的外部接线图后，同时也确定了PLC的各输入信号和输出负载对应的输入继电器和输出继电器的元件号。例如图7.2摇臂上升的按钮SB3接在PLC的X0输入端子上，该控制信号在梯形图中对应的输入继电器的元件号为X0。在梯形图中，可以将X0的触点想象为SB3的触点。

(3)与继电器电路图的中间继电器、时间继电器对应的是梯形图中的辅助继电器(M)和定时器(T)的元件号。第(2)步和第(3)步建立了继电器电路图中的元件和梯形图中的元件号之间的对应关系。为梯形图的设计打下了基础。

(4)据上述对应关系画出梯形图。7.1.3设计注意事项根据继电器电路图设计梯形图时应注意以下问题：

(1)应遵守梯形图语言中的语法规定。例如在继电器电路图中，触点可以放在线圈的左边，也可以放在线圈的右边，但是在梯形图中，线圈和输出类指令(如RST、SET和应用指令等)必须放在电路的最右边。

(2)设置中间单元。在梯形图中，若多个线圈都受某一触点串并联电路的控制，为了简化电路，在梯形图中可设置用该电路控制的辅助继电器，如图7.3中的M0和M1，它们类似于继电器电路中的中间继电器。

(3)分离交织在一起的电路。在继电器电路中，为了减少使用的器件和触点，节省硬件成本，各个线圈的控制电路往往互相关联，交织在一起。如果将图7.1不加改动地直接转换为梯形图，要使用大量的进栈(MPS)、读栈(MRD)和出栈(MPP)指令。转换和分析这样的电路都比较麻烦。解决的方法是可以将各线圈的控制电路分离开来设计(见图7.3)，但这样处理可能会多用一些触点。因为没有用堆栈指令，所以与直接转换的方法相比，所用的指令条数相差不会太大。即使多用一些指令，也不会增加硬件成本，对系统的运行也不会有什么影响。设计梯形图时以线圈为单位，分别考虑继电器电路图中每个线圈受到哪些触点和电路的控制，然后画出相应的等效梯形图电路。

(4)常闭触点提供的输入信号的处理。设计输入电路时，应尽量采用常开触点，如果只能使用常闭触点，梯形图中对应触点的常开/常闭类型应与继电器电路图中的相反。例如图7.2PLC的输入电路中限位开关SQ1的常闭触点接在X4端子上,继电器电路图中SQ1的常闭触点在梯形图中对应的是X4的常开触点。

(5)梯形图电路的优化设计。为了减少语句表指令的指令条数，在串联电路中，单个触点应放在电路块的右边，在并联电路中，单个触点应放在电路块的下面。

(6)时间继电器瞬动触点的处理。除了延时动作的触点外，时间继电器还有在线圈通电或断电时马上动作的瞬动触点。对于有瞬动触点的时间继电器，可以在梯形图中对应的定时器线圈两端并联辅助继电器，后者的触点相当于时间继电器的瞬动触点。

(7)断电延时的时间继电器的处理。图7.1中的KT属于线圈断电后开始延时的时间继电器。FX系列PLC没有相同功能的定时器，但是可以用线圈通电后延时的定时器来实现断电延时功能(见图7.3中最下面的两行电路和波形图)。

(8)外部联锁电路的设立。为了防止控制正反转的两个接触器同时动作，造成三相电源短路，应在PLC外部设置硬件联锁电路。图7.1中的KM2与KM3、KM4与KM5的线圈分别不能同时通电，除了在梯形图中设置与它们对应的输出继电器线圈串联的，由常闭触点组成的软件互锁电路外，还应在PLC外部设置硬件互锁电路。

(9)热继电器过载信号的处理。如果热继电器属于自动复位型，其触点提供的过载信号必须通过输入电路提供给PLC(见图7.1中的FR2)，用梯形图实现过载保护。如果属于手动复位型热继电器，其常闭触点可以在PLC的输出电路中与控制电机的交流接触器线圈串联。

(10)尽量减少PLC的输入信号和输出信号。PLC的价格与I/O点数有关，减少输入、输出信号的点数是降低硬件费用的主要措施。一般只需要同一输入器件的一个常开触点或常闭触点给PLC提供输入信号。在梯形图中，可以多次使用同一输入继电器的常开触点和常闭触点。在继电器电路图中，如果几个输入元件触点的串并联电路只出现一次或总是作为一个整体多次出现，可以将它们作为PLC的一个输入信号，只占PLC的一个输入点。某些器件的触点如果在继电器电路图中只出现一次，并且与PLC输出端的负载串联(如有手动复位功能的热继电器的常闭触点)，不必将它们作为PLC的输入信号，可以将它们放在PLC外部的输出回路，仍与相应的外部负载串联。继电器控制系统中某些相对独立且比较简单的部分，可以用继电器电路控制，这样同时减少了所需的PLC的输入点和输出点。例如图7.1中，控制主轴电机的交流接触器KM1的电路相当简单，它与别的电路也没有什么联系，像这样的电路没有必要用PLC来控制，应仍然用继电器电路来控制。

(11)外部负载的额定电压。PLC的继电器输出模块和双向晶闸管输出模块一般只能驱动额定电压AC220V的负载，如果系统原来的交流接触器的线圈电压为380V，应将线圈换成电压为220V的，或在PLC外部设置中间继电器。7.2常见程序分析7.2.1自锁和连锁程序自锁和连锁控制是PLC控制电路的最基本的环节，常用于内部继电器、输出继电器的控制电路。

1．自锁程序如图7.4所示，输入继电器X0为ON时，其触点X0闭合，输出继电器Y0接通，它的触点Y0闭合，这时即使将X0断开，输出继电器Y0仍保持接通状态。输入继电器X1为ON时，其触点X1断开，输出继电器Y0为OFF，其触点释放。再想启动输出继电器Y0，只能重新使输入继电器X0为ON。此程序可以实现图2.4所示电动机自锁控制电路的控制功能。但是要指出的是，在PLC控制程序中无法直接区别出开关和按钮。图7.4自锁控制梯形图图7.5连锁控制梯形图

2．连锁程序不能同时动作的连锁控制如图7.5所示。在此控制电路中，无论先接通哪一个输出继电器，之后，另外一个输出继电器都将不能接通。也就是说两者之中任何一个启动之后都把另一个启动控制回路断开，从而保证了任何时候两者都不能同时启动。7.2.2优先程序

1．两个输入信号的优先电路两个输入信号的优先电路如图7.6所示。输入信号X0和X1先到者取得优先权，后到者无效。图7.6两个输入信号的优先电路

2．多个输入信号的优先电路在多个故障检测系统中，有时可能当一个故障产生后，会引起其他多个故障，这时如能准确地判断哪一个故障是最先出现的，则对于分析和处理故障是极为有利的。以下是多个输入信号的优先电路，如图7.7所示。在四个输入信号A、B、C、D中任何一个输入信号首先出现，例如B信号先出现，则M501接通，其常闭接点M501全部打开，这时以后到来的其他输入信号A、C、D都无法使M501、M502、M503接通，从而可以迅速判断出A、B、C、D中哪一个输入信号是首发信号。图7.7多个输入信号的优先电路7.2.3顺序循环执行程序顺序控制是工业控制领域中最常见的一种控制装置。用PLC实现顺序控制，有多种方法能够实现，在实际编程中具体应用哪一种方法，要视具体情况而定。

1．连锁式顺序步进控制连锁式顺序步进控制如图7.8的梯形图所示。从图中可以看出，动作的发生，是按顺序步进控制方式进行的。将前一个动作的常开触点串联在后一个动作的启动线路中，作为后一个动作发生的必要条件。同时将代表后一个动作的常闭触点串入前一个动作的关断线路中。这样，只有前一个动作发生了，才允许后一个动作发生，而一旦后一个动作发生了，就立即迫使前一个动作停止。因此，可以实现各动作严格地依照预定顺序逐步发生和转换，保证不会发生顺序的错乱。图中使用了特殊辅助继电器M8002。仅在运行的第一次扫描时闭合，从第二次扫描开始断开并保持断开状态。图7.8连锁式顺序步进控制梯形图

2．定时器式顺序控制定时器式顺序控制如图7.9的梯形图所示。从图中可以看出，动作的发生是在定时器的控制下自动按顺序一步一步进行的。这种控制方式在工程中经常用到。下一个动作发生时，自动把上一个动作关断。这样，一个动作接着一个动作发生。在实际工程应用中，常用于设备的顺序启动控制。当闭合启动控制触点X0后，输出继电器Y0接通，延时5s后，Y1接通，再延时5s后，Y2接通，又延时5s后，Y3接通。Y3接通并保持5s后，Y0又接通，以后就周而复始按顺序循环。X1是停止控制触点。此程序与图2.16延时控制电路有一点差别，请读者自行分析怎样修改就能达到相同的控制目的。图7.9定时器式顺序控制梯形图

3．计数器式顺序控制计数器式顺序控制的梯形图如图7.10所示。此线路只需操作控制触点X10就能达到顺序步进控制功能。X10为计数控制触点，X10与C10的串联触点为计数复位触点。进入程序后，四个动作分别由Y1、Y2、Y3、Y4代表，当闭合计数控制触点X10后，输出继电器Y1接通，依次闭合X10，Y2、Y3、Y4依次接通。由于使用了条件比较指令，所以每当一个动作发生时，都将前一个动作关断。当计数器加到4时，C10触点闭合，此时X10也是闭合的，计数器复位。若再闭合X10，则将接通Y1，以后又顺序循环下去。

图7.10计数器式顺序控制梯形图

4．移位寄存器式顺序控制移位寄存器式顺序控制如图7.11所示。当X1 = 1时，M20 = 1。每隔500ms，M0 = 1，使M20中的1向从M21开始的四个辅助继电器依次移位。

5．用步进指令进行顺序控制除了上述的几种顺序控制方法之外，还可以利用步进梯形指令实现顺序控制，这种控制方法见步进梯形指令部分。图7.11移位寄存器式顺序控制7.2.4振荡程序多谐振荡电路可以按预定的通/断间隔产生时序脉冲，可用来作为脉冲信号源，也可用它来代替传统的闪光报警继电器，作为闪光报警。如图7.12和图7.13所示的是多谐振荡电路的梯形图和时序图。由梯形图程序可知，可以通过设定两个定时器的设定值来确定所产生的脉冲的占空比。图7.12多谐振荡电路的梯形图图7.13多谐振荡电路的时序图7.2.5二分频程序用PLC可以实现对输入信号的分频。二分频的梯形图程序如图7.14所示。将输入脉冲信号加入X0端，辅助继电器M0接通一个扫描周期T，输出Y0接通，使Y0线圈接通并自锁。第2个输入脉冲到来时，辅助继电器M0接通，M0常开接点使线圈Y1接通，接点Y1常闭触点打开，使线圈Y0断电。上述过程循环往复，使输出Y0的频率为输入端信号X0的频率的一半。二分频的电路时序图如图7.15所示。图7.14二分频的电路图7.15二分频的电路时序图7.3顺序控制设计方法一般地，我们将工业控制过程简单地分成两大类。一类是顺序控制过程，另一类是随机控制过程。顺序控制过程一般具备以下特点：

(1)被控过程的动作顺序是一定的，不能随意变动；

(2)每个动作都有约束条件，且这个约束条件能够被记忆。顺序控制就是按照生产工艺预先规定的操作顺序，在各个输入信号的作用下，根据内部状态和时间顺序，在生产过程中各个执行机构自动有序地进行操作。顺序控制设计方法也叫步进控制设计方法，是一种较先进的设计方法，不但设计效率高，便于程序的调试、修改、阅读，而且易学、好懂。顺序功能图作为PLC首选的编程语言，主要由步、动作、有向连线、转移、转移条件五个基本要素组成。顺序控制设计方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。步是根据输出量的状态划分的，并用编程元件(例如辅助继电器M和状态寄存器S)代表各步。使控制系统由当前步进入下一步的信号称为转移条件。转移条件可以是外部输入信号，如按钮、限位开关等；也可以是PLC内部产生的信号，如定时器的触点的动作等；还可以是若干个信号的与、或、非逻辑组合。顺序控制设计方法是用转移条件控制代表各步的编程元件，使它们的状态按一定的顺序变化，然后用各步的编程元件去控制输出继电器。简单地说，即用输入量X控制代表各步的编程元件，再由它们控制输出量Y。如图7.16所示，步是根据输出量Y的状态划分的，M和Y之间具有很简单的与逻辑关系，所以输出电路的设计极为简单。由于任何复杂系统的代表步的编程元件的控制电路，其设计方法都是相同的，并且很容易掌握，因此顺序控制设计方法具有简单、规范、通用的优点。图7.16信号关系图顺序功能图是应用顺序控制设计方法的思想描述控制系统的控制过程、功能和特性的一种图形，也是一种通用的技术语言，是设计PLC的顺序控制程序的有力工具。

1.步我们把控制系统中一个相对不变的稳定状态叫做步。在功能图中，步通常表示某个执行元件的状态变化。步的符号如图7.17所示。通常步又分为初始步和工作步。

1)初始步初始步对应于控制系统的初始状态，是系统运行的起点。一个控制系统至少要有一个初始步。初始步的符号如图7.18所示。图7.17步的符号和例子(a)步的符号；(b)例子图7.18初始步的符号和例子(a)初始步的符号；(b)例子

2)工作步工作步是指控制系统正常运行的状态。根据系统是否在运行，每一个工作步可以分为两种状态：动态和静态，也称动步和静步。动步是指当前正在运行的步，静步是指当前没有运行的步。动步一般用小黑点放在步的方框中表示，如图7.19所示。注意，小黑点不是步符号的内容，而是系统动态过程的说明。

3)与步对应的动作步是描述控制系统中的一个稳定的状态，即表示过程中的一个动作，该动作用步符号右边的一个矩形框表示，如图7.20所示。图7.19动步的表示

图7.20与步对应动作的表示

2.转移控制系统中从一个稳定状态过渡到另一个稳定状态的过程称为转移。我们用一个有向线段来表示转移的方向，并用两步间有向线段中间的一段横线表示这一转移。转移的符号如图7.21所示。

1)转移的使能和触发转移的实现必须依赖于一种条件。当此条件成立，称之为转移使能。该转移条件如果可以使步状态转移，则称之为触发。一个转移能够触发必须满足：该步为动步和转移使能。如图7.22所示，图(a)中，转移的输入步9不是动步，因此无法触发；图(c)中，转移条件不满足；图(b)中，转移条件满足且输入步均为动步，转移后9、13、22变为静步。由此可见，功能图不但能表示动作的先后顺序，各动作之间的转移条件，还可以动态模拟控制系统的运行。图7.21转移符号图7.22转移的各种情况举例

2)转移条件转移条件是指使系统从一步向另一步转移的必要条件，通常采用文字、逻辑方程及符号表示。在功能图中，经常遇到以下三种符号。

(1)表示转移条件中各因素之间与的关系：“&”。

(2)表示转移条件中各因素之间或的关系：“≥”。

(3)表示条件永远成立：“=1”。

3.功能图的组成规则画控制系统的功能图时，必须遵守以下规则：

(1)步与步之间必须由转移分开，不能直接相连。

(2)转移与转移之间不能相连，必须由步分开。

(3)步与转移、转移与步之间的连接采用有向线段，从上向下画时，箭头可以省略。当有向线段从下向上画时，必须画向上的箭头，以表明方向。

(4)一个功能图至少要有一个初始步。我们用一个例子来说明功能图的组成规则。某一台冲压机的初始位置是冲头抬起，处于高位；当操作者按动启动按钮时，冲头向下冲击工件；当冲头到达最低位置时，触动低位行程开关；然后，冲头抬起，回到高位，触动高位行程开关，整个过程结束，停止运行。表示上述冲压机顺序控制功能图如图7.23所示。图中冲压机的工作顺序分为三步：等待、下冲、返回。从第一步到第二步的转移条件是：启动条件与高位行程开关信号，相与的结果为真时转移才发生。从第二步到第三步的转移条件是：必须出现低位行程开关信号。从第三步返回到初始步的条件是：必须出现高位行程开关信号。图7.23某冲压机顺序控制功能图

4.功能图的基本形式功能图的基本形式有三种：单一顺序、选择顺序和并发顺序。了解这些基本形式对于画好功能图，设计PLC程序有很大的帮助。

1)单一顺序单一顺序是最简单的功能图形式。它所表示的动作顺序是一个接着一个完成的，每步仅连接一个转移，每个转移也仅连接一个步。如图7.23所示的冲压机顺序控制功能图就是一个单一顺序形式的功能图。

2)选择顺序选择顺序是指一步之后有若干个单一顺序等待选择，而一次只能选择其中的一个单一顺序。为了保证一次仅选择一个顺序，即选择的优先权，必须对各个转移条件加以约束。选择顺序的表示方法是在发生选择顺序的前一步之后画一条水平线，水平线下连接各个单一顺序的第一个转移。选择顺序结束时用一条水平线将各个单一顺序连接在一起，水平线以下允许再有一个转移直接跟着。选择顺序的例子如图7.24所示。从图中可以看出，各个单一顺序的转移条件已经确定了，一次只能进入一个单一顺序，而且有优先级。图7.24选择顺序举例

3)并发顺序并发顺序是指在某一个转移条件下，同时启动若干个顺序。并发顺序用双水平线表示，当若干个顺序结束时，也应用双水平线表示。并发顺序的例子如图7.25所示。在选择顺序和并发顺序功能图中，应注意水平线和转移条件位置。选择顺序功能图中，转移条件的位置在两个单水平线内。并发顺序功能图中，转移条件的位置在两个双水平线外。单一顺序、选择顺序和并发顺序是功能图的基本形式，在很多情况下，这些基本形式是混合出现的。如图7.26所示是一个混合顺序功能图。图7.25并发顺序举例图7.26混合顺序功能图

5.画顺序控制过程功能图的一般步骤进行PLC的顺序控制系统程序设计时，能够正确地画出其顺序控制过程的功能图是关键。下面给出画顺序控制过程功能图的一般步骤：

(1)分析系统工作要求和实际工艺流程，确定系统所采用的功能图结构。

(2)将系统的工艺流程分解为若干步，每一步表示系统的一个稳定状态。

(3)确定步与步之间的转移信号及其关系。该转移信号一般由现场各步的主令元件或传感器件发出。

(4)确定初始步的状态。一般初始步表示顺序控制系统的初始状态。

(5)系统结束时一般应返回到初始状态。下面，我们举一个实例说明功能图的画法，描述怎样把一个实际顺序控制过程用功能图表示出来。

【例7-1】某具有一个旋转圆盘和三个工位的半自动钻孔工作站的工作过程是：当启动按钮按下后，系统开始运行，工位1、工位2、工位3同时投入各自的工作顺序。对各工位的要求如下。工位1：上料。推料杆将料推出，料到位后退回，回到位后进入等待状态。工位2：钻孔。将工件夹紧后，钻头下钻，下钻到位后退回，退回到位后放松工件，完成放松后进入等待状态。工位3：检测及卸下工件。深度计下降，如在某一时间隔(如3s)内下降到某一位置，深度计返回。返回到位后，推料杆卸工件(合格品)，卸完推料杆退回，退回到位后等待。深度计在3s内末下降到位，人工按下卸料开关，推料杆退回，退到位后等待。当三个工位都进入到等待状态后，料盘旋转120°，等待加工新一轮工件。分析上述工作过程，三个工位同时工作，明显属于并发顺序。其中工位3中，深度计下降后发生选择顺序，即产品是合格品或废品的选择。画出半自动钻孔工作站的顺序控制功能图，如图7.27所示。在图7.27中，当并发顺序中的三个单一顺序都进入等待状态，则并发顺序结束，进入一个单一顺序，然后回到初始状态。注意4、9、14步是等待状态，没有动作需要完成，设置它们的目的是用于使并发顺序同时结束。图7.27半自动钻孔工作站顺序控制功能图7.4使用STL指令编写顺序控制梯形图7.4.1STL指令步进梯形指令(StepLadderInstruction)简称为STL指令。FX系列PLC还有一条使STL指令复位的RET指令。利用这两条指令，可以很方便地编制顺序控制梯形图程序。

STL指令使编程者可以生成流程和工作与顺序功能图非常接近的程序。顺序功能图中的每一步对应一小段程序，每一步与其他步是完全隔离开的。使用者根据他的要求将这些程序段按一定的顺序组合在一起，就可以完成控制任务。这种编程方法可以节约编程的时间，并能减少编程错误。用FX系列PLC的状态继电器编制顺序控制程序时，一般应与STL指令一起使用。S0～S9用于初始步，S10～S19用于自动返回原点。使用STL指令的状态继电器的常开触点称为STL触点，它是一种“特殊”触点。从图7.28可以看出顺序功能图与梯形图之间的对应关系，STL触点驱动的电路块具有三个功能，即对负载的驱动处理、指定转换条件和指定转换目标。

STL触点一般是与左侧母线相连的常开触点，当某一步为活动步时，对应的STL触点接通，它右边的电路被处理，直到下一步被激活。STL程序区内可以使用标准梯形图的绝大多数指令和结构，包括应用指令。某一STL触点闭合后，该步的负载线圈被驱动。当该步后面的转换条件满足时，转换实现，即后续步对应的状态继电器被SET或OUT指令置位，后续步变为活动步，同时与原活动步对应的状态继电器被系统程序自动复位，原活动步对应的STL触点断开。图7.28STL指令系统的初始步应使用初始状态继电器S0～S9，它们应放在顺序功能图的最上面，在由STOP状态切换到RUN状态时，可用此时只ON一个扫描周期的初始化脉冲M8002来将初始状态继电器置为ON，为以后步的活动状态的转换做好准备。需要从某一步返回初始步时，应对初始状态继电器使用OUT指令。

FX1S仅有128点断电保持状态继电器(S0～S127)，FX1N有1000点断电保持状态继电器(S0～S999)。在由STOP→RUN状态时，应使用M8002的常开触点和区间复位指令(ZRST)来将除初始步以外的其余各步的状态继电器复位。7.4.2单序列的编程方法图7.29中旋转工作台用凸轮和限位开关来实现运动控制。在初始状态时，左限位开关X3为ON，按下启动按钮X0，Y0变为ON，电机驱动工作台沿顺时针正转，转到右限位开关X4所在位置时暂停5s(用T0定时)，定时时间到时Y1变为ON，工作台反转，回到限位开关X3所在的初始位置时停止转动，系统回到初始状态。工作台一个周期内的运动由图中自上而下的4步组成，它们分别对应于S0，S20～S22，步S0是初始步。PLC上电时进入RUN状态，初始化脉冲M8002的常开触点闭合一个扫描周期，梯形图中第一行的SET指令将初始步S0置为活动步。图7.29顺序功能图与梯形图在梯形图的第二行中，S0的STL，触点和X0的常开触点组成的串联电路代表转换实现的两个条件，S0的STL触点闭合表示转换X0的前级步S0是活动步，X0的常开触点闭台表示转换条件满足。在初始步时，按下启动按钮X0，两个触点同时闭台，转换实现的两个条件同时满足。此时置位指令SETS20被执行，后续步S20变为活动步，同时系统程序自动地将前级步S0复位为不活动步。

S20的STL触点闭合后，该步的负载被驱动，Y0的线圈通电，工作台正转。限位开关X4动作时，转换条件得到满足，下一步的状态继电器S21被置位，进入暂停步，同时前级步的状态继电器S20被自动复位，系统将这样一步一步地工作下去，在最后一步，工作台反转，返回限位开关X3所在的位置时，用OUTS0指令使初始步对应的S0变为ON并保持，系统返回并停止在初始步。在图7.29所示梯形图的结束处，一定要使用RET指令，才能使LD点回到左侧母线上，否则系统将不能正常工作。使用STL指令应注意以下问题：

(1)与STL触点相连的触点应使用LD或LDI指令，即LD点移到STL触点的右侧，该点成为临时母线。下一条STL指令的出现意味着当前STL程序区的结束和新的STL程序区的开始。RET指令意味着整个STL程序区的结束，LD点返回左侧母线。各STL触点驱动的电路一般放在一起，最后一个STL电路结束时一定要使用RET指令，否则将出现“程序错误”信息，PLC不能执行用户程序。

(2) STL触点可以直接驱动或通过别的触点驱动Y，M，S，T等元件的线圈和应用指令。STL触点右边不能使用入栈(MPS)指令。

(3)由于CPU只执行活动步对应的电路块，使用STL指令时允许双线圈输出，即不同的STL触点可以分别驱动同一编程元件的一个线圈。但是同一元件的线圈不能在可能同时为活动步的STL区内出现，在有并行序列的顺序功能图中，应特别注意这一问题。

(4)在步的活动状态的转换过程中，相邻两步的状态继电器会同时ON一个扫描周期，可能会引发瞬时的双线圈问题。为了避免不能同时接通的两个输出(如控制异步电动机正反转的交流接触器线圈)同时动作，除了在梯形图中设置软件互锁电路外，还应在PLC外部设置由常闭触点组成的硬件互锁电路。定时器在下一次运行之前，首先应将它复位。同一定时器的线圈可以在不同的步使用，但是如果用于相邻的两步，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。

(5) OUT指令与SET指令均可用于步的活动状态的转换，将原来的活动步对应的状态寄存器复位，此外还有自保持功能。

SET指令用于将STL状态继电器置位为ON并保持，以激活对应的步。如果SET指令在STL区内，一旦当前的STL步被激活，原来的活动步对应的STL线圈被系统程序自动复位。SET指令一般用于驱动状态继电器的元件号比当前步的状态继电器元件号大的STL步。在STL区内的OUT指令用于顺序功能图中的闭环和跳步，如果想跳回已经处理过的步，或向前跳过若干步，可对状态继电器使用OUT指令(见图7.30)。OUT指令还可以用于远程跳步，即从顺序功能图中的一个序列跳到另外一个序列(见图7.31)。以上情况虽然可以使用SET指令，但最好使用OUT指令。图7.30顺序功能图中的跳步图7.31远程跳步

(6) STL指令不能与MC、MCR指令一起使用。在FOR-NEXT结构、子程序和中断程序中，不能有STL程序块，STL程序块不能出现在FEND指令之后。

STL程序块中可使用最多4级嵌套的FOR-NEXT指令，虽然并不禁止在STL触点驱动电路块中使用CJ指令，但是可能引起附加的和不必要的程序流程混乱。为了保证程序易于维护和快速查错，建议不要在STL程序中使用跳步指令。

(7)并行序列或选择序列中分支处支路数不能超过8条，总的支路数不允许超过16条。

(8)在转换条件对应的电路中，不能使用ANB，ORB，MPS，MRD和MPP指令。可用转换条件对应的复杂电路来驱动辅助继电器，再用后者的常开触点来作转换条件。

(9)与条件跳步指令(CJ)类似，CPU不执行处于断开状态、由STL触点驱动的电路块中的指令，在没有并行序列时，同时只有一个STL触点接通，因此使用STL指令可以显著地缩短用户程序的执行时间，提高PLC的输入、输出响应速度。

(10) M2800～M3071是单操作标志，当图7.32中M2800的线圈通电时，只有它后面第一个M2800的边沿检测触点(2号触点)能工作，而M2800的1号和3号脉冲触点不会动作。M2800的4号触点是使用LD指令的普通触点，M2800的线圈通电时，该触点闭合。借助单操作标志可以用一个转换条件实现多次转换。在图7.33中，当S20为活动步，X0的常开触点闭合时，M2800的线圈通电，M2800的第一个上升沿检测触点闭合一个扫描周期，实现了步S20到步S21的转换。X0的常开触点下一次由断开变为接通时，因为S20是不活动步，没有执行图中的第一条LDPM2800指令，S21的STL触点之后的触点是M2800的线圈之后遇到的它的第一个上升沿检测触点，所以该触点闭合一个扫描周期，系统由步S21转换到步S22。图7.32单操作标志图7.33单操作标志的使用7.4.3选择序列的编程方法复杂的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与合并的处理，转换实现的基本规则是设计复杂系统梯形图的基本准则。图7.34是自动门控制系统的顺序功能图和梯形图。人靠近自动门时，感应器X0为ON，Y0驱动电机高速开门，碰到开门减速开关X1时，变为低速开门。碰到开门极限开关X2时电机停转，开始延时。若在0.5s内感应器检测到无人，Y2启动电机高速关门。碰到关门减速开关X4时，改为低速关门，碰到关门极限开关X5时电机停转。在关门期间若感应器检测到有人，停止关门，T1延时0.5s后自动转换为高速开门。图7.34自动门控制系统顺序功能图和梯形图

1)选择序列分支的编程方法图7.34中的步S23之后有一个选择序列的分支。当步S23是活动步(S23为ON)时，如果转换条件X0为ON(检测到有人)，将转换到步S25；如果转换条件X4为ON，将进入步S24。如果在某一步的后面有N条选择序列的分支，则该步的STL触点开始的电路块中应有N条分别指明各转换条件和转换目标的并联电路。例如步S23之后有两条支路，两个转换条件分别为X4和X0，可能分别进入步S25和步S24，在S23的STL触点开始的电路块中，有两条分别由X4和X0作为置位条件的并联支路。

STL触点具有与主控指令(MC)相同的特点，即LD点移到了STL触点的右端，对于选择序列分支对应的电路设计,是很方便的。用STL指令设计复杂系统的梯形图时更能体现其优越性。

2)选择序列合并的编程方法图7.34中的步S20之前有一个由两条支路组成的选择序列的合并，当S0为活动步时，转换条件X0得到满足，或者步S25为活动步，转换条件T1得到满足，都将使步S20变为活动步，同时系统程序将步S0或步S25复位为不活动步。在梯形图中，由S0和S25的STL触点驱动的电路块中均有转换目标S20，对它们的后续步S20的置位(将它变为活动步)是用SET指令实现的，对相应前级步的复位(将它变为不活动步)是由系统程序自动完成的。其实在设计梯形图时，没有必要特别留意选择序列的合并如何处理，只要正确地确定每一步的转换条件和转换目标，就能自然地实现选择序列的合并。7.4.4并行序列的编程方法图7.35给出了某组合钻床控制系统的顺序功能图，图7.36是用STL指令编制的组合钻床梯形图。图7.35中分别由S22～S24和S25～S27组成的两个单序列是并行工作的，设计梯形图时应保证这两个序列同时开始工作和同时结束，即两个序列的第一步S22和S25应同时变为活动步，两个序列的最后一步S24和S27应同时变为不活动步。并行序列分支的处理是很简单的，在图7.35中，当步S21是活动步，并且转换条件X1为ON时，步S22和步S25同时变为活动步，两个序列开始同时工作。在梯形图中，用S21的STL触点和X1的常开触点组成的串联电路来控制SET指令对S22和S25同时置位，系统程序将前级步S21变为不活动步。图7.35组合钻床控制系统的顺序功能图图7.35中并行序列合并处的转换有两个前级步S24和S27，根据转换实现的基本规则,当它们均为活动步并且转换条件满足时，将实现并行序列的合并。未钻完3对孔时，C0的常闭触点闭合，转换条件满足，将转换到步S28，即该转换的后续步S28变为活动步(S28被置位)，系统程序自动地将该转换的前级步S24和S27同时变为不活动步。在梯形图中，用S24，S27的STL触点(均对应STL指令)和C0的常闭触点组成的串联电路使S28置位。在图7.35中，S27的STL触点出现了两次，如果不涉及并行序列的合并，同一状态继电器STL触点只能在梯形图中使用一次。串联的STL触点的个数不能超过8个，换句话说，一个并行序列中的序列数不能超过8个。钻完3对孔时，C0的常开触点闭合，转换条件C0满足，将转换到步S29。图7.36组合钻床的梯形图7.5使用启保停电路的编程方法根据顺序功能图来设计梯形图时，可以用辅助继电器M来代表步。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(如启保停电路和置位复位指令组成的电路)来控制代表步的辅助继电器。启保停电路仅仅使用与触点和线圈有关的指令，任何一种PLC的指令系统都有这一类指令，因此这是一种通用的编程方法，可以用于任意型号的PLC。图7.37中的步M1，M2和M3是顺序功能图中顺序相连的3步，X1是步M2之前的转换条件。设计启保停电路的关键是找出它的启动条件和停止条件。根据转换实现的基本规则，转换实现的条件是它的前一步为活动步，并且满足相应的转换条件，所以步M2变为活动步的条件是它的前级步M1为活动步，且转换条件X1 = l。在启保停电路中，则应将前级步M1和转换条件X1对应的常开触点串联，作为控制M2的启动电路。当M2和X2均为ON时，步M3变为活动步，这时步M2应变为不活动步，因此可以把M3=1作为使辅助继电器M2变为OFF的条件，即将后续步M3的常闭触点与M2的线圈串联，作为启保停电路的停止电路。图7.37中的梯形图可以用逻辑代数式表示为图7.37使用启保停电路的控制步在这个例子中，可以用X2的常闭触点代替M3的常闭触点。但是当转换条件由多个信号经与、或、非逻辑运算组合而成时，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启保停电路的停止电路，相比之下不如使用后续步的常闭触点这样简单方便。7.5.1单序列的编程方法图7.38是某小车运动的示意图、顺序功能图和用启保停电路设计的梯形图。设小车在初始位置时停在右边，限位开关X2为ON。按下启动按钮X3后，小车向左运动(简称左行)，碰到限位开关X1时，变为右行；返回限位开关X2处变为左行，碰到限位开关X0时，变为右行，返回起始位置后停止运动。图7.38小车控制系统(a)小车运动示意图；(b)顺序功能图；(c)梯形图一个工作周期可以分为一个初始步和4个运动步，分别用M0～M4来代表这5步。启动按钮X3、限位开关X0～X2的常开触点是各步之间的转换条件。根据上述的编程方法和顺序功能图，很容易画出梯形图。例如图7.38中步M1的前级步为M0，该步前面的转换条件为X3，所以M1的启动电路由M0和X3的常开触点串联而成，启动电路还并联了M1的自保持触点。步M1的后续步是步M2，所以应将M2的常闭触点与M1的线圈串联，作为控制M1启保停电路的停止电路，M2为ON时，其常闭触点断开，使M1的线圈“断电”。PLC开始运行时应将M0置为ON，否则系统无法工作，故将M8002的常开触点与M1的启动电路(由M4和X2的常开触点串联而成)并联。下面介绍设计梯形图的输出电路部分的方法。由于步是根据输出变量的状态变化来划分的，它们之间的关系极为简单，可以分为两种情况来处理。

(1)某一输出量仅在某一步中为ON，可以将它们的线圈分别与对应步的辅助继电器线圈并联。有的人也许会认为，既然如此，不如用这些输出继电器来代表该步，这样做可以节省一些编程元件。但是辅助继电器是完全够用的，多用一些不会增加硬件费用，在设计和键入程序时也多花不了多少时间。全部用辅助继电器来代表步具有概念清楚、编程规范、梯形图易于阅读和查错的优点。

(2)某一输出继电器在几步中都应为ON，应将代表各有关步的辅助继电器的常开触点并联后，驱动该输出继电器的线圈。例如在图7.38中，Y0在步M1和M3中都应为ON，所以将M1和M3的常开触点并联后，来控制Y0的线圈。读者可将此例与2.2.4节中由行程开关控制的可自动往返的可逆控制电路进行对比，加深对继电器控制与PLC控制的理解。7.5.2选择序列的编程方法首先，介绍一个例子。人行横道处的交通信号灯示意图与顺序功能图如图7.39所示。按下按钮X0，交通灯将按顺序功能图所示的顺序变化。图7.40是用启保停方法设计的梯形图。图7.39人行横道交通灯示意图与顺序功能图

PLC由STOP状态进入RUN状态时，初始化脉冲M8002将初始步M0置为ON，按下自动按钮X0，步M1和步M5同时变为活动步，车道红灯和人行道绿灯亮，禁止车辆通过。按下停止按钮X1，在完成顺序功能图中一个工作周期的最后一个步(车道黄灯亮、人行道红灯亮)的工作后返回初始状态，所有的灯熄灭。为了实现在最后一步返回初始状态，在梯形图中用启保停电路和启动、停止按钮来控制M10，按下启动按钮X0，M10变为ON并保持，按下停止按钮X1，M10变为OFF。但是系统不会马上返回初始步，因为M10只是在步M8之后起作用。交通灯的闪动是用周期为1s的时钟脉冲M8013的触点实现的。图7.40人行横道交通灯控制系统梯形图车道交通灯和人行道交通灯是同时工作的，可以用并行序列来表示它们的工作情况。在顺序功能图中，为了避免从并行序列的汇合处直接转换到并行序列的分支处，在步M4和M7的后面设置了一个虚设步，该步没有什么具体的操作，进入该步后，将马上转移到下一步。下面，介绍选择序列的编程方法。

1)选择序列的分支的编程方法如果某一步的后面有一个由N条分支组成的选择序列，该步可能转换到不同的N步去。应将这N个后续步对应的辅助继电器的常闭触点与该步的线圈串联，作为结束该步的条件。图7.39中步M8之后有一个选择序列的分支，当它的后续步M0、M1和M5变为活动步时，它应变为不活动步。因为M1和M5是同时变为活动步的，所以只需将M0和M1或M0和M5的常闭触点与M8的线圈串联。

2)选择序列的合并的编程方法对于选择序列的合并，如果某一步之前有N个转换(即有N条分支在该步之前合并后进入该步)，则代表该步的辅助继电器的启动电路由N条支路并联而成，各支路由某一前级步对应的辅助继电器的常开触点与相应转换条件对应的触点或电路串联而成。在图7.39中，步M1和步M5之前有一个选择序列的合并，当步M0为活动步(M0为ON)并且转换条件X0满足，或步M8为活动步，并且转换条件M10满足，步M1和步M5都应变为活动步，即控制M1和M5的启保停电路的启动条件应为M0·X0 + M8·M10。对应的启动电路由两条并联支路组成，每条支路分别由M0、X0和M8、M10的常开触点串联而成(见图7.40)。7.5.3并行序列的编程方法

1)并行序列的分支的编程方法并行序列中各单序列的第一步应同时变为活动步。对控制这些步的启保停电路使用同样的启动电路，可以实现这一要求。图7.39中步M0之后有一个并行序列的分支，当步M8为活动步并且转换条件M10满足，或步M0为活动步并且转换条件X0得到满足时，都应转换到步M1和步M5，M1和M5应同时变为ON。这是用逻辑关系式M0·X0 + M8·M10对应的电路同时作为控制M1和M5的启保停电路的启动电路实现的。

2)并行序列的合并的编程方法步M8之前有一个并行序列的合并，该转换实现的条件是所有的前级步(即步M4和M7)都是活动步和转换条件T5满足。由此可知，应将M4，M7和T5的常开触点串联，作为控制M8的启保停电路的启动电路。7.5.4两步闭环的处理如果在顺序功能图中有仅由两步组成的小闭环(见图7.41(a))，用启保停电路设计的梯形图不能正常工作。例如在M2和X2均为ON时，M3的启动电路接通，但是这时与它串联的M2的常闭触点却是断开的(见图7.41(b))，所以M3的线圈不能“通电”。出现上述问题的根本原因在于步M2既是步M3的前级步，又是它的后续步。在小闭环中增设一步就可以解决这一问题(见图7.41(c))，这一步没有什么操作，它后面的转换条件“=1”相当于逻辑代数中的常数1，即表示转换条件总是满足的，只要进入步M10，将马上转换到步M2去。图7.41(d)是根据图7.41(c)画出的梯形图。将图7.41(b)中M2的常闭触点改为X3的常闭触点，不用增设步，也可以解决上述问题。图7.41仅有两步的闭环的处理7.6以转换为中心的编程方法7.6.1单序列的编程方法图7.42给出了以转换为中心的编程方法的顺序功能图与梯形图的对应关系。实现图中X1对应的转换需要同时满足两个条件，即该转换的前级步是活动步(M1 = 1)和转换条件满足(X1 = 1)。在梯形图中，可以用M1和X1的常开触点组成的串联电路来表示上述条件。该电路接通时，两个条件同时满足，此时应完成两个操作，即将该转换的后续步变为活动步(用SETM2指令将M2置位)和将该转换的前级步变为不活动步(用RSTM1指令将M1复位)。这种编程方法与转换实现的基本规则之间有着严格的对应关系，用它编制复杂顺序功能图的梯形图时，更能显示出它的优越性。图7.42以转换为中心的编程方法图7.43给出了传送带控制系统的顺序功能图和梯形图。其中的两条运输带顺序相连，为了避免运送的物料在2号运输带上堆积，按下启动按钮后，2号运输带开始运行，5s后1号运输带自动启动。停机的顺序与启动的顺序刚好相反，间隔仍然为5s。在顺序功能图中，如果某一转换所有的前级步都是活动步并且相应的转换条件满足，则转换可实现。即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，而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。在以转换为中心的编程方法中，用该转换所有前级步对应的辅助继电器的常开触点与转换对应的触点或电路串联，作为使所有后续步对应的辅助继电器置位(使用SET指令)和使所有前级步对应的辅助继电器复位(使用RST指令)的条件。在任何情况下，代表步的辅助继电器的控制电路都可以用这一原则来设计，每一个转换对应一个这样的控制置位和复位的电路块，有多少个转换就有多少个这样的电路块。这种设计方法特别有规律，在设计复杂的顺序功能图的梯形图时既容易掌握，又不容易出错。使用这种编程方法时，不能将输出继电器的线圈与SET和RST指令并联，这是因为图7.43中前级步和转换条件对应的串联电路接通的时间是相当短的(只有一个扫描周期)，转换条件满足后，前级步马上被复位，在下一扫描周期控制置位、复位的串联电路被断开，而输出继电器的线圈至少应该在某一步对应的全部时间内被接通。所以应根据顺序功能图，用代表步的辅助继电器的常开触点或它们的并联电路来驱动输出继电器的线圈。图7.43传送带控制系统的顺序功能图与梯形图7.6.2选择序列的编程方法在地下停车场的出入口处，为了节省空间，同时只允许一辆车进出(见图7.44)。在进出通道的两端设置有红绿灯，光电开关X0和X1用于检测是否有车经过，光线被车遮住时X0或X1为ON。有车进入通道时(光电开关检测到车的前沿)，两端的绿灯灭、红灯亮，以警示两方后来的车辆不可再进入通道。车开出通道时，光电开关检测到车的后沿，两端的红灯灭、绿灯亮，别的车辆可以进入通道。如果某一转换与并行序列的分支、合并无关，它的前级步和后续步都只有一个，需要复位、置位的辅助继电器也只有一个，因此对选择序列的分支与合并的编程方法实际上与对单序列的编程方法完全相同。图7.44停车场出入口信号灯图7.45所示的顺序功能图中，所有的转换均与并行序列无关，除M8002以外的转换与选择序列的分支、合并有关，它们都只有一个前级步和一个后续步，对应的梯形图是非常“标准的”，每一个控制置位、复位的电路块都由前级步对应的辅助继电器和转换条件对应的X0和X1的常开触点或下降沿触点组成的串联电路，一条SET指令和一条RST指令组成，图7.45中的转换条件X0和X1实际上是在上升沿时起作用，X0和X1的普通触点和上升沿检测触点在这种情况下是等效的。图7.45单行道交通灯控制系统(a)波形图；(b)顺序功能图；(c)梯形图7.6.3并行序列的编程方法组合机床是针对特定工件和特定加工要求设计的自动化加工设备，通常由标准通用部件和专用部件组成。PLC是组合机床电气控制系统中的主要控制设备。用于双面钻孔的组合机床在工件相对的两面钻孔，机床由动力滑台提供进给运动，刀具自动机固定在动力滑台上。工件装入夹具后，按下启动按钮X0，工件被夹紧，限位开关X1变为ON，并行序列中两个子序列的起始步M2和M6变为活动步，两侧的左、右动力滑台同时进行快速进给、工作进给和快速退回的加工循环，同时刀具电机也启动工作。两侧的加工均完成后，系统进入步M10，工件被松开，限位开关X10变为ON，系统返回初始步M0，动力滑台退回原位，一次加工的工作循环结束。双面钻孔组合机床工作示意图和控制系统外部接线图如图7.46、图7.47所示。图7.46双面钻孔组合机床工作示意图图7.4