第八章功能表图法设计PLC程序

第八章功能表图法设计

PLC程序第一节功能表图的绘制功能表图绘制程序设计举例第一节功能表图的绘制PLC在逻辑控制系统中的程序设计方法主要有经验设计法、逻辑设计法和继电器控制电路移植法三种。经验设计法沿用了传统继电器系统电气原理图的设计方法，即在一些典型单元电路(梯形图)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。有时需要多次反复调试和修改梯形图，增加很多辅助触点和中间编程元件，最后才能得到一个较为满意的结果。这种设计方法具有很大的试探性和随意性，最后的结果因人而异。设计所用时间、设计质量与设计者的经验有很大关系，所以称之为经验设计法。继电器控制电路移植法，主要用于继电器控制电路改造时的编程，按原电路图的逻辑关系对照翻译即可。在逻辑设计法中最为常用的是功能表图设计法(又称顺序控制设计法)。在工业控制领域中，顺序控制的应用很广，尤其在机械行业，几乎无一例外地利用顺序控制来实现加工的自动循环。前章的机械手就是顺序控制。可编程序控制器的设计者们继承了顺序控制的思想，为顺序控制程序的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。这种设计方法很容易被初学者接受，程序的调试、修改和阅读也很容易，并且大大缩短了设计周期，提高了设计效率。一、功能表图设计法的基本步骤及内容1.步的划分分析被控对象的工作过程及控制要求，将系统的工作功能表图绘制程序设计举例过程划分成若干阶段，这些阶段称为“步”。步是根据PLC输出量的状态划分的，只要系统的输出量状态发生变化，系统就从原来的步进入新的步。如图8-1a所示，某液压动力滑台的整个工作过程可划分为四步，即:0步A、B、C均不输出；1步A、B输出；2步B、C输出；3步C输出。在每一步内PLC各输出量状态均保持不变。步也可根据被控对象工作状态的变化来划分，但被控对象的状态变化应该是由PLC输出状态变化引起的。如图8-1b所示，初始状态是停在原位不动，当得到起动信号后开始快进，快进到加工位置转为工进，到达终点加工结束又转为快退，快退到原位停止，又回到初始状态。因此，液压滑台的整个工作过程可以划分为停止(原位)、快进、工进、快退四步。但这些状态的功能表图绘制程序设计举例改变都必须是由PLC输出量的变化引起的，否则就不能这样划分。例如：若从快进转为工进与PLC输出无关，那么快进、工进只能算一步。

总之，步的划分应以PLC输出量状态的变化来划分，因为我们是为了设计PLC控制的程序，所以PLC输出状态没有变化时，就不存在程序的变化。功能表图绘制程序设计举例2.转换条件的确定确定各相邻步之间的转换条件是顺序控制设计法的重要步骤之一。转换条件是使系统从当前步进入下一步的条件。常见的转换条件有按钮、行程开关、定时器和计数器触点的动作(通/断)等。如图8-1b所示，滑台由停止(原位)转为快进，其转换条件是按下起动按钮SB1（即SB1的常开触点接通)；由快进转为工进的转换条件是行程开关SQ2动作；由工进转为快进的转换条件是终点行程开关SQ3动作；由快退转为停止(原位)的转换条件是原位行程开关SQ1动作。转换条件也可以是若干个信号的逻辑(与、或、非)组合。如：Al·A2、B1＋B2。功能表图绘制程序设计举例3.功能表图的绘制根据以上分析画出描述系统工作过程的功能表图。4.梯形图的编制根据功能表图，采用某种编程方式设计出梯形图程序。二、功能表图的绘制1.功能表图概述功能表图又称流程图。它是描述控制系统的控制过程、功能和特性的一种图形。功能表图并不涉及所描述的控制功能的具体技术，是一种通用的技术语言。功能表图也可用于不同专业的人员进行技术交流。在顺序控制设计法中，功能表图的绘制是最为关键的一个环节。各个PLC厂家都开发了相应的功能表图。我国于1986年也颁布了功能表图的国家标准(GB6988.6－86)。

功能表图绘制程序设计举例2.功能表图的组成要素图8-2所示为功能表图的一般形式。它主要由步、转换、转换条件、有向连线和动作等要素组成。(1)步与动作前面已介绍过，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”。步在功能表图中用矩形框表示。如，框内的数字是该步的功能表图绘制程序设计举例编号。如图8-2所示各步的编号为n-1、n、n+1。编程时一般用PLC内部软继电器来代表各步，因此经常直接用相应的内部软继电器编号作为步的编号，如M200。当系统正工作于某一步时，该步处于活动状态，称为“活动步”。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”。在功能表图中初始步用双线框表示，每个功能表图至少应该有一个初始步。所谓“动作”是指某步活动时，PLC向被控系统发出的命令，或被控系统应该执行的动作。动作用矩形框中的文字或符号表示，该矩形框功能表图绘制程序设计举例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8-3中的两种画法来表示，但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，当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，当该步变为不活动时动作也停止执行。一般保持型的动作在功能表图中应该用文字或助记符标注，而非保持型动作不要标注。(2)有向连线、转换和转换条件如图8-2所示，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功能表图绘制程序设计举例行。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。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，必须有步隔开。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、布代数表达式或图形符号标注在表示转换的短划线旁边。

转换条件X和X非，分别表示当二进制逻辑信号X为“1”和“0”状态时条件成立；转换条件X↓和X↑分别表示的是，当X从“0”(断开)到“l”(接通)和从“1”到“0”状态时条件成立。功能表图绘制程序设计举例3.功能表图中转换的实现步与步之间实现转换应同时具备两个条件：一是前级步必须是“活动步”；二是对应的转换条件成立。当同时具备以上两个条件时，才能实现步的转换。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，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。例如图8-2中n步为活动步的情况下转换条件c成立，则转换实现，即，n+1步变为活动，而n步变为不活动。如果转换的前级步或后续步不止一个，则同步实现转换。4.功能表图的基本结构根据步与步之间转换的不同情况，功能表图有以下几种不同的基本结构形式。功能表图绘制程序设计举例(1)单序列结构功能表图的单序列结构形式最为简单，它由一系列按顺序排列、相继激活的步组成。每一步的后面只有一个转换，每一个转换后面只有一步，如图8-2所示。(2)

选择序列结构选择序列有开始和结束之分。选择序列的开始称为分支，选择序列的结束称为合并。选择序列的分支是指一个前级步后面紧接着有若干个后续步可供选择，各分支都有各自的转换条件。分支中表示转换的短划线只能标在水平线之下。

功能表图绘制程序设计举例图8-4a所示为选择序列的分支。假设步4为活动步，如果转换条件a成立，则步4向步5转换；如果转换条件b成立，则步4向步7转换；如果转换条件c成立，则步4向步9转换。分支中一般同时只允许选择其中一个序列。选择序列的合并是指几个选择分支合并到一个公共序列上。各分支也都有各自的转换条件，转换条件只能标在水平线之上。图8-4b所示为选择序列的合并。如果步6为活动步，转换条件d成立，则由步6向步11转换；如果步8为活动步，且转换条件e成立，则步8向步11转换；如果步10为活动步，且转换条件f成立，则步10向步11转换。功能表图绘制程序设计举例(3)并列序列结构并列序列也有开始与结束之分。并列序列的开始也称为分支，并列序列的结束也称为合并。如图8-5a所示为并列序列的分支。它是指当转换实现后将同时使多个后续步激活。为了强调转换的同步实现，水平连线用双线表示。如果步3为活动步，且转换条件e也成立，则4、6、8三步同时变成活动步，而步3变为不活动。应当注意，当步4、6、8被同时激活后，每一序列接下来的转换将是独立的。图8-5b所示为并列序列的合并。当直接在双线上的所有前级步5、7、9都为活动步时，且转换条件d成立，才能使转换实现。功能表图绘制程序设计举例

(4)子步结构在绘制复杂控制系统功能表图时，为了使总体设计时容易抓住系统的主要矛盾，能更简洁地表示系统的整体功能和全貌，通常采用“子步”的结构形式，可避免一开始就陷入某些细节中。所谓子步的结构是指在功能表图中，某一步包含着一系列子步和转换。图8-6的功能表图中步5包含了5.1、5.2、5.3、5.4四个子步。这些子步序列通常表示整个系统中的一个完整子功能，类似于计算机编程中的子程序。因此，设计时只要先画出简单的描述整个系统的总功能表图，然后再进一步画出更详细的子功能表图。子步中可以包含更详细的子步。功能表图绘制程序设计举例

(5)跳步、重复和循环序列除以上单序列、选择序列、并行序列和子步四种基本结构外，在实际系统中经常使用跳步、重复和循环序列等特殊序列。这些序列实际上都是选择序列的特殊形式。功能表图绘制程序设计举例图8-7a所示为跳步序列。当步3为活动步时，如果转换条件e成立，则跳过步4和步5直接进入步6。图8-7b所示为重复序列。当步6为活动步时，如果转换条件d不成立而条件e成立，则重新返回步5，重复执行步5和步6。直到转换条件d成立，重复结束，转入步7。8-7c所示为循环序列。即在序列结束后，用重复的办法直接返回初始步0，形成系统的循环。在实际控制系统中，功能表图中往往不是单一地含有上述某一种序列，而经常是上述各种序列结构的组合。功能表图绘制程序设计举例5.举例组合机床液压动力滑台的自动工作过程，可划分为如图8-8a所示的原位、快进、工进、快退四步，且各步之间转换条件也已确定。每一步要执行的动作如图8-8b所示的液压元件动作表，YV1、YV2、YV3为液压电磁阀。功能表图绘制程序设计举例图8-9所示为液压动力滑台自动工作过程的功能表图。原位为步0(初始步)、快进为步1、工进为步2、快退为步3。图8-9只是描述了液压动力滑台自动循环的工作过程，而实际的液压动力滑台除实现自动循环工作外，还要实现滑台的快进、快退点动等调整工作。假设我们用转换开关SA来选择自动和点动两种工作方式，SB2为点动前进按钮,SB3为点动后退按钮，液压动力滑台系统的功能表图则如图8-10所示。为了使液压动力滑台只有在原位时才可以开始自动工作，采用了SA与SQ1相与作为功能表图绘制程序设计举例进入自动工作的转换条件。当处于自动工作的步l(原位)时，在按SB1之前如果又重新选择点动应能返回到点动工作的步5，所以在步1后加SA用以返回点动状态5。同理，当处于点动工作的步5，也应功能表图绘制程序设计举例能返回自动工作方式，所以在步1之后又加SA用以返回自动状态1。点动前进和后退的结束直接采用点动前进和后退按钮控制。当SA的状态没有发生变化时，点动结束仍回到点动状态5。从图8-9和8-10所示的两个功能表图中发现，初始步是由循环最后一步完成后激活。但是，在刚开始工作时初始步又是怎样被激活呢?通常采用的办法是在开始时加一个短信号，专门激活初始步。这种初始激活信号只在开始阶段出现，且只能出现一次，一旦建立了工作循环，它不能干扰系统的正常运行。功能表图绘制程序设计举例第八章功能表图法设计

PLC程序第二节程序设计举例第二节程序设计举例一、根据功能表图编制梯形图下面将重点介绍根据绘制的功能表图来设计PLC梯形图程序的方法，即编程方式。通过前面已分析过的液压动力滑台的例子，分别介绍使用四种不同指令的编程方式，并加以比较。组合机床液压动力滑台自动工作循环时的功能表图如图8-9所示。这种功能表图对任何型号的PLC都是通用的，它并未涉及具体技术问题，只是对系统自动循环工作过程作了全面的描述。因此，要将它变成具体的梯形图程序，需要与某种具体型号的PLC有机地联系起来。功能表图绘制程序设计举例液压动力滑台的起动按钮SB1、行程开关SQ1、SQ2、SQ3、电磁阀YV1、YV2、YV3分别与PLC的I／O点的对应关系如表6-l所示。表6-l液压动力滑台输入/输出设备与PLC的I/O口对应关系输入设备SB1SQ1SQ2SQ3输出设备YV1YV2YV3PLCINPUTX400X403X401X402PLCOUTY430Y431Y4321.使用通用逻辑指令的编程方式所谓通用逻辑指令是指PLC最基本的与触点和线圈有关的指令，如LD、AND、OR、OUT等。各种型号的PLC都有这一类指令，所以这种编程方式适用于各种型号PLC。功能表图绘制程序设计举例编程时先用辅助继电器来代表各步。下面我们用辅助继电器M200--M203来代表液压动力滑台的原位--快退四步。因此，可将图8-9功能表图写成如图8-11所示的形式(在实际应用中，经常是直接画出这种形式的功能表图)。图中用特殊继电器M71作为初始起动信号。功能表图绘制程序设计举例根据图8-11的功能表图，采用通用逻辑指令和典型的起动、保持、停止电路，分别画出控制M200--M203激活(得电)的电路，然后再用M200--M203来控制输出的动作，很容易得出如图8-12所示的梯形图程序。功能表图绘制程序设计举例为了保证前级步为活动步且转换条件成立时，才能进行步的转换，总是将代表前级步的辅助继电器的常开触点与转换条件对应的触点串联，作为代表后续步的辅助继电器线圈得电(激活)的条件。当后续步被激活(由不活动步变为活动步)，应将前级步变为不活动步，所以用代表后续步的辅助继电器常闭触点串在前级步的电路中。如：梯形图中将M203的常开触点和转换条件X403的常开触点串联作为M200的得电条件，同时M201常闭触点串入M200线圈的得电回路，保证M201得电时M200断电。另外，PLC刚开始运行时应将初始步M200激活，否则系统无法工作，所以将PLC的特殊继电器M71常开触点与激活M200的条件并联。为了保证活动状态能持续到下一步活动为止，还加上M200的自锁触点。功能表图绘制程序设计举例梯形图的后半部分是输出电路。由于输出Y430在M201和M202两步中都接通，为避免双线圈输出，将M201和M202的常开触点并联去控制Y430；而Y431、Y432分别只在M203、M202活动时才接通，所以用M203和M202常开触点分别作为Y431和Y432线圈得电的条件，也可将Y431、Y432的线圈分别与M203、M202的线圈直接并联。使用通用逻辑指令的编程方式应注意以下问题：（1）不允许出现双线圈输出现象。如果某输出继电器在几步中都被接通，只能用相应步的辅助继电器常开触点的并联电路来驱动输出继电器的线圈。（2）如果在功能表图中含有仅由两步组成的小闭环(如图8-13a所示)，则相应的辅助继电器将无法接通。如在图8-13a功能表图写出的M203线圈电路（如图功能表图绘制程序设计举例所示增设步M210，这一步起过渡作用，延时时间可以取得很短，对系统的运行不会有什么影响。8-13b所示）中，当M202活动且X402接通时，M203本来应该接通,但此时与其串联的M202的常闭触点却是断开的，所以M203无法接通。要解决这个问题必须在小闭环中增设一步。如图8-13c功能表图绘制程序设计举例2.使用置位、复位指令的编程方式每种型号的PLC都有置位、复位指令或相同功能的编程元件。PLC的这种功能正满足顺序控制中总是前级步停止（复位），后续步活动（置位）的特点。同样用辅助继电器M200－M203来代表原位至快退四步，根据图8-11液压动力滑台的功能表图，用R/S指令可编制出如图8-14所示的梯形图程序。功能表图绘制程序设计举例图中，当前级步为活动步时且转换条件成立，则将代表后续步的辅助继电器置位变成活动步，而将代表前级步的辅助继电器复位，变成不活动。所以我们将代表前级步辅助继电器的常开触点和对应的转换条件串联作为后续步置位（激活)的条件，同时也作为将前级步复位(变为不活动)的条件。如图中用M200常开触点与X400常开触点串联作为M201置位和M200复位的条件。每一个转换都对应这样一个控制置位(S)和复位(R)的电路块。有多少个转换就有多少个这样的电路块。这种编程方法特别有规律，不容易遗漏和出错，适用于复杂的功能表图的梯形图设计。功能表图绘制程序设计举例图8-15所示，对于并行序列的分支，需要置位的辅助继电器不止一个；而对于并行序列的合并，应该用所有前级步对应的辅助继电器常开触点与对应的转换条件串联作为后续步置位和前级步复位的条件，而且被复位的辅助继电器(前级步)个数与并行序列的分支数相同。功能表图绘制程序设计举例3.使用移位寄存器的编程方式单序列功能表图中的各步总是顺序地接通和断开，并且同时只能有一步是活动步。因此，经常采用移位寄存器的功能来实现这种控制。

图8-16所示为使用移位寄存器编程的液压动力滑台的梯形图。梯形图中用移位寄存功能表图绘制程序设计举例器的前4位M200－M203代表原位至快退四步。移位寄存器的移位输入端由若干串联电路并联而成，每条串联电路由某一步(除最后一步外)的辅助继电器常开触点和对应的转换条件组成。PLC刚开始运行时，M201－M203均处于断开状态，移位寄存器数据输入端的三个常闭触点均闭合，初始步M200(得电)被激活。按下起动按钮SB1(X400)，移位输入电路第一行的M200和X400常开触点均闭合，使M200的“1”状态移到M201，M201被激活。此时数据输入端的M201常闭触点断开，M200断电；M201的常开触点使输出Y430接通,动力滑台快进。同理，各转换条件SQ2(X401)、SQ3(X402)、SQ1（X403)接通产生的移位脉冲使“1”状态向M202、M203移动，并返回M200。功能表图绘制程序设计举例在整个循环的后三步(M20l、M202、M203)中接在移位寄存器数据输入端的常闭触点总有一个是断开的。因此，当M201－M203的某一步活动时，M200一直断开，直到X403接通产生第4个移位脉冲，使“l”状态移入M204，M204常开触点使移位寄存器复位(M200－M217断开)，则M201－M203的常闭触点又使M200得电，系统返回初始步。从最后一步返回初始步时，可以不将移位寄存器复位，即可去掉复位输人的M204常开触点。因为当M203“1”状态移入M204时，数据输入端的M201－M203常闭触点均为接通，使M200得电，也能返回初始步。虽然M204“1”状态还会往后移，但系统没有使用M204－M217，因此对系统工作无任何影响。功能表图绘制程序设计举例4.使用步进指令的编程方式F1系列的PLC为顺序控制控制系统设计了专用的步进指令（也叫步进梯形指令），共两条。下面通过实例，来说明步进指令的用法和功能。使用步进指令编功能表图绘制程序设计举例程时，首先用状态继电器代表功能表各步（步进指令只对状态器有效），则功能表图如图8-17所示。每一步都具有三种功能：负载的驱动处理、指定转换条件和指定转换目标。据此，可绘制出图8-18所示的功能表图和梯形图。功能表图绘制程序设计举例在顺序控制中的功能表图往往都包含选择序列、并列序列等结构形式。（1）选择序列分支与合并的步进编程图8-19为选择序列的功能表图及步进梯形图。X402和X405为选择条件。状态器S603或S605置功能表图绘制程序设计举例位时，S602将自动复位。如果是S603置位，执行S603起始的步进过程；如果是S605置位，执行S605起始的步进过程。状态寄存器S607由S604或S606及相应转换条件进行置位。（2）并列序列分支与合并的步进编程如图8-20a所示为并列序列步进过程的功能表图。当X401接通,S604和S606同时置位，S603自动复位；当S605和S607都活动且X404接通，S610才被置位，并且S605和S607都将自动复位。用步进指令编制的梯形图如图8-20b所示。图中连续两次使用STL指令(步进触点STLS605与STLS607串联)，但要注意连续使用的次数不能超过8次，也就是说采用步进指令编程时，并列序列的支路不能超过8个。另外，在梯形图中步进触点STLS605和STLS607都出现两次，这是并