第6章-数字量控制系统梯形图程序设计方法

1、PLC是专为工业控制而开发的装置，其主要使用者是工厂广大电气技术人员，为了适应他们的传统习惯和掌握能力，通常PLC不采用微机的编程语言，而常常采用面向控制过程、面向问题的“自然语言”编程。国际电工委员会（IEC）1994年5月公布的IEC1131-3（可编程控制器语言标准）详细地说明了句法、语义和下述5种编程语言：顺序功能图（sequential function chart）、梯形图（Ladder diagram）、功能块图（Function black diagram）、指令表（Instruction list）、结构文本（structured text）。梯形图和功能块图为图形语言，指令

2、表和结构文本为文字语言，顺序功能图是一种结构块控制流程图。梯形图是使用得最多的图形编程语言，被称为PLC的第一编程语言。梯形图与电器控制系统的电路图很相似，具有直观易懂的优点，很容易被工厂电气人员掌握，特别适用于开关量逻辑控制。梯形图常被称为电路或程序，梯形图的设计称为编程。要想编好梯形图程序，必须理解梯形图的基本概念和编程规则。1梯形图的基本概念（1）软继电器PLC梯形图中的某些编程元件沿用了继电器这一名称，如输入继电器、输出继电器、内部辅助继电器等，但是它们不是真实的物理继电器，而是一些存储单元（软继电器），每一软继电器与PLC存储器中映像寄存器的一个存储单元相对应。该存储单元如果为“1”

3、状态，则表示梯形图中对应软继电器的线圈“通电”，其常开触点接通，常闭触点断开，称这种状态是该软继电器的“1”或“ON”状态。如果该存储单元为“0”状态，对应软继电器的线圈和触点的状态与上述的相反，称该软继电器为“0”或“OFF”状态。使用中也常将这些“软继电器”称为编程元件。(2)能流当触点接通时，有一个假想的“概念电流”或“能流”(Power Flow)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。能流只能从左向右流动。利用能流这一概念，可以帮助我们更好地理解和分析梯形图。6.1 梯形图的基本概念和编程规则(3)母线梯形图两侧的垂直公共线称为母线(Bus bar)，。在分析

4、梯形图的逻辑关系时，为了借用继电器电路图的分析方法，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)梯形图的逻辑运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，称为梯形图的逻辑运算。梯形图中逻辑运算是按从左至右、从上到下的顺序进行的。运算的结果，马上可以被后面的逻辑运算所利用。逻辑运算是根据输入映像寄存器中的值，而不是根据运算瞬时外部输入触点的状态来进行的。2、梯形图的编程规则尽管梯形图与继电器电路图在结构形式、元件符号及逻辑控制功能等方面相类似，但它们又有许多不同之处，梯形图具有自己

5、的编程规则。1）每一逻辑行总是起于左母线，然后是触点的连接，最后终止于线圈或右母线（右母线可以不画出）。注意：左母线与线圈之间一定要有触点，而线圈与右母线之间则不能有任何触点。2）梯形图中的触点可以任意串联或并联，但继电器线圈只能并联而不能串联。3）触点的使用次数不受限制。4）一般情况下，在梯形图中同一线圈只能出现一次。如果在程序中，同一线圈使用了两次或多次，称为“双线圈输出”。对于“双线圈输出”，有些PLC将其视为语法错误，绝对不允许；有些PLC则将前面的输出视为无效，只有最后一次输出有效；而有些PLC，在含有跳转指令或步进指令的梯形图中允许双线圈输出。5）对于不可编程梯形图必须难过等效变换

6、，变成可编程梯形图，例如图5-1所示。6）有几个串联电路相并联时，应将串联触点多的回路放在上方。在有几个并联电路相串联时，应将并联触点多的回路放在左方。这样所编制的程序简洁明了，语句较少。6.2 PLC程序的经验设计法1、PLC程序的经验设计法在PLC发展的初期，沿用了设计继电器电路图的方法来设计梯形图程序，即在已有的一些典型梯形图的基础上，根据被控对象对控制的要求，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，不断地增加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以遵循，设计所用的时间、设计的质量与编程者的经验有很大的关系，所以有人把这种设计方法

7、称为经验设计法。它可以用于逻辑关系较简单的梯形图程序设计。用经验设计法设计PLC程序时大致可以按下面几步来进行：分析控制要求、选择控制原则；设计主令元件和检测元件，确定输入输出设备；设计执行元件的控制程序；检查修改和完善程序。用经验设计法设计的梯形图是按设计者的经验和习惯的思路进行设计。因此，即使是设计者的同行，要分析这种程序也非常困难，更不用说维修人员了，这给PLC系统的维护和改进带来许多困难。2、经验设计法的特点经验设计法对于一些比较简单程序设计是比较奏效的，可以收到快速、简单的效果。但是，由于这种方法主要是依靠设计人员的经验进行设计，所以对设计人员的要求也就比较高，特别是要求设计者有一定

8、的实践经验，对工业控制系统和工业上常用的各种典型环节比较熟悉。经验设计法没有规律可遵循，具有很大的试探性和随意性，往往需经多次反复修改和完善才能符合设计要求，所以设计的结果往往不很规范，因人而异。经验设计法一般适合于设计一些简单的梯形图程序或复杂系统的某一局部程序（如手动程序等）。如果用来设计复杂系统梯形图，存在以下问题：1)考虑不周、设计麻烦、设计周期长用经验设计法设计复杂系统的梯形图程序时，要用大量的中间元件来完成记忆、联锁、互锁等功能，由于需要考虑的因素很多，它们往往又交织在一起，分析起来非常困难，并且很容易遗漏一些问题。修改某一局部程序时，很可能会对系统其它部分程序产生意想不到的影响，

9、往往花了很长时间，还得不到一个满意的结果。2)梯形图的可读性差、系统维护困难由于经验设计法没有规律可遵循，具有很大的试探性和随意性，导致梯形图的可读性差、系统维护困难。6.3 PLC程序的继电器电路转换法 6.3.1 设计方法和步骤梯形图与继电器电路图极为相似，如果用PLC改造继电器控制系统，根据继电器电路图设计梯形图是一条捷径。这是因为原有的继电器控制系统经过长期的使用和考验，已经被证明能完成系统要求的控制功能，而继电器电路图又与梯形图有很多相似之处，因此可以将继电器电路图“翻译”成梯形图，即用PLC的外部硬件接线图和梯形图软件来实现继电器系统的功能。这种设计方法一般不需要改动控制面板，保持

10、了系统原有的外部特性，操作人员不用改变长期养成的操作习惯。在分析PLC控制系统的功能时，可以将它想象成一个继电器控制系统中的控制箱，其外部接线图描述了这个控制箱的外部接线，梯形图是这个控制箱的内部“线路图”，梯形图中的输入位(I)和输出位(Q)是这个控制箱与外部世界联系的“输入、输出继电器”，这样就可以用分析继电器电路图的方法来分析PLC控制系统。在分析时可以将梯形图中输入位的触点想象成对应的外部输入器件的触点，将输出位的线圈想象成对应的外部负载的线圈。外部负载的线圈除了受梯形图的控制外，还可能受外部触点的控制。 继电器电路图中的交流接触器和电磁阀等执行机构如果用PLC的输出位来控制，它们的线

11、圈接在PLC的输出端。按钮、控制开关、限位开关、光电开关等用来给PLC提供控制命令和反馈信号，它们的触点接在PLC的输入端。继电器电路图中的中间继电器和时间继电器的功能用PLC内部的存储器位(M)和定时器(T)来完成，它们与PLC的输入位、输出位无关。1设计方法和步骤继电器电路图转换为功能相同的PLC的外部接线图和梯形图的步骤如下: 1)了解和熟悉被控设备的工艺过程和机械的动作情况。2)确定PLC的输入信号和输出负载，画出PLC外部接线图。 3)确定与继电器电路图的中间继电器、时间继电器对应的梯形图中的存储器位和定时器的地址。4)根据上述对应关系,在继电器电路图的基础上改画出梯形图。 2继电器

12、电路转换法的应用图6-3所示为继电接触式控制线路，图6-4所示为主电路，可实现电机单向点动、自锁混合控制。用PLC进行改造，实现相同的功能。（1）控制逻辑分析按下按钮SB3（见图6-5），交流接触器KM线圈有电、常开触点闭合，三相交流电动机运转；松开按钮SB3，交流接触器KM线圈没电、常开触点断开，三相交流电动机停止。按下按钮SB2，中间继电器KA线圈有电、常开触点闭合并保持自锁，KM线圈保持有电；松开按钮SB2，由于KA自锁，常开触点一直闭合，KM线圈保持有电不变，电动机一直保持运转。按下按钮SB1，KM线圈没电、常开触点断开，三相交流电动机停止。（4）确定中间继电器、时间继电器的替代者继电

13、器电路图的中间继电器KA用PLC中的存储器位M0.0来代替。（5）梯形图将继电器电路图“翻译”成梯形图（见图6-7）。6.3.2 设计注意事项 根据继电器电路图设计PLC外部接线图和梯形图时应注 意以下问题：（1）设计PLC外部接线图应注意的问题 正确确定PLC的输入信号和输出负载。输入触点类型的选择。硬件互锁电路(2)梯形图结构的选择 (3)应考虑PLC的工作特点 继电器电路可以并行工作，而PLC的CPU是串行工作，即CPU同时只能处理1条指令，而且PLC在处理指令时有先后次序。(4)时间继电器瞬动触点的处理 (5)尽量减少PLC的输入信号和输出信号 (6)梯形图的优化设计( 7)外部负载的

14、额定电压 PLC的继电器输出模块和双向晶闸管输出模块只能驱动额定电压AC220V的负载，如原有的交流接触器线圈电压为380V，应将线圈换成220V的，或设置外部中间继电器。 6.4 PLC程序的顺序控制设计法与顺序功能图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，这种系统叫做顺序控制系统，也称为步进控制系统。顺序控制设计法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

15、编程元件，开发了专门供编制顺序控制程序用的顺序功能图，使这种先进的设计方法成为当前PLC程序设计的主要方法。6.4.1顺序控制设计法的设计步骤 顺控设计法的设计步骤分为步的划分、转换条件的确定、顺序功能图的绘制、梯形图的编制4步。具体就是用转换条件控制代表各步的编程元件（位存储器M），让它们的状态按一定的顺序变化，然后用代表各步编程元件（位存储器M）去控制PLC的输出位。 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

16、的与、或、非逻辑组合。3、顺序功能图的绘制根据以上分析和被控对象工作内容、步骤、顺序和控制要求画出顺序功能图。绘制顺序功能图是顺序控制设计法中最为关键的一步。顺序功能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。顺序功能图不涉及所描述控制功能的具体技术，是一种通用的技术语言，可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顺序功能图，各国家也都制定了国家标准。我国1986年颁布了顺序功能图国家标准（GB6988.6-86）。 4、梯形图的编制根据顺序功能图，按某种编程方式写出梯形图程序。如果PLC支持顺序功能图语言，则可直接使用该顺序功能图

17、作为最终程序。4、绘制顺序功能图应注意的问题 两个步绝对不能直接相连，必须用一个转换将它们隔开。两个转换也不能直接相连，必须用一个步将它们隔开。顺序功能图中初始步是必不可少的。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。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，否则顺序功能图中永远不会出现活动步，系统将无法工作。 6.5 顺序控制梯形图的编程方法 梯形图的编程方法是指根据顺序功能图设计出梯形图的方法， 主要有使用起保停电路的编程方式、以转换为中心的编程方式、使用SCR指令的编程方法。设计起保停电路的关键是找出它的起动条件和停

18、止条件。根据转换实现的基本规则，找出各步的起动条件和停止条件，利用上述的编程方法和顺序功能图，很容易画出梯形图。以初始步M0.0为例，由顺序功能图可知，M0.3是它的前级步，T38的常开触点接通是二者之间的转换条件，所以应将M0.3和T38的常开触点串联，作为M0.0的起动电路。PLC初始运行时应将M0.0置为ON，否则系统无法工作，故将仅在第一个扫描周期接通的SM0.1的常开触点与上述串联电路并联，起动电路还并联了M0.0的自保持触点。后续步只有步M0.1一个，M0.1为ON时M0.0的线圈“断电”，初始步变为不活动步。所以步M0.0启动条件的电路为M0.3和T38的常开触点串联后与SM0.

19、1并联，步M0.0停止条件的电路是M0.1的常闭触点，保持电路是M0.0本身的常开触点。某一输出Q如果在几步中都为ON，应将代表这几步的存储器位M的常开触点并联后，来驱动该输出位的线圈。综上，单序列的编程方法就是把每一步存储器位M的线圈用起保停电路加以驱动，最后用M的常开触点去控制输出位即可。（2）选择序列的合并的编程方法在图6-18中，步M0.2之前有一个选择序列的合并，当步M0.1为活动步(M0.1为ON)，并且转换条件I0.1满足，或者步M0.0为活动步，并且转换条件10.2满足，步M0.2都应变为活动步，即控制代表该步的存储器位M0.2的起保停电路的起动条件应为M0.1.I0.1+M0

20、.0.I0.2，对应的起动电路由两条并联支路组成。 一般来说，对于选择序列的合并，如果某一步之前有N个转换，即有N条分支进入该步，则控制代表该步的存储器位的起保停电路的起动电路由N条支路并联而成，各支路由某一前级步对应的存储器位的常开触点与相应转换条件对应的触点或电路串联而成。3并行序列的编程方法（1）并行序列的分支的编程方法图6-18中的步M0.2之后有一个并行序列的分支，当步M0.2是活动步并且转换条件I0.3满足时，步M0.3和M0.5应同时变为活动步，这是用M0.2和I0.3的常开触点组成的串联电路分别作为M0.3和M0.5的起动电路来实现的；与此同时，步M0.2应变为不活动步。步M0

21、.3和M0.5是同时变为活动步的，只需将M0.3或M0.5的常闭触点与M0.2的线圈串联就行了。（2）并行序列的合并的编程方法步M0.0之前有一个并行序列的合并，该转换实现的条件是所有的前级步(即步M0.4和M0.6)都是活动步和转换条件I0.6满足。由此可知，应将M0.4、M0.6和10.6的常开触点串联，作为控制M0.0的起保停电路的起动电路。任何复杂的顺序功能图都是由单序列、选择序列和并行序列组成的，掌握了单序列的编程方法和选择序列、并行序列的分支、合并的编程方法，就不难迅速地设计出任意复杂的顺序功能图描述的数字量控制系统的梯形图。6.5.2 以转换为中心的顺序控制梯形图设计方法1单序列

22、的编程方法在顺序功能图中，如果某一转换所有的前级步都是活动步，并且满足相应的转换条件，则转换实现。即所有由有向连线与相应转换符号相连的后续步都变为活动步，而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。在以转换为中心的编程方法中，用该转换所有前级步对应的存储器位的常开触点与转换对应的触点或电路串联(该串联电路即起保停电路中的起动电路)，用它作为使所有后续步对应的存储器位置位(使用置位指令)和使所有前级步对应的存储器位复位(使用复位指令)的条件。在任何情况下，代表步的存储器位的控制电路都可以用这一原则来设计，每一个转换对应一个这样的控制置位和复位的电路块，有多少个转换就有多少个这样的电

23、路块。这种设计方法特别有规律，梯形图与转换实现的基本规则之间有着严格的对应关系，在设计复杂的顺序功能图的梯形图时既容易掌握，又不容易出错。图6-21中的两条传送带用来传送较长的物体，要求尽可能地减少传送带的运行时间。在传送带端部设置了两个光电开关，有物体经过时100和101为ON，传送带A、B的电机分别用Q00和Q01控制。SM01使初始步M00为ON；按下起动按钮102，传送带A开始运行，被传送物体的前沿使100变为ON时，系统进入步M02，两条传送带同时运行。被传送物体的后沿离开光电开关100时，传送带A停止运行，物体的后沿离开光电开关101时，传送带B停止运行，系统返回初始步。 实现图6

24、-21中100对应的转换需要同时满足两个条件，即该转换的前级步是活动步(M01=1)和转换条件满足(100=1)。在梯形图中，可以用M01和100的常开触点组成的串联电路(即前一节起保停电路的起动电路)来表示上述条件。该电路接通时，两个条件同时满足。此时应将该转换的后续步变为活动步，即用置位指令“S M02，l”将M02置位：还应将该转换的前级步变为不活动步，即用复位指令“R M01，l”将M01复位。使用这种编程方法时，不能将输出位的线圈与置位指令和复位指令并联，这是因为图6-21中控制置位复位的串联电路接通的时间只有一个扫描周期，转换条件满足后前级步马上被复位，该串联电路断开，而输出位Q的

25、线圈至少应该在某一步对应的全部时间内被接通。所以应根据顺序功能图，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的线圈。3并行序列的编程方法图6-22中步M02之后有一个并行序列的分支，当M02是活动步，并且转换条件I03满足时，步M03与步M05应同时变为活动步，这是用M02和103的常开触点组成的串联电路使M03和M05同时置位来实现的；与此同时，步M02应变为不活动步，这是用复位指令来实现的。I06对应的转换之前有一个并行序列的合并，该转换实现的条件是所有的前级步(即步M04和M06)都是活动步和转换条件I06满足。由此可知，应将M04、M06和I06的常开触点串联，作为使后续

26、步M00置位和使M04、M06复位的条件。6.5.3 使用SCR指令的顺序控制梯形图设计方法LSCR指令中指定的顺序控制继电器(S)被放入SCR堆栈和逻辑堆栈的栈顶，SCR堆栈中S位的状态决定对应的SCR段是否执行。由于逻辑堆栈的栈顶装入了S位的值，所以将SCR指令直接连接到左侧母线上。使用SCR时有以下的限制：不能在不同的程序中使用相同的S位；不能在SCR段之间使用JMP及LBL指令，即不允许用跳转的方法跳入或跳出SCR段；不能在SCR段中使用FOR、NEXT和END指令。单序列的编程方法图6-25中的两条运输带顺序相连，按下起动按钮I0.0，2号运输带开始运行，10s后1号运输带自动起动。

27、停机的顺序与起动的顺序刚好相反，间隔时间为10s。在设计梯形图时，用LSCR(梯形图中为SCR)指令和SCRE指令表示SCR段的开始和结束。在SCR段中用SM0.0的常开触点来驱动在该步中应为ON的输出点Q的线圈，并用转换条件对应的触点或电路来驱动转换到后续步的SCRT指令。如果用编程软件的“程序状态”功能来监视处于运行模式的梯形图，可以看到因为直接接在左侧电源线上，每一个SCR方框都是蓝色的，但是只有活动步对应的SCRE线圈通电，并且只有活动步对应的SCR段内的SM00的常开触点闭合，不活动步的SCR段内的SM00的常开触点处于断开状态，因此SCR段内所有的线圈受到对应的顺序控制继电器的控制

28、，SCR段内的线圈还受与它串联的触点的控制。3选择序列的编程方法如果要求在起动2号运输带的延时过程中，可以用停车按钮I01使2号运输带停机，系统返回初始步。为了实现这一要求，在步S01的后面增加一条返回初始步的有向连线，并用停止按钮I01作转换条件。图6-26中步S01之后有一个选择序列的分支，当它是活动步，并且转换条件I01得到满足，后续步S00将变为活动步，S01变为不活动步。如果步S01为活动步，并且转换条件T37得到满足，后续步S02将变为活动步，S01变为不活动步。当S01为ON时，它对应的SCR段被执行，此时若转换条件I01为ON，该SCR段中的指令“SCRT S00”将使系统转换到步S00。若T37的常开触点闭合，指令“SCRT S02”将使系统转换到步S02