順序控制的梯形圖程序設計方法本章內容提要本章先歸納PLC的常用編程語言，然后詳細地介紹梯形圖的編寫方法。其中主要介紹功能表圖的繪制方法，以及由功能表圖轉化為梯形圖的方法。最后介紹復雜PLC控制程序的編寫。通過本章的學習，讀者基本上可以利用梯形圖語言編寫出各種簡單或較為復雜的PLC控制程序。4.1梯形圖的編程規則PLC是專為工業環境而設計的自動控制裝置，其主要使用對象是廣大電氣技術人員及操作維護人員，為了滿足他們的傳統習慣和掌握能力，通常PLC不采用微機編程語言，而常常采用面向控制過程、面向問題的“自然語言”編程。這些編程語言有功能表圖（SequentialFunctionChart）、梯形圖（LadderDiagram）、功能塊圖（FunctionBlackDiagram）、指令表（InstructionList）、結構文本（StructuredText）、邏輯方程式或布爾代數式等。梯形圖和功能塊圖為圖形語言，指令表和結構文本為文字語言，功能表圖是一種結構塊控制流程圖。返回本章首頁4.1.1梯形圖概述梯形圖是一種使用最多的圖形語言，它在形式上類似于傳統的繼電器控制電路，但它比繼電器控制電路增加了許多功能強而又靈活的指令符號。梯形圖是一種形象化的語言，它用接點的連接組合表示條件，用線圈的輸出表示結果，從而繪制出若干邏輯行組成順孔電路，具有直觀易懂的優點，很容易被工廠電氣人員掌握，特別適用于開關量邏輯控制。梯形圖常被稱為電路或程序。返回本章首頁

1．軟繼電器PLC梯形圖中的某些編程元件沿用了繼電器這一名稱，如輸入繼電器、輸出繼電器、等，但是它們不是真實的硬件繼電器，而是一些存儲單元（軟繼電器），每一個軟繼電器與PLC存儲器中映像寄存器的一個存儲單元相對應。該存儲單元如果為“1”狀態，則表示梯形圖中對應軟繼電器的線圈“通電”，其常開觸點接通，常閉觸點斷開。以后我們稱這種狀態為該編程元件接通。如果該存儲單元為“0”狀態，對應的編程元件的線圈和觸點的狀態與上述的相反，稱為該編程元件斷開。返回本章首頁2．母線梯形圖兩側的垂直公共線稱為公共母線（BusBar），在分析梯形圖的邏輯關系時，為了借用繼電器電路圖的分析方法，假設二者之間有左正右負的直流電源電壓，母線之間有“能流”從左向右流動。右母線可以不畫出。返回本章首頁如圖4-1所示觸點1、2接通時，有一個假想的“概念電流”或“能流”（PowerFlow）從左向右流動，這一方向與執行用戶程序時邏輯運算的順序是一致的。能流只能從左向右流動。利用能流這一概念，可以幫助我們更好地理解和分析梯形圖。圖4-1（a）中可能有兩個方向的能流流過觸點5（經過觸點1、5、4或經過觸點3、5、2），這不符合能流只能從左向右流動的原則，因此應改為如圖4-1（b）所示的梯形圖。返回本章首頁圖4-1梯形圖返回本章首頁3．梯形圖的邏輯解算根據梯形圖中各觸點的狀態和邏輯關系，求出與圖中各線圈對應的編程元件的狀態，稱為梯形圖的邏輯解算。梯形圖中邏輯解算是按從左至右、從上到下的順序進行的。解算的結果，可以馬上被后面的邏輯解算所利用。返回本章首頁4.1.2梯形圖的編程規則1．確定各元件的編號，分配I/O地址利用梯形圖編程，首先必須確定所使用的編程元件編號，PLC是按編號來區別操作元件的。FX2N型號的PLC，其內部元件的地址編號，使用時一定要明確，每個元件在同一時刻決不能擔任幾個角色。一般講，配置好的PLC，其輸入點數與控制對象的輸入信號數總是相應的，輸出點數與輸出的控制回路數也是相應的（如果有模擬量，則模擬量的路數與實際的也要相當），故I/O的分配實際上是把PLC的入、出點號分配給實際的I/O電路，編程時按點號建立邏輯或控制關系，接線時按點號“對號入坐”進行接線?？梢詤⒖糉X系列的編程手冊。返回本章首頁2．梯形圖的編程規則（1）每個繼電器的線圈和它的觸點均用同一編號，每個元件的觸點使用時沒有數量限制。（2）梯形圖每一行都是從左邊開始，線圈接在最右邊（線圈右邊不允許再有接觸點），如圖4-1（a）錯，圖4-1（b）正確。（3）線圈不能直接接在左邊母線上。（4）在一個程序中，同一編號的線圈如果使用兩次，稱為雙線圈輸出，這樣很容易引起誤操作，應盡量避免。（5）在梯形圖中沒有真實的電流流動，為了便于分析PLC的周期掃描原理和邏輯上的因果關系，假定在梯形圖中有“電流”流動，這個“電流”只能在梯形圖中單方向流動，即從左向右流動，層次的改變只能從上向下。返回本章首頁圖4-2梯形圖之二返回本章首頁4.2典型單元的梯形圖程序1．具有自鎖、互鎖功能的程序2．定時器應用程序3．計數器應用程序4．其他典型應用程序返回本章首頁4.3PLC程序的經驗設計法4.3.1概述4.3.2設計舉例1．送料小車自動控制的梯形圖程序設計2．兩處卸料小車自動控制的梯形圖程序設計返回本章首頁圖4-17送料小車自動控制返回本章首頁圖4-18兩處卸料小車自動控制返回本章首頁4.3.3經驗設計法的特點1．設計方法不易掌握、設計周期長2．裝置交付使用后維修困難返回本章首頁4.4PLC程序的順序控制設計法4.4.1概述如果采用順序控制法設計PLC的梯形圖程序，可以有效解決經驗設計法所存在的問題。所謂順序控制設計法就是針對順序控制系統的一種專門的設計方法。如果一個控制系統可以分解成幾個獨立的控制動作，且這些動作必須嚴格按照一定的先后次序執行才能保證生產過程的正常運行，這樣的控制系統稱為順序控制系統，也稱為步進控制系統。

返回本章首頁4.4.2順序控制設計法的設計步驟1．步的劃分步是控制系統中一個相對不變的性質，它對應于一個穩定的狀態。在功能流程圖中步通常表示某個執行元件的狀態變化，用矩形框表示，框中的數字是該步的編號，編號可以是該步對應的工步序號，也可以是與該步相對應的編程元件（如PLC內部的通用輔助繼電器M或狀態器S）。如圖4-19（a）所示，步的這種劃分方法使代表各步的編程元件與PLC各輸出狀態之間有著極為簡單的邏輯關系。步也可根據被控對象工作狀態的變化來劃分，但被控對象工作狀態的變化應該是由PLC輸出狀態變化引起的。如圖4-19（b）所示，某液壓滑臺的整個工作過程可劃分為停止（原位）、快進、工進、快退四步。但這四步的狀態改變都必須是PLC輸出狀態的變化引起的，否則就不能這樣劃分，例如，從快進轉為工進與PLC輸出無關，因此快進和工進只能算一步。

返回本章首頁圖4-19步的劃分返回本章首頁2．轉換條件的確定在功能流程圖中，會發生步的活動狀態的進展。該進展按有向連線的規定路線進行，這種進展是由轉換的實現來完成的，并與控制過程的發展相對應。使系統由當前步轉入下一步的信號稱為轉換條件。轉換條件可能是外部輸入信號，如按鈕、指令開關、限位開關的接通/斷開等，也可能是PLC內部產生的信號，如定時器、計數器觸點的接通/斷開等，轉換條件也可能是若干個信號的與、或、非邏輯組合。返回本章首頁3．功能表圖的繪制根據以上分析和被控對象工作內容、步驟、順序和控制要求畫出功能表圖。繪制功能表圖是順序控制設計法中最為關鍵的一個步驟。繪制功能表圖的具體方法將在后面詳細介紹。返回本章首頁圖4-20功能表圖的一般形式返回本章首頁4．梯形圖的編制根據功能表圖，按某種編程方式寫出梯形圖程序。有關編程方式將在本章第五節中介紹。如果PLC支持功能表圖語言，則可直接使用該功能表圖作為最終程序。4.4.3功能表圖的繪制功能流程圖，簡稱功能圖，又叫狀態流程圖或狀態轉移圖。它是專用于工業順序控制程序設計的一種功能說明性語言，可以完整地描述控制系統的工作過程、功能和特性，是分析、設計電氣控制系統控制程序的重要工具。圖4-20功能表圖的一般形式如圖4-20所示為功能表圖的一般形式，主要由步、有向連線、轉換、轉換條件和動作（命令）組成。返回本章首頁1．步與動作（1）步：在功能表圖中用矩形框表示步，方框內是該步的編號。如圖4-20所示各步的編號為ｎ-1、n、n+1。編程時一般用PLC內部編程元件來代表各步，因此經常直接用代表該步的編程元件的元件號作為步的編號，如M300等，這樣在根據功能表圖設計梯形圖時較為方便。（2）初始步：與系統初始狀態相對應的步稱為初始步。初始狀態一般是系統等待起動命令的相對靜止的狀態。初始步用雙線方框表示，每個功能表圖至少有一個初始步。返回本章首頁（3）動作：一個控制系統可以劃分為被控系統和施控系統，例如在數控車床系統中，數控裝置是施控系統，而車床是被控系統。對于被控系統，在某一步中要完成某些“動作”，對于施控系統，在某一步中則要向被控系統發出某些“命令”，將動作或命令簡稱為動作，并用矩形框中的文字或符號表示，該矩形框應與相應步的符號相連。如果某一步有幾個動作，可以用如圖4-21所示的兩種畫法來表示，但是圖中并不隱含這些動作之間的任何順序。返回本章首頁（4）活動步：當系統正處于某一步時，該步處于活動狀態，稱該步為“活動步”。步處于活動狀態時，相應的動作被執行。若為保持型動作則該步不活動時繼續執行該動作，若為非保持型動作則該步不活動時，動作也停止執行。一般在功能表圖中保持型的動作應該用文字或助記符標注，而非保持型動作不需要標注。返回本章首頁圖4-21多個動作的表示返回本章首頁2．有向連線、轉換與轉換條件有向連線：在功能表圖中，隨著時間的推移和轉換條件的實現，將會發生步的活動狀態的順序進展，這種進展按有向連線規定的路線和方向進行。在畫功能表圖時，將代表各步的方框按它們成為活動步的先后次序順序排列，并用有向連線將它們連接起來。活動狀態的進展方向習慣上是從上到下或從左至右，在這兩個方向上有向連線上的箭頭可以省略。如果不是上述方向，應在有向連線上用箭頭注明進展方向。

返回本章首頁轉換：轉換用有向連線上與有向連線垂直的短劃線來表示，轉換將相鄰兩步分隔開。步的活動狀態的進展由轉換的實現來完成，并與控制過程的發展相對應。轉換條件：轉換條件是與轉換相關的邏輯條件，轉換條件可以用文字語言、布爾代數表達式或圖形符號標注在表示轉換的短線的旁邊。轉換條件X和分別表示在邏輯信號X為“1”狀態和“0”狀態時轉換實現。符號↑和↓分別表示當X從0→1狀態和從1→0狀態時轉換實現。使用最多的轉換條件表示方法是布爾代數表達式，如轉換條件。返回本章首頁3．功能表圖的基本結構（1）單序列：單序列由一系列相繼激活的步組成，每一步的后面僅接有一個轉換，每一個轉換的后面只有一個步，如圖4-22（a）所示。（2）選擇序列：選擇序列的開始稱為分支，如圖4-22（b）所示，轉換符號只能標在水平連線之下。如果步5是活動的，并且轉換條件e=1，則發生由步5→步6的進展；如果步5是活動的，并且轉換條件f=1，則發生由步5→步9的進展。在某一時刻一般只允許選擇一個序列。選擇序列的結束稱為合并，如圖4-22（c）所示。如果步5是活動步，并且轉換條件m=1，則發生由步5→步12的進展；如果步8是活動步，并且轉換條件n=1，則發生由步8→步12的進展。返回本章首頁圖4-22單序列與選擇序列返回本章首頁（3）并行序列：并行序列的開始稱為分支，如圖4-23（a）所示，當轉換條件的實現導致幾個序列同時激活時，這些序列稱為并行序列。當步4是活動步，并且轉換條件a=1，3、7、9這三步同時變為活動步，同時步4變為不活動步。為了強調轉換的同步實現，水平連線用雙線表示。步3、7、9被同時激活后，每個序列中活動步的進展將是獨立的。在表示同步的水平雙線之上，只允許有一個轉換符號。返回本章首頁并行序列的結束稱為合并，如圖4-23（b）所示，在表示同步的水平雙線之下，只允許有一個轉換符號。當直接連在雙線上的所有前級步都處于活動狀態，并且轉換條件b=1時，才會發生步3、6、9到步10的進展，即步3、6、9同時變為不活動步，而步10變為活動步。并行序列表示系統幾個同時工作的獨立部分的工作情況。

返回本章首頁圖4-23并行序列返回本章首頁4．轉換實現的基本規則（1）轉換實現的條件：在功能表圖中，步的活動狀態的進展是由轉換的實現來完成的。轉換實現必須同時滿足兩個條件：①該轉換所有的前級步都是活動步。②相應的轉換條件得到滿足。如果轉換的前級步或后續步不止一個，轉換的實現稱為同步實現，如圖4-25所示。返回本章首頁

圖4-25轉換的同步實現返回本章首頁（2）轉換實現應完成的操作：①使所有由有向連線與相應轉換符號相連的后續步都變為活動步。②使所有由有向連線與相應轉換符號相連的前級步都變為不活動步。返回本章首頁5．繪制功能表圖應注意的問題（1）步與步不能直接相連，必須用轉換分開。（2）轉換與轉換不能直接相連，必須用步分開。（3）步與轉換、轉換與步之間的連線采用有向線段，畫功能圖的順序一般是從上向下或從左到右，正常順序時可以省略箭頭，否則必須加箭頭。（4）一個功能圖至少應有一個初始步，它一般對應于系統等待起動的初始狀態，這一步可能沒有什么動作執行，因此很容易被遺漏。如果沒有該步，無法表示初始狀態，系統也無法返回停止狀態。（5）只有當某一步所有的前級步都是活動步時，該步才有可能變成活動步。如果用無斷電保持功能的編程元件代表各步，則PLC開始進入RUN方式時各步均處于“0”狀態，因此必須要有初始化信號，將初始步預置為活動步，否則功能表圖中永遠不會出現活動步，系統將無法工作。返回本章首頁6．繪制功能表圖舉例返回本章首頁4.4.4順序控制設計法中梯形圖的編程方式1．使用通用指令的編程方式編程時用輔助繼電器來代表步。某一步為活動步時，對應的輔助繼電器為“1”狀態，轉換實現時，該轉換的后續步變為活動步。由于轉換條件大都是短信號，即其存在的時間比其激活的后續步為活動步的時間短，因此應使用有記憶（保持）功能的電路來控制代表步的輔助繼電器。屬于這類的電路有“起保停電路”和具有相同功能的使用SET、RST指令的電路。返回本章首頁如圖4-27（a）所示Mi-1、Mi和Mi+l是功能表圖中順序相連的3步，Xi是步Mi之前的轉換條件。返回本章首頁2．以轉換為中心的編程方式如圖4-29所示為以轉換為中心的編程方式設計的梯形圖與功能表圖的對應關系。圖中要實現Xi對應的轉換必須同時滿足兩個條件：前級步為活動步Mi-1=1和轉換條件滿足（Xi=1），所以用Mi-1和Xi的常開觸點串聯組成的電路來表示上述條件。兩個條件同時滿足時，該電路接通，此時應完成兩個操作：將后續步變為活動步（用SETMi指令將Mi置位），將前級步變為不活動步（用RSTMi-1指令將Mi-1復位）。這種編程方式與轉換實現的基本規則之間有著嚴格的對應關系，用它編制復雜的功能表圖的梯形圖時，更能顯示其優越性。返回本章首頁圖4-29以轉換為中心的編程方式返回本章首頁3．使用STL指令的編程方式步進梯形指令（StepLadderInstruction）簡稱為STL指令。FX系列就有STL指令及RET復位指令。利用這兩條指令，可以很方便地編制順序控制梯形圖程序。FX2N系列PLC的狀態器S0～S9用于初始步，S10～S19用于返回原點，S20～S499為通用狀態，S500～S899有斷電保持功能，S900～S999用于報警。用它們編制順序控制程序時，應與步進梯形指令一起使用。FX系列還有許多用于步進順控編程的特殊輔助繼電器以及使狀態初始化的功能指令IST，使用STL指令設計順序控制程序更加方便。返回本章首頁使用STL指令的狀態器的常開觸點稱為STL觸點，它們在梯形圖中的元件符號如圖4-31所示。圖中可以看出功能表圖與梯形圖之間的對應關系，STL觸點驅動的電路塊具有三個功能：對負載的驅動處理、指定轉換條件和指定轉換目標。返回本章首頁圖4-31STL指令與功能表圖返回本章首頁4．仿STL指令的編程方式返回本章首頁4.4.5功能表圖中幾個特殊編程問題1．跳步與循環復雜的控制系統不僅I/O點數多，功能表圖也相當復雜，除包括前面介紹的功能表圖的基本結構外，還包括跳步與循環控制，而且系統往往還要求設置多種工作方式，如手動和自動（包括連續、單周期、單步等）工作方式。手動程序比較簡單，一般用經驗法設計，自動程序的設計一般用順序控制設計法。返回本章首頁2．選擇序列和并行序列的編程循環和跳步都屬于選擇序列的特殊情況。對選擇序列和并行序列編程的關鍵在于對它們的分支和合并的處理，轉換實現的基本規則是設計復雜系統梯形圖的基本準則。與單序列不同的是，在選擇序列和并行序列的分支、合并處，某一步或某一轉換可能有幾個前級步或幾個后續步，在編程時應注意這個問題。返回本章首頁（3）使用以轉換為中心的編程與選擇序列的編程基本相同，只是要注意并行序列分支與合并的處理。返回本章首頁如果在功能表圖中僅有由兩步組成的小閉環，如圖4-44（a）所示，則相應的輔助繼電器的線圈將不能通電。例如在M202和X2均為“1”狀態時，M203的起動電路接通，但是這時與它串聯的M202的常閉觸點卻是斷開的，因此M203的線圈將不能通電。出現上述問題的根本原因是步M202既是步M203的前級步，又是它的后序步。如圖4-44（b）所示在小閉環中增設一步就可以解決這一問題，這一步只起延時作用，延時時間可以取得很短，對系統的運行不會有什么影響。返回本章首頁圖4-44