淺析PLC梯形圖的設計方法

新鄉(xiāng)職業(yè)技術(shù)學院 姜 坤

1.引言

可編程控制器是將繼電器控制的概念和設計思想與計算機技術(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系統(tǒng)。在PLC系統(tǒng)應用中，梯形圖的設計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遠超過電氣控制范疇。它不僅可實現(xiàn)邏輯運算，還具有算術(shù)運算、數(shù)據(jù)處理、聯(lián)網(wǎng)通信等功能，是具有工業(yè)控制指令的微機系統(tǒng)。由于梯形圖的設計是計算機程序設計與電氣控制設計思想結(jié)合的產(chǎn)物，因此，在設計方法上與計算機程序設計和電氣控制設計既有相同點，也有不同點。本文對開關量控制系統(tǒng)梯形圖的設計，提出了五種常用方法。

2.PLC梯形圖程序設計的步驟

設計PLC控制系統(tǒng)，關鍵是設計人員對實際問題的理解，只有正確理解實際控制問題，經(jīng)過驗證，才能得出好的設計方案，PLC梯形圖程序設計的步驟如圖1所示。

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

（2）分配輸入、輸出設備，確定哪些外部設備輸入信號到PLC，哪些外部設備接收PLC的輸出信號，并將PLC的輸入、輸出口與之對應進行分配，選擇PLC的機型。

（3）設計PLC程序畫出梯形圖，在梯形圖上應體現(xiàn)完成任務的全部功能，正確的工作順序和符合要求的相互關系。

（4）設計與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)場調(diào)試兩種形式，前者屬于實驗性操作，常用指示燈顯示運行結(jié)果；后者是實際性操作檢驗實際的被控系統(tǒng)的動作驗證運行情況。

3.五種常見的PLC梯形圖設計方法

3.1 經(jīng)驗設計法

經(jīng)驗設計法也叫試湊法，它要求設計者在掌握大量的典型電路的基礎上，將實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。設計者所用的時間、設計的質(zhì)量與設計者的經(jīng)驗有很大的關系，一般用于較簡單的梯形圖的設計。一些電工手冊中給出了大量常用的繼電器控制電路，在用經(jīng)驗法設計梯形圖時，可以參考這些電路。下面給出經(jīng)驗設計法中一些常用的基本電路。

3.1.1 起、保、停控制梯形圖(圖2)

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

3.1.2 順序起停控制梯形圖(圖3)

圖3中起動的順序是先Y431再Y432，停止的順序是先Y432再Y431，相應的互鎖接點見圖3中所示。

3.1.3 自動與手動控制梯形圖

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

3.1.4 時序控制梯形圖

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 翻譯設計法

圖1 PLC編程一般規(guī)律示意圖

圖2 起保停控制梯形圖

圖3 順序起?？刂铺菪螆D

圖4 自動與手動控制梯形圖

圖5 時序控制梯形圖和時序圖

圖6 電氣原理圖

圖7 I/O接線圖

圖8 梯形圖

有時又稱替代設計法。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 翻譯設計法的設計步驟

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

b.將被控對象（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 應用舉例

例如：電動機正反轉(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)點是程序設計方法簡單。這些原有的繼電器控制系統(tǒng)設備，經(jīng)過多年的運行實踐，證明其設計是成功的。有現(xiàn)成的電氣控制線路作依據(jù)，設計周期短，但缺點是由于PLC和繼電器、接觸器控制系統(tǒng)的工作方式，動作速度不同。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單的控制系統(tǒng)中應用，并要在設計完后進行驗證。

3.3 邏輯代數(shù)設計法

在繼電器接觸器控制線路中用邏輯代數(shù)設計法比較容易獲得最佳設計方案。設計出來的控制線路既符合工藝要求，又達到工作可靠、經(jīng)濟合理，因而得以廣泛的應用。

3.3.1 邏輯代數(shù)設計法的設計步驟

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

b.根據(jù)狀態(tài)表列寫出邏輯函數(shù)表達式，并化簡；

c.根據(jù)化簡后的邏輯表達式畫出梯形圖。

3.3.2 應用舉例

某一電動機只有在三個按鈕中任何一個或任何兩個動作時，才能運轉(zhuǎn)，而在其他任何情況下都不運轉(zhuǎn)，試設計其梯形圖。

將電動機運行情況由PLC輸出點0500來控制，三個按鈕分別對應PLC輸入地址為A、B、C。

根據(jù)題意，三個按鈕中任何一個動作，PLC的輸出點0500就有輸出。其邏輯代數(shù)表達式為：0500=ABC+ABC+ABC

當三個按鈕中有任何兩個動作時，輸出點0500的邏輯代數(shù)表達式為：0500=ABC+ABC+ABC

因兩個條件是“或”關系，所以電動機運行條件應該為：0500=0500+0500=ABC+ABC+ABC+ABC+ABC+ABC

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

利用這種方法設計最大的特點是可以把很多的邏輯關系最簡化，當然出于可靠和安全性角度考慮的冗余設計是另外一個問題。

3.4 順序控制設計法

所謂順序控制就是按照生產(chǎn)工藝預先規(guī)定的順序，在各個輸入信號的作用下，根據(jù)內(nèi)部狀態(tài)和時間的順序關系，在生產(chǎn)過程中各個執(zhí)行機構(gòu)自動有秩地進行操作。

3.4.1 基本設計步驟

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

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

c.在前兩點的基礎上畫出功能表圖；

d.根據(jù)功能表圖畫出梯形圖。

3.4.2 應用舉例

圖10是某動力頭運動的示意圖。

快進時進給電機M1正轉(zhuǎn)，同時快速電磁鐵YA得電吸合，工進時YA失電?？焱藭r進給電機M1反轉(zhuǎn)，同時快速電磁鐵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個保持繼電器構(gòu)成3個控制位，分別代表3個工步。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是起動按鈕對應輸入點，0004是停止按鈕對應輸入點，選用HR000-HR003共4個保持繼電器構(gòu)成4個控制位，分別代表4個工步。

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

3.5 功能模塊設計法

如果PLC輸出信號的狀態(tài)變化有一定的時間順序，可用時序圖法設計程序。因為在畫出各輸出信號的時序圖后，容易理順各狀態(tài)轉(zhuǎn)換的時刻和轉(zhuǎn)換的條件，從而建立清晰的設計思路。時序圖設計法步驟如下：

明確各I/O信號之間的時序關系，畫出各I/O信號的時序圖。

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

b.確定所需定時器(或計數(shù)器)的個數(shù)及其賦值；

c.根據(jù)時序圖，定時器和I/O分配畫出梯形圖；

d.檢查程序是否符合要求，進一步修改程序。

例如：在電梯的PLC控制系統(tǒng)中，對電梯控制按功能可分為：廳門開關控制模塊、選層控制模塊、電梯運行控制模塊、呼梯顯示控制模塊等。按照功能模塊設計法，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。當然在設計中要注意模塊之間的互相影響，時序關系，以及聯(lián)鎖指令的使用條件。時序圖設計法直觀明了，但在設計中需找準一個參考點，作為整個設計中的時間計算起始點。

圖9 梯形圖 圖10 某動力頭運動示意圖

圖11 動力頭順序功能

圖12 動力頭控制的梯形圖

4.結(jié)束語

本文介紹了PLC梯形圖幾種設計方法，這幾種方法都是在實踐中得到廣泛的應用，當然在實際的具體應用中，可根據(jù)具體情況，擇優(yōu)使用其中的某一種方法。