电工电子第十三章分解课件

第十三章第十三章 可编程序控制器的可编程序控制器的控制技术控制技术 v13.1 PLC的基础知识的基础知识 v13.2 PLC的编程方式和编程软元件的编程方式和编程软元件 v13.3 PLC的指令系统的指令系统 v13.4 PLC的程序设计方法的程序设计方法 v13.5 应用实例应用实例 可编程序控制器（PLC）是以微处理器为核心，将计算机技术、通信技术与自动控制技术融为一体的新型工业自动控制装置。它克服了继电器接触器控制电路存在触点多、组合复杂、通用性和灵活性差等缺点。它不仅具有各种逻辑控制功能，而且还具有各种运算、数据处理、联网通信等功能的控制，同时还具有抗干扰性强、环境适应性好和可靠性高等特点。因而广泛地应用于工业生产各领域中。13.1 PLC的基础知识的基础知识 一、一、PLC的基本组成及作用的基本组成及作用 PLC的硬件系统主要由中央微处理器（CPU）、存储器（ROM、RAM）、输入/输出（I/O）接口、编程器、电源等组成。1中央微处理器（CPU）CPU的主要作用是接收并存储从编程器输入的用户程序和数据；用扫描方式接收现场输入设备的状态或数据，并存入输入状态表或数据寄存器中。图图13-1 PLC的硬件系统简化框图的硬件系统简化框图 2存储器 PLC的存储器有两种，一种是可进行读/写操作的随机存储器RAM；另一种为只读存储器ROM。3输入/输出 （I/O）接口 输入/输出接口是PLC与工业生产现场被控对象之间的连接部件。输入/输出接口有数字量（包括开关量）输入/输出和模拟量输入/输出两种形式。4外设I/O接口 PLC还有各种外设接口，PLC通过这些接口可与监视器、打印机、其它的PLC或计算机相连。5编程器 编程器主要由键盘、显示器、工作方式选择开关和外存储器接插口等部件组成。编程器的作用是用来编写、编辑、调试用户程序，也可以在线监视PLC的工作状况以及通过通信接口与CPU相连，实现人机对话。6电源 PLC一般使用220V交流电源，PLC内部的直流稳压电源为各单元的元件提供直流电压，某些PLC可以为输入电路和少量的外部电子检测装置（如接近开关）提供24V直流电源，驱动现场执行机构的电源一般由用户提供。二、二、PLC执行用户程序的过程执行用户程序的过程 执行过程分为输入采样、程序处理和输出刷新等三个阶段。图图13-2 PLC执行用户程序过程执行用户程序过程三、三、PLC的等效电路的等效电路 输入部分 由用户输入设备组成，如按钮、传感器等，是直接接在继电器控制线路中，用以产生控 制信号。输出部分 由用户输出设备组成，如继电器、接触器、信号灯等执行元件及信号元件，用以控制各 种被控对象（如电动机等）及指示输出的状态。控制部分 是按被控对象实际要求而动作的继电器控制 线路。其“程序”已固定在线路中，不能灵活 改变的。继电器控制系统:与继电器控制系统比较，PLC控制系统也由输入部分、控制部分、输出部分这三大部分组成的。但PLC的控制部分采用大规模集成电路的微处理器及存储器来代替继电器控制线路，其控制作用是通过编制好的程序实现的。图图13-3 PLC的等效电路图的等效电路图图图13-4 PLC的外接线图的外接线图 在PLC控制系统中，通常将接在输入端向PLC输入信号的器件部分和接在输出端接受PLC输出信号的器件部分的接线电路，称为PLC外部接线。如如图13-3 PLC控制系统的外部接线图为如图13-4所示。四、四、FX2N系列系列PLC的基本性能的基本性能 FX2N系列PLC的基本性能如表13-1所示。见教材P388-389 13.2 PLC的编程方式和编程软元件的编程方式和编程软元件 一、一、PLC的编程方式的编程方式 FX2N系列PLC的编程方式主要有：梯形图编程、指令表编程和顺序功能图编程三种。1梯形图（LD-Ladder Diagram）编程 LD X000 OR Y000 ANI X001 ANI X002 OUT Y000 END a）b）图图13-5 编程方式编程方式a）梯形图编程）梯形图编程 b）指令表编程）指令表编程 梯形图由触点符号、继电器线圈符号等组成，在这些符号上标注有操作数。梯形图是以一个继电器线圈为一阶梯，左侧以竖母线“高电位”开始，以继电器线圈作为一阶的结尾，右侧以“地线”终止，也可不画。梯形图编程有如下的特点：1）梯形图按自上而下、从左至右的顺序排列，每一个继 电器线圈为一个逻辑行，称为一个阶梯，整个图形呈 阶梯状。2）梯形图中的继电器不是继电器控制电路中的物理继电 器，它实质上是存储器中的每位触发器，称为“软继电 器”，相应的某位触发器位“1”态，表示该继电器线圈通 电，其常开触点闭合、常闭触点断开。3）梯形图中，一般情况下（除有跳转指令和步进指令的 程序段外），某个编号的继电器线圈只能出现一次，而继电器触点则可无限引用，既可是常开触点又可是 常闭触点。4）梯形图是PLC形象化的编程方式，其左右两侧母线并 不接任何电源，因而图中各支路也没有真实的电流流 过。但为了方便，常用“有电流”或“得电”等来形象地描 述用户程序运算中满足输出线圈的动作条件。5）PLC的内部继电器不能作输出控制用，但触点可供PL C内部使用。6）PLC在运算用户逻辑时就是按照梯形图从上到下、从 左到右的先后顺序逐行进行处理，即按扫描方式顺序 执行程序，因此不存在几条并列支路的同时动作，这 在设计梯形图时可以减少许多有约束关系的联锁电路，从而使电路设计大大简化。2指令表（ILInstruction List）编程 又称语句表或指令表语言等。指令表是由若干条指令语句组成，每条语句表示一个操作功能，语句是指令表程序的最小编程元素，一般情况下，每条指令语句由一个操操操操作码作码作码作码和操作数操作数两部分组成。操作码操作码操作码操作码是PLC指令系统中的指令代码、指令助记符，是CPU要完成的某种操作功能，又称为编程指令，包括逻辑运算、算术运算、定时、计数、移位、传送等操作。操作数操作数操作数操作数是给出了操作码指令的某种操作的对象或执行操作所需的数据，通常为编程器件的继电器号或常数，如输入继电器、输出继电器、内部继电器、定时器、计数器、数据寄存器及定时器、计数器设定值等。3顺序功能图(SFCSequential Function Chart)编程 图图13-6 SFC编程图编程图 SFC编程是根据操作的流程进行顺序控制设计的输入方式，如图13-6所示，步、转换和动作是SFC中的3种主要元件，步是一种逻辑块，即对应于特定的控制任务的编程逻辑，动作是控制任务的独立部分，转换是从一个任务到另一个任务的原因。SFC提供了一种组织程序的图形方式，作为图形语言提供给用户如图13-6中几种基本的程序结构，在顺序结构中，CPU首先反复执行步1中的动作，直到转换1变为“1”状态，将处理第二步，同时步1的动作停止，按此执行过程顺序进行。二、二、FX2N系列系列PLC的编程软元件的编程软元件 PLC内部有大量由软元件组成的内部继电器，这些软元件要按一定的规则进行编号，即软元件的名称由字母和数字组成，它们分别表示软元件的类型和元件量如Y10、M499。在FX2N系列PLC中，用X表示输入继电器；Y表示输出继电器；M表示辅助继电器；S表示状态继电器；T表示定时器；C表示计数器；D表示数据寄存器等。1输入继电器（X）输入继电器是PLC用来接收用户输入设备发出的输入信号。图图13-7 输入继电器等效电路图输入继电器等效电路图2输出继电器（Y）输出继电器是PLC用来将输出信号传送给负载的软元件，它是由内部程序所驱动的，其触点有两类：一类是软元件构成的内部触点（软触点）；另一类则是由输出模块构成的外部触点（硬触点），此触点具有一定的带负载能力，因而由它的仅有一对常开触点驱动外部负载工作。图图13-8 输出继电器等效电路图输出继电器等效电路图 表表13-2 13-2 输入输入/输出继电器软元件号分配表输出继电器软元件号分配表3辅助继电器（M）辅助继电器与输入/输出继电器不同，是用程序软件实现的，它们即不能接收外部的输入信号，也不能直接驱动外部负载，相当于继电器控制系统中的中间继电器。1）通用辅助继电器（M0M499）2）断电保持辅助继电器（M500M3071）3）特殊辅助继电器（M8000M8255）M8000（运行监视）M8002（初始化脉冲）M8005（锂电池电压降低）M8011M8014（时钟脉冲）M8020（零标记）M8021（借位标记）M8022（进位标记）4状态继电器（S）状态继电器是一种用于编制顺序控制步进梯形图的继电器，它与后面介绍的STL指令一起使用，通用状态继电器（S0S499）没有断电保持功能，但是可用程序将它们设定为有断电保持功能状态，其中S0S9是供初始化状态用的，S10S19供返回原点用的。S500S899有断电保持功能，S900S999供报警器用的。5定时器（T）PLC中的定时器相当于继电器控制系统中的通过延时时间继电器，它将PLC内的1ms、10ms、100ms等时钟脉冲进行加法计数，当达到设定值时，定时器的输出触点动作。定时器利用时钟脉冲可定时的时间范围为0.0013276.7s。FX2N系列PLC的定时器分为通用定时器和积算定时器。1）通用定时器（T0T245）a）b）图图13-9 通用定时器的应用通用定时器的应用a）梯形图）梯形图 b）波形图）波形图 T0T199为100ms定时器，定时范围为0.13276.7s，其中T192T199为子程序和中断服务程序专用的定时器；T200T245为10ms定时器（共46点），定时范围为0.01327.67s。2）积算定时器（T246T255）1ms积算定时器T246T249的定时范围为0.00132.767s，100ms积算定时器T250T255的定时范围为0.13276.7s。a）b）图图13-10 积算定时器的应用积算定时器的应用a）梯形图）梯形图 b）波形图）波形图6计数器（C）常用的计数器有以下两种：1）内部计数用计数器 （C0C234）2）高速计数器 （C235C255）图图13-11 计数器的应用计数器的应用a）梯形图）梯形图 b）波形图）波形图7数据寄存器（D）数据寄存器是存储数值、数据的软元件，用于在模拟量检测与控制及位置控制等场合存储数据和参数；也常被用于定时器、计数器设定值的间接指定和应用指令中。1）通用数据寄存器（D0D199）2）断电保持数据寄存器（D200D7999）3）特殊数据寄存器D8000D8255 4）变址寄存器（V0V7、Z0Z7）13.3 PLC的指令系统的指令系统 FX2N系列PLC的指令分为27条基本逻辑指令、2条步进指令和128种298条应用指令。一、基本逻辑指令一、基本逻辑指令 1取指令和输出指令 表表13-3 13-3 取指令和输出指令取指令和输出指令使用说明：1）LD指令用于将常开触点接到母线上；LDI指令用于将常闭触 点接到母线上。此外，LD、LDI与后面的ANB、ORB指令配 合，用于电路块的起点。2）OUT指令是对Y、M、S、T、C的继电器驱动，它不能使用 于输入继电器X。3）OUT指令可多次并联使用。定时器和计数器的OUT指令之后 应设定常数K，常数也占一个步序。图图13-12 LD、LDI、OUT指令的应用指令的应用a）梯形图）梯形图 b）指令表）指令表2串联和并联指令 表表13-4 13-4 串联和并联指令串联和并联指令使用说明：1）AND、ANI用于LD、LDI后与一个常开或常闭触点的串联，串 联的数量不限制；OR、ORI用于LD、LDI后与一个常开或常闭 触点的并联，并联的数量不限制。2）当串联的是两个或两个以上的并联触点或并联的是两个或两个 以上的串联触点，要用到下面讲述的块与（ANB）或块或（O RB）指令。图图13-13 AND、ANI指令的应用指令的应用 图图13-14 OR、ORI指令的应用指令的应用a）梯形图）梯形图 b）指令表）指令表 a）梯形图）梯形图 b）指令表）指令表3电路块与和电路块或指令 表表13-5 13-5 电路块与和电路块或指令电路块与和电路块或指令使用说明：1）两个或两个以上触点并联的电路称为并联电路块；两个或两个 以上触点串联的电路称为串联电路块。建立电路块用LD或LDI 开始。2）当一个并联电路块和前面的触点或电路块串联时，需要用块与 ANB指令；当一个串联电路块和前面的触点或电路块并联时，需要用块或ORB指令。3）若对每个电路块分别使用ANB、ORB指令，则串联或并联的电 路块没有次数的限制；也可成批使用ANB、ORB指令，但重复 使用次数限制在8次以下。图图13-15 ORB指令的应用指令的应用a）梯形图）梯形图 b）指令表）指令表图图13-16 ANB指令的应用指令的应用a）、）、c）梯形图）梯形图 b）、）、d）指令表）指令表图图13-17 ANB、ORB指令的混合使用指令的混合使用a）梯形图）梯形图 b）指令表）指令表 4主控指令和主控复位指令 表表13-6 13-6 主控指令和主控复位指令主控指令和主控复位指令使用说明：1）主控指令中的公共串联触点相当于电气控制中一组电路的总开 关。主控MC指令有效，相当于总开关接通。2）MC指令可用于输出继电器Y和辅助继电器M。3）执行MC到MCR的指令，MC指令的输入触点断开时，积算定时 器、计数器、复位/位置指令驱动的软元件保持其当时的状态。而非积算定时器和用OUT指令驱动的软元件变为OFF。4）与主控触点相连的触点必须用LD或LDI指令，即使用MC指令后，母线移到主控触点的后面去了，MCR使母线（LD点）回到原来 的位置。5）在MC内再采用MC指令就成为主控指令的嵌套，相当于在总开 关后接分路开关。嵌套级N的编号按顺序增加，即N0N1N 2N7。采用MCR指令返回时，则从N编号大的嵌套级开 始消除，MC与MCR成对出现，但若使用MCR N0，则嵌套级 立即回到0。a）b）图图13-18 MC、MCR指令的应用指令的应用 a）梯形图）梯形图 b）指令表）指令表 图图13-19 含有嵌套的含有嵌套的MC、MCR指令的应用指令的应用 5脉冲边沿检测和脉冲边沿输出指令 表表13-7 13-7 脉冲边沿检测和脉冲边沿输出指令脉冲边沿检测和脉冲边沿输出指令使用说明：1）在脉冲边沿检测指令中，P代表上升沿检测，它表示在指定的软 元件触点闭合（上升沿）时，被驱动的线圈得电一个扫描周期T；F代表下降沿检测，它表示指定的软元件触点断开（下降沿）时 被驱动的线圈得电一个扫描周期T。2）在脉冲边沿输出指令中，PLS表示在指定的驱动触点闭合（上升 沿）时，被驱动的线圈得电一个扫描周期T；PLF表示在驱动触 点断开（下降沿）时、被驱动的线圈得电一个扫描周期T。PLS 和PLF指令只能用于输出继电器和辅助继电器。图图13-20 脉冲边沿检测和脉冲边沿输出指令的应用脉冲边沿检测和脉冲边沿输出指令的应用a）梯形图）梯形图 b）指令表）指令表 c）波形图）波形图6置位和复位指令 表表13-8 13-8 置位和复位指令置位和复位指令使用说明：1）对于一软元件，SET、RST可以多次使用，顺序先后也可任意，但以最后执行的一行有效。2）SET和RST指令的功能与数字电路中RS触发器的功能相似，SET和RST指令之间可以插入别的程序。3）对于数据寄存器D和变址寄存器Z、V，也可使用RST指令将数据 寄存器和变址寄存器的内容清零。4）RST指令还可用来对积算定时器T246T255和计数器的当前值的 复位及触点复位。如果不希望计数器和积算定时器具有断电功能，可以在用户程序开始运行时用初始化脉冲M8002将它们复位。5）在任何情况下，RST指令都优先执行。如计数器处于RST复位状 态时，就不会接收输入的计数脉冲。图图13-21 置位和复位指令的应用置位和复位指令的应用a）梯形图）梯形图 b）指令表）指令表 c）波形图）波形图7进栈、读栈和出栈指令 表表13-9 13-9 进栈、读栈和出栈指令进栈、读栈和出栈指令使用说明：1）在FX2N系列的PLC中有11个存储器，它们用来存储运算的中间 结果，称为栈存储器。使用一次MPS指令，将此时刻的运算结 果送入栈存储器的第一段，再使用一次MPS指令，则将原先存 入的数据依次移到栈存储器的下一段，并将此时刻的运算结果 送入栈存储器的第一段。2）使用MRD指令是读出最上段所存的最新数据，栈存储器内的数 据不发生移动。3）使用MPP指令，各数据依次向上移动，并将最上段的数据读出，同时该数据从栈存储器中消失。4）MPS指令可反复使用，但最终MPS指令和MPP指令数要一致。图图13-22 MPS、MRD、MPP指令的应用和栈存储器指令的应用和栈存储器a）梯形图）梯形图 b）指令表）指令表 c）栈存储器）栈存储器8取反指令 符号符号名称名称功能功能梯形梯形图可用可用软元元件件INV取反取反将将执行行该指令之前的运算指令之前的运算结果果取反取反无无表表13-10 取反指令取反指令 使用说明：INV指令是将执行该指令之前的运算结果取反，若运算结果为0，则将它变为1；若运算结果为1，则将它变为0。LD X000INVOUT Y000 a）b）c）图图13-23 INV指令的应用指令的应用a）梯形图）梯形图 b）指令图）指令图 c）波形图）波形图 9空操作和程序结束指令 表表13-11 空操作和程序结束指令空操作和程序结束指令 图图13-24 END指令应用指令应用使用说明：1）在将全部程序清除时，全部指令 成为空操作。2）在PLC反复进行输入处理、程序执行、输出处理时若在程序的中 加入END指令，那么，以后的其余程序步不再执行，而直接进行 输出处理；若在程序中没有END指令，则要处理到最后的程序步。在调试中，可在各程序段插入END指令，依次检查各程序段的动作。3）程序开始的首次执行，从执行END指令开始。二、步进指令二、步进指令STL和返回指令和返回指令RET 步进指令（STL）是利用内部软元件进行工序步进式控制的指令。返回指令（RET）是状态（s）流程结束，用于返回主程序（母线）的指令。按一定规则编写的步进梯形图（STL图），也可作为顺序功能图（SFC图）处理，从顺序功能图反过来也可形成步进梯形图。表表13-12 步进指令和返回指令步进指令和返回指令 a）b）c）图图13-25 STL指令与顺序功能图指令与顺序功能图a）状态转移图）状态转移图 b）梯形图）梯形图 c）指令表）指令表 使用说明：1）除了并行序列的步进梯形指令方式外，STL触点是与左侧母线 相连的常开触点，当某状态步为活动状态时，对应的STL触点 接通，该状态步的负载被驱动。2）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，直到出现下一条STL指令或出现RET指令，RET 指令使LD点返回左侧母线。3）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，STL触点也可以使Y、M、S等元件置位或复位。4）STL触点断开时，CPU不执行它驱动的电路块，即CPU只执行 活动状态步对应的程序。在没有并行序列时，任何时候只有一 个活动状态步，因此大大缩短了扫描周期。5）由于CPU只执行活动状态步对应的电路块，使用STL指令时允许 双线圈输出，即同一元件的几个线圈可以分别被不同的STL触点 驱动。实际上在一个扫描周期内，同一元件的几条OUT指令中只 有一条被执行。6）STL指令只能用于状态继电器，在没有并行序列时，一个状态继 电器的STL触点在梯形图中只能出现一次。7）STL触点驱动的电路块中不能使用MC和MCR指令，但是可以使 用条件跳转指令。当执行CJ Pi指令跳入某一STL触点驱动的电 路块时，不管该STL触点是否为“1”状态，均执行指定的位置Pi之 后的电路。8）像普通的辅助继电器一样，可以对状态继电器使用LD、LDI、A ND、ANI、OR、ORI、SET、RST、OUT等指令，这时状态继 电器触点的画法与普通触点的画法相同。9）使状态继电器置位的指令如果不在STL触点驱动的电路块内，执 行置位指令时系统程序不会自动地将前级状态步对应的状态继电 器复位。三、常用的应用指令三、常用的应用指令 图图13-27 应用指令的格式应用指令的格式 应用指令的操作码有统一的格式，如图13-27所示。图中1、2、3为操作码，4为操作数，操作数有两种：通过执行指令不改变其内容的操作数称为源操作数用S表示；通过执行指令改变其内容的操作数称为目标操作数,用D表示。1条件跳转指令CJ CJ指令的功能指令编号为FNC00，操作数为P0P127，其中P63是END所在步序，不需要标记。该指令占3个程序步，标号占一个程序步。图图13-28 条件跳转指令的应用条件跳转指令的应用a）梯形图）梯形图 b）指令表）指令表图图13-29 跳步指令与主控指令跳步指令与主控指令规则：1）当要求由MC外跳转到MC外时，可随意跳转。2）当要求由MC外跳转至MC内时，此时不管该MC是否为接通，MC 均作接通处理。3）当要求由MC内跳转到MC内时，若主控断开，则不跳转。4）当要求由MC内跳转到MC外时，若主控断开，则不跳转；若主 控接通，则跳转，但MCR无效。2比较指令CMP CMP指令的功能指令编号为FNC10，其功能是将两个源操作数S1和S2进行比较，所有的源操作数可取任意的数据格式，并将比较的结果存放于目标操作数D中，D可取Y、M和S。其中两个源操作数可以是以K为标志的常数，也可以是计数器、定时器的当前值，还可以是数据寄存器中存放的数据。图图13-30 比较指令的使用比较指令的使用 图图13-31 比较指令的应用比较指令的应用 3传送指令MOV MOV指令的功能指令编号为FNC12。其功能是将源操作数的内容传送到目标软元件，作为源操作数的软元件可以是常数K、X、Y、M、S、T、C和D等，而作为目标软元件可以是KnY、KnM、KnS、T、C和D等。图图13-32 传送指令的应用传送指令的应用a）利用）利用MOV指令间接设定定时器的值指令间接设定定时器的值 b）利用）利用MOV指令读出计数器的当前值指令读出计数器的当前值 4二进制加法指令ADD和减法指令SUB ADD指令的功能指令编号为FNC20。其功能是将2个源操作数的数据进行代数加法，将相加结果送至目标操作数所指定的软元件中。各数据的最高位为符号位，0表示正，1表示负。16位加法运算时，运算结果大于32767时，进位继电器M8022动作；运算结果小于-32768时，借位继电器8021动作；运算结果等于0时，零标志M8020动作。图图13-33 加法加法/减法指令的应用减法指令的应用 SUB指令的功能指令编号为FNC21。其功能是将2个源元件中的数据进行代数减，将相减的结果送到目标软元件中，数据符号和进位、借位、零标志同加法指令。5位右移指令SFTR和位左移指令SFTL 位右移SFTR和位左移SFTL指令的功能指令编号分别为FNC34和FNC35。它们的源操作数可取X、Y、M、S，目标操作数可取Y、M、S。图图13-34 SFTR指令的应用指令的应用 位左移也有相同的功能，所不同的是在移位时，最高的n2位首先被移出，低位的数据以n2位为一组向左移动，最后源操作数的数据从低n2位移入。13.4 PLC的程序设计方法的程序设计方法 PLC在逻辑控制系统中的程序设计方法主要有:继电器控制电路“移植”法、经验设计法和逻辑顺序控制设计法三种。一、继电器控制电路一、继电器控制电路“移植移植”法法 继电器控制电路“移植”法的PLC控制系统梯形图程序的设计，即根据继电器控制原理图，将继电器控制电路“移植”成PLC梯形图。“移植”法是根据继电接触器控制电路的逻辑关系，按照一一对应的方式画出PLC梯形图的方法。图图13-35 三相异步电动机正反转控制的主电路和控制电路三相异步电动机正反转控制的主电路和控制电路 图图13-36正反转正反转PLC控制电路梯形图与外部接线图控制电路梯形图与外部接线图a）外部接线图）外部接线图 b）控制电路梯形图）控制电路梯形图 1）FR热电器的触点保护信号可以不进PLC输入端作输入控制信号，直接接在PLC输出端的外部接线图中，实现过载保护；2）图13-36b中，虽然在梯形图中已经有了软继电器的互锁触点（Y 000与Y001），但在外部接线输出电路中，即图13-36a应还必须 使用KM1、KM2的常闭触点进行互锁。二、经验设计法二、经验设计法 经验设计法实际上是沿用了传统继电器系统电气原理图的设计方法，即在一些典型单元电路（梯形图）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。有时需要多次反复调试和修改梯形图，增加很多辅助触点和中间编程元件，最后才能得到一个较为满意的结果。此设计方法没有规律可遵循，具有很大的试探性和随意性，最后的结果因人而异，不是唯一的。这种设计方法与设计者的经验有很大关系，称之为经验设计法.图图13-37运料小车系统示意图及运料小车系统示意图及PLC外部接线图外部接线图a）运料小车系统示意图）运料小车系统示意图 b）PLC外部接线图外部接线图 图图13-38 运料小车控制系统的梯形图运料小车控制系统的梯形图a）不完整的梯形图）不完整的梯形图 b）完整的梯形图）完整的梯形图 三、顺序控制设计法三、顺序控制设计法 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进行操作。顺序控制设计法又称步进控制设计法，它是一种先进的设计方法，很容易被初学者接受。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，并且用编程元件（如M、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0/1状态不变，但是相邻两步输出量总的状态是不同的。图图13-39 顺序功能图的组成顺序功能图的组成 顺序功能图（SFC）是设计顺序控制程序的一种极为重要的图形编程语言和工具，根据顺序功能图可设计出梯形图。所谓顺序功能图又叫状态转移图或功能表图，它是描述控制系统的控制过程、功能和特性的一种图形；它主要由步、有向连线、转换、转换条件和动作（或命令）组成。根据步与步间进展的不同情况，顺序功能图有三种基本结构：1单序列 反映按顺序排列的步相继激活的一种基本进展情况，如图13-39所示。根据第i步的开启和关断条件，运用逻辑式表达此状态为：2选择序列 一个活动步之后紧按着有几个后续步可供选择的结构形式称之选择序列，选择序列的各分支都有各自的转换条件.图图13-40 选择序列选择序列a）开始分支图）开始分支图 b）结束合并图）结束合并图 3并行序列 当转换的实现导致几个分支同时激活时，采用并当转换的实现导致几个分支同时激活时，采用并行序列。其有向连线的水平部分用双线表示行序列。其有向连线的水平部分用双线表示.图图13-41 并行序列并行序列a）开始并行图）开始并行图 b）结束合并图）结束合并图 除上述三种以外还有跳步、循环、重复等序列，但它们都可以变为上述三种基本序列形式.顺序控制梯形图的编程方法是根据系统的顺序功能图设计出来的，通常的梯形图设计有三种方法：即功能表图法、STL指令法、SET/RST指令法.1功能表图法 功能表图法是采用通用逻辑关系和逻辑指令，并用典型的起动、保持、停止电路来实现梯形图的设计。它的设计过程为：列写出现场信号与PLC软继电器编号对照表；根据控制要求绘制功能表图；列写出状态步的逻辑表达式；根据逻辑表达式绘制出梯形图并设计出对应的外部接线图；列写出程序清单。例:某组合机床动力头进给运动示意图和输入/输出信号时 序图，如图13-42a所示。设动力头在初始位置时停在 左边，限位开头SQ3为“1”状态，按下起动按钮后，动 力头向右快速进给，碰到限位开关SQ1后变为工作进给，碰到SQ2后快速退回，返回初始位置后停止运动，再按 下按钮重复上述过程。a）b）图图13-42 动力头进给运动示意图、时序图和功能表图动力头进给运动示意图、时序图和功能表图a）运动示意图和时序图）运动示意图和时序图 b）功能表图）功能表图列写现场信号与PLC软继电器编号对照表13-13所示。表表13-13 动力头进给运动现场信号与动力头进给运动现场信号与PLC软继电器编号对照表软继电器编号对照表 分分类输入信号入信号输出信号出信号其它其它信号信号名称名称起初起初按按钮原位限原位限位开关位开关转工工进限限位开关位开关转快退限快退限位开关位开关快快进电磁磁阀工工进电磁磁阀快退快退电磁磁阀初始激初始激活活现场信信号号SBSQ3SQ2SQ1YV1YV2YV3PLC编号号X000X003X002X001Y000Y001Y002M8002根据工艺要求可给制出功能表图如图13-42b所示，根据功能表图列写出逻辑表达式 由的逻辑表达式可画出顺序功能的梯形图，并设计出对应的外部接线图，如图13-45所示。a）b）图图13-45 动力头控制系统的顺序功能梯形图和外部接线图动力头控制系统的顺序功能梯形图和外部接线图a）顺序功能梯形图）顺序功能梯形图 b）外部接线图）外部接线图 列写程序清单（略）对于复杂的控制系统的顺序功能表图编程方式时的梯形图转化。可按如图13-46所示的选择序列与此对应的梯形图，图13-47所示的并行序列与此对应的梯形图进行设计和转化。a）b）图图13-46 选择序列功能表图和梯形图选择序列功能表图和梯形图a）选择序列功能表图和部分逻辑表达式）选择序列功能表图和部分逻辑表达式 b）选择序列的梯形图）选择序列的梯形图 M200=(M202*X002+M8002+M200(M201+M203)M202=(M201*X001+M203*X004+M202)*M200 M200=(M203*X003+M8002+M200(M201+M204)M203=(M202*M205*X002+M203)*M200 a）b）图图13-47 并行序列功能表图和梯形图并行序列功能表图和梯形图a）并行序列功能表图和部分逻辑表达式）并行序列功能表图和部分逻辑表达式 b）并行序列梯形图）并行序列梯形图 2步进指令法 步进指令法编程方式是利用STL和RET两条指令编制顺序控制梯形图程序，即以步进的STL接点为主体，最后必须用RET指令返回。此种设计方法类似于上述的功能表图法，不同的是步进指令法采用指令实现顺序控制过程，采用状态继电器S与STL配合才具有进功能的方式来编程。步进指令法的设计步骤是：列写现场信号与PLC软继电器编号对照表；根据控制要求画出状态转移图；将状态转移图转化为顺序功能梯形图,并设计出对应的外接线图；列写出梯形图的程序清单。如上例的动力头控制系统若采用步进指令法，它的设计过程是：列写现场信号与PLC软继电 器编号对照表同上例（略）。画状态转移图如图13-48所示；将状态转移图转化为顺序功 能梯形图如图13-49a所示，设计出对应的外接线图同图 13-45b；列写出程序清单如图13-49b 所示。图图13-48 动力头控制状态转移图动力头控制状态转移图 图图13-49 动力头的梯形图和程序清单动力头的梯形图和程序清单a)梯形图梯形图 b)程序清单程序清单 对于复杂的控制系统，使用步进梯形指令的编程方法转化梯形图。可按如图13-50所示的选择序列与此对应的梯形图，如图13-51所示的并行序列与此对应的梯形图进行设计与转化。a)b)图图13-50 选择序列状态转移图和梯形图选择序列状态转移图和梯形图a）选择序列状态转移图）选择序列状态转移图 b）选择序列梯形图）选择序列梯形图 a）b）图图13-51 并行序列状态转移图和梯形图并行序列状态转移图和梯形图a）并行序列状态转移图）并行序列状态转移图 b）并行序列梯形图）并行序列梯形图 13.5 应用实例应用实例 一、应用一、应用PLC对送料小车控制对送料小车控制 如图13-52所示小车送料的工作过程的示意图，其循环工作过程为：循环过程开始时，小车处于最左端，此时，装料电磁阀YC1通电，开始装料，延时20s；装料结束，接触器KM3、KM5得电，向右快行；碰到限位开关SQ2后，KM5失电，小车慢行；碰到SQ4时，KM3失电，小车停，电磁阀YC2得电，卸料开始，延时15s；卸料结束后，接触器KM4、KM5得电，小车向左快行；碰到限位开关SQ1，KM5失电，小车慢行；碰到SQ3，KM4失电，小车停，装料开始如此周而复始。整个过程分为装料、右快行、右慢行、卸料、左快行、左慢行六个状态。整个流程循环往复，如图13-53所示的状态流程。图图13-52 小车送料示意图小车送料示意图图图13-53 状态流程及转换条件状态流程及转换条件图图13-54 状态流程及转换条件状态流程及转换条件1操作面板 在实际生产过程中，为了满足生产需要设置了多种不同的工作方式，如图13-54所示的送料小车的操作面板的工作方式有全自动、半自动、单步、手动的几种方式。2输入/输出设备与 PLC输入/输出点对照表 对照表如表13-14所示。表表13-14 现场信号与现场信号与PLC输入输入/输出点对照输出点对照 输 入入输 出出设 备输 入入 点点设 备输 出出 点点左快行限左快行限位开关位开关SQ1X001装料装料电磁磁阀YC1Y001右快行限右快行限位开关位开关SQ2X002卸料卸料电磁磁阀YC2Y002左行限位左行限位开关开关SQ3X003右行接右行接触器触器KM3Y003右行限位右行限位开关开关SQ4X004左行接左行接触器触器KM4Y004起起动按按钮SB1X011快行接快行接触器触器KM5Y005停止按停止按钮SB2X012右行手右行手动按按钮SB3X005左行手左行手动按按钮SB4X006装料手装料手动按按钮SB5X007卸料手卸料手动按按钮SB6X000转换开开关关SA手手动触点触点A1X015单步步触点触点A2X014半自半自动触点触点A3X0133PLC的输入/输出接线图 图图13-55 外部接线图外部接线图4送料小车状态转移图 图图13-56 状态转移图状态转移图5送料小车控制的梯形图 b)a)图图13-57 送料小车程序框图和总体结构图送料小车程序框图和总体结构图a)程序框图程序框图 b)总体结构图总体结构图图图13-58 手动部分梯形图手动部分梯形图图图13-59 送料小车半自动和送料小车半自动和全自动控制梯形图全自动控制梯形图 二、应用二、应用PLC对专用车床的改造对专用车床的改造 被改造的是HZC3Z型轴承专用车床，设车床主要用于轴承端面的切削加工的。采用PLC对此改造是对它的电气控制电路部分加以改造，从而可克服机床控制线路的复杂性，使得维修、维护带来极大的方便，可靠性更高，故障率大大的降低。1开关站的面板 HZC3Z型轴承专用车床的开关站如图13-60所示；电气原理图如图13-61所示；机床各部分动作示意图如图13-62所示和元件明细表如表13-16所示(见教材P427)。a）b）图图13-61 HZC3Z型轴承专用车床电气原理型轴承专用车床电气原理a）主电路、起动和信号电路图）主电路、起动和信号电路图 b）控制电路图）控制电路图HZC3Z型轴承专用车床的电气工作原理如图下：1）初始状态 1）机械手在原始位置，爪部持待加工件，行程开关SQ4、SQ5均 处于压合状态，电磁铁YC5失电。2）纵刀架、横刀架均在始位，行程开关SQ1、SQ2释放，SQ3、SQ6受压，电磁铁YC3、YC4失电。3）夹具处于张开状态，YC1、YC2失电。4）开关位置：SA1指向“自动”位置，SA2指向“多循环”位置，SA3、SA4、SA5、SA6、SA7各均指向“工作”位置。2）循环操作原理 按“循环起动”SB4夹具张开机械手装料夹具夹紧机械手返回始位并持料纵刀架进刀横刀架进刀横刀架返回至始位纵刀架返回至始位夹具张开（零件落下）。3）调整功能 1）机床各部分需要检查动作或做调整时，首先将SA1转向“调整”位 置，然后根据主轴、夹具、机械手和刀架的要求进行单独调整 或配合调整。调整好后，各开关返回初始状态。2）在试切削时，可将SA2转至“单循环”处，试切完毕，将SA2钮旋 向“多循环”处，进行正常工作。3）SB3为“急返”按钮，按下后，刀架顺原路返回到初始位置，机械 手返回到初始位且持料，正在加工的零件继续夹紧，主轴停止 转动。4）循环起动 机床处于初始状态，按SB1（油泵起动），当油压到达一定压力时，压力继电器动作，其常开触点闭合。按SB4，进入循环操作。5）机床的电气保护。1）FU1为主电路的短路保护。2）FR1、FR2为油泵电动机、主轴电动机的过载保护。3）FU2、FU3控制线路的短路保护，FU4、FU5是照明、信号灯 线路的短路保护。2输入/输出设备与PLC输入/输出点对照表 本设备要求的输入/输出均为开关量，输入/输出各点信号对照表如表13-17所示。表表13-17 13-17 现场信号与现场信号与PLC输入输入/输出点对照表输出点对照表3PLC输入/输出的外部接线图 对该车床进行电气控制线路的改造是由PLC进行控制图13-59b中部分，用压力继电器的触点作为PLC的电源开关。输入开关均为常开，在输出公共端串联入5-10A熔断器作为短路保护，并在交流电感性负载上并联RC浪涌吸收电路，以抑制噪声的发生。PLC输入/输出外部接线圈如图13-63所示。图图13-63 PLC输入输入/输出接线图输出接线图 图图13-64 状态转换图状态转换图4状态转移图 按照循环控制要求，机床动作状态表如表13-18所示，状态转移图如图13-64所示。表表13-18 13-18 机床动作状态表机床动作状态表5程序框图和梯形图 图图13-65 程序框图程序框图 按照生产要求，可建立如图13-65所示的程序框图；按照状态转移图和控制生产要求，可设计出梯形图的总体框图如图13-66所示和控制梯形图如图13-67所示。在图13-66中的前三阶梯形图表示了调整、急迫、循环的逻辑关系。图图13-66 梯形图的总体框图梯形图的总体框图图图13-67 HZC3Z型轴承专用车床控制的梯形图型轴承专用车床控制的梯形图