新鄉(xiāng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 姜 坤

1.引言

可編程控制器是將繼電器控制的概念和設(shè)計(jì)思想與計(jì)算機(jī)技術(shù)及微電子技術(shù)相結(jié)合而形成的專門從事邏輯控制的微機(jī)系統(tǒng)。在PLC系統(tǒng)應(yīng)用中，梯形圖的設(shè)計(jì)往往是最主要的問題。梯形圖不但沿用和發(fā)展了電氣控制技術(shù)，而且其功能和控制指令已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過電氣控制范疇。它不僅可實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算，還具有算術(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)處理、聯(lián)網(wǎng)通信等功能，是具有工業(yè)控制指令的微機(jī)系統(tǒng)。由于梯形圖的設(shè)計(jì)是計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)與電氣控制設(shè)計(jì)思想結(jié)合的產(chǎn)物，因此，在設(shè)計(jì)方法上與計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)和電氣控制設(shè)計(jì)既有相同點(diǎn)，也有不同點(diǎn)。本文對(duì)開關(guān)量控制系統(tǒng)梯形圖的設(shè)計(jì)，提出了五種常用方法。

2.PLC梯形圖程序設(shè)計(jì)的步驟

設(shè)計(jì)PLC控制系統(tǒng)，關(guān)鍵是設(shè)計(jì)人員對(duì)實(shí)際問題的理解，只有正確理解實(shí)際控制問題，經(jīng)過驗(yàn)證，才能得出好的設(shè)計(jì)方案，PLC梯形圖程序設(shè)計(jì)的步驟如圖1所示。

（1）明確任務(wù)，確定被控制系統(tǒng)必順完成的動(dòng)作及完成這些動(dòng)作的順序。

（2）分配輸入、輸出設(shè)備，確定哪些外部設(shè)備輸入信號(hào)到PLC，哪些外部設(shè)備接收PLC的輸出信號(hào)，并將PLC的輸入、輸出口與之對(duì)應(yīng)進(jìn)行分配，選擇PLC的機(jī)型。

（3）設(shè)計(jì)PLC程序畫出梯形圖，在梯形圖上應(yīng)體現(xiàn)完成任務(wù)的全部功能，正確的工作順序和符合要求的相互關(guān)系。

（4）設(shè)計(jì)與PLC配套的外圍電路，給出PLC外部電路接線圖。

（5）調(diào)試梯形圖，分模擬調(diào)試和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試兩種形式，前者屬于實(shí)驗(yàn)性操作，常用指示燈顯示運(yùn)行結(jié)果；后者是實(shí)際性操作檢驗(yàn)實(shí)際的被控系統(tǒng)的動(dòng)作驗(yàn)證運(yùn)行情況。

3.五種常見的PLC梯形圖設(shè)計(jì)方法

3.1 經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法

經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法也叫試湊法，它要求設(shè)計(jì)者在掌握大量的典型電路的基礎(chǔ)上，將實(shí)際控制問題分解成典型控制電路，然后用典型電路或修改的典型電路拼湊梯形圖。這種方法沒有普遍的規(guī)律可以遵循，具有很大的試探性和隨意性，最后的結(jié)果往往不是唯一的。設(shè)計(jì)者所用的時(shí)間、設(shè)計(jì)的質(zhì)量與設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)有很大的關(guān)系，一般用于較簡(jiǎn)單的梯形圖的設(shè)計(jì)。一些電工手冊(cè)中給出了大量常用的繼電器控制電路，在用經(jīng)驗(yàn)法設(shè)計(jì)梯形圖時(shí)，可以參考這些電路。下面給出經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法中一些常用的基本電路。

3.1.1 起、保、?？刂铺菪螆D(圖2)

X400為Y430的起動(dòng)信號(hào)，X401是Y430的停止信號(hào)，Y430的常開接點(diǎn)為自鎖(自保)環(huán)節(jié)。

3.1.2 順序起?？刂铺菪螆D(圖3)

圖3中起動(dòng)的順序是先Y431再Y432，停止的順序是先Y432再Y431，相應(yīng)的互鎖接點(diǎn)見圖3中所示。

3.1.3 自動(dòng)與手動(dòng)控制梯形圖

在自動(dòng)與半自動(dòng)工作設(shè)備中，有自動(dòng)控制與手動(dòng)控制如圖4所示。當(dāng)X401為ON時(shí)，執(zhí)行MC、MCR主控及主控復(fù)位指令，系統(tǒng)運(yùn)行自動(dòng)控制程序，同時(shí)系統(tǒng)執(zhí)行跳轉(zhuǎn)指令CJP，直接跳過手動(dòng)控制程序，手動(dòng)控制程序無效。當(dāng)X401為OFF時(shí)，主控指令不執(zhí)行，自動(dòng)控制無效，跳轉(zhuǎn)指令也不執(zhí)行，手動(dòng)控制程序有效。

3.1.4 時(shí)序控制梯形圖

由圖5可以看出，Y430的得電遲于X400的上升沿10s，而Y430的失電遲于X401的下降沿5s，屬于延合延分控制。

3.2 翻譯設(shè)計(jì)法

圖1 PLC編程一般規(guī)律示意圖

圖2 起保?？刂铺菪螆D

圖3 順序起停控制梯形圖

圖4 自動(dòng)與手動(dòng)控制梯形圖

圖5 時(shí)序控制梯形圖和時(shí)序圖

圖6 電氣原理圖

圖7 I/O接線圖

圖8 梯形圖

有時(shí)又稱替代設(shè)計(jì)法。它是把繼電器接觸器控制系統(tǒng)的電器原理圖直接翻譯成PLC梯形圖。

3.2.1 翻譯設(shè)計(jì)法的設(shè)計(jì)步驟

a.將檢測(cè)元件、控制元件（如行程開關(guān)、按鈕等）合理安排，接入PLC的輸入口；

b.將被控對(duì)象（如電磁閥線圈、接觸器線圈等）接入PLC的輸出口；

c.把由繼電器接觸器硬件完成的控制功能由PLC的軟件（即梯形圖）來完成。

3.2.2 應(yīng)用舉例

例如：電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)控制電路，原理線路如圖6所示。

改用PLC控制后，其I/O接線和梯形圖分別如圖7、圖8所示。

這種方法，其優(yōu)點(diǎn)是程序設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)單。這些原有的繼電器控制系統(tǒng)設(shè)備，經(jīng)過多年的運(yùn)行實(shí)踐，證明其設(shè)計(jì)是成功的。有現(xiàn)成的電氣控制線路作依據(jù)，設(shè)計(jì)周期短，但缺點(diǎn)是由于PLC和繼電器、接觸器控制系統(tǒng)的工作方式，動(dòng)作速度不同。有可能直接翻譯的話，容易出現(xiàn)問題。因而一般只在比較簡(jiǎn)單的控制系統(tǒng)中應(yīng)用，并要在設(shè)計(jì)完后進(jìn)行驗(yàn)證。

3.3 邏輯代數(shù)設(shè)計(jì)法

在繼電器接觸器控制線路中用邏輯代數(shù)設(shè)計(jì)法比較容易獲得最佳設(shè)計(jì)方案。設(shè)計(jì)出來的控制線路既符合工藝要求，又達(dá)到工作可靠、經(jīng)濟(jì)合理，因而得以廣泛的應(yīng)用。

3.3.1 邏輯代數(shù)設(shè)計(jì)法的設(shè)計(jì)步驟

a.根據(jù)控制要求，列出輸入輸出及輔助繼電器等之間關(guān)系的狀態(tài)表；

b.根據(jù)狀態(tài)表列寫出邏輯函數(shù)表達(dá)式，并化簡(jiǎn)；

c.根據(jù)化簡(jiǎn)后的邏輯表達(dá)式畫出梯形圖。

3.3.2 應(yīng)用舉例

某一電動(dòng)機(jī)只有在三個(gè)按鈕中任何一個(gè)或任何兩個(gè)動(dòng)作時(shí)，才能運(yùn)轉(zhuǎn)，而在其他任何情況下都不運(yùn)轉(zhuǎn)，試設(shè)計(jì)其梯形圖。

將電動(dòng)機(jī)運(yùn)行情況由PLC輸出點(diǎn)0500來控制，三個(gè)按鈕分別對(duì)應(yīng)PLC輸入地址為A、B、C。

根據(jù)題意，三個(gè)按鈕中任何一個(gè)動(dòng)作，PLC的輸出點(diǎn)0500就有輸出。其邏輯代數(shù)表達(dá)式為：0500=ABC+ABC+ABC

當(dāng)三個(gè)按鈕中有任何兩個(gè)動(dòng)作時(shí)，輸出點(diǎn)0500的邏輯代數(shù)表達(dá)式為：0500=ABC+ABC+ABC

因兩個(gè)條件是“或”關(guān)系，所以電動(dòng)機(jī)運(yùn)行條件應(yīng)該為：0500=0500+0500=ABC+ABC+ABC+ABC+ABC+ABC

簡(jiǎn)化該式得：0500=A(B+C)+A(B+C)根據(jù)邏輯代數(shù)表達(dá)式，畫梯形圖，如圖9所示。

利用這種方法設(shè)計(jì)最大的特點(diǎn)是可以把很多的邏輯關(guān)系最簡(jiǎn)化，當(dāng)然出于可靠和安全性角度考慮的冗余設(shè)計(jì)是另外一個(gè)問題。

3.4 順序控制設(shè)計(jì)法

所謂順序控制就是按照生產(chǎn)工藝預(yù)先規(guī)定的順序，在各個(gè)輸入信號(hào)的作用下，根據(jù)內(nèi)部狀態(tài)和時(shí)間的順序關(guān)系，在生產(chǎn)過程中各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)自動(dòng)有秩地進(jìn)行操作。

3.4.1 基本設(shè)計(jì)步驟

a.分析控制系統(tǒng)，將控制過程分為若干個(gè)工步，明確每個(gè)工步的功能，確定各工步的轉(zhuǎn)換條件；

b.為每個(gè)設(shè)定工步設(shè)定控制位。控制位最好使用同一個(gè)通道的若干連續(xù)位；

c.在前兩點(diǎn)的基礎(chǔ)上畫出功能表圖；

d.根據(jù)功能表圖畫出梯形圖。

3.4.2 應(yīng)用舉例

圖10是某動(dòng)力頭運(yùn)動(dòng)的示意圖。

快進(jìn)時(shí)進(jìn)給電機(jī)M1正轉(zhuǎn)，同時(shí)快速電磁鐵YA得電吸合，工進(jìn)時(shí)YA失電?？焱藭r(shí)進(jìn)給電機(jī)M1反轉(zhuǎn)，同時(shí)快速電磁鐵YA得電吸合。

經(jīng)分析繪制的順序功能圖如圖11所示。

HR000-HR002共3個(gè)保持繼電器構(gòu)成3個(gè)控制位，分別代表3個(gè)工步。這是一種典型的順序控制，后一工步工作條件是以前一工步為前提，因此采用寄存器移位控制方式。根據(jù)順序功能圖編寫的梯形圖如下圖12所示，圖中0000是起動(dòng)按鈕對(duì)應(yīng)輸入點(diǎn)，0004是停止按鈕對(duì)應(yīng)輸入點(diǎn)，選用HR000-HR003共4個(gè)保持繼電器構(gòu)成4個(gè)控制位，分別代表4個(gè)工步。

順序控制設(shè)計(jì)法有一定的規(guī)律可循，所編寫的程序易讀、易檢查、易修改。是常用設(shè)計(jì)方法之一。

3.5 功能模塊設(shè)計(jì)法

如果PLC輸出信號(hào)的狀態(tài)變化有一定的時(shí)間順序，可用時(shí)序圖法設(shè)計(jì)程序。因?yàn)樵诋嫵龈鬏敵鲂盘?hào)的時(shí)序圖后，容易理順各狀態(tài)轉(zhuǎn)換的時(shí)刻和轉(zhuǎn)換的條件，從而建立清晰的設(shè)計(jì)思路。時(shí)序圖設(shè)計(jì)法步驟如下：

明確各I/O信號(hào)之間的時(shí)序關(guān)系，畫出各I/O信號(hào)的時(shí)序圖。

a.把時(shí)序圖劃分成若干時(shí)間區(qū)段，找出區(qū)段間的分界點(diǎn)，弄清分界點(diǎn)各處各輸出信號(hào)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換關(guān)系和轉(zhuǎn)換條件；

b.確定所需定時(shí)器(或計(jì)數(shù)器)的個(gè)數(shù)及其賦值；

c.根據(jù)時(shí)序圖，定時(shí)器和I/O分配畫出梯形圖；

d.檢查程序是否符合要求，進(jìn)一步修改程序。

例如：在電梯的PLC控制系統(tǒng)中，對(duì)電梯控制按功能可分為：廳門開關(guān)控制模塊、選層控制模塊、電梯運(yùn)行控制模塊、呼梯顯示控制模塊等。按照功能模塊設(shè)計(jì)法，程序結(jié)構(gòu)清晰，

便于調(diào)試，還可根據(jù)需要靈活增大其它控制功能。當(dāng)然在設(shè)計(jì)中要注意模塊之間的互相影響，時(shí)序關(guān)系，以及聯(lián)鎖指令的使用條件。時(shí)序圖設(shè)計(jì)法直觀明了，但在設(shè)計(jì)中需找準(zhǔn)一個(gè)參考點(diǎn)，作為整個(gè)設(shè)計(jì)中的時(shí)間計(jì)算起始點(diǎn)。

圖9 梯形圖 圖10 某動(dòng)力頭運(yùn)動(dòng)示意圖

圖11 動(dòng)力頭順序功能

圖12 動(dòng)力頭控制的梯形圖

4.結(jié)束語

本文介紹了PLC梯形圖幾種設(shè)計(jì)方法，這幾種方法都是在實(shí)踐中得到廣泛的應(yīng)用，當(dāng)然在實(shí)際的具體應(yīng)用中，可根據(jù)具體情況，擇優(yōu)使用其中的某一種方法。