电气控制与PLC应用第6章 PLC控制程序的设计

第一节梯形图程序设计一、梯形图编程中的基本概念1．软继电器每一个软继电器都与PLC映像寄存器的一个存储单元某一位相对应。使用中也常将这些“软继电器”称为编程元件。2．能流如图6-1所示，触点I0.1、C1接通时，有一个假想的“概念电流”或“能流”(PowerFlow)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。3．母线梯形图两侧的垂直公共线称为母线(Busbar)。在梯形图的逻辑关系时，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。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。一、梯形图编程中的基本概念1．软继电器每一个软继电器都与PLC映像寄存器的一个存储单元某一位相对应。使用中也常将这些“软继电器”称为编程元件。2．能流如图6-1所示，触点I0.1、C1接通时，有一个假想的“概念电流”或“能流”(PowerFlow)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。二、梯形图编程规则1．PLC内部软器件触点的使用次数是无限制的。2．梯形图的各支路，要以左母线为起点，从左向右分行绘出。每一行的前部是触点群组成的工作条件，最右边是线圈或功能框表达的工作结果，亦即触点不能放在线圈的右边。3．PLC内部的软器件不能无条件为ON，故线圈和指令盒一般不能直接连接到左母线上，4．在梯形图中，线圈前边的触点代表输出的条件，线圈代表输出。由可编程控制器的操作系统引出的工作原理规定，某个线圈在梯形图中只能出现一次，如果多次出现，则称为双线圈输出。PLC执行用户梯形图程序时是从上到下的顺序执行，因而前边的输出无效，只有最后一次输出才是有效的。5．手工编写梯形图程序时，触点应该画在水平线上，不能画在垂直分支上。6．在有几个串联回路相并联时，应将触点最多的那个串联回路放在梯形图的最上面三、梯形图设计举例1．延时接通、延时断开程序控制要求：输入信号为ON后，延迟一定时间（10s）输出信号才为ON；而输入信号变OFF后，输出信号延迟一定时间（20s）才变OFF。2．振荡输出程序振荡输出程序也称为闪烁程序，用于故障出现时的报警。3．长延时程序S7-200系列可编程控制器的定时器最长定时时间为32767.7s。方法一：用计数器扩展定时器的定时范围方法二：定时器“接力”扩展定时器的定时范围4．分频输出程序5．启动、保持和停止控制程序图6-12的梯形图是使用广泛的“启保停”控制程序。6．单按钮启、停程序控制要求：第一次按动按钮，系统启动，第二次按动按钮，系统停止；第三次按动按钮，系统又启动，以此类推。方法一：利用计数器实现单按钮控制功能方法一：利用计数器实现单按钮控制功能方法二：利用基本逻辑指令实现单按钮控制功能7．电动机正反转控制程序8．三相异步电动机启动、点动和停止控制程序在继电器控制的基本环节中，有这样一个即可点动控制又可连续控制的电气控制线路：现在仿照上述设计思想用PLC来实现上述控制功能，即三相异步电动机启动、点动和停止控制程序。解决的办法是象图6-16c那样借助辅助继电器M0.0，把点动和连续的控制逻辑完全分割开来，这样既可避免错误的发生，又使梯形图简单明了，思路清晰。由上可见，对继电器线路的PLC改造设计，没必要也不应该完全对应的进行“翻译”。9．三相异步电动机星形－三角形启动控制程序将两个动合按钮分别接于PLC的输入端子I0.0和I0.1作为启动信号和停止信号，接触器QAC1、QAC2、QAC3的线圈分别接于PLC的输出端子Q0.0、Q0.1、Q0.2。为避免QAC2、QAC3同时得电造成电源相间短路，在PLC接线中增加了电气互锁环节。10．电动机“顺序启动，逆序停车”控制系统设计（1）控制要求现有三台电动机M1、M2、M3，要求启动顺序为：先启动M1，经过8s后启动M2，再经过9s后启动M3；停车时要求：先停M3，经过9s后再停M2，再经8s后停M1。（2）分析控制过程根据上述控制要求的描述，本程序需要设置四个定时器，此处选用T50～T53。T50计时起点为启动信号I0.0T52计时起点为停止信号I0.1。T53计时时间到后，复位两个辅助继电器，辅助继电器的OFF会使T50～T53的位为OFF，致使Q0.0～Q0.2全部OFF。（3）设计梯形图。用启动信号I0.0去置位M0.0，由M0.0启动T50，再由T50启动T51。用停止信号I0.1去置位M0.1，由M0.1启动T52，再由T52启动T53。由T53复位M0.0、M0.1，再由M0.0关闭Q0.0。第二节顺序功能图设计法一、顺序功能图的组成顺序功能图主要由步、有向连线、转换条件和动作（或命令）几部分组成。1．步在顺序功能图中，每个步对应着一种工作状态或是工作步骤。2．有向连线在顺序功能图中，随着时间的推移和转换条件的实现，将会发生步的活动状态的进展，这种进展按有向线段规定的路线和方向进行。有向线段的方向代表了系统动作的顺序。在顺序功能图中，步的活动状态的进展方向是从上到下或从左到右的方向，在这两个方向有向线段上代表方向的箭头可以省略，有时为了更容易理解也可以加箭头。如果不是上述的方向，必须在有向线段上用箭头注明进展方向。3．转换条件活动步的转换与否或者说系统是否由当前步进入下一步，需要看某个条件是否满足，这个条件称之为转换条件。转换条件是指使系统从一个步向另一个步转换的必要条件。完成信号或相关条件的逻辑组合可以用作转换条件，它既是本状态的结束信号，又是下一步对应状态的启动信号，一般用文字语言、布尔代数表达式或图形符号标注在与有向连线垂直相交的短线旁边。4．动作（或命令）可以将一个控制系统划分为被控系统和施控系统。对于被控系统，在某一步中要完成某些“动作”（action）。对于施控系统，在某一步则要向被控系统发出某些“命令”（command）。为了叙述方便，将命令或动作统称为动作，它实质是指步对应的工作内容。动作用矩形框或中括号上方的文字或符号表示，该中括号与相应的步的矩形框通过短线相连。二、顺序功能图中转换实现的基本规则1．转换实现的条件在顺序功能图中，步的活动状态的进展是由转换的实现来完成的。转换实现必须同时满足两个条件：（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了满足。2．转换实现应该完成的操作转换实现时应该完成以下两个操作：（1）使所有由有向线段与相应转换符号相连的后续步都变成活动步。（2）使所有由有向线段与相应转换符号相连的前级步都变成不活动步。3．设计顺序功能图时应该注意的问题（1）两个步之间必须有转换条件。如果没有，则应该将这两步合为一步处理。（2）两个转换不能直接相连，必须用一个步将它们分隔开。（3）从生产实际考虑，顺序功能图必须设置初始步。（4）顺序功能图应该是一个或两个由方框和有向线段组成的闭环，也就是说在顺序功能图中不能有“到此为止”的死胡同。（5）要想能够正确地按顺序运行顺序功能图程序，必须用适当的方式将初始步置为活动步。一般用特殊存储器SM0.1的动合触点作为转换条件，将初始步置为活动步。（6）在个人计算机上使用支持SFC的编程软件进行编程时，顺序功能图可以自动生成梯形图或指令表。三、顺序功能图设计法与经验设计法的比较经验设计法实质上是试图用输入信号I直接控制输出信号Q，如果无法直接控制，或者为了实现记忆、连锁、互锁等功能，只好被动地增加一些辅助元件和辅助触点。由于不同的系统的输出量Q和输入量I之间的关系各不相同，以及它们对连锁、互锁的要求千变万化，所以经验设计法不可能找出一种简单而又通用的设计方法。顺序功能图设计法是用输入量I控制代表步的编程元件，再用编程元件控制输出量Q。而步是根据输出量Q的状态划分的，代表步的编程元件和输出量Q之间具有很简单的逻辑关系，输出程序的设计极为简单。代表步的编程元件是依次变为ON/OFF状态的，它实际上已经基本解决了经验设计法中的记忆、连锁等问题，因而顺序功能图设计法具有简单、和通用的优点。四、顺序功能图的基本结构1．单序列单序列由一系列相继成为活动步的步组成，每一步后面仅有一个转换条件，每一个转换条件后面只有一个步。2．选择序列如果某一步的转换条件由于需要超过一个，每个转换条件都有自己的后续步，而转换条件每时每刻只能有一个满足，这就存在选择的问题了。3．并行序列如果某步的转换条件满足时，若几个序列的第一个工步同时被激活，也是说需要几个状态同时工作，这就是并行的问题。五、顺序控制指令S7-200系列PLC的编程软件有三条顺序控制继电器指令，结合顺序控制继电器S，即可用顺序功能图的方法进行编程。六、顺序功能图编程步骤1．分工步分析控制系统的工艺，将整个控制过程划分为若干个工作步骤，即工步，各个工步按顺序轮流工作，而且任何时候都只有一个工步在工作。2．确定转换条件及命令找出各个工步之间的转换条件，并确定每个工步下的应输出的动作。3．画出顺序功能图依据上述两步的分析，画出顺序功能图七、顺序功能图编程方法举例1．三相异步电动机星形—三角形启动控制系统顺序功能图程序设计（1）分工步分析Y—△降压启动控制过程，可以分为三步：1）在初始状态下获得启动信号后，进入第一步，即启动阶段。2）启动结束，系统转入第二步，即切换阶段。3）切换结束后，转入第三步，即运行阶段。4）停止信号I0.1为ON后，返回到初始步。（2）确定转换条件及命令1）进入第一步的转换条件是启动信号I0.0。此步下Q0.0、Q0.1应该为ON，电动机星形降压启动，同时定时器T50开始计时，2）进入第二步的转换条件是T50计时时间到。此步下Q0.0应该继续为ON，Q0.1应该为OFF，并启动定时器T51开始计时（星角切换的过渡时间）。3）进入第三步的转换条件是T51计时时间到。在第三步中，Q0.0应该继续为ON，Q0.2也为ON使电动机在三角形接法下正常工作。4）转换条件I0.1为ON时，返回到初始步。（3）画出顺序功能图根据上述思路，可得出图6-25所示顺序功能图。2．小车自动运行控制系统顺序功能图程序设计某小车运行情况如图6-26所示。具体控制要求为：（1）按下SF1按钮后，小车由SQ1处前进到SQ2处停6s，再后退到SQ1处停止。（2）按下SF2按钮后，小车由SQ1处前进到SQ3处停9s，再后退到SQ1处停止。统计输入、输出信号，分配端口。共有SF1和SF2以及SQ1～SQ3共五个输入信号，依次接于PLC的I0.0～I0.4五个输入接口。小车能够前后运行，需要正反两个接触器QAC1和QAC2来实现，所以输出信号两个，接触器线圈分别接于PLC的Q0.0和Q0.1输出接口。PLC接线图如图6-27a所示。根据系统控制要求以及选择序列顺序功能图的设计思路，可以设计出如图6-27b所示的系统顺序功能图。3．专用钻床控制系统顺序功能图程序设计某专用钻床可以同时在工件上钻大、小两个孔，在一个完整工作周期里能够在工件上钻6个孔，6个孔间隔均匀分布，如图6-28所示。具体控制要求如下：（1）人工放好工件后，按下启动按钮SF1(I0.0)，夹紧电机启动正传，QAC1（Q0.0）为ON夹紧工件。（2）夹紧后压力继电器KA1(I0.1)为ON，大、小钻头运行电机正传，QAC2（Q0.1）、QAC4（Q0.3）为ON，大、小两钻头同时开始下行进行钻孔。（4）大，小两钻头分别升到由限位开关SQ1（I0.2）、SQ3（I0.4）设定的起始位置时停止上行，两个都到位后，旋转电机旋转，QAC6（Q0.5）为ON，使工件旋转120°。（5）旋转到位时，KA2（I0.6）为ON，设定值为3的计数器C0的当前值加1，系统开始下一个周期的钻孔工作，重复（2）至（5）。（6）6个孔钻完后，C0的当前值等于设定值3，夹紧电机启动反转，QAC7（Q0.6）为ON使工件松开。（7）松开到位时，限位开关SQ5（I0.7）为ON，系统返回到初始状态。根据上述对该钻床的控制过程的描述，可知本控制系统一共有8个输入信号，7个输出信号，接线图如图6-29所示。4．液体混合装置控制系统顺序功能图程序设计图6-31为饮料、酒或化工生产中常用的两种液体混合装置。阀A、B、C为电磁阀，用于控制管路的通断。线圈通电时，打开管路；线圈断电后，关断管路。设上、中、下三个液位传感器被液体淹没时为ON。本控制系统一共需要5个输入信号，分别为启动信号SF1（I0.0）、停止信号SF2（I0.1）、上液位开关BL1（I0.2）、中液位开关BL2（I0.3）、下液位开关BL3（I0.4）；4个输出信号，分别为电磁阀A，KH1（Q0.0）、电磁阀B，KH2（Q0.1）、电磁阀C，KH3（Q0.2）、搅拌电机控制接触器QAC（Q0.3），接线图如图6-32所示。第三节PLC控制程序设计实例1．试设计出满足图6-34a时序图所示控制要求的梯形图程序。2．传输带上产品间断检测报警系统设计控制要求：用光电开关检测传输带上是否有产品通过，如果在10s内没有产品通过，则由蜂鸣器发出报警信号，按压按钮开关可以解除报警信号，试设计相关梯形图程序。3．十字路口交通信号灯控制程序设计图6-36为某路口交通信号灯工作时序图，设计符合此控制要求的PLC控制程序。（1）I/O点分配由上述交通信号灯工作时序图得知，该系统输入信号两个，分别为系统启动信号SF1和停止信号SF2；输出信号六个，分别是东西、南北方向的红、黄、绿灯，其I/O分配情况见图6-37所示的PLC接线图。（2）梯形图程序设计本系统中，信号灯的变化都是依据时间来控制的，并按周期循环运行的，按照其工作时序图要求，一个工作周期可以分为六个时间段，因此可以选用6个10ms接通延时型定时器T33、T34、T35、T97、T98、T99，其接通时刻与信号灯的对应关系见图6-38所示。（3）顺控图程序设计根据该控制系统的控制要求，可以考虑采用并行序列结构的顺控图来进行设计。分两个并行分支，分别为东西和南北的信号灯控制，具体程序如图6-40所示。4．PLC在建筑物给排水系统中排水泵控制的应用两台排水泵自动切换，溢流水位双泵运行的控制（1）I/O点分配根据系统的控制要求，需要设置的输入输出信号分配见表6-2。（2）梯形图程序设计本例中两台排水泵的控制梯形图程序如图6-41所示。（3）程序功能分析本例中两台排水泵的工作方有手动和自动两种方式，由转换开关SAC控制。其中自动工作方式下，可以进行自动切换控制和溢流水位双泵同时工作控制。1）手动控制梯形图程序中，网络1为手动、自动判断程序，I0.0为1时，为手动控制状态，依梯形图的执行结果，应满足跳转条件，跳转到标号1的程序段执行，即跳转至网络9，开始执行手动控制程序。手动程序由网络10和网络11两部分组成，分别是手动控制1、2号泵的启停。2）自动轮换控制本例中两台排水泵互为备用，且自动轮换，即当高水位开关动作，需要启动排水泵时，第一次启动1号泵，2号泵备用，低水位开关动作，完成一次排水工作。如果第二次又到达高水位时，则启动2号泵，1号泵备用；第三次再启动1号泵，2号泵备用，如此轮换工作。在自动工作状态下，要求能实现自动轮换控制，且一台故障，自动启动备用泵。梯形图中，见网络1，自动状态下，I0.0为0，则不能实现跳转，即顺序执行网络2开始的自动程序。3）溢流水位使双泵同时启动的控制本例中，当水量非常大，一台排水泵不能及时排水，致使水位超过高水位，达到溢流水位时，需要1号泵和2号泵同时启动进行排水，直到集水池水位到达低水位为止。溢流水位开关动作，即I0.4为1，见网络2，M0.2为1，Q1.4为1，达到溢流水位指示灯亮。见网络6、7，M0.2为1，使得Q0.0、Q0.1都为1，即两台水泵同时启动。直到集水池水位回到低水位，I0.2断开M0.2，从而停止两个水泵的工作。