PLC 原理与应用

1. PLC原理与应用 电气学院 自动化 杨霞 2007年2月

2. PLC原理与应用 第9讲 • 讲解内容： • 6 顺序逻辑控制的PLC程序设计 • 6.1 PLC程序设计的一般步骤 • 6.2 用基本逻辑操作指令实现顺序逻辑控制 • 学习说明 ： • 本讲是学习PLC程序设计知识。重点掌握： • 1 PLC程序设计的步骤 • 2 什么是状态、状态的表示方法（状态编码）、状态变量 、状态与状态变量的关系式 • 3 状态方程与输出方程的列写原则

3. 6 顺序逻辑控制的PLC程序设计6.1 PLC程序设计的一般步骤 • 进行PLC控制设计时必须做好以下3方面基础工作（调研）： • 1.了解系统的概况:包括系统的控制目标、控制方案、控制规模、整体功能、具体功能、控制精度、I/O种类和数量、是否需要通讯、通讯内容与方式、是否需要显示、显示内容与方式、操作方式，等等，应尽量对系统有一个全面的了解。 • 2.熟悉使用的PLC的类型、功能、编程语言和指令系统，能熟练地操作编程器和控制器。 • 3.根据控制系统的控制要求、设备、器件条件、工艺过程，结合采用的PLC的功能强弱，确定PLC在整个控制系统中所承担的工作任务。

4. PLC程序设计主要有以下几个步骤 • PLC程序设计主要有以下几个步骤： • 1．根据PLC担负的任务，明确PLC的输入输出信号的种类和数量，编制输入输出信号表。 • 2．制定控制结构框图,选择控制方案。 • 3．按选定的方案,制定相应的图表。 • 4．编写PLC梯形图程序。 • 5．编写PLC语句程序。 • 6．程序调试和修改。 • 7．编制程序使用说明书和其他文件

5. 几个常识 • 参量的检测： • 有些是通过专门的设备进行，有些是通过专门器件结合执行部件的运用来进行。 • 对检测装置的控制有一些不属于电气控制的范畴，不需要再做电气控制方面工作。 • PLC承担的任务： • PLC承担主逻辑控制的任务。 • PLC也承担了部分辅助逻辑控制的任务。PLC内部设有检测单元，计数器、定时器就是典型的例子。 • 注意：我们在编制I/O信号表时，要区分主逻辑控制和辅助逻辑控制这两类任务，再确定各自的输入输出信号。

6. 6.2 用基本逻辑操作指令实现顺序逻辑控制6.2.1 设计顺序逻辑控制程序的思路 • 思路1：下面我们先来研究设计顺序逻辑控制程序的思路。控制要求的提出往往是着眼于输入和输出，一般的模式是给定什么输入，要求出现什么输出。人们往往按控制要求的思路，把输出和输入直接对应起来进行设计。这样做往往因为输入条件不够，顾此失彼，而不能顺利完成设计；即使设计出来，也没有一定规律可循。该思路不可取! • 思路2：就是通过中间量把输入和输出联系起来。先建立合适的中间变量，设计出中间变量与输入的关系，再设计出输出与中间变量的关系，实际上就找到了输出和输入的关系，完成了设计任务。我们就按这个途径来研究顺序逻辑控制的实现方法，就用这种方法设计PLC程序，设计者可以顺利地设计出结果正确的PLC程序。

7. 6.2.1 设计顺序逻辑控制程序的思路 • 按时序机（有限自动机）理论对顺序逻辑控制分析： • 根据控制要求直接研究系统的内部状态的构成，准确地确定内部状态，建立状态表或状态图，按照时序机模型使输入直接对应状态得到状态方程，再由状态直接对应输出变量，得到输出方程，然后根据状态方程、输出方程表达式做出控制电路图或PLC梯形图。 • 按时序机模型的方法设计实现顺序逻辑控制的PLC程序的关键： • 关键之一:是准确地确定控制系统的内部状态; • 关键之二:是怎样表达这些内部状态。

8. 6.2.2 采用时序机模型设计顺序逻辑控制PLC程序的步骤 • 下面我们给出使用基本逻辑指令（触点的串并联）设计顺序逻辑控制PLC程序的步骤 • 1．分析所给系统，确定PLC输入变量(信号)和输出变量(信号)，并分配具体的存储单元。 • 2．分析所给系统，确定内部状态，并对状态进行编码。 • 3．画状态转换图，列状态转换真值表。 • 4．写出状态转换逻辑式，即状态方程。 • 5．写出输出方程。 • 6．给状态变量分配存储单元。 • 7．按状态方程、输出方程编写PLC梯形图程序和语句程序，即完成主逻辑控制程序的设计。 • 8．按检测方面的需要，编写辅助逻辑控制程序。

9. 6.2.3 状态和状态变量的确定 • 主要讨论状态和状态变量的确定和状态方程、输出方程的列写 • 1．什么是“状态” • 在一个时间段上系统维持不变的行为，就称为“状态”，也可以称一个行为维持不变的时间段为一个“状态”。 • 2．状态的表示方法（状态编码） • 控制系统的状态用描述系统的最小一组变量来表征。 • 开关量控制系统的状态用二进制数编码的一组数码来表征。 • 我们设计开关电路和PLC程序，一般应根据控制要求，首先确定状态数m，然后确定状态变量数n。对于顺序逻辑控制，在这里给出一个实用的编码方案。这个编码方案采用菱形结构。

10. 6.2.3 状态和状态变量的确定 • 【例6-2-1】M=6，6个状态分别是S1，S2，S3，…，S6。其编码是：n=3

11. 6.2.3 状态和状态变量的确定 • 【例6-2-2】M=8，8个状态分别是S1，S2，S3，…，S8。其编码是：n=4

12. 6.2.3 状态和状态变量的确定 • 【例6-2-3】M=5，5个状态分别是S1，S2，S3，…，S5。其编码是：n=3

13. 菱形结构状态编码的规则 • 由以上三例我们总结出来，菱形结构状态编码的规则是： • ⑴ 状态变量连续取1的原则。 • ⑵ 每个状态变量连续取1数与状态变量数相等。 • ⑶ 相邻两个状态的编码只有一位码不同，其他几位都相同。 • 以上三条就决定了所有取1处总体上构成了一个菱形，所以称为菱形结构编码方案。 • 注意：当m为奇数时，见【例6-2-3】，我们把原来菱形结构的m+1个状态中的第m个状态去掉，第m+1个状态作为第m个状态，构成缺角菱形结构。

14. 状态与状态变量关系与菱形结构编码方案的优点状态与状态变量关系与菱形结构编码方案的优点 • 状态与状态变量关系：菱形结构(含缺角菱形结构)状态数m和状态变量n的关系是： • 是大于或等于 的最小整数。 菱形结构编码方案的优点是： ⑴ 一个状态变量在一个控制过程中只ON一次，OFF一次，使编程简化，也满足即时输出指令对于给定的输出继电器在程序中只出现一次的要求。 ⑵ 便于按逻辑段编程且规律性很强。 ⑶ 最后一个状态，所有的状态变量都取0值，这满足了一般控制电路停机断电的要求。

15. 6.2.4 状态方程的列写（举例说明）* • 【例6-2-4】设有8个状态，即m=8，各状态依次顺序转换，画出状态转换表。 • 分析： • 由m=8→状态变量数n=8/2=4。m=8，至少有8个主令信号，担负着状态切换的任务。 • 由于状态由状态变量构成，每个状态切换主令信号切换的是状态变量 • 由切换状态变量实现切换状态的目的。列写的状态方程是状态变量与输入关系的方程。 • 每个状态切换主令信号对于切换的状态变量来说是脉冲信号。

16. 菱形结构状态转换表

17. 注意：状态变量与开关的关系 • 注意：菱形结构的4个状态变量实际上就是4个顺序导通又顺序关断的4个开关，完全可以按照逻辑段的一般表达式Y=（A+Y）·，来写出各状态变量的逻辑表达式，也就是状态方程。 • 其中：A是导通切换命令组，B是关断切换命令组。

18. 状态方程及输出方程的列写例：已知状态转换表如下状态方程及输出方程的列写例：已知状态转换表如下

19. 一、列写状态方程的表达式：

20. 状态方程及状态变量表达式

21. 状态方程及状态变量表达式

22. 总结例题：一般状态方程及状态变量表达式

23. 总结例题：一般状态方程及状态变量表达式

24. 状态方程及输出方程的列写例：已知状态转换表（方便讲解再列如下）状态方程及输出方程的列写例：已知状态转换表（方便讲解再列如下）

25. 二、 输出方程的列写 • 输出方程：是表达执行器件与状态变量之间的逻辑关系式。 • 输出方程的规律性总结6个： • 1．如果执行元件的两个端点，分别与同一个状态变量的上、下端点同线，那么执行器件逻辑函数表达式由这个状态变量构成。 • 【例6-2-4】中 Dl=Q1 • 2．如果执行元件的两个端点，分别与一个状态变量的上端点和另一个状态变量的下端点同线，且前者的上端点高于后者的上端点，那么执行元件的函数表达式为这两个状态变量的逻辑和(或式)。 • 【例6-2-4】中 D2=Q3+Q4 • 3．如果执行元件的两个端点，分别与一个状态变量的上端点和另一个状态变量的下端点同线，且前者的上端点低于后者的上端点，那么执行元件逻辑函数的表达式为这两个状态变量的逻辑积（与式）。 • 【例6-2-4】中 D3=Q3·Q4

26. 输出方程的规律性总结6个 • 4．如果执行元件的两个端点，分别与两个状态变量的上端点同线，那么执行元件的函数表达式由执行元件上端点对应的状态变量和执行元件下端点对应的状态变量的反变量的逻辑积(与式)构成。 • 5．如果执行元件的两个端点，分别与两个状态变量的下端点同线，那么执行元件的函数表达式由执行元件上端点对应的状态变量的反变量和执行元件下端点对应的状态变量的逻辑积(与式)构成。 • 6．如果执行元件在状态中不连续取1，则首先对各个连续取1段按上述规则得到相应的乘积项，再构成和项就是执行元件逻辑表达式。 • 【例6-2-4】中 D4=

27. 滑台 C B A 补充例题：例1状态是偶数 • PLC顺序控制简单设计：如图滑台由电动机正反转控制左右运动；按急停按钮SB1电动机停止；过载时热继电器FR动作电动机停止；正转接触器为KM1，反转接触器为KM2，A、B、C处各有行程开关SA、SB、SC。顺序控制要求如下： • 1.按启动按钮SB0，滑台由A点开始右行到C点； • 2.在C点碰行程开关SC后，滑台左行到B点停留30秒； • 3.30秒后滑台右行到C点； • 4.在C点碰行程开关SC后，滑台左行到A点；碰行程开关SA后停止。 • 根据以上要求，做： • (1)设计绘出电机控制主回路； • (2)分配I/O通道，设计绘出PLC输入输出接口控制接线； • (3)绘制状态转换表和状态方程与输出方程。 • (4)画出梯形图和语句程序。

28. 解：1.电机控制主回路

29. 2．I/O地址分配和PLC输入输出接口接线 正转启动按钮 SB0 P000 行程开关 SA P001 行程开关 SB P002 行程开关 SC P003 急停按钮 SB1 P004 热保护 FR P005 电机控制接触器正转 KMl P020 电机控制接触器正转 KM2 P021

30. 3.绘制状态转换表和状态方程与输出方程 状态m=6，则状态变量n=3 状态转换表：

31. 状态方程： 输出方程： 地址设置： Q1=M001 Q2=M002 Q3=M003 辅助逻辑电路设计： 定时器T：TON T000 0300 S3启动ST=Q1Q2Q3

32. 4.画出梯形图和语句程序(略)

33. 滑台 C B A 补充例题：例2状态是奇数 • PLC顺序控制简单设计：如图滑台由电动机正反转控制左右运动，正转接触器为KM1，反转接触器为KM2，A、B、C处各有行程开关SA、SB、SC。顺序控制要求如下滑台BAC • 1.按启动按钮SB0，滑台由B点开始左行到A点； • 2.在A点碰行程开关SA后停留30秒； • 3.50秒时间到后，滑台右行到C点； • 4.在C点碰行程开关SC后，滑台左行到B点；碰行程开关SB后停止。 • 根据以上要求，做： • (1)设计绘出电机控制主回路； • (2)分配I/O通道，设计绘出PLC输入输出接口控制接线； • (3)绘制状态转换表和状态方程与输出方程。 • (4)画出梯形图和语句程序。

34. 解：1.电机控制主回路

35. 2．I/O地址分配和PLC输入输出接口接线 正转启动按钮 SB0 P000 行程开关 SA P001 行程开关 SB P002 行程开关 SC P003 急停按钮 SB1 P004 热保护 FR P005 电机控制接触器正转 KMl P020 电机控制接触器正转 KM2 P021

36. 3.绘制状态转换表和状态方程与输出方程 状态m=5，则状态变量n=3 状态转换表： 状态方程： 输出方程：

37. 地址设置： • Q1=M001 Q2=M002 Q3=M003 • 辅助逻辑电路设计： • 定时器T：TON T000 0300 • S2启动ST=

38. 4.画出梯形图和语句程序(略)

39. 练习一：下表是某顺序控制状态转换表，写出相应的状态方程和输出方程（状态是偶数），做出表示状态变量Q2的一段梯形图。

40. 解： 状态方程： 输出方程： 状态变量Q2的一段梯形图：

41. 练习二：下表是某顺序控制状态转换表，写出相应的状态方程和输出方程（状态是偶数），做出表示状态变量Q2的一段梯形图。

42. 解： 状态方程： 输出方程： 状态变量Q2的一段梯形图：

43. 练习三：下表是某顺序控制状态转换表，写出相应的状态方程和输出方程（状态是偶数），做出表示状态变量Q3的一段梯形图。

44. 解： 状态方程： 输出方程： 状态变量Q3的一段梯形图：

45. 练习四：下表是某顺序控制状态转换表，写出相应的状态方程和输出方程（状态是奇数），做出表示状态变量和输出的一段梯形图。

46. 解： 状态方程： 输出方程：