第5章 数字量控制系统梯形图程序设计方法

第5章数字控制系统梯形图程序设计方法成都理工大学工程技术学院自动化工程系雷永锋第5章数字量控制系统梯形图程序设计方法5.1梯形图的经验设计法经验设计法在一些典型电路的基础上，根据被控对象对控制系统的具体要求，不断地修改和完善梯形图。1．有记忆功能的电路2．占空比可调的振荡电路I0.3的常开触点接通后，T41开始定时。2s后定时时间到，T41的常开触点接通，Q0.7变为ON，T42开始定时。3s后T42的定时时间到，它的常闭触点断开，T41被复位。T41的常开触点断开，使Q0.7变为OFF，T42被复位。复位后T42的常闭触点接通，下一扫描周期T41又开始定时。Q0.7的线圈“通电”和“断电”的时间分别等于T42和T41的预设值。3．两条运输带的控制程序按下起动按钮I0.5，1号运输带开始运行，8s后2号运输带自动起动。按了停止按钮I0.6后，先停2号运输带，8s后停1号运输带。4．使用时钟脉冲的长延时电路周期为1min的时钟脉冲SM0.4的常开触点为加计数器C0提供计数脉冲。定时时间为30000min（500h）。5．用计数器扩展定时器的定时范围I0.2为ON时，T37开始定时，3000s后T37的定时时间到，其常开触点闭合，使C4加1。T37的常闭触点断开，使它自己复位，当前值变为0。下一扫描周期T37的常闭触点接通，又开始定时。总的定时时间为T=0.1KTKC(s)图5-5长延时电路图5-6长延时电路6．自动往返的小车的控制程序按下起动按钮SB2或SB3，要求小车在左、右限位开关之间不停地循环往返，直到按下停车按钮SB1。用分开的两个起保停电路来分别控制小车的右行和左行。将Q0.0和Q0.1的常闭触点分别与对方的线圈串联，称为“互锁”。通过“按钮联锁”，不按停车按钮就可以改变电机的旋转方向。在PLC外部设置由KM1和KM2的辅助常闭触点组成的硬件互锁电路，以确保不会出现因为两个接触器同时动作使三相电源相间短路的故障。限位开关的常闭触点使小车在极限位置停止运行，限位开关的常开触点使小车反向起动。7．常闭触点输入信号的处理如果将图5-8中FR的触点改为常闭触点，未过载时它是闭合的，I0.5为ON，梯形图中I0.5的常开触点闭合。梯形图中应将I0.5的常开触点与Q0.0或Q0.1的线圈串联。过载时FR的常闭触点断开，I0.5变为OFF，梯形图中I0.5的常开触点断开，使Q0.0或Q0.1的线圈断电，起到了过载保护的作用。梯形图中I0.5的触点类型与继电器电路中对应的FR的触点类型相反。5.2根据继电器电路图设计梯形图的方法5.2.1基本方法将PLC想象为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”，输入位I和输出位Q是这个控制箱与外部世界联系的“接口继电器”。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。2）确定PLC的输入信号和输出负载，以及与它们对应的梯形图中的输入位I和输出位Q的地址，画出PLC的外部接线图。3）确定与继电器电路图的中间继电器、时间继电器对应的梯形图中的位存储器（M）和定时器（T）的地址。4）根据上述的对应关系画出梯形图。图5-11图5-12图5-10是某三速异步电动机起动和自动加速的继电器控制电路图。M0.2的线圈与KT2对应的T38方框并联，用M0.2的常开触点来模拟KT2的瞬动触点。5.2.2注意事项1.应遵守梯形图语言中的语法规定例如梯形图中线圈和输出类指令必须放在同一行电路的最右边。2．设置中间单元，例如图5-12中的M0.1。3．尽量减少PLC的输入信号和输出信号有锁存功能的热继电器的常闭触点可以放在PLC外部的输出回路。4．设立外部联锁电路如果在继电器电路中有接触器之间的联锁电路，PLC的输出回路也应采用相同的联锁电路。例如KM1～KM3之间的互锁。5．梯形图的优化设计串联电路中单个触点应放在右边，并联电路中单个触点应放在下面。6．外部负载的额定电压PLC的输出模块只能驱动额定电压最高AC220V的负载。5.3顺序控制设计法与顺序功能图所谓顺序控制，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。顺序控制设计法首先根据系统的工艺过程，画出顺序功能图，然后根据顺序功能图画出梯形图。5.3.1步与动作1．步的基本概念顺序控制设计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，并用编程元件（例如M）来代表各步。按下图5-13中的起动按钮I0.0，先开引风机，延时12s后再开鼓风机。按了停机按钮I0.1，先停鼓风机，10s后再停引风机。根据Q0.0和Q0.1状态的变化，一个工作期间分为3步，分别用M0.1～M0.3来代表它们，另外还设置了一个等待起动的初始步M0.0。用矩形方框表示步。2．初始步与系统的初始状态相对应的步称为初始步，初始步用双线方框表示，每一个顺序功能图至少应该有一个初始步。3．活动步当系统正处于某一步所在的阶段时称该步为“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停止执行。图5-14中的动作Q0.0在连续的3步都应为ON，图5-16用动作的修饰词“S”在它应为ON的第一步M0.1将它置位，用动作的修饰词“R”在它应为ON的最后一步的下一步M0.0，将它复位。Q0.0这种动作是存储性动作。4．与步对应的动作或命令可以用图5-15中的两种画法来表示多个动作。图5-14中的Q0.1为非存储型动作，在步M0.2为活动步时，Q0.1为ON；步M0.2为不活动步时，Q0.1为OFF。图5-14中的T37在步M0.1为活动步时定时，T37的IN输入为ON。T37的IN输入相当于步M0.1的一个非存储型动作，所以将T37放在步M0.1的动作框内。5.3.2有向连线与转换条件1．有向连线在画顺序功能图时，将代表各步的方框按它们成为活动步的先后次序顺序排列，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。如果不是上述的方向，则应在有向连线上用箭头注明进展方向。2．转换步的活动状态的进展是由转换的实现来完成的，用有向连线上与有向连线垂直的短划线来表示转换。3．转换条件使系统由当前步进入下一步的信号称为转换条件。图5-14中的转换条件T37对应于T37延时接通的常开触点。转换条件I0.0和分别表示当输入信号I0.0为ON和OFF时转换实现。转换条件↑I0.0和↓I0.0分别表示在I0.0的上升沿和下降沿时转换实现。5.3.3顺序功能图的基本结构1．单序列没有分支与合并2．选择序列选择序列的开始称为分支，转换符号只能标在水平连线之下。如果步5是活动步，并且转换条件h为ON，则由步5→步8。如果步5是活动步，并且k为ON，则由步5→步10。选择序列的结束称为合并，转换符号只允许标在水平连线之上。如果步9是活动步，并且转换条件j为ON，则由步9→步12。如果步11是活动步，并且n为ON，则由步11→步12。3．并行序列并行序列用来表示系统的几个同时工作的独立部分的工作情况。并行序列的开始称为分支，当步3是活动步，并且转换条件e为ON，从步3转换到步4和步6。为了强调转换的同步实现，水平连线用双线表示。并行序列的结束称为合并，步5和步7都处于活动状态，并且转换条件i为ON时，从步5和步7转换到步10。4．复杂的顺序功能图举例开始时压钳和剪刀在上限位置，限位开关I0.0和I0.1为ON。按下起动按钮I1.0，首先板料右行至限位开关I0.3动作，然后压钳下行，压紧板料后，压力继电器I0.4为ON，压钳保持压紧，剪刀开始下行。剪断板料后，I0.2变为ON，压钳和剪刀同时上行，它们分别碰到限位开关I0.0和I0.1后，分别停止上行，都停止后，又开始下一周期的工作，剪完3块料后停止工作，返回初始步。用C0来控制剪料的次数，C0的当前值在步M0.7加1。没有剪完3块料时，C0的常闭触点闭合，转换条件满足，将返回步M0.1，重新开始下一周期的工作。剪完3块料后，C0的常开触点闭合，转换条件C0满足，将返回初始步M0.0。步M0.5和步M0.7是等待步，它们用来同时结束两个子序列。5.3.4顺序功能图中转换实现的基本规则1．转换实现的条件1)该转换所有的前级步都是活动步。2)相应的转换条件得到满足。2．转换实现应完成的操作1)使所有的后续步变为活动步。2)使所有的前级步变为不活动步。3．绘制顺序功能图时的注意事项1)两个步绝对不能直接相连，必须用一个转换将它们分隔开。2)两个转换也不能直接相连，必须用一个步将它们分隔开。3)不要漏掉初始步。4)在顺序功能图中一般应有由步和有向连线组成的闭环。4．顺序控制设计法的本质经验设计法试图用输入信号I直接控制输出信号Q，由于不同的系统的输出量Q与输入量I之间的关系各不相同，不可能找出一种简单通用的设计方法。顺序控制设计法则是用输入量I控制代表各步的编程元件（例如M），再用它们控制输出量Q。步是根据输出量Q的状态划分的，输出电路的设计极为简单。任何复杂系统的代表步的存储器位M的控制电路的设计方法都是通用的，并且很容易掌握。5.4使用置位复位指令的顺序控制梯形图设计方法一般采用图5-22所示的典型结构，自动方式和手动方式都需要执行的操作放在公用程序中，公用程序还用于自动程序和手动程序相互切换的处理。I2.0是自动/手动切换开关，当它为ON时调用手动程序，为OFF时调用自动程序。5.4.1单序列的编程方法1．步的控制电路的设计在梯形图中，用编程元件（例如M）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。将转换条件对应的触点或电路与代表所有前级步的编程元件的常开触点串联，作为与转换实现的两个条件同时满足对应的电路。该电路接通时，将所有后续步对应的存储器位置位，和将所有前级步对应的存储器位复位。图5-23中的转换条件对应于I0.1的常闭触点和I0.3的常开触点组成的并联电路，两个前级步对应于M1.0和M1.1，所以将M1.0和M1.1的常开触点组成的串联电路与I0.1和I0.3的触点组成的并联电路串联，作为转换实现的两个条件同时满足对应的电路。该电路接通时，将代表前级步的M1.0和M1.1复位，同时将代表后续步的M1.2和M1.3置位。图5-25中用SM0.1的常开触点，将初始步M0.0置位为活动步，将非初始步M0.1～M0.3复位为不活动步。初始步M0.0下面的转换条件为I0.0，用M0.0和I0.0的常开触点组成的串联电路来表示转换实现的两个条件。该电路接通时，两个条件同时满足。用置位指令将后续步对应的M0.1置位，用复位指令将前级步对应的M0.0复位。每一个转换对应一块这样的电路。2．输出电路的设计Q0.1仅仅在步M0.2为ON，因此用M0.2的常开触点控制Q0.1的线圈。T37仅在步M0.1为活动步时定时，因此用M0.1的常开触点控制T37。动作Q0.0在步M0.1～M0.3均为ON，将M0.1～M0.3的常开触点并联后，来控制Q0.0的线圈。3．程序的调试应根据顺序功能图而不是梯形图来调试顺序控制程序。用状态表监控包含所有步和动作的MB0和QB0（见图5-26)。此外还可以用状态表监控两个定时器的当前值和IB0。5.4.2选择序列与并行序列的编程方法1．选择序列的编程方法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、置位的存储器位也只有一个，因此选择序列的分支与合并的编程方法与单序列的编程方法完全相同。2．并行序列的编程方法图5-27中步M0.2之后有一个并行序列的分支，用M0.2和转换条件I0.3的常开触点组成的串联电路，将后续步对应的M0.3和M0.5同时置位，将前级步对应的M0.2复位。