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5 可编程控制器控制系统设计5.1 可编程控制器控制系统设计的内容和步骤学习PLC的最终目的是能将它应用到实际的工业控制系统中去，在掌握了PLC的基本结构、工作原理、指令系统与编程方法后，就可以分析、设计和构建一个PLC控制系统了。本章就PLC控制系统设计的基本原则、基本内容、步骤，控制系统的软硬件设计内容、方法，以及基本应用实例进行阐述，以便读者掌握。5.1.1 PLC控制系统设计的基本原则1) PLC控制系统的选择PLC是一种专用的工业控制计算机，相对于继电器而言价格较高。因此在应用PLC控制系统前，首先应考虑是否有必要使用PLC。如果被控系统简单，I/O点数较少，控制要求并不复杂，控制可靠性要求不是很高，就可以考虑采用传统的继电接触控制系统。如果被控制系统具有以下特点，则优先选用PLC控制系统。（1）系统的输入输出以开关量为主,开关量I/O点数较多；（2）控制系统使用环境条件较差，对控制系统可靠性要求高；（3）系统控制要求较复杂,用常规的继电接触控制难以实现；（4）系统工艺有可能改进或系统的控制要求有可能扩充。2）系统设计的原则设计PLC控制系统时应遵循以下几个基本原则：（1）应该最大限度地满足生产机械或生产流程对电气控制的要求；（2）保证控制系统的安全、可靠；（3）在满足控制要求的前提下，力求使系统简单、经济、操作和维护方便；（4）考虑生产发展和工艺的改进，在选择PLC容量时应留有一定的裕量。5.1.2 PLC控制系统设计的基本内容PLC控制系统是由PLC与用户输入、输出设备连接而成的。因此，PLC控制系统的基本内容包括如下几点：(1)选择用户输入设备(按钮、操作开关、限位开关和传感器等)、输出设备(继电器、接触器和信号灯等执行元件)以及由输出设备驱动的控制对象(电动机、电磁阀等)。这些设备属于一般的电气元件，其选择的方法在其他课程和有关书籍中已有介绍。(2)PLC的选择。PLC是PLC控制系统的核心部件，正确选择PLC，对于保证整个控制系统的技术经济性能指标起着重要作用。选择PLC，应包括机型的选择、容量的选择、IO点数(模块)的选择、电源模块以及特殊功能模块的选择等。(3)分配IO点，绘制电气连接接口图，考虑必要的安全保护措施。(4)设计控制程序。包括设计梯形图、语句表(即程序清单)或控制系统流程图。控制程序是控制整个系统工作的软件，是保证系统工作正常、安全可靠的关键。因此，控制系统的设计必须经过反复调试、修改，直到满足要求为止。(5)必要时还需设计控制台(柜)。(6)编制系统的技术文件，包括说明书、电气图及电气元件明细表等。传统的电气图，一般包括电气原理图、电气布置图及电气安装图。在PLC控制系统中，这一部分图可以统称为“硬件图”。它在传统电气图的基础上增加了PLC部分，因此，在电气原理图中应增加PLC的输入、输出电气连接图(即IO接口图)。此外，在PLC控制系统中，电气图还应包括程序图(梯形图)，可以称之为“软件图”。向用户提供“软件图”，可方便用户在生产发展或工艺改进时修改程序，并有利于用户在维修时分析和排除故障。5.1.3 PLC控制系统设计的基本步骤PLC控制系统设计的一般步骤如图5-1所示。1）深入了解控制对象及控制要求这一步是系统设计的基础。首先应详细了解被控对象的全部功能和它对控制系统的要求，例如机械的动作，机械、液压、气动、仪表、电气系统之间的关系，系统是否需要设置多种工作方式(如自动、半自动、手动等)，PLC与系统中其他智能装置之间的关系，是否需要通信联网功能，是否需要报警，电源停电及紧急情况的处理等等。在这一阶段，还要选择用户输入设备(按钮、操作开关、限位开关、传感器等)、输出设备(继电器、接触器、信号指示灯等执行元件)，以及由输出设备驱动的控制对象(电动机、电磁阀等)。此时，还应确定哪些信号需要输入给PLC，哪些负载由PLC驱动，并分类统计出各输入量和输出量的性质，是开关量还是模拟量，是直流量还是交流量，以及电压的大小等级，为PLC的选型和硬件配置提供依据。2）确定硬件配置，画出硬件接线图正确选择PLC对于保证整个控制系统的技术与经济性能指标起着重要的作用。选择PLC，包括机型的选择、容量的选择、I/O模块的选择、电源模块的选择等。根据被控对象对控制系统的要求，及PLC的输入量、输出量的类型和点数，确定出PLC的型号和硬件配置。对于整体式PLC，应确定基本单元和扩展单元的型号；对于模块式PLC，应确定框架(或基板)的型号，及所需模板的型号和数量。PLC硬件配置确定后，应对I/O点进行分配，确定外部输入输出元件与PLC的I/0点的连接关系，完成I/O点地址定义表。分配好与各输入量和输出量相对应的元件后，设计出PLC的外部接线图、其他部分的电路原理图、接线图和安装所需的图纸，以便进行硬件装配。图5-1 PLC控制系统设计步骤3）设计控制程序在硬件设计的基础上，通过控制程序的设计完成系统的各项控制功能。开关量控制程序一般用梯形图语言进行设计，对于较简单系统的控制程序，可以使用经验法设计直接设计出梯形图。对于比较复杂的系统，一般采用顺序控制设计法，根据系统的工艺流程图画出系统的顺序功能图，再设计PLC梯形图。4）程序调试控制程序是控制整个系统工作的软件，是保证系统工作正常、安全、可靠的关键。因此，控制系统的设计必须经过反复调试、修改，直到满足要求为止。程序的调试可以分为两步：(1)模拟调试用户程序一般先在实验室进行模拟调试，实际的输入信号可以用钮子开关和按钮等来模拟，各输出量的通断状态用PLC上有关的发光二极管来显示，一般不用接PLC实际的负载(如接触器、电磁阀等)。实际的反馈信号(如限位开关的接通等)可以根据流程图，在适当的时候用开关或按钮来模拟。有些厂家的编程软件提供模拟调试功能，可在PLC无外接输入信号和输出执行器件的情况下，通过强制点的接通或断开设置实现内部继电器（软元件）的强制执行接通或断开（模拟开关的通、断），或设置内部继电器（软元件）的接通或断开（模拟按钮的通、断）等；并通过输出LED的显示或软件对内部继电器的监控功能，实现对对内部继电器包括输出继电器的监控。如三菱电机的编程软件FXGP/WIN或欧姆龙的编程软件Cx-Programmer等。在调试时应充分考虑各种可能的情况。系统的各种不同的工作方式，有选择序列的流程图中的每一条支路，各种可能的进展路线，都应逐一检查，不能遗漏。发现问题后及时修改程序，直到在各种可能的情况下输入量与输出量之间的关系完全符合要求。如果程序中某些定时器或计数器的设定值过大，为了缩短调试时间，可以在调试时将它们减小，模拟调试结束后再写入它们的实际设定值。(2)现场调试现场调试要等到系统其他硬件安装和接线工作完成后才能进行。在设计和模拟调试程序的同时就可以设计、制作控制台或控制柜，PLC之外的其他硬件的安装、接线工作也可以同时进行，以缩短整个工程的周期。完成以上工作后，将PLC安装到控制现场，进行联机总调试，在调试过程中将暴露出系统中可能存在的传感器、执行器和硬接线等方面的问题，以及可编程序控制器的外部接线图和梯形图程序设计中的问题，应对出现的问题及时加以解决。5）编写技术文件系统交付使用后，应根据调试的最终结果整理出完整的技术文件，并提供给用户，以利于系统的维修和改进。技术文件主要包括：（1）可编程序控制器的外部接线图和其他电气图纸。（2）可编程序控制器的编程元件表，包括程序中使用的输入/输出继电器、辅助继电器、定时器、计数器、状态寄存器等的元件号、名称、功能，以及定时器、计数器的设定值等。（3）带注释的梯形图和必要的文字说明。（4）如果梯形图是用顺序控制法编写的，应提供顺序功能图或状态表。5.2 可编程控制器控制系统的硬件设计控制系统的硬件设计主要包括：PLC的选择；用户输入/输出设备的确定；控制系统的可靠性设计等。5.2.1 可编程控制器的选择随着PLC的推广普及，PLC产品的种类和数量越来越多，而且功能也日趋完善。不同厂家、不同系列、不同型号的PLC，其结构形式、性能、容量、指令系统、编程方式、价格等也各有不同，适用的场合也各有侧重。因此，合理选用PLC，对于提高PLC控制系统的技术经济指标有着重要意义。PLC的选择主要应从PLC的机型、容量、I/0模块、电源模块、特殊功能模块、通信联网能力等方面加以综合考虑。1） 机型的选择PLC机型选择的基本原则应是在功能满足要求的前提下，保证可靠、维护使用方便，力争具有最佳的性能价格比，具体选择时应主要考虑以下几方面。(1) 结构合理、机型统一PLC主要有整体式、模块式叠装式几种结构型式。整体式PLC的每一个I/O点的平均价格比模块式的便宜，且体积相对较小，因此在控制规模不大，工艺过程固定、环境条件较好的场合应优先考虑采用整体式PLC。但模块式PLC在功能扩展方面优于整体式。例如在I0点数量、I0点的比例、I0模块的种类等方面，模块式PLC的选择余地都比整体式PLC大；维修更换模块、判断故障方面较方便。因此一般用于控制功能较复杂的控制系统。在大量使用PLC的部门，应在满足控制要求的前提下尽量选择相同型号的PLC。这样可以简化配置，同时由于功能和使用方法的统一，便于功能的开发、技术力量的培训、备品备件的采购和备份、资源共享等，便于用上位计算机构成多级分布式控制系统或实现工厂自动化（FA）。（2）功能与任务相适应对于只有开关量控制的场合，当对控制速度要求不高时，可选用一般的低档小型机（如三菱FX系列、西门子S7-200系列、OMRON C系列CPM1A/2A），具有逻辑运算、定时、计数等基本功能，能满足相应控制要求。对于以开关量为主带有少量的模拟量控制的应用系统，如工业生产中经常遇到的温度、压力、流量、液位等，则应选用带有A/D、D/A转换的模拟量输入、输出模块选择运算功能较强的中小型PLC（如三菱A系列、西门子S7-300系列、OMRON CQM型）或能支持模拟量扩展单元的小型机，其指令系统中有数据传送、算术运算等指令。对于控制比较复杂、控制要求较高的大中型控制系统，例如要求实现闭环控制、PID调节、通信联网等功能时，可视控制规模及复杂程度，选用扫描速度快、控制功能强、联网通讯能力强的中高档PLC（如三菱Q系列、西门子S7-400系列、OMRON C200系列）。(3) 响应速度要求系统响应时间是指输入信号产生时刻与由此使输出信号状态发生变化时刻的时间间隔。它由输入滤波时间、输出滤波时间、扫描时间三部分组成。PLC厂家一般给出了输入电路和输出电路的迟延时间和PLC的扫描速度，并作为技术指标衡量机器性能，扫描速度一般在10ms/lkB左右。由于现代PLC有足够高的速度处理大量的I/O数据和解算梯形图逻辑，因此对于大多数的工业控制来说，不同档次PLC的响应速度一般都能满足其应用范围内的需要。如果设备的实时性要求高，或者某些功能或信号有特殊的速度要求时，则应考虑PLC的响应速度或响应时间，可选用扫描速度高的PLC，使用具有高速IO处理这一类功能指令，或选用具有快速响应模块如高速计数模块和中断响应处理功能的PLC等。(4) 其它特殊要求对可靠性要求极高的场合，应考虑是否采用冗余或热备系统。如果要将PLC纳入工厂自动控制网络，应选具有通信联网功能的PLC。一般中型以上的 PLC提供数个串行标准接口RS-232C或PLC间的通信模块或Ethernet通信模块，以便连接打印机或CRT等外设、上位计算机、其他PLC、Ethernet网络。是否在线编程，应根据被控设备工艺要求的不同来选择。对于产品定型的设备和工艺不常变动的设备，应选用离线编程的PLC；反之，可考虑选用在线编程的PLC。中、小型PLC多采用离线编程，大型PLC多采用在线编程。由于目前PLC的价格随功能的强弱有较大的差异，因此在选用时特别注意不要大材小用，以避免造成太多的硬件资源浪费。2) PLC容量的选择PLC的容量包括两个方面：一是I/O点数，二是用户存贮器容量。(1) I/O点数的选择首先根据被控对象的输入输出设备，对所需的输入输出点数进行统计，开关量输入点数与开关量输出点数之比一般可按3:2估算。在满足控制要求的前提下力争使用的I/0点最少，但必须留有一定的裕量。通常I/O点数是根据统计的点数数据，再加上10%15%的裕量来确定，以防系统方案的修改或功能的扩展。(2) 存储器容量的估算用户程序所需的存储容量大小不仅与PLC系统的与输入输出点数、运算处理量、程序结构、控制要求等因素有关，而且还与功能实现的方法、程序编写水平有关。为了设计时对程序容量有一定的估算，通常采用经验估算方法来估算，经验估算方法是根据每个功能器件类型和输入输出点数统计所需程序容量的。估算公式是：存储容量(字节)开关量I/O点数10模拟量I/O通道数100另外在存储容量选择的同时，注意对存储器的类型的选择。3）I/O模块的选择(1) 开关量输入模块开关量输入模块用来接收现场输入设备的开关信号(如按钮、行程开关、温控开关、液位开关等)，将信号转换为PLC内部的低电压信号，并实现PLC内、外信号的电气隔离。选择时主要应考虑以下几个方面：a) 输入信号的类型开关量输入模块有直流输入、交流输入和交流/直流输入三种类型。选择时主要根据现场输入信号和周围环境因素等。直流输入模块延迟时间较短，还可直接与接近开关、光电开关等电子输入设备连接；交流输入模块可靠性好，适合在有油雾、粉尘的恶劣环境下使用。b) 输入信号的工作电压开关量输入信号的工作电压常用的有：直流5V、12V、24V；交流110V、230V等。选择时主要根据现场输入设备与输入模块之间的距离来考虑。一般24V及以下属于低电平安全电压，用于传输距离较近场合或现场有防火、防爆等安全要求的场合，如12V输入模块最远不得超过10m。距离较远的应选用输入电压等级较高的模块。国内设备多为交流220V和380V工作电压，国外常用110V工作电压。用230V电压等级时，一般允许其工作电压在184276V之间。对于国内的电网来说，采用220V交流电的工作现场，信号采集方便，传输距离限制较小，它适用于一般环境下的机械设备所在的现场。c) 输入模块密度按输入点数来分，常用的有8点、16点、32点等。对于32点及以上的高密度输入模块，同时接通的点数一般不要超过输入点数的60%。d) 输入接线方式开关量输入模块主要有汇点式和分隔式两种接线方式。汇点式的开关量输入模块所有输入点共用一个公共端(COM)；而分隔式的开关量输入模块是将输入点分成若干组，每一组(几个输入点)有一个公共端，各组之间是分隔的。如果输入信号之间不需要分隔，一般选用汇点式的。（2） 开关量输出模块开关量输出模块是把中央处理器CPU处理过的内部数字量信号，转换成驱动外部输出设备、执行机构、显示灯等负载的开关信号，并实现PLC内外信号的电气隔离的模块。选择时主要应考虑以下几个方面：a) 输出方式及接线 输出方式 开关量输出模块有继电器输出、晶闸管输出和晶体管输出三种方式。继电器输出的价格便宜，可驱动交流或直流负载，而且适用的电压范围广、导通压降小，承受瞬时过电压和过电流的能力较强，但其属于有触点元件，动作速度较慢、寿命较短，只能适用于动作不频繁的交直流负载。当驱动感性负载时，触点动作频率不得超过1HZ。对于频繁通断、驱动电流不大、功率因数低的场合，应选用晶闸管或晶体管输出方式，它们属于无触点元件。但晶闸管输出只能用于交流负载，而晶体管输出只能用于直流负载。感性负载在断开瞬间会产生较高的反向电压，必须采取抑制措施。若是直流感性负载，要在负载两端并联二极管，如图5-2 (a)所示。并联的二极管可选1A的管子，其耐压值大于负载电源电压的510倍，接线时要注意二极管的极性。若是交流感性负载，在负载两端并接电容电阻抑制器来抵御反向电压，如图5-2 (b)所示，阻容吸收电路的电阻可选51120，功率在2W以上，电容可取0.10.47F，耐压应大于电源的峰值电压。图 5-2 感性输出负载的抗干扰措施 输出接线方式 开关量输出模块主要有分组式和分隔式两种接线方式。分组式输出是几个输出点为一组，一组有一公共端，各组之间是分隔的，可分别用于驱动不同电源的外部输出设备；分隔式输出是每一个输出点就有一公共端，各输出点之间相互隔离。选择时主要根据PLC输出设备的电源类型和电压等级的多少而定。一般整体式PLC既有分组式输出，也有分隔式输出。PLC的输出方式及连接示意图如图5-3所示。 驱动能力开关量输出模块的输出电流(驱动能力)必须大于负载的额定电流。用户应根据实际输出设备的电流大小来选择输出模块的输出电流。如果实际输出设备的电流较大，输出模块无法直接驱动，可增加中间放大环节。对于容性负载、电阻性负载在接通时有冲击电流，应留有足够的裕量。图 5-3 PLC的输出方式及连接示意在选用输出模块时，不但要看一个输出点的驱动能力，还要看整个输出模块的满负荷能力，即输出模块的各个输出通道同时接通点数的总电流不得超过模块规定的最大允许电流。一般同时接通点数不要超过同一COM端输出点数的60%。(3) 模拟量I/O模块及特殊功能模块除了开关量信号外，工业控制中经常涉及温度、压力、流量、液位、开度等连续的非电量，电压、电流、功率因素、有功或无功功率等电量等。PLC的模拟量I/O模块的主要功能是数据转换。模拟量输入(A/D)模块是将现场由传感器检测或变送器等产生的模拟量信号转换成PLC内部可接受的数字量；模拟量输出(D/A)模块是将PLC内部的数字量转换为模拟量信号输出变频器、阀门等装置。典型模拟量I/O模块的量程为-10V10V、010V、15V电压型及020mA、420mA电流型等，可根据实际需要选用，同时还应考虑其分辨率和转换精度等因素。目前，PLC制造厂家相继推出了一些具有特殊功能的IO模块，有的还推出了自带CPU的智能型I/O模块，如高速计数器、凸轮模拟器、位置控制模块、PID控制模块、通信模块等。设计者要结合工程实际，在选用外部控制设备的同时，合理选用合适的模块。(4) 电源模块及其他外设的选择a) 电源模块的选择电源模块选择仅对于模块式结构的PLC而言，对于整体式PLC不存在电源的选择。电源模块的选择主要考虑电源输出额定电流和电源输入电压。电源模块的输出额定电流必须大于CPU模块、I/O模块和其他特殊模块等消耗电流的总和，同时还应考虑今后I/O模块的扩展等因素；电源输入电压一般根据现场的实际需要而定。b) 编程器、编程软件的选择对于小型控制系统或缺乏计算机的场合，可选用编程器。随着科技进步及经济的发展，计算机已较好地普及，因此在选好机型后，用户或开发人员往往更多使用生产厂家提供的功能强大的PLC编程软件，不但可在个人计算机PC 或工业计算机IPC上完全实现编程器的所有功能，而且可以大大提高编程的效率和质量。如三菱电机的FXGP/WIN编程软件、西门子的STEP7-MicroWIN、欧姆龙的CX-Programmer编程软件等。c) 写入器的选择为了防止由于环境干扰或锂电池电压不足等原因破坏RAM中的用户程序，可选用EPROM写入器，通过它将用户程序固化在EPROM中。有些PLC或其编程器本身就具有EPROM写入的功能。5.2.2 减少I/O点数的措施在可编程控制系统的实际应用中，经常碰到输入或输出点数不够的问题，而PLC输入输出点数的多少是决定控制系统价格的一个重要因素，虽然可选定点数多的PLC或通过扩展单元来解决，但提高了成本，增大了投资。因此，有时在满足系统控制要求的前提下，需要合理地使用I/0点数，尽量减少所需的I/O点数。下面介绍PLC外部电路设计中，输入输出点简化的几种常用方法。1) 减少输入点数的措施(1)输入点的合并将具有相同功能的输入触点在PLC的外部串、并联后再接至PLC输入端，可有效减少PLC的输入点数。例如图5-4所示的异地控制电机的起动、停止。图(a)为电气控制电路。图(b)、图(c)为PLC控制的I/O接线图及梯形图。在用上位计算机对PLC进行监控时适合采用图(b)接法，这种接线的优点是对外部输入故障的判断比较容易和直观，但占用PLC输入点数多。因为停止按钮SB1、SB2、和热继电器触点FR，都具有使电动机停转的相同功能，起动按钮SB3、SB4具有相同的起动电动机功能，在无需准确判断外部输入故障的情况下，可按图(c)的简化方法接线，即将具有相同控制功能的操作开关串联或并联连接（注意：常开点并联，常闭点串联，如图(c)中的SB1、SB2和FR采用常闭点，则对应的梯形图中的X1改为常开点）。显然这种接线方式与图(b)的接线方式相比，不仅占用PLC输入点数少了三个，而且简化了梯形图。 (a) 电气控制电路(b) PLC控制的I/O接线图及梯形图1(c) PLC控制的I/O接线图及梯形图2图5-4 异地控制电机起动、停止(2) 单按钮起停控制通常一台设备的起动和停止控制需由两只按钮分别完成，当一台PLC控制多个这种具有起停操作的设备时，将占用许多输入点，如某污水处理控制中的多台泵的起停控制。一般整体式PLC的I/O点是按3:2的比例配置的，由于大量被控设备是输入信号多，输出信号少，有时在设计一个不太复杂的控制电路时，也会面临输入点不足的问题，因此用单按钮起动停止控制可有效地节约常规起停控制所需的一半输入点数。如图5-5所示的梯形图是只用一个按钮通过X0输入来控制输出Y0的通断的例子。图中，当Y0断开时，按下按钮(X0按通)，M0产生脉宽为一个扫描周期的窄脉冲，使Y0得电并自锁；再按一下按钮，M0再产生脉宽为一个扫描周期的窄脉冲，由于此时Y0已得电，所以M1也得电，其常闭触点使Y0断开。即按一下按钮，X0接通一下，Y0得电；再按一下按钮，X0又接通下，Y0失电。改变了传统继电器控制中要用两个按钮(起动按钮和停止按钮)的作法，从而减少了PLC的输入点数。利用该梯形图可以实现单按钮起动停止控制功能，从而满足相应的功能需要，并节省一个输入点，当然实现此功能的方法及相应的梯形图较多，感兴趣的读者可查找有关资料。a) 梯形图 b) 时序图图5=5 单按钮起保停控制(3) 分组输入许多设备有自动控制和手动控制两种工作方式，但系统只选择其中一种工作方式运行，自动程序和手动程序不可能同时执行。因此，可将系统输入信号按其对应的工作方式分组，自动和手动两种工作方式分别使用的输入信号可以分成两组输入，并增加一个自动/手动指令信号作自动程序和手动程序间的切换，如图5-6所示。系统有“自动”和“手动”两种工作方式，其中S1、S2为手动工作方式用到的输入信号，S3、S4为自动工作方式用到的输入信号。用“工作方式”选择开关SA来切换“自动”和“手动”信号的输入电路，并通过X0让PLC识别是“自动”，还是“手动”，从而执行自动程序或手动程序。图中串入的二极管是为了防止出现寄生回路，避免错误输入信号而设置的。例如当SA扳到“自动”位置，若S3闭合，S4断开，虽然S1、S2闭合，但应该是X1有输入，而X2无输入，但如果无二极管隔离，则电流从X2流出，经S2S1S3COM形成寄生回路，从而使得X2错误地接通。图5-6 分组输入(4) 矩阵输入如图5-7所示为33矩阵输入电路，用PLC的三个输出点Y0、Y1、Y2和三个输入点X0、X1、X2来实现9个开关量输入设备的输入。图中输出Y0、Y1、Y2的公共端COM与输入继电器的公共端COM连在一起。当Y0、Y1、Y2轮流导通，则输入端X0、X1、X2也轮流得到不同的三组输入设备的状态，即Y0接通时读入Q1、Q2、Q3的通断状态，Y1接通时读CQ4、Q5、Q6的通断状态，Y2接通时读入Q7、Q8、Q9的通断状态。图5-7 矩阵输入当YO接通时，如果Q1闭合，则电流从X0端流出，经过VD1Q1Y0端，再经过Y0的触点，从输出公共端COM流出，最后流回输入COM端，从而使输入继电器X0接通。在梯形图程序中应该用Y0常开触点和X0常开触点的串联，来表示Q1提供的输入信号。图中的二极管也是起切断寄生回路的作用。采用矩阵输入方法除了要按图5.2.6的硬件连接外，还必须编写对应的PLC程序。由于矩阵输入的信号是分时被读入PLC，所以读入的输入信号为一系列断续的脉冲信号，在使用时应注意这个问题。另外，应保证输入信号的宽度要大于Y0、Y1、Y2轮流导通一遍的时间，否则可能会丢失输入信号。2) 减少输出点数的措施（1）负载并联系统中有些负载的通断状态是完全相同的，当两个或两个以上的通断状态完全相同负载可并联后共用PLC的一个输出点来驱动。注意：负载并联的条件是负载电压必须一致，且并联负载的负荷不得超过PLC输出点的驱动能力。(2) 利用接触器辅助触点PLC驱动大功率负载时，往往要通过接触器、继电器进行电压或功率的转换。一般接触器除完成主控功能外，还提供了多对辅助触点。在PLC外部电路设计中，可充分利用接触器的辅助触点进行电气联锁或控制指示灯等，使PLC的一个输出点可同时控制两个或多个有不同要求的负载，这样可少用PLC输出点。(3) 用数字显示器代替指示灯如果系统的工作状态指示灯或工步比较多，可以用数字显示代替指示灯，可节省PLC输出点数。如图5-8所示，16步程序需要16点输出驱动指示灯，如果使用BCD码的数字显示，只需8点输出驱动2个带译码驱动的数字显示器即可。2个数字显示器可显示0099，即100个状态。因此工步或状态指示灯愈多，用数字显示器的优越性就越大。图 5-8 指示灯及数字显示器驱动的比较(4) 输出设备多用化有些系统可能有多种故障显示和报警，只要条件允许，可将部分或全部显示或报警电路并联连接，用一个或少用几个输出继电器驱动。例如在PLC系统中容易实现用一个输出点控制指示灯的常亮和闪烁，这样一个指示灯就可指示两种状态；或者用一盏灯的闪烁表示所有的报警状态，而用不同的输入反映不同的报警原因。这也可少占用PLC输出点数。简化PLC输入输出点的方法是多样的，使用者应从实际出发选用或设计切实有效的方案。5.3 可编程控制器控制系统的软件设计可编程控制器的软件可分为系统软件和应用软件两大类，可编程控制器控制系统的软件设计仅涉及应用软件设计，不涉及PLC系统软件。PLC的程序设计是指用户编写程序的设计过程。首先结合被控对象工艺过程的控制要求和现场信号，再对照PLC的软继电器编号，画出梯形图，然后用编程语言进行编程。由于可编程控制器的控制功能是以程序的形式体现，所以程序设计是一个重要的环节。一般应用程序设计可分为经验设计法、逻辑设计法、移植设计法、顺序功能图(SFC)设计法等。在工程中，对PLC应用程序的设计方法的使用，因各个设计人员技术水平和喜好有较大差异。本节主要介绍采用顺序功能图设计法进行程序设计。5.3.1 经验设计法经验设计法也叫试凑法，经验设计方法需要设计者熟练掌握一些常见的典型电路，在此基础上再根据被控对象对控制的要求，将实际控制问题分解成典型控制电路，不断地修改和完善梯形图，只到满足要求为止。经验设计法对于一些比较简单的或与某些典型程序相类似的控制系统的设计是比较奏效的，可收到很好的效果。但由于该方法主要是依靠设计人员的经验进行设计，没有普遍的规律可以遵循，设计所用的时间，设计的质量与编程者的经验有较大关系，故对设计人员的要求较高，最好要有一定的实践经验，对工业控制系统和工业上常用的各种典型节比较熟悉。对于较复杂的系统，经验设计法一般设计周期长，不易掌握，系统交付使用后维护困难，一般要采用其它方法如顺序功能图设计法等实现。下面以送料小车的自动控制为例介绍经验设计法。1)控制要求 如图5-9所示，送料小车在限位开关X4处装料，10s后装料结束开始右行，碰到限位开关X3后停车卸料，15s后左行，碰到X4后又停车装料，这样循环往复工作，直到按下停止按钮X2。按钮XO和X1分别用来起动小车右行和左行。2)程序设计思路以常见的电动机正反转控制梯形图的基础上，设计出的小车控制梯形图如图5-9所示。为使小车自动停止，将X3和X4的常闭触点分别与Y0和Y1的线圈串联。为使小车自动起动，将控制装料延时定时器T0和卸料延时定时器T1的常开触点，分别与手动起动右行和左行的X0、X1的常开触点并联，并用两个限位开关对应的X4和X3的常开触点分别接通与装料、卸料执行机构和相应的定时器。3)梯形图分析设小车在起动时是空车，按下左行起动按钮X1，Y1得电小车开始左行，碰到左限位开关，X4的常闭触点断开，Y1失电小车停止左行。同时X4的常开触点接通，使Y2和T0线圈得电，开始装料及延时。10s后T0的常开触点闭合，使Y0线圈得电,小车右行。小车离开左限位开关后，X4变为“0”状态，Y2和T0的线圈失电，停止装料，T0复位。对右行和卸料过程的分析与上面的基本相同。如果小车正在运行过程中按停止按钮X2，小车将停止运行，系统停止工作。图5=9 送料小车运行示意及自动控制梯形图5.3.2 逻辑设计法逻辑设计法是以数字电路中的组合逻辑电路或时序逻辑电路的思想来设计PLC程序。PLC的最基本的功能是逻辑运算，早期PLC的应用主要是利用该功能替代继电器控制系统。用“1”和“0”两种状态取值代替传统的继电器及交流接触器等电器元件触点的“吸合”、“断开”或线圈“得电”、“断电”状态，运用逻辑代数设计PLC应用程序是完全可行的。表5-1 逻辑函数及运算关系和梯形图及指令语句的对应关系最基本的逻辑关系运算是“与”“或”“非” 三种，分别对应PLC程序中节点的串联、并联和反状态，并可在此基础上构建更复杂的“与非”、“或与”“与或”等逻辑运算关系。逻辑函数及运算关系和梯形图及指令语句的对应关系见表5-1。5.3.3 移植设计法移植设计法又称为“翻译法”。主要用于采用PLC改造继电接触控制系统或在熟悉继电接触控制系统的前提下设计PLC应用程序等场合。由于继电器电路图与梯形图有很多相似之处，因此可将前者经过适当的“翻译”设计出具有相同功能的PLC梯形图程序。图5-10 是三相异步电动机正反转控制的主电路和控制电路原理图。现用该法实现PLC控制。图5-10 三相异步电动机正反转控制的主电路和控制电路原理图在图5-11中，用两个起保停电路分别来控制电动机的正转和反转。按下正转起动按钮 SB2，X0变为ON，其常开触点接通，Y0的线圈“得电”并自保持，使KM1线圈通电，电动机开始正转。按下停止按钮SB1，X2变为ON，其常闭触点断开，使Y0线圈“失电”，电动机停止运行。图5-11 PLC外部接线及电机正反转控制梯形图在梯形图中，将Y0和Y1的常闭触点分别串联在对方的线圈回路中，可以保证它们不能同时为ON，即KM1和KM2的线圈不会同时通电，实现与继电接触电路中“电气互锁”相似的效果。此外在梯形图中还设置了按钮“联锁”，即将反转起动按钮Xl的常闭触点与控制正转的Y0线圈串联，将正转起动按钮X0的常闭触点与控制反转的Y1线圈串联。这样既方便了操作又保证Y0和Y1不会同时接通。应注意的是：虽然在梯形图中已经有了软继电器的互锁触点，但在外部硬件输出电路中还必须使用KM1、KM2的常闭触点进行互锁，以避免主电路短路造成FU熔断。由于PLC的循环扫描周期计其中的输出处理时间远小于外部硬件接触器触点的动作时间，例如虽然Y0迅速断开时，而KM1的触点尚未断开或断开时电弧的存在，在没有外部硬件互锁的情况下，KM2的触点可能已接通，从而引起主电路短路。因此必须采用软硬件双重互锁，同时也避免了因接触器KM1和KM2的主触点熔焊引起电动机主电路短路。5.3.4 顺序控制设计法1)概述在工业控制领域，顺序控制（步进控制）系统应用很广。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，使生产过程中各个执行机构自动而有序地进行工作。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。这种设计方法亦称步进控制设计法，同时作为一种先进的设计方法，易被初学者接受，对于有经验的工程师，也会提高设计效率，方便程序的调试、修改和阅读。采用顺序控制设计法进行程序设计的基本步骤及内容包括划分“步”、确定转换条件、绘制顺序功能图、编写梯形图程序四个部分。2）顺序功能图的绘制使用顺序控制设计法时首先要根据系统的工艺过程，画出顺序功能图。1993年IEC正式颁布了可编程控制器的国际标准IEC 11313（以后改称IEC 611313），规范了可编程控制器的编程语言及其基本元素，我国于1995年11月发布实施。其中顺序功能图(Sequential Function ChartSFC)被确定为可编程序控制器位居首位的编程语言。顺序功能图又叫做状态转移图或功能表图，它是描述控制系统的控制过程、功能和特性的一种图形，也是设计可编程序控制器的顺序控制程序的有力工具。顺序功能图并不涉及所描述的控制功能的具体技术，它是一种通用的技术语言，可以供进一步设计和不同专业的人员之间进行技术交流之用。某些厂家的可编程序控制器允许直接用顺序功能图语言编写用户程序，但是需要高级图形编程器的支持。对于中小型可编程序控制器，一般是将顺序功能图作为一种设计工具，先根据系统对控制的要求，用手工画出顺序功能图，然后根据顺序功能图画出梯形图，将梯形图写入PLC，或者将梯形图转换成指令表后，再写入可编程序控制器。（1）基本组成顺序功能图主要由步、有向连线、转换、转换条件和动作(或命令)等要素组成。a) 步与动作用顺序控制设计法设计PLC程序时，应根据系统输出状态的变化，将系统的工作过程划分成若干个状态不变的阶段，这些阶段称为“步”，可以用编程元件(如辅助继电器M或状态继电器S)来代表各步。如图5-12所示，送料小车开始停在左侧限位开关X2处，按下起动按钮X0，Y2变为ON，打开储料斗的闸门，开始装料，同时用定时器T0定时，定时时间到后关闭储料斗的闸门，Y0变为ON，开始右行，碰到限位开关X1后Y3为ON，开始停车卸料，同时用定时器T1定时，定时时间到后Y1变为ON，开始左行，碰到限位开关X2后返回初始状态，停止运行。根据Y0Y3的ON/OFF状态的变化，显然一个工作周期可以分为装料、右行、卸料和左行4步，另外还应设置等待起动的初始步，分别用M0M4来代表这5步。(b)图为该系统的顺序功能图。步在顺序功能图中用矩形框表示，方框中可以用数字表示该步的编号，一般用代表该步的编程元件的元件号作为步的编号，如M0等，这样在根据顺序功能图设计梯形图时较为方便。图5-12 顺序功能图的表示当系统正工作于某一步时，该步处于活动状态，称为“活动步”。步处于活动状态时，相应的动作被执行；处于不活动状态时，相应的非保持型动作被停止执行。控制过程刚开始阶段的活动步与系统初始状态相对应，称为“初始步”，一般是系统等待起动命令的相对静止的状态。在顺序功能图中初始步用双线框表示，每个顺序功能图中至少应有一个初始步。所谓“动作”是指某步活动时，PLC向被控系统发出的命令，或被控系统应执行的动作。动作用矩形框中的文字或符号表示，该矩形框应与相应步的矩形框相连接。如果某一步有几个动作，可以用图5-13中的两种画法来表示，但是并不隐含这些动作之间的任何顺序。当步处于活动状态时，相应的动作被执行。但是应注意表明动作是保持型还是非保持型的。保持型的动作是指该步活动时执行该动作，该步变为不活动后继续执行该动作。非保持型动作是指该步活动时执行该动作，该步变为不活动后停止执行该动作。一般保持型的动作在顺序功能图中应该用文字或指令助记符标注，而非保持型动作不要标注。图5-13 多个动作的表示b)有向连线、转换和转换条件如图5-12中，步与步之间用有向连线连接，并且用转换将步分隔开。步的活动状态进展是按有向连线规定的路线进行。有向连线上无箭头标注时，其进展方向是从上到下、从左到右。如果不是上述方向，应在有向连线上用箭头注明方向。步的活动状态进展是由转换来完成的。转换是用与有向连线垂直的短划线来表示，步与步之间不允许直接相连，必须有转换隔开，而转换与转换之间也同样不能直接相连，必须用步隔开。转换条件是与转换相关的逻辑命题。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划线旁边。使用得最多的转换条件表示方法是布尔代数表达式，用与或非表达式表示转换条件，例如表示X1和M2的常开触点组成的并联后再与YO的常闭触点串联来表示这个转换条件。（2）基本规则步与步之间实现转换应同时具备两个条件：a) 前级步必须是活动步。b) 对应的转换条件成立。当同时具备上述两个条件时，才能实现步的转换。如图5-12中M2步为活动步的情况下若转换条件X1成立，则转换实现，即M3步变为活动步，而M2步变为不活动步。如果转换的前级步或后续步不止一个，则同步实现转换。（3）基本结构顺序功能图的基本结构可分为如图5-14所示的单序列、选择序列和并行序列三种形式。有时为了增强描述问题的层次性，图中的某一步可包括若干子步和转换。（a）单序列 (b) 选择序列 (c) 并行序列图5-14 顺序功能图的基本结构a）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见图5-14(a)。b) 选择序列 选择序列的开始称为分支见图5-14(b)，转换符号只能标在水平连线之下。如果步07是活动步，并且转换条件h=l，则发生由步07步08的转换；如果步07是活动步，并且k=1，则发生由步07步10的转换。选择序列的结束称为合并，几个选择序列合并到一个公共序列时，用和需要重新组合的序列相同数量的转换符号和水平连线来表示，转换符号只允许标在水平连线之上。如步09是活动步，并且转换条件j=1，则发生由步09步12的转换。如果步11是活动步，并且m=1，则发生由步11步12的转换。c) 并行序列图5-15 某液压滑台的工步划分并行序列用来表示系统的几个同时工作的独立部分的工作情况。并行序列的开始亦称为分支，结束亦称为合并见图5-14 (c)，当转换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15是活动步，并且转换条件p=l时，步16和步18同变为活动步，同时步15变为非活动步。步16和步18被同时激活后，每个序列中活动步的进展是独立的。为了强调转换的同步实现，水平连线用双线表示。在水平双线之上或之下，只允许有一个转换符号。当直接连在双线上的所有前级步（如步17、19）都处于活动状态，且转换条件s=1时，才会发生步17、19到步20的转换，即步17、19同时变为非活动步，步20变为活动步。(4)绘制功能图举例某组合机床液压滑台进给运动示意图如图5-15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，快进由Y0输出驱动电磁阀YV1执行,工进由分别Y0和Y2输出驱动YV1、YV3执行，快退由Y1输出驱动YV2执行。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5-16 a）所示。如果PLC已经确定为FX系列，可用编程元件M0M3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5-2所示，则可直接画出如图5-16 b）所示的功能表图接线图，图中M8002为FX系列PLC的产生初始化脉冲的特殊辅助继电器。表5-2 PLC输入/输出设备与I/O点对应关系3）顺序控制设计法中梯形图的编程方法根据控制系统的顺序功能图设计梯形图的方法，称为顺序控制梯形图的编程方法。下面介绍使用起保停电路的编程方法、以转换为中心的编程方法、使用STL指令的编程方法。为便于分析，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M8002将初始步置位)，代表其余各步的编程元件均为OFF，为转换的实现做好准备。(1) 使用起保停电路的编程方法根据顺序功能图设计梯形图时，可用辅助继电器M来代表各步。某一步为活动步时，对应的M为ON，某一转换实现时，该转换的后续步变为活动步，前级步变为非活动步。很多转换条件都是短信号，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(或称保持)功能的电路来控制代表步的辅助继电器。常用的有起保停电路和置位、复位指令组成的电路。图5-16 液压滑台系统的功能表图起保停电路仅仅使用与触点和线圈有关的通用逻辑指令，各种型号PLC都有这一类指令，故这是一种通用的编程方式，适用于各种型号的PLC。图5-17 使用起保停控制步如图5-17所示，采用了起动、保持、停止电路进行顺序控制梯形图编程。图中M1、M2和M3是顺序功能图中顺序相连的3步，M2转变为活动步的前提条件是它的前级步M1为活动步且转换条件X1=1。所以在梯形图中，应将M1和X1对应的常开触点串联，作为控制M2的起动电路。当M2和X2均为ON时，步M3变为活动步，这时步M2应变为不活动步，因此可以将M3=1作为使M2变为OFF的条件，即将后续步M3的常闭触点与M2的线圈串联，作为控制M2的停止电路。用M2的常开触点与M1和X1的串联电路并联，作为控制M2的保持电路。图5-18是某小车运动的示意图、顺序功能图和用起动、保持和停止电路设计的梯形图。设小车在初始位置时停在右边，限位开关X2为ON。按下起动按钮X3后，小车向左运动，碰到限位开关X1时，变为右行；返回限位开关X2处变为左行，碰到限位开关X0时，变为右行，返回起始位置X2后停止运动。一个工作周期可以分为一个初始步和4个运动步，分别用M0M4来代表这5步。起动按钮X3、限位开关X0X2的常开触点是各步之间的转换条件。该系统的顺序功能图为图5-18(b)。图5-18 小车运动控制事例图根据上述的编程方法和顺序功能图，易画出图5-18 (c)的梯形图。图(c)中步M1的前级步为M0，该步前面的转换条件为X3，所以M1的起动电路由M0和X3的常开触点串联而成，起动电路还并联了M1的自保持触点。步M1的后续步是M2，所以应将M2的常闭触点与M