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1、第3章 PLC顺序控制设计方法及应用3.1十字路口交通灯的PLC控制3.1.1 项目任务编制一个十字路口交通灯PLC控制的梯形图控制程序，交通灯示意图如图3-1所示，控制要求如下：路口某方向绿灯显示（另一方向亮红灯）20秒后，绿灯以占空比为50的一秒周期（0.5秒脉冲宽度）闪烁3次（另一方向亮红灯），然后变为黄灯亮2秒（另一方向红灯亮），如此循环工作，其时序图如图3-2所示。图3-1 十字路口交通灯示意图图3-2 十字路口交通灯时序图3.1.2 相关知识-顺序控制设计法一、概述如果一个控制系统可以分解成几个独立的控制动作，且这些动作必须严格按照一定的先后次序执行才能保证生产过程的正常运行，这样
2、的控制系统称为顺序控制系统，也称为步进控制系统。其控制总是一步一步按顺序进行。在工业控制领域中，顺序控制系统的应用很广，尤其在机械行业，几乎无例外地利用顺序控制来实现加工的自动循环。所谓顺序控制设计法就是针对顺序控制系统的一种专门的设计方法。这种设计方法很容易被初学者接受，对于有经验的工程师，也会提高设计的效率，程序的调试、修改和阅读也很方便。PLC的设计者们为顺序控制系统的程序编制提供了大量通用和专用的编程元件，开发了专门供编制顺序控制程序用的功能表图，使这种先进的设计方法成为当前PLC程序设计的主要方法。二、顺序控制设计法的设计步骤采用顺序控制设计法进行程序设计的基本步骤及内容如下：1步的
3、划分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（辅助继电器M或状态器S）来代表各步。如图3-3a所示，步是根据PLC输出状态的变化来划分的，在任何一步之内，各输出状态不变，但是相邻步之间输出状态是不同的。步的这种划分方法使代表各步的编程元件与PLC各输出状态之间有着极为简单的逻辑关系。a)划分方法一 b)划分方法二图3-3 步的划分步也可根据被控对象工作状态的变化来划分，但被控对象工作状态的变化应该是由PLC输出状态变化引起的。如图3-3b所示，某液压滑台的整个工作过程可划分为停止（原位）、快进、工进、快退四步。但这四步的状态改变
4、都必须是由PLC输出状态的变化引起的，否则就不能这样划分，例如从快进转为工进与PLC输出无关，那么快进和工进只能算一步。2转换条件的确定使系统由当前步转入下一步的信号称为转换条件。转换条件可能是外部输入信号，如按钮、指令开关、限位开关的接通/断开等，也可能是PLC内部产生的信号，如定时器、计数器触点的接通/断开等，转换条件也可能是若干个信号的与、或、非逻辑组合。如图3-3b所示的SB、SQ1、SQ2、SQ3均为转换条件。顺序控制设计法用转换条件控制代表各步的编程元件，让它们的状态按一定的顺序变化，然后用代表各步的编程元件去控制各输出继电器。3功能表图的绘制根据以上分析和被控对象工作内容、步骤、
5、顺序和控制要求画出功能表图。绘制功能表图是顺序控制设计法中最为关键的一个步骤。绘制功能表图的具体方法将后面详细介绍。4梯形图的编制根据功能表图，按某种编程方式写出梯形图程序。三、功能表图的绘制功能表图又称做状态转移图，它是描述控制系统的控制过程、功能和特性的一种图形，也是设计PLC的顺序控制程序的有力工具。功能表图并不涉及所描述的控制功能的具体技术，它是种通用的技术语言，可以用于进一步设计和不同专业的人员之间进行技术交流。各个PLC厂家都开发了相应的功能表图，各国家也都制定了功能表图的国家标准。我国于1986年颁布了功能表图的国家标准（GB6988.6-86）。如图3-4所示为功能表图的一般形
6、式，它主要由步、有向连线、转换、转换条件和动作（命令）组成。图3-4 功能表图的一般形式1步与动作（1）步 在功能表图中用矩形框表示步，方框内是该步的编号。如图3-4所示各步的编号为-1、n、n+1。编程时一般用PLC内部编程元件来代表各步，因此经常直接用代表该步的编程元件的元件号作为步的编号，如M0.0等，这样在根据功能表图设计梯形图时较为方便。（2）初始步 与系统的初始状态相对应的步称为初始步。初始状态一般是系统等待起动命令的相对静止的状态。初始步用双线方框表示，每一个功能表图至少应该有一个初始步。（3）动作 一个控制系统可以划分为被控系统和施控系统，例如在数控车床系统中，数控装置是施控系
7、统，而车床是被控系统。对于被控系统，在某一步中要完成某些“动作”，对于施控系统，在某一步中则要向被控系统发出某些“命令”，将动作或命令简称为动作，并用矩形框中的文字或符号表示，该矩形框应与相应的步的符号相连。如果某一步有几个动作，可以用如图3-5所示的两种画法来表示，但是图中并不隐含这些动作之间的任何顺序。图3-5 多个动作的表示（4）活动步 当系统正处于某一步时，该步处于活动状态，称该步为“活动步”。步处于活动状态时，相应的动作被执行。若为保持型动作则该步不活动时继续执行该动作，若为非保持型动作则指该步不活动时，动作也停止执行。一般在功能表图中保持型的动作应该用文字或助记符标注，而非保持型动
8、作不要标注。2有向连线、转换与转换条件（1）有向连线 在功能表图中，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顺序进展，这种进展按有向连线规定的路线和方向进行。在画功能表图时，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。活动状态的进展方向习惯上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，应在有向连线上用箭头注明进展方向。（2）转换 转换是用有向连线上与有向连线垂直的短划线来表示，转换将相邻两步分隔开。步的活动状态的进展是由转换的实现来完成的，并与控制过程的发展相对应。（3）转换条件 转换条件是与转换相关的逻辑条
9、件，转换条件可以用文字语言、布尔代数表达式或图形符号标注在表示转换的短线的旁边。转换条件X和分别表示在逻辑信号X为“1”状态和“0”状态时转换实现。符号和分别表示当X从状态和从状态时转换实现。使用最多的转换条件表示方法是布尔代数表达式，如转换条件。3功能表图的基本结构（1）单序列 单序列由一系列相继激活的步组成，每一步的后面仅接有一个转换，每一个转换的后面只有一个步，如图3-6a所示。a）单序列 b）选择序列开始 c）选择序列结束图3-6 单序列与选择序列（2）选择序列 选择序列的开始称为分支，如图3-6b所示，转换符号只能标在水平连线之下。如果步2是活动的，并且转换条件e=1，则发生由步5步
10、6的进展；如果步5是活动的，并且f=1，则发生由步5步9的进展。在某一时刻一般只允许选择一个序列。选择序列的结束称为合并，如图3-6c所示。如果步5是活动步，并且转换条件m=1，则发生由步5步12的进展；如果步8是活动步，并且n=1，则发生由步8步12的进展。（3）并行序列 并行序列的开始称为分支，如图3-7a所示，当转换条件的实现导致几个序列同时激活时，这些序列称为并行序列。当步4是活动步，并且转换条件a=1、3、7、9这三步同时变为活动步，同时步4变为不活动步。为了强调转换的同步实现，水平连线用双线表示。步3、7、9被同时激活后，每个序列中活动步的进展将是独立的。在表示同步的水平双线之上，
11、只允许有一个转换符号。a）并行序列开始 b）并行序列结束图3-7 并行序列并行序列的结束称为合并，如图3-7b所示，在表示同步的水平双线之下，只允许有一个转换符号。当直接连在双线上的所有前级步都处于活动状态，并且转换条件b=1时，才会发生步3、6、9到步10的进展，即步3、6、9同时变为不活动步，而步10变为活动步。并行序列表示系统的几个同时工作的独立部分的工作情况。（4）子步 如见图3-8所示，某一步可以包含一系列子步和转换，通常这些序列表示整个系统的一个完整的子功能。子步的使用使系统的设计者在总体设计时容易抓住系统的主要矛盾，用更加简洁的方式表示系统的整体功能和概貌，而不是一开始就陷入某些
12、细节之中。设计者可以从最简单的对整个系统的全面描述开始，然后画出更详细的功能表图，子步中还可以包含更详细的子步，这使设计方法的逻辑性很强，可以减少设计中的错误，缩短总体设计和查错所需要的时间。图3-8 子步4转换实现的基本规则（1）转换实现的条件 在功能表图中，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满足。如果转换的前级步或后续步不止一个，转换的实现称为同步实现，如图3-9所示。图3-9 转换的同步实现（2）转换实现应完成的操作 转换的实现应完成两个操作：1）使所有由有向连线与相应转换符号相连的后续步都变为
13、活动步；2）使所有由有向连线与相应转换符号相连的前级步都变为不活动步。5绘制功能表图应注意的问题1）两个步绝对不能直接相连，必须用一个转换将它们隔开。2）两个转换也不能直接相连，必须用一个步将它们隔开。3）功能表图中初始步是必不可少的，它一般对应于系统等待起动的初始状态，这一步可能没有什么动作执行，因此很容易遗漏这一步。如果没有该步，无法表示初始状态，系统也无法返回停止状态。4）只有当某一步所有的前级步都是活动步时，该步才有可能变成活动步。如果用无断电保持功能的编程元件代表各步，则PLC开始进入RUN方式时各步均处于“0”状态，因此必须要有初始化信号，将初始步预置为活动步，否则功能表图中永远不
14、会出现活动步，系统将无法工作。6绘制功能表图举例某组合机床液压滑台进给运动示意图如图3-3所示，其工作过程分成原位、快进、工进、快退四步，相应的转换条件为SB、SQ1、SQ2、SQ3。液压滑台系统各液压元件动作情况如表5-1所示。根据上述功能表图的绘制方法，液压滑台系统的功能表图如图3-10a所示。表3.1 液压元件动作表元件工步YV1YV2YV3原位快进工进快退图3-10 液压滑台系统的功能表图如果PLC已经确定，可直接用编程元件M0.0M0.3（S7-200系列）来代表这四步，设输入/输出设备与PLC的I/O点对应关系如表3.2所示，则可直接画出如图3-10b所示的功能表图接线图，图中SM
15、0.1为S7-200系列PLC的产生初始化脉冲的特殊辅助继电器。表3.2 输入/输出设备与PLC I/O对应关系PLC I/OI0.0I0.1I0.2I0.3Q0.0Q0.1Q0.2输入/输出设备SBSQ1SQ2SQ3YV1YV2YV3四、顺序控制设计法中梯形图的编程方式梯形图的编程方式是指根据功能表图设计出梯形图的方法。为了适应各厂家的PLC在编程元件、指令功能和表示方法上的差异，下面主要介绍使用通用指令的编程方式、以转换为中心的编程方式。为了便于分析，我们假设刚开始执行用户程序时，系统已处于初始步（用初始化脉冲SM0.1将初始步置位），代表其余各步的编程元件均为OFF，为转换的实现做好了准备。1使用通用指令的编程方式编程时用辅助继电器来代表步。某一步为活动步时，对应的辅助继电器为“1”状态，转换实现时，该转换的后续步变为活动步。由于转换条件大都是短信号，即它存在的时间比它激活的后续步为活动步的时间短，因此应使用有记忆（保持）功能的电路来控制代表步的辅助继电器。属于这类的电路有“起保停电路”和具有相同功能的使用S、R指令的电路。如图3-11a所示Mi-1、Mi和M
