电气控制与PLC：第4章 数字量控制系统梯形图程序设计方法

1、第 4 章 数字量控制系统梯形图程序设计方法8/11/202214.1 梯形图的经验设计法开关量控制系统（例如继电器控制系统）又称为数字量控制系统。可以用设计继电器电路图的方法来设计比较简单的数字量控制系统的梯形图，即在一些典型电路的基础上，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。有时需要多次反复地调试和修改梯形图，增加一些中间编程元件和触点，最后才能得到一个较为满意的结果。这种方法没有普遍的规律可循，具有很大的试探性和随意性，最后的结果不是唯一的，设计所用的时间、设计的质量与设计者的经验有很大的关系，所以称为经验设计法，可以用于比较简单的梯形图设计。8/11/20222主电

2、路继电器控制电路起保停电路和置位复位电路4.1 梯形图的经验设计法梯形图中的基本电路KML1L3L2FU1KMQSSB2FU2KMM3FRFRSB18/11/20223PLC外部接线图时序图4.1 梯形图的经验设计法梯形图中的基本电路起保停电路和置位复位电路8/11/202244.1 梯形图的经验设计法梯形图中的基本电路置位复位电路I0.0Q0.0I0.1Q0.0SR 起保停电路与置位复位电路是后面要重点介绍的顺序控制设计法的基本电路 在实际电路中，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。I0.0I0.1Q0.0Q0.0起保停电路起保停电路和置位复位电路8/11/20225继电器

3、控制电路主电路4.1 梯形图的经验设计法梯形图中的基本电路三相异步电动机的正反转控制电路8/11/20226硬件互锁4.1 梯形图的经验设计法梯形图中的基本电路PLC外部接线图功能名触点(物理)I/O接口正转按钮SB2I0.0反转按钮SB3I0.1停止按钮SB1I0.2热继电器FRI0.2正转线圈KM1Q0.0反转线圈KM2Q0.1三相异步电动机的正反转控制电路8/11/20227软件互锁4.1 梯形图的经验设计法梯形图中的基本电路按钮互锁梯形图三相异步电动机的正反转控制电路8/11/202284.1 梯形图的经验设计法梯形图中的基本电路三相异步电动机的正反转控制电路如果没有硬件互锁，从正转切

4、到反转，由于切换过程中电感的延时作用，可能会出现原来接通的接触器的主触点还未断弧，另一个接触器的主触点已经合上的现象，从而造成甲流电流瞬间短路的故障。此外 ，如果没有硬件互锁，且因为主电路电流过大或接触器质量不好，某一接触器的主触点被断电时产生的电弧熔焊而被粘结，其线圈断电后主触点仍然是接通的，这时如果另一个接触器的线圈通电，也会造成三相电源短路故障。8/11/20229按下右行起动按钮或左行起动按钮后，要求小车在两个限位开关之间不停地循环往返，按下停止按钮后，电动机断电，小车停止运行。可在三相异步电动机正反转控制的基础上设计。主电路相同。4.1 梯形图的经验设计法举例小车自动往返控制程序的设

5、计KM2Q0.1KM1Q0.0I0.3 SQ1I0.4 SQ28/11/2022104.1 梯形图的经验设计法举例I0.0I0.1I0.4I0.2Q0.0I0.3I0.1I0.0I0.3I0.2Q0.1Q0.0Q0.1Q0.0I0.4Q0.1PLC的外部接线图小车自动往返的梯形图KM2Q0.1KM1Q0.0I0.3 SQ1I0.4 SQ2小车自动往返控制程序的设计8/11/202211I0.0I0.1I0.4I0.2Q0.0I0.3I0.1I0.0I0.3I0.2Q0.1Q0.0Q0.1Q0.0I0.4Q0.1此梯形图存在的问题:在两端点处不能可靠停车4.1 梯形图的经验设计法举例小车自动往返

6、控制程序的设计8/11/202212PLC的外部接线同上。小车开始时停在左边，左限位开关的常开触点闭合。要求按下列顺序控制小车：(1)按下右行起动按钮，小车开始右行。(2)走到右限位开关处，小车停止运行，延时8s后开始左行。(3)回到左限位开关处，小车停止运动。4.1 梯形图的经验设计法举例较复杂的小车自动运行控制程序的设计8/11/2022134.1 梯形图的经验设计法举例KM2Q0.1KM1Q0.0I0.3 SQ1I0.4 SQ2I0.0I0.1I0.4I0.2Q0.0I0.3I0.1I0.0I0.3I0.2Q0.1Q0.0Q0.1Q0.0M2.0Q0.1I0.4DB1TONTimeIN

7、QPT ETT#8SM2.0此图与控制要求不相符?较复杂的小车自动运行控制程序的设计8/11/202214I0.0I0.1I0.4I0.2Q0.0I0.3I0.1I0.0I0.3I0.2Q0.1Q0.0Q0.1Q0.0M2.0Q0.1I0.4DB1TONTimeIN QPT ETT#8SM2.04.1 梯形图的经验设计法举例KM2Q0.1KM1Q0.0I0.3 SQ1I0.4 SQ2较复杂的小车自动运行控制程序的设计8/11/2022154.1 梯形图的经验设计法总结1、确定PLC的输入/和输出信号2、画PLC的外部接线图 启动/停止一般使用常开按钮 互锁使用常闭开关3、梯形图4、注意互锁环节

8、功能名触点(物理)I/O接口正转按钮SB2I0.0反转按钮SB3I0.1停止按钮SB1I0.2热继电器FRI0.2正转线圈KM1Q0.0反转线圈KM2Q0.18/11/2022164.2 顺序控制设计法与顺序功能图所谓顺序控制，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地进行操作。顺序功能图(Sequential Function Chart，SFC)是描述控制系统的控制过程、功能和特点的一种图形，也是设计PLC的顺序控制程序的有力工具。顺序功能图是IEC 61131-3居首位的编程语言，有的PLC为用户提供了顺序功能

9、图语言，例如S7-300/400的S7 Graph语言，在编程软件中生成顺序功能图后便完成了编程工作。S7-1200 PLC没有配备顺序功能图语言，但可以用SFC来描述系统的功能，根据它来设计梯形图程序。8/11/2022174.2 顺序控制设计法与顺序功能图顺序功能图四要素(1)步用矩形框表示各步，框内是步的编号(2)有向连线连接步与步，箭头的方向表示步的转换方向 (3)转换与转换条件标注在步与步之间的短横线旁(4)动作各步需要完成的动作8/11/202218小车刚开始停在最左边，限位开关I0.2为1状态。按下起动按钮，Q0.0变为1状态，小车右行。碰到右限位开关I0.1时，Q0.0变为0状

10、态，Q0.1变为1状态，小车改为左行。返回起始位置时，Q0.1变为0状态，小车停止运行，同时Q0.2变为1状态，使制动电磁铁线圈通电，接通延时定时器开始工作。定时时间到，制动电磁阀线圈断电，系统返回初始状态。4.2 顺序控制设计法与顺序功能图顺序功能图四要素8/11/2022194.2 顺序控制设计法与顺序功能图顺序功能图四要素8/11/2022204.2 顺序控制设计法与顺序功能图顺序功能图四要素8/11/202221顺序控制设计法将系统的一个工作周期划分为若干个顺序相连的阶段（步，Step）。用编程元件(例如位存储器M)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

11、的ON/OFF状态不变，但是相邻两步输出量的状态是不同的。步的这种划分使代表各步的编程元件的状态与各输出量的状态之间有着简单的逻辑关系。步4.2 顺序控制设计法与顺序功能图顺序功能图四要素8/11/202222步系统的初始状态相对应的步称之为初始步。初始状态一般是系统等待起动的相对静止的状态。每个顺序功能图都必须有一个初始步。顺序功能图中初始步用双线方框表示。控制系统当前处在某一阶段时，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，其状态元件的值为1（ON）。处于不活动状态，则停止执行。4.2 顺序控制设计法与顺序功能图顺序功能图四要素8/11/202223有向连线

12、在SFC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，这种进展按有向连线规定的路线和方向进行。在画SFC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。步的活动状态习惯的进展是从上到下或从左到右，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，则应在有向连线上用箭头注明进展方向。4.2 顺序控制设计法与顺序功能图顺序功能图四要素8/11/202224转换与转换条件转换用有向连线上和有向连线相垂直的短划线表示，将相邻两步分隔开。使当前步进到下一个步的信号，称为转换条件。可以是输入信号，按钮信号；也可是PLC内部信号，如时间继电器的信

13、号，计数器的信号等。转换条件可以是多个信号的与、或、非的组合，也可以是信号的上升沿或下降沿，分别用和表示。转换条件直接标示在表示转换的短线旁边，较多使用布尔代数表达式。4.2 顺序控制设计法与顺序功能图顺序功能图四要素8/11/202225每一步可以完成不同的动作。动作分为存储型和非存储型：如Q0.0，Q0.1，Q0.2均为非存储型，在对应的步为活动步时为1，为不活动步时为0。步与它的非存储性动作的波形相同。动作4.2 顺序控制设计法与顺序功能图顺序功能图四要素8/11/2022264.2 顺序控制设计法与顺序功能图SFC的基本结构单序列三种基本结构：单序列，选择序列，并行序列单序列结构的功能

14、表图没有分支，每个步后只有一个步，步与步之间只有一个转换条件。不是指一个信号，它可能是多个信号的与、或等逻辑关系的组合！8/11/2022274.2 顺序控制设计法与顺序功能图SFC的基本结构选择序列与并行序列共同点：都有分支和合并不同点：选择序列中各选择分支不能同时执行。若已选择了转向某一分支，则不允许另外几个分支的首步成为活动步。所以各分支之间要互锁。并行序列中各分支的首步同时被激活变成活动步。用双线来表示其分支的开始和合并，以示区别。转换条件放在双线之上(之下)。8/11/2022284.2 顺序控制设计法与顺序功能图SFC转换实现的基本规则转换实现的条件(1) 该转换所有的前级步都是活

15、动步；(2) 相应的转换条件得到满足。转换实现应完成的操作(1) 使该转换所有的后续步都变为活动步；(2) 使该转换所有的前级步都变为不活动步。8/11/202229绘制顺序功能图的注意事项(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) 初始步对应于系统等待起动的初始状态，初始步必不可少。(4) 步和有向连线一般应组成闭环。完成一次工艺过程的全部操作之后，在单周期工作方式下，应从最后一步返回初始步，系统停留在初始状态；在连续循环工作方式下，应从最后一步返回下一工作周期开始运行的第一步。4.2 顺序控制设计法与顺序功能图S

16、FC转换实现的基本规则8/11/2022304.2 顺序控制设计法与顺序功能图SFC转换实现的基本规则顺序控制设计法的本质经验设计法 顺序控制设计法顺序控制设计法用输入量I控制代表各步的编程元件M，再用它们控制输出Q。步是根据Q的状态划分的，M与Q之间有很简单的“或”关系，输出电路的设计很简单。任何复杂系统的控制电路，设计方法是通用的。所以顺序控制设计法相比经验设计法，具有简单、规范、通用的特点。8/11/202231(1) 分析控制要求，将控制过程分成若干个工作步，明确每个工作步的功能，弄清步的转换是单向进行还是多向进行，确定步的转换条件(可能是多个信号的“与”、“或”等逻辑组合)。可画一个

17、工作流程图，对理顺整个控制过程的进程以及分析各步的相互联系有很大作用。(2) 为每个步设定控制位。控制位最好使用位存储器M的若干连续位。若用定时器/计数器的输出作为转换条件，则应为定时器/计数器指定输出位。(3) 确定所需输入和输出点，作出I/O分配。(4) 在前两步的基础上，画出顺序功能图。(5) 根据功能图画梯形图。(可以采用起保停或置位复位电路)(6) 添加某些特殊要求的程序。4.3 基于顺序功能图的梯形图设计基本步骤8/11/202232包括初始化电路、转换电路和输出电路。初始化电路：在OB1中仅在首次扫描循环时为1状态的M1.0将初始步对应的编程元件M4.0置1，其余各步的编程元件置

18、0，为转换的实现做好准备。可采用如下两种方式。如果MB4没有设置保持功能，起动时被自动清零，则可以删除MOVE指令或RESET_BF指令。4.3 基于顺序功能图的梯形图设计将顺序功能图转换为梯形图8/11/2022334.3 基于顺序功能图的梯形图设计将顺序功能图转换为梯形图转换电路：转换条件满足后可以实现转换，即所有的后续步都变为活动步，所有的前级步都变为不活动步。梯形图与转换实现的基本规则之间有严格的对应关系。转换电路实现：置位复位指令，起保停电路输出电路：用代表步的存储器位的常开触点或它们的并联电路来驱动输出位线圈。8/11/202234置位和复位指令起保停电路Ci：各步的转换条件（I区

19、的外部输入信号、PLC内部定时器/计数器输出等）转换电路输出电路4.3 基于顺序功能图的梯形图设计将顺序功能图转换为梯形图8/11/2022354.3 基于顺序功能图的梯形图设计将顺序功能图转换为梯形图并行序列转换举例8/11/202236转换电路4.3 基于顺序功能图的梯形图设计将顺序功能图转换为梯形图选择与并行序列转换举例8/11/202237转换电路4.3 基于顺序功能图的梯形图设计将顺序功能图转换为梯形图选择与并行序列转换举例8/11/202238输出电路4.3 基于顺序功能图的梯形图设计将顺序功能图转换为梯形图选择与并行序列转换举例8/11/2022394.3 基于顺序功能图的梯形图

20、设计应用举例小车运行控制系统转换电路输出电路顺序功能图8/11/2022401) I0.0 启动，快速移动2) I0.1 触发后，进入工速3) I0.2 触发后，退回起点 4) I0.3 触发后，停止I0.3I0.1I0.24.3 基于顺序功能图的梯形图设计应用举例组合机床动力头控制系统8/11/202241转换电路输出电路采用置位复位电路4.3 基于顺序功能图的梯形图设计应用举例组合机床动力头控制系统初始化电路8/11/202242转换电路输出电路采用起保停电路4.3 基于顺序功能图的梯形图设计应用举例组合机床动力头控制系统8/11/202243工作流程图4.3 基于顺序功能图的梯形图设计应

21、用举例电液动力头控制系统8/11/202244(1) 系统启动后，两个动力头便同时开始按流程图中的工作步顺序运行。从它们都退回原位开始延时10s后，又同时开始进入下一个循环的运行。(2) 若断开控制开关，各动力头必须将当前的运行过程结束(即退回原位)后才能自动停止运行。(3) 各动力头的运动状态取决于电磁阀线圈的通、断电，对应关系如表所示。“+”表示该电磁阀的线圈通电，“-”表示不通电。 1号动力头2号动力头4.3 基于顺序功能图的梯形图设计应用举例电液动力头控制系统工作要求8/11/202245I/O分配表4.3 基于顺序功能图的梯形图设计应用举例电液动力头控制系统8/11/202246顺序

22、功能图 M2.0M2.1M2.2M2.3M2.4M2.5Q0.2、Q0.3Q0.1、Q0.2Q0.2、Q0.3、Q0.4Q0.1、Q0.3M3.1M3.2M3.3M3.4Q0.5、Q0.6Q0.5、Q0.7Q0.6、Q0.7M1.0I1.0I0.0I0.3I0.2I0.1I0.4I0.6I0.5延时10S，定时器输出位M4.0 快进快退快进工进工进工进快退原位等待原位等待4.3 基于顺序功能图的梯形图设计应用举例电液动力头控制系统8/11/202247转换电路初始化1号动力头4.3 基于顺序功能图的梯形图设计应用举例电液动力头控制系统8/11/202248转换电路-续2号动力头并行分支合并两个

23、动力头都在原位等待步转换条件满足，即定时10s到达4.3 基于顺序功能图的梯形图设计应用举例电液动力头控制系统8/11/202249输出电路(1号动力头)输出电路(2号动力头)4.3 基于顺序功能图的梯形图设计应用举例电液动力头控制系统8/11/2022504.3 基于顺序功能图的梯形图设计应用举例专用钻床控制系统8/11/2022514.3 基于顺序功能图的梯形图设计应用举例专用钻床控制系统钻头上限位起动夹紧已夹紧钻大孔钻小孔大孔钻完大钻头上升上限位等待钻小孔小孔钻完小钻头上升上限位等待大小钻头都在等待计数未到旋转计数已到松开转换电路转换电路-续18/11/2022524.3 基于顺序功能图

24、的梯形图设计应用举例专用钻床控制系统旋转旋转到位松开松开到位钻大孔钻小孔回初始步转换电路-续2输出电路8/11/202253某包装机，当光电开关I0.0检测到空包装箱放在指定位置时，按下启动按钮I0.1，包装机按下面的动作顺序开始运行：（1）料斗Q0.0打开，物料落进包装箱。当箱中物料达到规定重量时，重量检测开关I0.2动作，使料斗关闭，并启动封箱机Q0.1对包装箱进行5s的封箱处理。封箱机用单线圈的电磁阀控制。（2）当搬走处理好的包装箱，再搬上一个空箱时（均为人工搬），又重复上述过程。（3）当成品包装箱满50个时，包装机自动停止运行。按上述要求，提出所需的控制电器元件，选择PLC机型，做I/

25、O分配，画出顺序功能图、PLC外部的接线图和控制电路的主电路图，设计一个满足要求的梯形图程序。4.3 基于顺序功能图的梯形图设计应用举例包装机控制系统8/11/202254工作过程分析:光电开关I0.0检测到空包装箱重量检测开关I0.2，物料达到规定重量 停止运行按下启动按钮I0.1料斗关闭启动封箱机Q0.1启动定时器1延时5S停止封箱机加法计数值+1记满50等待启动料斗Q0.0打开重复,下一个周期未记满50 4.3 基于顺序功能图的梯形图设计应用举例包装机控制系统8/11/2022552) 系统设计分析 按照控制要求，输入点有3个，即光电检测开关、启动按钮、重量检测开关。输出点共2个，即料斗

26、和封箱机。 I/O分配表 输入输出光电检测开关I0.0料斗Q0.0启动按钮I0.1封箱机Q0.1重量检测开关I0.24.3 基于顺序功能图的梯形图设计应用举例包装机控制系统8/11/202256M2.0M1.0光电开关（I0.0）初始位置M2.1等待启动M2.2料斗打开M2.3料斗关闭启动封箱开始定时M2.4（定时M3.0）停止封箱记数+1Q0.0Q0.1 、启动5S定时加法计数器+1启动按钮（I0.1）重量开关（I0.2）记数未满50，计数M3.1 0顺序功能图4.3 基于顺序功能图的梯形图设计应用举例包装机控制系统8/11/2022574.3 基于顺序功能图的梯形图设计应用举例液体混合自动

27、控制系统控制装置示意图 按下启动按钮，X1打开，液体A流入容器。当液面上升到I时，传感器I输出信号，关闭X1阀门，阀门X2打开，液体B流入容器。液面继续上升到H时，传感器H发出信号，关闭X2阀门，同时启动电动机M，开始搅拌。搅拌均匀后(设6s)，停止搅动，打开放液阀X3，开始放出混合液体。当液面下降到L时，L从接通变为断开。经过3s后，混合液放完，将X3关闭，开始下一周期。在工作过程中，若按下停止按钮，则在完成当前混合操作处理后，才停止操作(停在初始状态)。 8/11/202258题意要求：按下停止按钮，并不立即停止程序，而需等待所有流程走完。编程思路：停止按钮只影响X1的打开。H:按下启动按

28、钮延时6S L:延时3S工作过程分析:X1打开I:X1关闭X2打开X2关闭M启动启动定时器1M停止X3打开启动定时器2开始定时X3关闭，开始下一个周期4.3 基于顺序功能图的梯形图设计应用举例液体混合自动控制系统8/11/202259I/O分配表 输入输出启动按钮I0.0电磁阀X1Q0.0停止按钮I0.1电磁阀X2Q0.1H传感器I0.2电磁阀X3Q0.2I传感器I0.3电动机MQ0.5L传感器I0.44.3 基于顺序功能图的梯形图设计应用举例液体混合自动控制系统外部连接图 I0.0I0.1I0.3I0.2I0.41M2LQ0.0Q0.1Q0.2Q0.51L启动停止HILDC24VAC220VMDC24VX1X2X38/11/202260顺序功能图4.3 基于顺序功能图的梯形图设计应用举例液体混合自动控制系统M2.0M1.0I0.0I0.1M2.1I（I0.3）M2.2M2.3H（I0.2）M2.4定时到（M3.0）L（I0.4）Q0.0 X1开Q0.1 X2开Q0.5 ，启动 6S定时Q0.2 X3开M2.5定时到（M3.1）启动3S定时 8/11/2022614.3 基于顺序功能图的梯形图设计应用举例交通灯信号控制系统信号灯受到起动开关控制，当起动开关接通时信号灯系统开始工作，先南北红灯