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1、第9章 PLC控制系统的设计学习目标掌握PLC控制系统的设计原则及步骤；掌握PLC机型选择的方法；掌握PLC输入输出线路及供电线路的设计方法；掌握PLC程序的顺序设计法及功能图设计法。由PLC为核心组成的自动控制系统，称为PLC控制系统。PLC控制系统的设计同其它形式自动控制系统的设计不尽相同，需围绕PLC本身的特点，以满足生产工艺的控制要求为目的开展设计工作。一般应包括硬件系统设计、软件系统设计及施工设计等内容。 91 PLC控制系统设计的基本原则及步骤911 PLC控制系统设计的基本原则为了实现生产工艺的控制要求，以提高生产效率和产品质量，在设计PLC控制系统时，应遵循以下基本原则：1最大
2、限度地满足被控对象的控制要求。 2在满足控制要求的前提下，力求使控制系统简单、经济，使用、维修方便。3保证控制系统的安全、可靠。 4考虑到生产的发展和工艺的改进，应适当留有扩充裕量。912 PLC控制系统设计的一般步骤分析生产工艺过程，明确控制要求确定控制方案选择PLC硬件设计软件设计总装调试是否符合控制要求？软件调整硬件调整投入运行图9-1 PLC控制系统设计流程图PLC控制系统的设计遵循自动控制系统设计的一般规律，其设计流程图如图9-1所示。1分析生产工艺过程，明确工艺过程对电气控制的要求分析生产工艺过程，是了解被控对象控制要求的前提。只有了解了被控对象的工艺过程及工作特点，才能弄清被控对
3、象的控制要求。在这一过程中，要详细调查被控对象的工作性质，明确其功能要求，弄清系统是以逻辑量控制为主还是以模拟量控制为主，对模拟量控制系统还要弄清是慢连续量的过程控制系统还是快连续量的实时运动控制系统，并绘制出工艺控制过程流程图。2确定控制方案在分析被控对象的基础上，根据PLC的特点，与继电接触器控制系统比较，与微型计算机控制系统比较，如果被控对象的工业环境较差，而安全性、可靠性要求较高，用人工进行控制工作量大、操作复杂、容易出错或者操作过于频繁，人工操作不容易满足工艺要求及工艺流程有要经常变动的对象和场合，往往由PLC控制。对于采用PLC控制的系统，通常可考虑以下方案：1）单控制器系统图9-
4、2 单控制器系统示意图PLC被控对象a) 一台控制器控制一台设备PLC被控对象被控对象被控对象b） 一台控制器控制多台设备 单控制器系统是指采用一台PLC控制一台被控设备或多台被控设备的控制系统。如图9-2所示。2）多控制器系统被控对象被控对象被控对象PLCPLCPLC上位机图9-3 多控制器系统示意图多控制器系统即分布式控制系统，该系统中每一个控制对象都由一台PLC控制器来控制，各PLC控制器之间可以通过信号传递进行内部联锁，或由上位机通过数据总线进行通讯控制。如图9-3所示。3）远程I/O控制系统远程I/O系统就是I/O模块不与控制器放在一起而是远距离地放在被控设备附近。如图9-4所示。
5、图9-4 远程I/O控制系统示意图被控对象PLC被控对象被控对象被控对象本地I/O远程I/O3选择可编程控制器机型控制系统方案确定以后，进入PLC选型阶段。选用PLC时，除把可靠性、环境适应性等放在首位外，还要根据应用场合尽量选用合适的可编程控制器。具体选用时应考虑的方面参看9.2“PLC的选择”。4硬软件设计选择好可编程控制器的机型后，就可根据控制系统的要求具体安排输入、输出的配置，并对输入、输出进行地址分配。这项工作考虑的合理，会给硬件设计、程序编写和系统调试带来很多方便。然后便可分头对控制系统进行硬软件的设计。硬件设计是指对可编程控制器外围电路的设计，如输入输出电路的设计，电源、负载供电
6、回路的设计等等。具体做法参看9.3“PLC控制系统的硬件设计”。软件设计的过程是指根据工艺要求使用PLC编程语言进行用户程序设计的过程。这是PLC控制系统设计的主要工作，其质量的好坏直接影响到系统工作的可靠性。具体设计方法参看9.4“PLC控制系统的程序设计”。5总装调试总装统调是可编程控制器构成控制系统的最后一个设计步骤。总装调试前，应分别对硬件系统及软件系统进行彻底的检查，在确认一切正常的前提下才能进入该阶段。首先对可编程控制器外部接线作仔细检查，外部接线一定要准确、无误。如果用户程序还没有送到机器里去，可用自行编写的试验程序对外部接线作扫描通电检查，查找接线故障。为了安全可靠起见，常常将
7、主电路断开，进行预调，当确认接线无误再接主电路，将模拟调试好的程序送入用户存储器进行调试，直到各部分的功能都正常，并能协调一致成为一个完整的整体控制为止。由此可见，在进行完具体的硬件系统设计和软件系统设计后，除要分别对硬件系统和软件系统进行调试外，还必须对硬件系统和软件系统进行联合调试和试运行，反复进行硬件系统和软件系统的修改调整，直到整个控制系统全部投入正常工作为止，才算最终完成系统设计。6编制技术说明书将控制系统的性能用文字形式详细地作出说明，同时给出必需的电气原理图、及接线图。92 PLC的选择随着PLC的推广普及，PLC产品的种类越来越多，而且功能也日趋完善。PLC的品种繁多，其结构形
8、式、性能、存储容量、指令系统、编程方法、价格等各不相同，适用场合也各有侧重。因此，合理选择PLC，对于提高PLC控制系统的技术经济指标起着重要的作用。921 机型的选择机型选择的基本原则应是在满足生产工艺要求的情况下，保证运行可靠、维护使用方便以及最佳的性能价格比。具体应考虑以下几方面：1结构合理对于工艺过程比较固定、环境条件较好（维修量较小）的场合，选用整体式结构PLC，其他情况则选用模块式结构PLC。2功能合理对于开关量控制的工程项目，对其控制速度无须考虑，一般的低档机就能满足要求；对于以开关量为主、带少量模拟量控制的工程项目，可选用带A/D、D/A转换、加减运算、数据传送功能的低档机；对
9、于控制比较复杂、控制功能要求高的工程项目，例如要求实现PID运算、闭环控制、通信联网等，可视控制规模及复杂的程度，选用中档或高档机。其中高档机主要用于大规模过程控制、全PLC的分布式控制系统以及整个工厂的自动化等。3机型统一因为同一机型的PLC，其模块可互为备用，便于备品备件的采购和管理；其功能及编程方法统一，有利于技术力量的培训、技术水平的提高和功能的开发，其外部设备通用，资源可共享，配以上位计算机后，可把控制各独立系统的多台PLC连成千个多级分布式控制系统，相互通信、集中管理。4是否在线编程PLC的特点之一是使用灵活。当被控设备的工艺过程改变时，只需用编程器重新修改程序，就能满足新的控制要
10、求，给生产带来很大方便。PLC的编程分为离线编程和在线编程两种。离线编程的PLC，其特点是主机和编程器共用一个CPU,在编程器上有一个“编程运行”选择开关或按键，选择编程状态时，CPU将失去对现场的控制，只为编程器服务，这就是所谓的“离线”编程。程序编好后，如选择运行状态，CPU则去执行程序而对现场进行控制，这时，CPU对编程指令按步作出响应。此类PLC，由于编程器和主机共用一个CPU，因此节省了大量的硬件和软件，编程器的价格也比较便宜。中、小型PLC多采用离线编程。在线编程的PLC，其特点是主机和编程器各有一个CPU，编程器的CPU可以随时处理由键盘输入的各种编程指令。主机的CPU则是完成对
11、现场的控制，并在一个扫描周期的末尾和编程器通信，编程器把编好或改好的程序发送给主机，在下一个扫描周期主机将按照新送入的程序控制现场，这就是所谓的“在线”编程。此类PLC,由于增加了硬件和软件，故价格高，但应用领域较宽。大型PLC多采用在线编程。是否在线编程，应根椐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。922 输入输出的选择1PLC控制系统IO点数的估算 PLC控制系统的I/O点数是指要求PLC 能够输入输出的开关量、模拟量的总点数。统计控制系统的输入输出种类及数量，以便决定选用I/O点数并留有一定余量的P
12、LC机型，同时应考虑尽可能简化点数来降低价格。1） 控制电磁阀等所需的IO点数。由电磁阀的动作原理可知，一个单线圈电磁阀用可编程控制器控制时需2个输入及1个输出；一个双线圈电磁阀需3个输入及2个输出；一个按钮需一个输入；一个光电开关需4个或2个输入；一个信号灯需1个输出；波段开关，有几个波段就需几个输入；一般情况，各种位置开关都需占用2个输入点。2） 控制交流电动机所需的I/O点数。用PLC控制交流电动机时，是以主令信号和反馈信号作为PLC的输入信号，以PLC的输出信号驱动接触器来完成对交流电动机的控制。例如，用PLC控制一台Y-启动的交流电动机，一般需占用PLC的4个输入点及3个输出点；用P
13、LC控制一台单向运行的笼型电动机，需占用4个输入点及1个输出点；控制一台可逆运行的笼型电动机，需5个输入点及2个输出点；控制一台单向运行的变极调速电机，需5个输入点及2个输出点；控制一台单向运行的绕线转子交流电动机，需3个输入点及4个输出点；控制一台可逆运行的绕线转子交流电动机，需4个输入点及5个输出点。3） 控制直流电动机所需的I0点数。晶闸管直流电动机调速系统是直流调速的主要形式，它采用晶闸管整流装置对直流电动机供电。用PLC控制的直流传动系统中，PLC的输入除考虑主令信号外，还需考虑合闸信号、传动装置综合故障信号、抱闸信号、风机故障信号等。PLC的输出主要考虑速度指令信号正向1-3级、反
14、向1-3级、允许合闸信号、抱闸打开信号等。一般地，一个用PLC控制的可逆直流传动系统大约需12个输入点和8个输出点；一个不可逆的直流传动系统需9个输入点和6个输出点。2输入输出模块的选择 可编程控制器输入模块的任务是检测并转换来自现场设备(按钮、限位开关、接近开关等)的高电平信号为机器内部电平信号，模块类型分直流5V、12V、24V、48V、60V几种，交流115V和220V两种。由现场设备与模块之间的远近程度选择电压的大小。一般5V、12V、24V属低电平，传输距离不宜太远，例如5V的输入模块最远不能超过10m，也就是说，距离较远的设备选用较高电压的模块比较可靠。另外，高密度的输入模块如32
15、点、64点，同时接通点数取决于输入电压和环境温度。一般而言，同时接通点数不得超过60。为了提高系统的稳定性，必须考虑门槛(接通电平与关断电平之差)电平的大小。门槛电平值越大，抗干扰能力越强，传输距离也就越远。 输出模块的任务是将机器内部信号电平转换为外部过程的控制信号。对于开关频率高、电感性、低功率因数的负载，推荐使用晶闸管输出模块，缺点是模块价格高，过载能力稍差。继电器输出模块的优点是适用电压范围宽，导通压降损失小，价格低；其缺点是寿命较短，响应速度较慢。输出模块同时接通点数的电流累计值必须小于公共端所允许通过的电流值。输出模块的电流值必须大于负载电流的额定值。923 内存估计用户程序所需内
16、存容量受到下面几个因素的影响：内存利用率；开关量输入输出点数；模拟量输入输出点数；用户的编程水平。1内存利用率用户程序通过编程器键入主机内，最后是以机器语言的形式存放在内存中。同样的程序，不同厂家的产品，在把用户程序变成机器语言存放时所需的内存数是不同的。我们把一个程序段中的接点数与存放该程序段所代表的机器语言所需的内存字数的比值称为内存利用率。高的内存利用率给用户带来好处。同样的程序可以减少内存量，从而降低内存投资。2开关量输入输出点数PLC开关量输入输出总点数是计算所需内存容量的重要依据。根据经验，开关量输入/输出点数占用内存容量的关系如下：所需内存字数=开关量输入点数10开关量输出点数8
17、3模拟量输入输出点数具有模拟量控制的系统就要用到数字传送和运算的功能指令，这些功能指令的内存利用率较低，因此所占的内存数较多。在只有模拟量输入的系统中，一般要对模拟量进行读入、数字滤波、传送和比较运算；在模拟量输入输出同时存在的情况下，就要进行较复杂的运算。一般采用闭环控制，内存要比只有模拟量输入的情况需要量大。在模拟量处理中，常常把模拟量读入、滤波及模拟量输出编成子程序使用，这样会使所占内存大大减少，特别是在模拟量路数比较多时，每一路模拟量所需的内存数会明显减少。下面给出一般情况下的经验公式：只有模拟量输入时：所需内存字数=模拟量点数100模拟量输入输出同时存在：所需内存字数=模拟量点数20
18、0这些经验公式的算法是以10点模拟量输入输出为目标估算出来的，当点数小于10时，内存字数要适当加大，点数多时，可适当减少。4程序编写质量 用户程序优劣对程序长短和运行时间都有较大影响。对于同样的系统，不同用户编写的程序可能会使程序长短和执行时间差距很大。一般来说，对初学者应为内存多留一些余量，而对有经验的编程者可少留一些余量。综上所述，推荐下面的经验计算公式：总存储器字数=(开关量输入点数+开关量输出点数)10+模拟量点数150然后按计算存储器字数的25考虑余量。5响应时间 对过程控制，扫描周期和响应时间必须认真考虑。PLC顺序扫描的工作方式使它不能可靠地接收持续时间小于扫描周期的输入信号。例
19、如某产品有效检测宽度为3cm，产品传送速度为30mmin，为了确保不会漏检经过的产品，要求PLC的扫描周期不能大于产品通过检测点的时间间隔60msT=3cm/（30m/min）。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的时间间隔。一般情况下，响应时间按下式估算：系统响应时间=输入滤波时间+输出滤波时间+扫描时间93 PLC控制系统的硬件设计PLC控制系统的硬件设计包括设计PLC输入输出接线原理图、PLC供电系统图以及选择输入输出元器件等工作。931 PLC输入/输出电路的设计在PLC控制系统中，通常用作输入器件的元件是操作类器件如控制按钮、转换开关等，检测类器件如行程开关、
20、光电开关、传感器等；用作PLC 负载的器件主要是各种执行器件，如接触器、电磁阀、继电器、信号灯等。设计输入输出电路时，首先应对工艺要求提出的各种输入输出器件进行分类，把相同类型的输入输出器件编为一组，然后根据类型按顺序为所有器件分配PLC地址（即输入输出接线端子），并绘出I/O端子分配表，以便程序编制人员编程使用。设计输入输出电路通常还要考虑一下问题：1一般情况下，输入输出器件可以直接与PLC的输入输出端子相连，但是，当配线距离较长或接近强干扰源、或大负荷频繁通断的外部信号，最好加中间继电器再次隔离。2输入电路一般由PLC内部提供电源，输出电路需根据负载额定电压和额定电流外接电源。输出电路需注
21、意每个输出点可能输出的额定电流及公共端子的总电流的大小。3对于双向晶闸管及晶体管输出型的PLC，如输出点接感性负载，为保证输出点的安全和防止干扰，需并接过电压吸收回路。对交流负载应并接浪涌吸收回路，如阻容电路（电阻取51120，电容取0.10.47F，电容的额定电压应大于电源峰值电压 ）或压敏电阻，如图9-5a所示。对直流负载需并接续流二极管，续流二极管可以选1A的管子，其额定电压应大于电源电压的三倍，如图9-5b所示。a) b)图9-5 输入输出电路的设计AC220VKM2 KM1 R C KM1 KM2 R CFR1LQ0.0Q0.1 LNDC220VFRYV1VD1YV2VD2I0.0
22、1LI0.1 Q0.0I0.2 Q0.1 . 1M .L+ LM MS7-200 CPU214传感器R4当接近开关、光电开关这一类两线式传感器的漏电流较大时，可能出现故障的输入信号。通常在输入端并联旁路电阻，以减小输入电阻如图9-5b所示。旁路电阻的阻值R可由下式确定： 式中I为传感器漏电流，Ue、Ie分别是PLC的额定输入电压和额定输入电流，UL是PLC输入电压低电平的上限值。5为防止负载短路损坏PLC，输出公共端需加熔断器保护。如图9-5所示。6对重要的互锁，如电动机正反转等，需在外电路中用硬件再互锁。如图9-5a所示。7对输入点不够时，可参考下列方法扩展：1）硬件逻辑组合输入法对两地操作
23、按钮、安全保护开关等可先进行串并联后再接入PLC输入端子，如图9-6所示。2）译码输入法图9-6 硬件逻辑组合输入法 图9-7 译码输入法1MI0.0I0.1 L+MSB3SB4SB5FR1 FR2 FR3SB11MI0.0I0.1 L+MSB2SB3对在工艺上绝对不可能同时出现的的开关信号，用二极管译码的方法扩展输入点，如图9-7所示。3）分组输入法对在工艺中不同工作方式使用的输入点，可通过外电路分组的方法达到扩展输入点的目的。如图9-8所示。1M 1LI0.0 Q0.0I0.1 Q0.1I0.2 Q0.2I0.3L+M图9-9 二极管矩阵输入法SQ11MI0.0I0.1 I0.5L+MSQ
24、2SB2SB1图9-8 分组输入法自 手4）矩阵输入法当PLC的输出点富裕且输入点不够用时，可通过对输出点的扫描，实现二极管矩阵输入，从而大大扩展输入点数，如图9-9所示。1LQ0.0Q0.1 Q0.2AC220V图9-10 输入按钮的直接控制法5）输入按钮直接控制法将输入按钮直接连接在需要控制的输出设备上，以减少对输入点数的使用，如图9-10所示。8对输出点不够时，可参考下列方法扩展：1）分组控制法对不同时工作的负载，可通过分组控制的方法减少输出点的使用。如图9-11所示。1LQ0.0Q0.1 Q0.2AC220VAC220V K1 K2 K2 K3 K3K1K2K3图9-12 输出继电器接
25、点译码法1LQ0.0Q0.1 Q0.2AC220V图9-11 输出分组控制法2）输出继电器接点译码法通过输出继电器接点译码可扩展输出点，如图9-12所示。932 PLC供电系统的设计 供电系统的设计直接影响控制系统的可靠性，因此在设计供电系统时可从以下几方面考虑： 1电源进线处应该设置紧急停止PLC的硬线主控继电器(Master Control Relay)，它可以专用一只零压继电器，也可以借用液压泵电机接触器的常开触点 2用户电网电压波动较大或附近有大的电磁干扰源，需在电源与PLC间加设隔离变压器或电源滤波器，使用隔离变压器的供电。 图9-13所示为使用隔离变压器的供电系统示意图，控制器和I
26、/O系统分别由各自的隔离变压器供电，并与主回路电源分开。这样当输入输出供电中断时不会影响控制器的电源。双绞线控制器其它设备电源I/O电源主电源 隔离变压器图9-13 带隔离变压器的供电系统220V3当输入交流电断电时，应不破坏控制器程序和数据，故使用UPS供电。不间断电源UPS是电子计算机的有效保护装置，平时处于充电状态，当输入交流电(220V)失电时，UPS能自动切换到输出状态，继续向计算机供电。图9-14是使用UPS的供电系统示意图。根据UPS的容量，在交流电失电后可继续向控制器供电10-30min。因此对于非长时间停电的系统，其效果是显著的。图9-14 使用USP的供电系统其它设备电源I
27、/O电源220VUPS电源控制器电源 4在控制系统不允许断电的场合，考虑供电电源的冗余，采用双路供电。 为了提高供电系统的可靠性，交流供电最好采用双路电源分别引自不同的变电站；当一路供电出现故障时，能自动切换到另一路供电。图9-15a为双路供电系统的示意图，图9-15b为RAA、RAB欠压继电器控制电路。假设先合上AA开关，则由于B路RAB没有吸合，RAB的常闭触点处闭合状态，因而实现了A路的供电控制。然后合上BB开关，由于RAA常闭触点已得电断开，故B路处于备用状态。当A路电压降低到规定值时，如低于190V时，欠压继电器RAA复位，其常闭触点闭合使B路开始供电，同时RAB常闭断开。由B路切换
28、到A路供电的原理与此相同。B路220VA路220VRAARABAABB220VRABRAAKA1RAARABKA1KA2RABRAAKA2RAA欠电压继电器控制电路RAB欠电压继电器控制电路图9-15 双路供电系统b)欠电压继电器控制回路a) 双路供电系统的示意图933 电气柜结构设计PLC的主机和扩展单元可以和电源断路器、控制变压器、主控继电器以及保护电器一起安装在控制柜内，既要防水、防粉尘、防腐蚀，又要注意散热，若PLC的环境温度大于550C时，要用风扇强制冷却。与PLC装在同一个开关柜内、但不是由PLC控制的电感性元件，如接触器的线圈，应并联消弧电路，保证PLC不受干扰。PLC在柜内应远
29、离动力线，两者之间的距离应大于200mm,PLC与柜壁间的距离不得小于100mm，与顶盖、底板间距离要在150mm以上。934 现场布线图设计 1PLC系统应单独接地，其接地电阻应小于100，不可与动力电网共用接地线，也不可接在自来水管或房屋钢筋构件上，但允许多个PLC机共用接地线，也允许与弱电系统共用接地线，接地极应尽量靠近PLC主机。 2敷设控制线时要注意与动力线分开敷设（最好保持200mm以上的距离），分不开时要加屏蔽措施，屏蔽要有良好接地。控制线要远离有较强的电气过渡现象发生的设备（如晶闸管整流装置、电焊机等）。交流线与直流线、输入线与输出线都最好分开走线。开关量、模拟量I/O线最好分
30、开敷设，后者最好用屏蔽线。94 PLC控制系统的软件设计PLC控制系统的软件设计就是指针对生产工艺要求的控制程序的设计，也就是常说的用户程序的设计。用户程序的设计需在前述分析工艺过程，明确控制要求，列出输入输出分配表的基础上进行，通常包括的基本内容是：1绘制系统控制流程图根据系统的控制要求，用流程图形式将系统的控制过程描绘出来，以清楚地表明动作的顺序和条件。2编制程序根据系统控制流程图，用PLC的程序语言编制程序。这是程序设计的关键一步，也是比较困难的一步。要完成一个好的程序设计，首先要十分熟悉控制要求，同时还要有一定的电气设计的实践经验。3程序测试用编程器将程序输入到PLC的用户程序存储器中
31、，并检查输入的程序是否正确。然后对程序进行调试和修改，直到满足要求为止。4编制程序设计说明书程序说明书是对所编程序功能、程序的基本结构、各功能单元分析、各参数的来源和运算过程、运行原理、程序测试方法等重要内容的注释和综合说明，主要是让程序维护者、现场调试人员、使用者了解程序的基本结构、基本原理和对某些问题的特定处理方法，以及使用中应注意的事项等等。在程序设计过程中，程序编写是最重要的一环。程序编写的质量直接影响程序运行的工作效果。在程序设计的全过程中，要充分考虑各种运行状态以及各种可能出现的情况，要按一套有效的方法、遵循一套完整的步骤进行。否则，在设计中如果采用走一步试一步的作法，随用随改，就
32、有可能忽略掉一些不常见的运行状态，因而导致整个功能的崩溃。PLC的应用程序的工程设计方法有很多种。有的方法是以理论分析为基础，沿用数字电路的逻辑设计方法来进行设计；有的则直接从控制功能出发，借用继电接触器系统的原理图来进行设计，即通常大家常说的经验设计法；由于在PLC控制系统中，顺序控制方式占相当大的份额，因此，一种基于将控制过程划分为步、并在控制过程中解决由上一步进行到下一步的转换的典型设计方法，即顺序控制设计法也在PLC的应用程序的工程设计中大量使用。本章因篇幅所限仅介绍经验设计法及功能图设计法，其余方法可参阅相关资料。除了上述设计方法以外，在某种具体的设计方法中，还可能采用不同的设计技巧
33、。如通常在顺序控制设计中可能采用功能图设计，也可能采用状态表设计。就采用关键指令的技巧而言，无论简单系统还是复杂系统，在顺序控制设计中就有采用通用逻辑指令、步进指令、置位和复位指令以及使用移位寄存器等数种方式。 941 梯形图的经验设计法在PLC应用的初期，大多数工程技术人员设计继电接触控制电路的习惯，基本上还是沿用设计继电接触控制电路图的方法来设计PLC应用程序的梯形图，这种方法即称为梯形图的经验设计法。这种方法是依据一些典型的电路来设计梯形图，并参照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，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
34、果。这种方法没有确切的规则可以遵循，具有很大的试探性和随意性，更多依赖于设计人员的经验，最后所得出的结果不是唯一的。这种方法设计所用的时间、设计的质量与设计者的经验有很大的关系。它可以用于较简单的梯形图的设计。下面通过两个例子来介绍这种设计方法。1送料小车自动控制系统的梯形图设计左行 右行I0.1T37I0.0Q0.0Q0.0I0.2I0.3Q0.1I0.0T38I0.1Q0.1Q0.1I0.2I0.4Q0.0左行右行I0.3IN TONPTK350T38Q0.2装料I0.4IN TONPTK350T37Q0.3卸料图9-16 小车自动装卸料控制I0.3 I0.4控制要求送料小车首先在轨道的最
35、左端装料，在这里小车同时压下行程开关I0.3（见图9-16），25s后小车装料结束，开始右行。当小车碰到行程开关I0.4后右行停止，并停下来卸料，35s后卸料完毕并开始左行。当小车再次碰到行程开关I0.3后停止左行，并在停下来的过程中装料。这样装料、右行、卸料、左行，不停地循环工作。直到按下停止按钮I0.2后，整个过程完全停止。按钮I0.1和I0.0分别用来起动小车右行和左行。设计过程根据小车的生产过程可知，小车的主要运动是正反转，在正反转基础上，在加入停车、装料、卸料等自动环节，即可完成设计任务。具体过程为：绘出具有双重互锁的正反转控制梯形图；为了达到小车自动停止的目的，在控制小车右行的Q0
36、.1的输出线圈电路中和控制小车左行的Q0.0的输出线圈电路中分别串入了I0.4和I0.3的常闭触点；为了使小车自动起动，将控制装、卸料延时的定时器T38和T37的常开触点分别与手动起动右行和左行的I0.1和I0.0的常开触点并联，即分别以控制装料延时的定时器T37的常开触点来控制小车自动起动右行，而用控制卸料延时的定时器T38的常开触点来控制小车自动起动左行；为了自动装卸料，在小车左行或右行结束时，用限位开关I0.3和I0.4的常开触点分别接通装料、卸料电磁阀和相应的定时器。据此设计出的梯形图程序如图9-16所示。2两处卸料小车的自动控制系统梯形图设计控制要求两处卸料小车控制系统与一处卸料小车
37、控制系统大致相同，仍然要求在限位开关I0.3处装料，不同的是将分别依次在限位开关I0.5和限位开关I0.4处轮流卸料。设计过程由于两个例子有很多相近之处，故上一个例子中的许多设计结果这里可以利用。而二者不同的地方，则需要我们着重加以分析，以解决新的矛盾。左行 右行I0.3 I0.5 I0.4I0.3IN TONPTK350T38Q0.2装料I0.5T38I0.1Q0.1Q0.1I0.0I0.2Q0.0右行M0.0I0.4T37I0.0Q0.0Q0.0I0.1I0.2Q0.1左行I0.3图9-17 两出卸料小车的自动控制I0.4IN TONPTK350T37Q0.3卸料I0.5Q0.0Q0.1Q
38、0.1I0.5M0.0M0.0I0.4如图9-17所示，小车在一次工作循环中的两次右行都将压下限位开关I0.5，同时当从限位开关I0.4处开始左行时也将再次压下限位开关I0.5。按照工作流程的要求，第一次压下它时停下卸料，第二次、第三次压下它时继续前进。显然，单靠限位开关I0.5是不可能同时满足这样两个要求的。解决这第一个矛盾的方法是设置一个具有记忆功能的编程元件，用来区分是第一次还是后两次碰到限位开关I0.5。图9-17所示的梯形图是在图9-16的基础上按照新的要求修改而成的。按照控制流程的要求我们知道，小车在第一次压下限位开关I0.5和压下限位开关I0.4时都应停止右行，所以将它们的常闭触
39、点串接在控制Q0.1输出线圈的电路中。但是这样一来，当小车第二次压下限位开关I0.5时，仍将在中途停止而不能达到最右端处。为了解决这个问题，在设计中我们首先引入一个具有记忆功能的编程元件(一个“软继电器”)，即内部标志寄存器位M0.0位，以它来记忆小车是第一次还是第二次压下限位开关I0.5，并将其中限位开关I0.5的触点与M0.0位的触点相并联，使I0.5停止右行的作用受到M0.0位的制约。M0.0位在这里的作用是记忆是第几次压下限位开关I05。它在图9-17中I0.3至I0.5行程内接通，因此小车在第二次右行经过限位开关I0.5时不会停止右行。这里一个关键的问题是如何设计对“软继电器”M0.
40、0位的控制。从图上可见，因为我们规定其在图中I0.3至I0.5行程内接通，因此似乎是当小车压下限位开关I0.5时置位M0.0位，而当小车压下限位开关I0.3时清零M0.0位。如果是这样设计，我们将在调试时发现小车从限位开关I0.4开始左行，经过限位开关I0.5时M0.0位也被接通，使小车下一次右行到达限位开关I0.5时无法停止运行。显然，在这个记忆电路中还应当记下点什么。让我们仔细分析在整个循环中三次压下限位开关I0.5究竟有何不同。我们可以看出，当第一次压下限位开关I0.5时，进入在中间点卸料的延时阶段，小车既不左行也不右行；而当第二次压下限位开关I0.5时，小车正处于右行阶段，但同时M0.
41、0位已置1，这一情况不在考虑之列；而当第三次压下限位开关I0.5时，小车正处于左行阶段。鉴于第一次和第三次的区别，我们以非左行和压下限位开关I0.5的与条件作为置位M0.0位的条件，即将Q0.2的常闭触点和I0.5的常开触点串联作为M0.0位梯级的启动条件。此外很容易知道，小车往返经过限位开关I0.5时，虽然不会停止运行，但会出现短暂的卸料动作。为解决这个问题，将Q0.0和Q0.1的常闭触点串入控制卸料的Q0.3输出线圈的电路。同时，为了实现两处卸料，将I0.3和I0.5的触点并联后驱动Q0.3和T38。用经验法设计复杂系统的梯形图应用程序，存在着以下一些问题：1设计方法不规范，难于掌握，设计
42、周期长 用经验法设计系统的梯形图时，对于功能要求千差万别的控制系统，没有一种通用的、规范的、容易掌握的设计方法，没有一套完整、固定的步骤可以遵循，具有很大的试探性和随意性。对于完全相同的系统，由于设计人员不同，其设计结果可能会大相径庭。在设计复杂系统的梯形图时，往往采用大量的中间单元来完成记忆、联锁、互锁等功能。由于需要考虑的因素很多；这些因素往往又交织在一起，因此分析起来非常困难，并且很容易遗漏掉一些本应该加以考虑和注意的问题。在修改设计某一局部电路时，很可能会“牵一发而动全身”，对系统的其它部分产生意想不到的影响。因此梯形图的修改也很麻烦，往往事倍功半。2装置交付使用后维修困难 用经验法设
43、计出的梯形图往往非常复杂而且不规范。对于其中某些复杂的逻辑关系，即使同是设计技术人员，分析起来也都很困难，甚至设计者本人，如果不仔细记录设计文档，在一定时间以后，有可能也分析不清楚了。这样复杂的问题，一般维修人员就很难胜任。这些都给PLC控制系统的维修和改进带来了极大的困难。 942 梯形图的功能图设计法功能图设计法又称状态流程图设计法，亦称为Grafacet法，是专门用于顺序控制的一种程序设计法。它由法国人根据Petri网理论所建立。法国已将Grafacet法的功能说明语言定为法国国家标准NFC 03190。我国也在1986年颁布了功能图的国家标准GB6988.6-86。国际电工委员会(IE
44、C)也公布了类似的“控制系统功能准备”标准IEC 848。许多PLC厂家为此专门开发了一种功能指令，称为顺序控制继电器指令或步进指令，如西门子公司S7-200系列PLC的SCR指令、三菱公司PLC的STL指令等等。1功能图的概念 功能图是一种描述顺序控制系统功能的图解表示方法，主要由“步”、“转移”及“有向线段”等元素组成。1）步 步是功能图中的基本元素，用来说明控制系统的稳定状态。步用矩形方框表示，方框中的数字是该步的编号。步分为初始步、工作步两种形式。(1)初始步：顺序过程的初始状态用初始步说明。一个控制程序至少应有一个初始步。初始步符号如图9-18a所示。(2)工作步：工作步说明控制系统的正常运行状态。工作步符号如图9-18b所示。(3)与步对应的动作：步是指一个稳定的状态，即表示过程中的一个动作，用该步右边的一个矩形框及内部的文字或符号来表示，如图9-18c所示。当系统中的某步处于活动状态时，称该步为“活动步”。122工作台快进a)初始步的符号 b)工作步的符号 c)与步对应的动作 图9-18 步的表示方法2）有向线段带有箭头的有向连线表示状态转移路线，通常从上往下、从左