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第5章数字量控制系统梯形图设计方法5.1梯形图的经验设计法1.起保停电路与置位复位电路起保停电路最主要的特点是具有“记忆”功能。这种记忆功能也可以用置位复位电路来实现。2．三相异步电动机的正反转控制电路用KM1和KM2的主触点改变电动机的旋转方向，FR是热继电器，用按钮控制电机的起动、停止和旋转方向。为了方便操作和保证KM1和KM2不会同时动作，设置了“按钮联锁”。为了防止KM1和KM2的主触点同时闭合，造成三相电源相间短路的故障，KM1、KM2的线圈和辅助常闭触点组成了硬件互锁电路。图5-3和图5-4是实现上述功能的PLC的外部接线图和梯形图。将继电器电路图转换为梯形图时，首先应确定PLC的输入信号和输出信号。图5-4中I0.2的常闭触点对应于SB1和FR的常闭触点串联电路。为了防止出现三相电源瞬间短路的事故，除了梯形图中Q0.0和Q0.1的常闭触点组成的软件互锁电路，还应在PLC的输出回路设置由KM1和KM2的辅助常闭触点组成的硬件互锁电路。3．小车自动往返控制程序的设计可以用经验设计法来设计比较简单的数字量控制系统的梯形图。PLC外部接线图增加了接在I0.3和I0.4输入端子的左限位开关SQ1和右限位开关SQ2的常开触点（见图5-5）。要求按下起动按钮，小车在限位开关之间不停地循环往返，按下停止按钮SB1后，电动机断电，小车停止运动。为了使小车在极限位置自动停止，将右限位开关I0.4的常闭触点与控制右行的Q0.0的线圈串联。为了使小车自动改变运动方向，将左限位开关I0.3的常开触点与手动起动右行的I0.0的常开触点并联。假设起动小车左行，碰到左限位开关时，I0.3的常闭触点使Q0.1的线圈“断电”，小车停止左行。I0.3的常开触点接通，使Q0.0的线圈“通电”开始右行。碰到右限位开关时，小车停止右行，开始左行。以后将这样不断地往返运动，直到按下停车按钮。4．较复杂的小车自动运行控制程序的设计控制要求如下：1）按下右行起动按钮SB2，小车右行。2）走到右限位开关SQ2处停止运动，延时8s后开始左行。3）回到左限位开关SQ1处时停止运动。在异步电动机正反转控制电路的基础上，在控制右行的Q0.0的线圈回路中串联了I0.4的常闭触点，小车走到右限位开关SQ2处时，使Q0.0的线圈断电。同时I0.4的常开触点闭合，T1的线圈通电，开始定时。8s后定时时间到，”T1”.Q的常开触点闭合，使Q0.1的线圈通电并自保持，小车开始左行。离开限位开关SQ2后，I0.4的常开触点断开，T1因为其线圈断电而被复位。小车运行到左边的起始点时，左限位开关SQ1的常开触点闭合，I0.3的常闭触点断开，使Q0.1的线圈断电，小车停止运动。5.2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。5.2.1顺序功能图的基本元件1．步的基本概念顺序控制设计法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），用编程元件（例如M）来代表各步。小车开始时停在最左边，限位开关I0.2为1状态。按下起动按钮，Q0.0变为1状态，小车右行。碰到右限位开关I0.1时，Q0.0变为0状态，Q0.1变为1状态，小车改为左行。返回起始位置时，Q0.1变为0状态，小车停止运行，同时Q0.2变为1状态，使制动电磁铁线圈通电，接通延时定时器T1开始定时。定时时间到，制动电磁铁线圈断电，系统返回初始状态。根据Q0.0～Q0.2的ON/OFF状态的变化，将上述工作过程划分为3步，分别用M4.1～M4.3来代表这3步，另外还设置了一个等待起动的初始步，用矩形方框表示步。为了便于将顺序功能图转换为梯形图，用代表各步的编程元件的地址作为步的代号。2．初始步与活动步初始状态一般是系统等待启动命令的相对静止的状态。与系统的初始状态相对应的步称为初始步，初始步用双线方框来表示。系统正处于某一步所在的阶段时，称该步为“活动步”，执行相应的非存储型动作；处于不活动状态时，则停止执行非存储型动作。3．与步对应的动作或命令用矩形框中的文字或符号来表示动作，该矩形框与相应的步的方框用水平短线相连。应清楚地表明动作是存储型的还是非存储型的。如果某一步有几个动作，可以用图5-10中的两种画法来表示。图5-9中的Q0.0~Q0.2均为非存储型动作，在步M4.1为活动步时，动作Q0.0为ON，步M4.1为不活动步时，动作Q0.0为OFF。T1的线圈在步M4.3通电，所以将T1放在步M4.3的动作框内。4．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。步的活动状态默认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。5．转换与转换条件转换用有向连线上与有向连线垂直的短划线来表示。使系统由当前步进入下一步的信号称为转换条件，转换条件可以是外部的输入信号或PLC内部产生的信号，转换条件还可以是若干个信号的与、或、非逻辑组合。图5-9中的转换条件“T1”.Q对应于接通延时定时器T1的常开触点，在T1的定时时间到时该转换条件满足。转换条件表示I0.0为0状态时转换实现。符号↑I2.3和↓I2.3分别表示当I2.3从0状态变为1状态和从1状态变为0状态时转换实现。5.2.3顺序功能图的基本结构1．单序列其特点是没有分支与合并。2．选择序列选择序列的开始称为分支，如果步4是活动步，并且转换条件h为ON，则由步4→步5。如果步4是活动步，并且k为ON，则由步4→步7。选择序列的结束称为合并，如果步6是活动步，并且转换条件j为ON，则由步6→步9。如果步8是活动步，并且n为ON，则由步8→步9。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，当步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8。4．复杂的顺序功能图举例某专用钻床用来加工圆盘状零件上均匀分布的6个孔。在进入自动运行之前，两个钻头在最上面，上限位开关I0.3和I0.5为ON，系统处于初始步，加计数器C1被清0。操作人员放好工件后，按下起动按钮I0.0，转换条件I0.0*I0.3*I0.5满足，由初始步转换到步M4.1，工件被夹紧。夹紧后压力继电器I0.1为ON，由步M4.1转换到步M4.2和M4.5，两只钻头同时开始向下钻孔。钻到由下限位开关设定的深度时，钻头上升，升到由上限位开关设定的起始位置时停止上升，进入等待步。在步M4.6，设定值为3的计数器C1的当前值加1，当前值小于设定值，C1的常闭触点闭合，转换条件满足。两个钻头都上升到位，将转换到步M5.0。Q0.5使工件旋转120°，旋转后“旋转到位”限位开关I0.6变为0状态。旋转到位时I0.6为1状态，返回步M4.2和M4.5，开始钻第二对孔。转换条件“↑I0.6”中的“↑”表示转换条件仅在I0.6的上升沿时有效。如果将转换条件改为I0.6，因为在转换到步M5.0之前I0.6就为1状态，进入步M5.0之后将会马上离开步M5.0，不能使工件旋转。转换条件改为“↑I0.6”后，解决了这个问题。3对孔都钻完后，C1当前值等于设定值3，“C1”.Q的常开触点闭合，进入步M5.1，工件松开。松开到位时，I0.7为ON，系统返回初始步M4.0。用并行序列来描述两个钻头同时工作的过程。在步M4.1之后，有一个并行序列的分支。当M4.1为活动步，且转换条件I0.1得到满足，并行序列的两个单序列中的第1步（步M4.2和M4.5）同时变为活动步。此后两个单序列内部各步的活动状态的转换是相互独立的。两个单序列的最后一步应同时变为不活动步。但是两个钻头一般不会同时上升到位，所以设置了等待步M4.4和M4.7来同时结束两个并行序列。在步M4.4和M4.7之后，有一个选择序列的分支。没有钻完3对孔时“C1”.Q的常闭触点闭合，转换条件满足，如果两个钻头都上升到位，将从步M4.4和M4.7转换到步M5.0。如果已经钻完了3对孔，“C1”.Q的常开触点闭合，转换条件“C1”.Q满足，将从步M4.4和M4.7转换到步M5.1。在步M4.1之后，有一个选择序列的合并。当步M4.1为活动步，而且转换条件I0.1得到满足（I0.1为ON），将转换到步M4.2和M4.5。当步M5.0为活动步，而且转换条件↑I0.6得到满足，也会转换到步M4.2和M4.5。5.2.3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)使该转换所有的后续步都变为活动步；2)使该转换所有的前级步都变为不活动步。3.绘制顺序功能图的注意事项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)初始步对应于系统等待起动的初始状态，初始步是必不可少的。4)步和有向连线一般应组成闭环。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。5.3使用置位复位指令的顺序控制梯形图编程方法5.3.1单序列的编程方法1．设计顺序控制梯形图的基本问题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。系统满足规定的初始状态以后，应将顺序功能图的初始步对应的存储器位置为1状态，使初始步变为活动步。同时还应将其余各步对应的存储器位复位为0状态。2．编程的基本方法在梯形图中，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。在顺序功能图中，如果转换所有的前级步（步M4.2和步M4.4）都是活动步，并且满足该转换对应的转换条件（/I0.1+I0.3），则转换实现。即该转换所有的后续步（步M4.5和步M4.7）都被置位为活动步，该转换所有的前级步（步M4.2和步M4.4）都被复位为不活动步。3．编程方法应用举例在OB1中，首次扫描时M1.0为1状态，MOVE指令将顺序功能图中的各步（M4.0~M4.3）清零，然后将初始步M4.0置位为活动步。实现项目“小车顺序控制”的顺序功能图中步M4.1下面的I0.1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（M4.1为ON）和转换条件满足（I0.1为ON）。在梯形图中，用M4.1和I0.1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。此时用置位指令将M4.2置位，该转换的后续步变为活动步。用复位指令将M4.1复位，该转换的前级步变为不活动步。每一个转换对应一个这样的电路。4．输出电路的处理应根据顺序功能图，用代表步的存储器位的常开触点或它们的并联电路来控制输出位的线圈。Q0.0仅仅在步M4.1为ON，它们的波形完全相同。因此用M4.1的常开触点直接控制Q0.0的线圈。接通延时定时器T1的线圈仅在步M4.3接通，因此用M4.3的常开触点控制T1的线圈。5.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。可以用PLCSIM中IB0、QB0、