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1、第五章 梯形图程序设计方法由于PLC所有控制功能都是以程序的形式来实现的，因此程序设计对PLC的应用是很重要的。PLC的应用主要包括开关量控制和模拟量控制2类。本章仅介绍开关量控制程序的设计方法。 不同类型的控制问题所采用的设计方法不尽相同，主要的梯形图程序设计方法有： (1)逻辑设计法：对控制任务进行逻辑分析和综合，将控制电路中元器件的通断状态看作以触点通断状态为逻辑变量的逻辑函数，并进行化简，利用PLC的逻辑指令即可得到控制程序的设计方法。这种方法主要用于组合逻辑问题的程序设计。 (2)时序图设计法：当PLC各输出信号按照固定的时间间隔发生先后变化时，可以根据输出信号的时间先后关系来设计程
2、序的一种方法。 (3)经验设计法：要求设计者透彻理解PLC各种指令的功能，凭着对各种典型控制环节和基本单元电路的设计经验，选择各种指令并进行修改和完善相应程序的方法。 (4)顺序控制设计法：当控制要求满足一定的先后顺序时，可以将系统的l个工作周期划分为若干个顺序相连的步，每个步对应一种操作状态，并分析清楚相邻步的转换条件，进而绘制功能图，再按一定的规则转化为梯形图程序的设计方法。这种方法主要用于解决顺序控制问题，包括单一顺序、选择顺序和并发顺序控制问题。 (5)继电器控制电路图转换设计法：在继电器控制电路图的基础上，经过选择相应指令和合理转换后，就能设计出符合要求的控制程序的方法。 在介绍以上
3、程序设计方法的基础上，还将以实例来介绍具有多种工作方式的系统的控制程序设计思路。5.1 逻辑设计法 当控制对象是开关量且按照它们之间的逻辑关系来实现控制时，可用逻辑设计法来设计控制程序。逻辑设计法就是根据输入量、输出量及其他变量之间的逻辑关系来设计程序的一种方法。下面以1个简单的控制为例介绍这种编程方法。 例1 某系统中有4台通风机，设计1个监视系统，监视通风机的运转。要求如下：4台通风机中有3台及以上开机时，绿灯常亮；只有2台开机时，绿灯以5Hz的频率闪烁；只有1台开机时，红灯以5Hz的频率闪烁；4台全部停机时，红灯常亮。 由控制要求可知，这4台通风机的起/停控制是独立的，现在要求把每台通风
4、机的运行状态输入到PLC，根据运行状态之间的逻辑关系，再由PLC给出几种不同运行状态的显示信号。设4台通风机的运行状态 (PLC输出的驱动信号)分别用A、B、C、D来表示 (1表示运行，0表示停机)，红灯控制信号为L1，绿灯控制信号为L2 (1为常亮，0为灭，闪烁时要求输出脉冲信号)。由于各种运行情况所对应的显示状态是惟一的，故可将几种运行情况分开进行程序设计，然后汇总在一起。1、红灯常亮程序设计 4台通风机全部停机时，红灯常亮，所以逻辑关系为Ll=，设计的梯形图如图5-1所示。图5-1 红灯常亮的梯形图2、绿灯常亮程序设计 绿灯常亮的条件是：3台通风机都在运行 (4个元素取3个的组合，即C=
5、4，共有4种情况)和4台通风机都在运行共5种情况。其状态见表5-1。表5-1 绿灯这和通风机工作状态ABCDL20111110111110111110111111 逻辑关系为L2 =BCD +AC D+ ABD+ABC+ABCD图5-2 绿灯常亮的梯形图对该逻辑函数进行化简，得到逻辑关系开为L2=AB（C+D）+CD（A+B）则对应的梯形图如图5-2所示。 3、红灯闪烁程序设计 任意1台通风机运行时红灯亮，其状态见表5-2。表5-2红灯常亮和通风机工作状态ABCDL100011001010100110001其逻辑关系为L1 = D +C+ B+A=（C+D ）+（B+ A） 再考虑到红灯闪烁要
6、求，还需要串联P_0.2s的常开触点 (0.2s时钟，即频率为5Hz的脉冲)，设计的梯形图如图5-3所示。图5-3 红灯闪烁的梯形图4、绿灯闪烁程序设计 2台通风机运行时绿灯亮 (4个元素取2个的组合，C=6，共有6种情况)，其状态见表5-3 。 其逻辑关系为L2 = CD +B D+ BC +AD+A C+AB =(B+A)(D+C)+CD+AB表5-3 绿灯闪烁和通风机工作状态ABCDL100111010110110110011101011100再根据绿灯闪烁要求，还需要串联P_0.2s的常开触点，设计的梯形图如图5-4所示。 5、选择PLC机型和进行IO点分配 4台通风机的起/停控制信号
7、输入需要占用8个输入点，输出控制需要占用4个输出点。如果使用过载保护，并把4台通风机的故障信号输入到PLC，还需占用4个输入点，红、绿灯显示控制需要占用2个输出点。这样，至少需要12点输人和6点输出，所以选择IO为20点的PLC就可以，在这里我们选择实验室的CP1HXA40DRA机型。控制系统的I/O分配情况见表5-4。其中，SA1-SA4为4台通风机的起动按钮，SB1-SB4为4台通风机的停机按钮，FR1-FR4为4台通风机的过载保护信号 (正常时为常闭信号，有故障发生时为常开信号)；A、B、C、D为4台通风机的输出控制信号，Ll为红灯控制信号，L2为绿灯控制信号。图5-4 绿灯闪烁的梯形图
8、表5-4通风机工作状态显示系统I/O分配表输 入输 出符 号地 址符 号地 址SA10.00A100.00SA20.01B100.01SA30.02C100.02SA40.03D100.03SB10.04L1100.04SB20.05L2100.05SB30.06SB40.07FR10.08FR20.09FR30.10FR40.11由于红灯常亮和红灯闪烁是独立控制的，所以把图5-1和图5-3的程序叠加，采用并联输出方式就能满足控制要求，同时也避免双线圈输出问题。同理，把图5-2和图5-4的程序叠加，采用并联输出方式就能实现绿灯常亮和绿灯闪烁的控制功能。图5-5所示为通风机运行状态显示的梯形图程
9、序。图5-5 通风机运行状态显示的梯形图程序5.2时序图设计法 当控制对象是开关量且按照固定顺序进行控制的系统，可用时序图设计法来设计程序。下面通过1个例子来介绍这种设计方法。 例2 1个十字路口交通灯的控制装置，其控制要求是: (1)南北方向：绿灯亮20s，黄灯闪烁5s，红灯先亮10s再闪烁5s，然后循环；闪烁频率为1Hz。 (2)东西方向：红灯先亮20s再闪烁5s，绿灯亮10s，黄灯闪烁5s，然后循环；闪烁频率为1Hz。 (3)系统启/停控制：用1个切换开关完成。当系统启动后按照上述要求循环工作；当系统停止后，全部灯都熄灭。 下面介绍时序图编程的思路： 1、分析PLC的I/O信号 同一方向
10、的3个色灯可以并联控制，故2个方向共需6个输出控制点；启/停切换开关信号要输入PLC，需要占用一个输入点。2、画出时序图 为了弄清各灯亮、灭的时间关系，根据控制要求，画出各方向3色灯的工作时序图，如图5-6所示。图5-6 交通灯工作时序图 3、确定时间段 由图5-6可以看出，l个工作循环可分为4个时间区段，这4个时间区段的分界点分别用t0、t1、t2、t3、t4来表示。4、使用定时器 用4个定时器来控制4个时间区段，(见表5-5)，再利用各定时器之间的时序关系去控制3色灯。5、PLC造型与I/O分配 根据控制系统只需要1点输入、6点输出的要求，可以选用CP1HXA40DRA机型；其I/O分配情
11、况见表5-6.6、设计程序 由图5-6可见，南北绿灯的亮，灭状态正好与t0的状态相反；南北黄灯的闪烁条件是t0为ON而t1为OFF；南北红灯亮，灭条件是t1为ON而t2为OFF时亮，t2为ON而t3为OFF时闪烁。闪烁用P_1s来实现。东西红灯在t0为OFF时亮，在t0为ON而t1为OFF时闪烁；东西绿灯在t1为ON而t2为OFF时亮；东西黄灯在t2为ON而t3为OFF时闪烁。当定时器t3定时到时，应该便所有定时器均复位，然后开始下一次循环的定时。根据时序图设计交通灯控制梯形图如图5-7所示。表5-5 各定时器在1个循环中的功能明细表分界点定时器t0t1t2t3t4T0（定时20s）开始定时。
12、南北绿灯、东西红灯开始亮。定时到输出ON。南北绿灯灭；南北黄灯和东西红灯均闪烁。ONON开始下一个循环的定时。T1（定时25s）开始定时继续定时定时到输出ON。南北黄灯和东西红灯均灭；东西绿灯、南北红灯均亮。ON开始下一个循环的定时。T2（定时35s）开始定时继续定时继续定时定时到输出ON。东西绿灯灭；东西黄灯、南北红灯闪烁。 开始下一个循环的定时。T3（定时40s）开始定时继续定时继续定时继续定时定时到输出ON。东西黄灯、南北红灯灭；南北绿灯、东西红灯亮。表5-6 交通灯控制系统的I/O分配表输 入输 出控制开关南北绿灯南北黄灯南北红灯东西绿灯东西黄灯东西红灯0.00100.00100.01
13、100.02100.03100.04100.05图5-7 交通灯控制梯形图7、存在的问题与思考 本控制系统没有考虑时间的显示问题，如果要求用LED显示时间，则需使用晶体管输出模块。另外，考虑黄灯、红灯的闪烁问题，现在1个循环要求以1Hz闪烁5s，循环周期为40s，即5次闪烁/40s，按运行l0h/d计就要闪烁4500次，65天就达到继电器的寿命30万次。所以，应该改用晶闸管输出模块，并尽可能地降低闪烁频率。 下面将时序图设计法步骤归纳如下： 1)分析控制要求，确定I/O信号，合理选择PLC机型。 2)明确各输人和输出信号之间的时序关系，画出工作时序图。 3)将时序图划分为若干时间段，并确定时间
14、段的时间长短。找出时间段间的分界点，确定分界点处各输出信号状态的转换关系和转换条件。 4)确定所需定时器的个数，分配编号，确定定时器的设定值。确定各定时器的功能明细。 5)进行I/O分配。 6)根据定时器的明细表、时序图和I/O分配，设计出梯形图程序。5.3 经验设计法经验设计法就是根据继电器控制电路的设计经验，正确选用PLC的的相应指令而设计应用程序的一种方法。例如，我们要设计电动机的起/停控制，根据继电器控制电路设计相应的梯形图程序如图5-8所示。其中，SB1为起动按钮，SB2为停机按钮，KM为电动机驱动接触器。图5-8电动机起，停控制的电路图及梯形图 下面再通过1个例子来介绍经验设计法的步骤。 例3 某电动运输小车供8个加工点使用 (类似于电梯控制)
