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可编程控制器的程序的设计方法.doc
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第六章 可编程控制器的程序设计方法
第一节 梯形图的编程规则
PLC 是专为工业控制而开发的装置,其主要使用者是工厂广大电气技术人员,为了适应他
们的传统习惯和掌握能力,通常 PLC 不采用微机的编程语言,而常常采用面向控制过程、面向
问题的"自然语言"编程。国际电工委员会〔IEC1994 年 5 月公布的 IEC1131-3〔可编程控制器
语言标准详细地说明了句法、语义和下述 5 种编程语言:功能表图〔sequential function
chart、梯形图〔Ladder diagram、功能块图〔Function black diagram、指令表〔Instruction list、
结构文本〔structured text。梯形图和功能块图为图形语言,指令表和结构文本为文字语言,功能
表图是一种结构块控制流程图。
一、梯形图概述
梯形图是使用得最多的图形编程语言,被称为 PLC 的第一编程语言。梯形图与电器控制系
统的电路图很相似,具有直观易懂的优点,很容易被工厂电气人员掌握,特别适用于开关量逻辑
控制。梯形图常被称为电路或程序,梯形图的设计称为编程。
梯形图编程中,用到以下四个基本概念:
1.软继电器
PLC 梯形图中的某些编程元件沿用了继电器这一名称,如输入继电器、输出继电器、内部
辅助继电器等,但是它们不是真实的物理继电器,而是一些存储单元〔软继电器,每一软继电器
与 PLC 存储器中映像寄存器的一个存储单元相对应。该存储单元如果为"1”状态,则表示梯形
图中对应软继电器的线圈"通电",其常开触点接通,常闭触点断开,称这种状态是该软继电器的
"1”或"ON"状态。如果该存储单元为"0”状态,对应软继电器的线圈和触点的状态与上述的相
反,称该软继电器为"0”或"OFF"状态。使用中也常将这些"软继电器"称为编程元件。
2.能流
如图 5-1 所示触点 1、2 接通时,有一个假想的"概念电流"或"能流"<Power Flow>从左向右
流动,这一方向与执行用户程序时的逻辑运算的顺序是一致的。能流只能从左向右流动。利用
能流这一概念,可以帮助我们更好地理解和分析梯形图。图 5-1a 中可能有两个方向的能流流过
触点 5〔经过触点 1、5、4 或经过触点 3、5、2,这不符合能流只能从左向右流动的原则,因此
应改为如图 5-1b 所示的梯形图。
图 5-1 梯形图
a 错误的梯形图 b 正确的梯形图
3.母线
梯形图两侧的垂直公共线称为母线<Bus bar>,。在分析梯形图的逻辑关系时,为了借用继电
器电路图的分析方法,可以想象左右两侧母线〔左母线和右母线之间有一个左正右负的直流电
源电压,母线之间有"能流"从左向右流动。右母线可以不画出。
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4.梯形图的逻辑解算
根据梯形图中各触点的状态和逻辑关系,求出与图中各线圈对应的编程元件的状态,称为
梯形图的逻辑解算。梯形图中逻辑解算是按从左至右、从上到下的顺序进行的。解算的结果,
马上可以被后面的逻辑解算所利用。逻辑解算是根据输入映像寄存器中的值,而不是根据解算
瞬时外部输入触点的状态来进行的。
二、梯形图的编程规则
尽管梯形图与继电器电路图在结构形式、元件符号及逻辑控制功能等方面相类似,但它们
又有许多不同之处,梯形图具有自己的编程规则。
1 每一逻辑行总是起于左母线,然后是触点的连接,最后终止于线圈或右母线〔右母线可以
不画出。注意:左母线与线圈之间一定要有触点,而线圈与右母线之间则不能有任何触点。
2 梯形图中的触点可以任意串联或并联,但继电器线圈只能并联而不能串联。
3 触点的使用次数不受限制。
4 一般情况下,在梯形图中同一线圈只能出现一次。如果在程序中,同一线圈使用了两次或
多次,称为"双线圈输出"。对于"双线圈输出",有些 PLC 将其视为语法错误,绝对不允许;有些
PLC 则将前面的输出视为无效,只有最后一次输出有效;而有些 PLC,在含有跳转指令或步进指
令的梯形图中允许双线圈输出。
5 对于不可编程梯形图必须难过等效变换,变成可编程梯形图,例如图 5-1 所示。
6 有几个串联电路相并联时,应将串联触点多的回路放在上方,如图 5-2a 所示。在有几个并
联电路相串联时,应将并联触点多的回路放在左方,如图 5-2b 所示。这样所编制的程序简洁明
了,语句较少。
图 5-2 梯形图之二
另外,在设计梯形图时输入继电器的触点状态最好按输入设备全部为常开进行设计更为
合适,不易出错。建议用户尽可能用输入设备的常开触点与 PLC 输入端连接,如果某些信号只
能用常闭输入,可先按输入设备为常开来设计,然后将梯形图中对应的输入继电器触点取反
〔常开改成常闭、常闭改成常开。
第二节 典型单元的梯形图程序
PLC 应用程序往往是一些典型的控制环节和基本单元电路的组合,熟练掌握这些典型环
节和基本单元电路,可以使程序的设计变得简单。本节主要介绍一些常见的典型单元梯形图程
序。
一、具有自锁、互锁功能的程序
1.具有自锁功能的程序
利用自身的常开触点使线圈持续保持通电即"ON"状态的功能称为自锁。如图 5-3 所示的
起动、保持和停止程序〔简称起保停程序就是典型的具有自锁功能的梯形图, X1 为起动信号
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和 X2 为停止信号。
图 5-3 起保停程序与时序图
a 停止优先 b 起动优先
图 5-3a 为停止优先程序,即当 X1 和 X2 同时接通,则 Y1 断开。图 5-3b 为起动优先程序,即
当 X1 和 X2 同时接通,则 Y1 接通。起保停程序也可以用置位〔SET 和复位〔RST 指令来实现。
在实际应用中,起动信号和停止信号可能由多个触点组成的串、并联电路提供。
2.具有互锁功能的程序
利用两个或多个常闭触点来保证线圈不会同时通电的功能成为"互锁"。三相异步电动机
的正反转控制电路即为典型的互锁电路,如图 5-4 所示。其中 KMl 和 KM2 分别是控制正转运
行和反转运行的交流接触器。
图 5-4 三相异步电动机的正反转控制电路
如图 5-5 所示为采用 PLC 控制三相异步电动机正反转的外部 I/O 接线图和梯形图。实现
正反转控制功能的梯形图是由两个起保停的梯形图再加上两者之间的互锁触点构成。
图 5-5 用 PLC 控制电动机正反转的 I/O 接线图和梯形图
应该注意的是虽然在梯形图中已经有了软继电器的互锁触点〔X1 与 X0、Y1 与 Y0,但在
I/O 接线图的输出电路中还必须使用 KM1、KM2 的常闭触点进行硬件互锁。因为 PLC 软继电器
互锁只相差一个扫描周期,而外部硬件接触器触点的断开时间往往大于一个扫描周期,来不及
响应,且触点的断开时间一般较闭合时间长。例如 Y0 虽然断开,可能 KM1 的触点还未断开,在
没有外部硬件互锁的情况下,KM2 的触点可能接通,引起主电路短路,因此必须采用软硬件双
重互锁。采用了双重互锁,同时也避免因接触器 KM1 或 KM2 的主触点熔焊引起电动机主电路短
路。
二、定时器应用程序
1.产生脉冲的程序
〔1 周期可调的脉冲信号发生器
如图 5-6 所示采用定时器 T0 产生一个周期可调节的连续脉冲。当 X0 常开触点闭合后,第
一次扫描到 T0 常闭触点时,它是闭合的,于是 T0 线圈得电,经过 1s 的延时,T0 常闭触点断开。
T0 常闭触点断开后的下一个扫描周期中,当扫描到 T0 常闭触点时,因它已断开,使 T0 线圈失
电,T0 常闭触点又随之恢复闭合。这样,在下一个扫描周期扫描到 T0 常闭触点时,又使 T0 线圈
得电,重复以上动作,T0 的常开触点连续闭合、断开,就产生了脉宽为一个扫描周期、脉冲周期
为 1s 的连续脉冲。改变 T0 的设定值,就可改变脉冲周期。
图 5-6 周期可调的脉冲信号发生器
a 梯形图 b 时序图
〔2 占空比可调的脉冲信号发生器
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如图 5-7 所示为采用两个定时器产生连续脉冲信号,脉冲周期为 5 秒,占空比为 3:2〔接
通时间:断开时间。接通时间 3s,由定时器 T1 设定,断开时间为 2s,由定时器 T0 设定,用 Y0 作
为连续脉冲输出端。
图 5-7 占空比可调的脉冲信号发生器
a 梯形图 b 时序图
〔3 顺序脉冲发生器
如图 5-8a 所示为用三个定时器产生一组顺序脉冲的梯形图程序,顺序脉冲波形如图 5-8b
所示。当 X4 接通,T40 开始延时,同时 Y31 通电,定时 l0s 时间到,T40 常闭触点断开,Y31 断电。
T40 常开触点闭合,T41 开始延时,同时 Y32 通电,当 T41 定时 15s 时间到,Y32 断电。T41 常开
触点闭合,T42 开始延时.同时 Y33 通电,T42 定时 20s 时间到,Y33 断电。如果 X4 仍接通,重新
开始产生顺序脉冲,直至 X4 断开。当 X4 断开时,所有的定时器全部断电,定时器触点复位,输出
Y31、Y32 及 Y33 全部断电。
图 5-8 顺序脉冲发生器
a 梯形图 b 时序图
2.断电延时动作的程序
大多数 PLC 的定时器均为接通延时定时器,即定时器线圈通电后开始延时,待定时时间到,
定时器的常开触点闭合、常闭触点断开。在定时器线圈断电时,定时器的触点立刻复位。
如图 5-9 所示为断开延时程序的梯形图和动作时序图。当 X13 接通时,M0 线圈接通并自
锁,Y3 线圈通电,这时 T13 由于 X13 常闭触点断开而没有接通定时;当 X13 断开时,X13 的常
闭触点恢复闭合,T13 线圈得电,开始定时。经过 10s 延时后,T13 常闭触点断开,使 M0 复位,Y3
线圈断电,从而实现从输入信号 X13 断开,经 10s 延时后,输出信号 Y3 才断开的延时功能。
图 5-9 断电延时动作的程序
a 梯形图 b 时序图
3.多个定时器组合的延时程序
一般 PLC 的一个定时器的延时时间都较短,如 FX 系列 PLC 中一个 0.1s 定时器的定时范
围为 0.1~3276.7s,如果需要延时时间更长的定时器,可采用多个定时器串级使用来实现长时间
延时。定时器串级使用时,其总的定时时间为各定时器定时时间之和。
如图 5-10 所示为定时时间为 1h 的梯形图及时序图,辅助继电器 M1 用于定时启停控制,采
用两个 0.1s 定时器 T14 和 T15 串级使用。当 T14 开始定时后,经 1800s 延时,T14 的常开触点闭
合,使 T15 再开始定时,又经 1800s 的延时,T15 的常开触点闭合,Y4 线圈接通。从 X14 接通,到
Y4 输出,其延时时间为 1800s+1800s=3600s=1h。
图 5-10 用定时器串级的长延时程序
a 梯形图 b 时序图
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三、计数器应用程序
1.应用计数器的延时程序
只要提供一个时钟脉冲信号作为计数器的计数输入信号,计数器就可以实现定时功能,时
钟脉冲信号的周期与计数器的设定值相乘就是定时时间。时钟脉冲信号,可以由 PLC 内部特殊
继电器产生〔如 FX 系列 PLC 的 M8011、M8012、M8013 和 M8014 等,也可以由连续脉冲发
生程序产生,还可以由 PLC 外部时钟电路产生。
如图 5-11 所示为采用计数器实现延时的程序,由 M8012 产生周期为 0.1s 时钟脉冲信号。
当启动信号 X15 闭合时,M2 得电并自锁,M8012 时钟脉冲加到 C0 的计数输入端。当 C0 累计
到 18000 个脉冲时,计数器 C0 动作,C0 常开触点闭合,Y5 线圈接通,Y5 的触点动作。从 X15 闭
合到 Y5 动作的延时时间为 18000×0.1=1800s。延时误差和精度主要由时钟脉冲信号的周期
决定,要提高定时精度,就必须用周期更短的时钟脉冲作为计数信号。
图 5-11 应用一个计数器的延时程序
a 梯形图 b 时序图
延时程序最大延时时间受计数器的最大计数值和时钟脉冲的周期限制,如图 5-11 所示计
数器 C0 的最大计数值为 32767,所以最大延时时间为:32767×0.1=3276.7s。要增大延时时间,
可以增大时钟脉冲的周期,但这又使定时精度下降。为获得更长时间的延时,同时又能保证定时
精度,可采用两级或多级计数器串级计数。如图 5-12 所示为采用两级计数器串级计数延时的一
个例子。图中由 C0 构成一个 1800s〔30min 的定时器,其常开触点每隔 30min 闭合一个扫描周
期。这是因为 C0 的复位输入端并联了一个 C0 常开触点,当 C0 累计到 18000 个脉冲时,计数器
C0 动作,C0 常开触点闭合,C0 复位,C0 计数器动作一个扫描周期后又开始计数,使 C0 输出一
个周期为 30min、脉宽为一个扫描周期的时钟脉冲。C0 的另一个常开触点作为 C1 的计数输
入,当 C0 常开触点接通一次,C1 输入一个计数脉冲,当 C1 计数脉冲累计到 10 个时,计数器 C1
动作,C1 常开触点闭合,使 Y5 线圈接通,Y5 触点动作。从 X15 闭合,到 Y5 动作,其延时时间为
18000×0.1×10=18000s〔5h。计数器 C0 和 C1 串级后,最大的延时时间可达:32767×0.1×
32767s=29824.34 h=1242.68 天。
图 5-12 应用两个计数器的延时程序
2.定时器与计数器组合的延时程序
利用定时器与计数器级联组合可以扩大延时时间,如图 5-13 所示。图中 T4 形成一个 20s
的自复位定时器,当 X4 接通后,T4 线圈接通并开始延时,20s 后 T4 常闭触点断开,T4 定时器的
线圈断开并复位,待下一次扫描时,T4 常闭触点才闭合,T4 定时器线圈又重新接通并开始延时。
所以当 X4 接通后,T4 每过 20s 其常开触点接通一次,为计数器输入一个脉冲信号,计数器 C4
计数一次,当 C4 计数 100 次时,其常开触点接通 Y3 线圈。可见从 X4 接通到 Y3 动作,延时时间
为定时器定时值〔20s 和计数器设定值〔100 的乘积〔2000s。图中 M8002 为初始化脉冲,使 C4
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