第1章 PLC技术开发基础

可编程序控制器简称PLC，是近年来发展极为迅速、应用面极广的工业控制装置。它是一种专为工业环境应用而设计的数字运行的电子系统，它采用可编程序的存储器，用来存储用户指令，通过数字或模拟的输入输出，完成确定的逻辑、顺序、定时、计数、运算和一些确定的功能，来控制各种类型的机械或生产过程。本章将介绍PLC及其相关的基础知识。

本章要点：

● PLC控制技术的特点

● PLC的基本工作原理

● PLC的技术指标

● PLC系统的分类及应用

● PLC技术开发中的梯形图设计方法

1.1 概述

可编程序控制器是在继电器控制的基础上开发的产品，一种专为在工业环境下应用而设计的计算机控制系统。它是以微处理器为基础，综合了计算机技术、半导体技术、自动控制技术、数字技术和通信网络技术发展起来的一种通用工业自动控制装置，主要面向控制过程和用户。可编程序控制器采用可编程序的存储器，能够执行逻辑控制、顺序控制、计数、定时和算术运算等操作功能，并通过开关量、模拟量的输入和输出，完成各种机械或生产过程的控制。西门子S7-300 PLC主机如图1-1所示。

可编程序控制器的功能是不断地变化的。最初，其产品名称为可编程序逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC），主要用于顺序控制，替代传统的继电器接触控制系统。虽然它采用了计算机的设计思想，但是实际上只能进行逻辑运算。随着微处理器技术的发展，其功能不断完善和加强，现在的可编程序控制器已具备了算术运算、模拟量控制、过程控制，以及远程通信等强大功能，大大超越了早期的可编程序逻辑控制器的功能。所以，1980年，美国电气制造商协会NEMA（National Electrical Manufacturers Association）给它一个新的名称“可编程序控制器”（Programmable Controller，PC）。但是国内已将PC作为个人计算机（Personal Computer）的代名词，为加以区别，国内仍沿用PLC表示可编程序控制器。

国际电工委员会（IEC）于1987年2月颁布了可编程序控制器的标准草案第三稿，对PLC作出了如下定义：可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算的操作的指令。并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关外部设备，都应按易于与工业系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则进行设计。

IEC对PLC的定义，一是强调了可编程序控制器是“数字运算操作的电子系统”，它也是一种计算机；二是强调了可编程序控制器应直接应用于工业环境，它必须具有很强的抗干扰能力，广泛的适应能力和应用范围。这也是区别于一般微机控制系统的一个重要特征。

1.2 PLC控制与传统控制技术

PLC控制是在继电器控制的基础上发展而来的一种控制技术，所以PLC控制系统与继电器控制系统相比，有许多相似之处，也有许多不同。不同之处主要在以下几个方面：

（1） 从控制方法上看，继电器控制系统控制逻辑采用硬件接线，利用继电器机械触点的串联或并联等组合成控制逻辑，只能完成既定的逻辑控制；其连线多且复杂、体积大、功耗大，系统构成后，想再改变或增加功能较为困难。另外，继电器的触点数量有限，所以继电器控制系统的灵活性和可扩展性受到很大限制。而PLC采用了计算机技术，其控制逻辑是以程序的方式存放在存储器中的，要改变控制逻辑只需改变程序，因而很容易改变或增加系统功能；系统连线少、体积小、功耗小；而且被称为“软继电器”的PLC，实质上是存储器单元的状态，所以“软继电器”的触点数量是无限的，PLC系统的灵活性和可扩展性好。PLC采用存储逻辑，其控制逻辑是以程序方式存储在内存中，要改变控制逻辑，只需改变程序即可，称软接线。

（2） 从工作方式上看，在继电器控制电路中，当电源接通时，电路中所有继电器都处于受制约状态，即该吸合的继电器都同时吸合，不该吸合的继电器受某种条件限制而不能吸合，这种工作方式称为并行工作方式。而PLC的用户程序是按一定顺序循环执行的，所以各软继电器都处于周期性循环扫描接通中，受同一条件制约的各个继电器的动作次序决定于程序扫描顺序，这种工作方式称为串行工作方式。

（3） 从控制速度上看，继电器控制系统依靠机械触点的动作以实现控制，工作频率低，为毫秒级，而且机械触点还会出现抖动问题。而PLC是通过程序指令控制半导体电路来实现控制的，速度快，程序指令执行时间在微秒级，且不会出现触点抖动问题。

（4） 从定时和计数控制上看，继电器控制系统采用时间继电器的延时动作进行时间控制，时间继电器的延时时间易受环境温度和温度变化的影响，定时精度不高。而PLC采用半导体集成电路作定时器，时钟脉冲由晶体振荡器产生，精度高，定时范围宽，用户可根据需要在程序中设定定时值，修改方便，不受环境的影响。且PLC具有计数功能，而继电器控制系统一般不具备计数功能。

（5） 从可靠性和可维护性上看，由于继电器控制系统使用了大量的机械触点，其存在机械磨损、电弧烧伤等，寿命短，系统的连线多，所以可靠性和可维护性较差。而PLC大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成，其寿命长、可靠性高。此外，PLC还具有自诊断功能，能查出自身的故障，随时显示给操作人员，并能动态地监视控制程序的执行情况，为现场调试和维护提供了方便。

尽管PLC控制有许多的优点，但是值得我们注意的是，继电器逻辑控制在欧洲从上世纪70年代到现在从来没有停止研发和生产，PLC和继电器在控制系统中是相辅相成的。直到现在继电器从来没有停止进一步的发展，包括西门子公司在内从来没有承诺普通PLC是安全的，如：设备的安全控制（停电、重启、人身防护）都是由专门安全继电器来保证的，所以至今欧洲还有许多专门生产商在生产、研发安全继电器。

1.3 PLC技术开发特点及流程

在PLC发明之前，在工业控制的顺序控制领域内，常常采用诸如继电器、鼓式开关、纸带阅读器等机械、电气式器件作为控制元件，尤其是控制继电器，在离散制造过程控制领域内，成为“开关控制系统”中最广泛使用的器件。但是，随着工业现代化的发展，生产规模越来越大，劳动生产率及产品质量的要求在不断提高，对于控制系统的可靠性也提出了更高的要求，原有“继电器控制系统”已不适应需要，究其原因是由于继电器控制系统存在动作缓慢、寿命短、可靠性差、体积大、耗电多等缺点。

到20世纪60年代，由于美国汽车工业需要进行大规模的技术改造和设备更新，由传统的继电器控制装置来进行控制，不仅体积庞大、故障率高、柔性差、不灵活、耗能，而且调试困难，可靠性也差。虽然小型计算机已日趋完善，应用领域也在不断扩大，但小型计算机用于开关控制系统，又显然存在着“大马拉小车”的情况，这是由于小型计算机的特点决定的：编程复杂，要求有较高水平的编程人员和操作人员； 需要配套非标准的外部接口，对环境和现场条件的要求过高；功能过剩，机器资源未能充分利用；造价高昂。需要与可能性，促使人们寻求新的出路，PLC应运而生。

1968年美国通用汽车公司提出使用新一代控制器的设想。第二年（1969年），美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置PDP-14，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器。这时的PLC用固态（集成）电路来代替继电器逻辑电路，用存储器电路中的存储数位（程序）来代替继电器系统的布线，以程序来规定逻辑关系；用固态I/ O电路来检测按钮和限位开关的信号，给出输出以控制电机和其他执行机构。这时的PLC系统只要改变系统中的程序即可改变控制“逻辑”，而无需改造或更换控制硬件等。差不多同时，美国MODICON公司也研制出084控制器。它们的问世，引起了全世界的瞩目，美国的其他公司和西欧、日本等工业发达国家，也相继研究开发出类似的产品。

后来，随着电子科技的发展及产业应用的需要，其控制功能已经远远超出逻辑控制的范畴，PLC的功能也日益强大，在PLC中加入了模拟量、位置控制及网路等功能，其名称定义为可编程序控制器（Programmable Controller），简称PC。但PC易与个人计算机（Personal Computer）的简称PC产生混淆，所以使用PLC这一简称，中文仍然称为“可编程序控制器”或“可编程控制器”。

自1976年以来，微处理器开始引入PLC领域，使当今PLC具有采集与处理大量数据、完成数学运算、与其他智能器件通信的能力，以及具有先进的人-机对话手段（如键盘、CRT和语音对话），近年来由于现场总线理念的出现和相关标准的建立，以及产品的迅速发展，PLC成为现场总线的一个重要组成部分，进一步扩大了PLC的应用领域。

由于PLC同时提高了功能和柔性度，使其应用迅速增长，并普及到许多其他离散零件制造工业领域。随后又扩展到与批量生产和连续生产过程有关的工业领域。随着CIMS（计算机集成制造系统）的发展，PLC当前还被人们应用于工厂通信网络、柔性制造系统、工业机器人到大型分散型控制系统。

总结起来从1969年第一台PLC问世至今，可编程控制器大约经历了三个阶段：

第一阶段：开发的PLC容量较小，I/O点数小于120点。用户存储区容量在2KB左右，扫描速度为20～50 ms/KB，指令较为简单，只有逻辑运算、计时、计数等，编程语言采用简单的指令表语言。使用上，主要用来作开关量控制。

第二阶段：PLC的容量有所扩展，I/O点数从512点至1024点，用户程序存储区扩展到8KB以上，速度也有提高，扫描速度达到5～6 ms/KB，指令功能除了基本的逻辑运算、计时、计数外，还增加了算术运算指令、比较指令，以及模拟量处理指令等，输入/输出类型也由纯开关量I/O，扩展为带模拟量的I/O。编程语言除了使用指令表外，还可以使用梯形图编程语言。

第三阶段：进入20世纪80年代以来，随着大规模和超大规模集成电路等微电子技术的迅猛发展，以16位和32位微处理器构成的PLC得到惊人的发展，其功能远远超出了上述两阶段的产品。这一阶段是PLC发展最快的时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域。

新一代PLC主要有以下两个方面的提升。

（1） 大型产品的I/O点数，超过4000点，有些产品达到8000个I/O点，用户存储区容量超过32KB，配置有各种智能模块（例如温度控制模块、轴定位模块、过程控制模块等）和通信模块，扫描速率也大大提高，达到0.47 ms/KB，指令功能除了基本的逻辑运算、计时、计数、顺序控制外，还有算术浮点运算指令、PID调节功能指令、图形组态功能指令、网络和通信指令等。编程语言普遍采用梯形语言，同时也使用指令表和顺序功能图语言。

（2） 另一方面为了提高系统的可靠性，新一代的PLC向超小型化和加强型功能发展，有16点I/O，24点I/O的整体型小型PLC，在小型PLC上配置模拟量I/O、通信口、高速计数，指令上也设置有算术运算、比较指令以及PID调节指令。小型PLC使用的手握式编程器使用大面积液晶显示器，也可以用梯形图和GRAFCET语言进行编程。

新型的PLC不仅在硬件上进行更新，在软件设计上也有很大改进，普遍实现了软件模块化设计。在PLC产品上提供大量的通用和专用软件功能模块，用户通过简单的功能调用就可实现复杂的控制任务，给使用带来极大的方便。使用的编程器越来越完善，专用编程器实际上已经是一台个人计算机，可以实现离线编程或在线编程及监控，程序打印以及程序固化，实现图形组态，可以联网（即挂在PLC网络上），有些编程器还可以使用高级语言。除了专用编程器外，很多PLC可以使用通用的笔记本电脑实现编程，开发一些专用软件，充分利用个人计算机的能力，完成各种高级的编程功能，省却了专用编程器，既便于推广又节省投资。随着技术的进步，PLC的功能越来越强，应用范畴越来越广，与其他工业控制机，如分散型控制系统（DCS）的界限已经不十分明显，很多以往必须由分散型控制系统来完成的控制，现在用PLC都能实现，因此在应用上“交错”已经成为普遍现象。

PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可以预见的将来，是无法取代的。

1.4 PLC控制的基本工作原理

PLC具有计算机的许多特点，但是其工作方式却与其有着很大的不同。计算机在工作过程当中是使用中断的形式，而PLC采用的主要工作方式是“循环描扫”，这是PLC工作原理当中最重要的一个工作方式。

1. 扫描技术

当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段，如图1-2所示。错误！

（1） 输入采样阶段

在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映像区中的相应的单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映像区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。

（2） 用户程序执行阶段

在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映像区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。即，在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映像区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映像区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。

2. 输出刷新阶段

当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映像区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是PLC的真正输出。比较以下二个程序的异同，程序如图1-3所示。错误！

这两段程序执行的结果完全一样，但在PLC中执行的过程却不一样。程序1只用一次扫描周期，就可完成对输出线圈“%M4”的刷新；程序2要用四次扫描周期，才能完成对输出线圈“%M4”的刷新。

这两个例子说明：同样的若干条梯形图，其排列次序不同，执行的结果也不同。另外，也可以看到：采用扫描用户程序的运行结果与继电器控制装置的硬逻辑并行运行的结果有所区别。当然，如果扫描周期所占用的时间对整个运行来说可以忽略，那么二者之间就没有什么区别了。

一般来说，PLC的扫描周期包括自诊断、通信等，如图1-4所示，即一个扫描周期等于自诊断、通信、输入采样、用户程序执行、输出刷新等所有时间的总和。

为了增强PLC的抗干扰能力，提高其可靠性，PLC的每个开关量输入端都采用光电隔离等技术。

为了能实现继电器控制线路的硬逻辑并行控制，PLC采用了不同于一般微型计算机的运行方式（扫描技术）。

以上两个主要原因，使得PLC的I/O响应比一般微型计算机构成的工业控制系统慢得多，其响应时间至少等于一个扫描周期，一般均大于一个扫描周期甚至更长。

所谓I/O响应时间指从PLC的某一输入信号变化开始到系统有关输出端信号的改变所需的时间。其最短的I/O响应时间与最长的I/O响应时间如图1-5（a）、（b）所示。

1.5 PLC的技术性能指标

由于各厂家的PLC技术性能指标各不相同，且各有特色，这里不可能一一介绍，只能介绍一些基本的，常见的技术指标。

1. 存储容量

存储容量是指用户程序存储器的容量。用户程序存储器的容量大，可以编制出复杂的程序。一般来说，小型PLC的用户存储器容量为几千字节，而大型机的用户存储器容量为几万字节。

2. I/O点数

输入/输出（I/O）点数是PLC可以接收的输入信号和输出信号的总和，是衡量PLC性能的重要指标。I/O点数越多，外部可接的输入设备和输出设备就越多，控制规模就越大。

3. 扫描速度

扫描速度是指PLC执行用户程序的速度，是衡量PLC性能的重要指标。一般以扫描1K字（16位）用户程序所需的时间来衡量扫描速度，通常以ms/K字为单位。PLC用户手册一般给出执行各条指令所用的时间，可以通过比较各种PLC执行相同的操作所用的时间，来衡量扫描速度的快慢。

4. 指令的功能与数量

指令功能的强弱、数量的多少也是衡量PLC性能的重要指标。编程指令的功能越强、数量越多，PLC的处理能力和控制能力也越强，用户编程也越简单和方便，越容易完成复杂的控制任务。

5. 内部元件的种类与数量

在编制PLC程序时，需要用到大量的内部元件来存放变量、中间结果、保持数据、定时计数、模块设置和各种标志位等信息。这些元件的种类与数量越多，表示PLC存储和处理各种信息的能力越强。

6. 特殊功能单元

特殊功能单元种类的多少与功能的强弱是衡量PLC产品的一个重要指标。近年来各PLC厂商非常重视特殊功能单元的开发，特殊功能单元种类日益增多，功能越来越强，使PLC的控制功能日益扩大。

7. 可扩展能力

PLC的可扩展能力包括I/O点数的扩展、存储容量的扩展、联网功能的扩展、各种功能模块的扩展等。在选择PLC时，经常需要考虑PLC的可扩展能力。

8. 辅助参数

包括PLC工作的环境温度，输入输出接口允许流过的电流、电压等。

1.6 PLC的分类及应用场合

1.6.1 PLC的分类

PLC的分类在业内有着不尽相同的分类原则，但是对于PLC的分类认识大致都可以从两个方面来进行界定。一方面可以根据PLC不同的发展历史阶段形成的技术特色进行划分，另一方面也可以根据PLC在工业现场中的应用范围及PLC本身的硬件条件进行区别，所以本书将从以上两个方面对PLC的分类进行介绍。

1. 按流派分

追溯PLC的发展历史可以看到，世界上200多家PLC厂商，400多品种的PLC产品大体可以按地域分成三个流派：一个流派是美国产品，一个流派是欧洲产品，还有一个流派是日本产品。美国和欧洲的PLC技术是在相互隔离情况下独立研究开发的，因此美国和欧洲的PLC产品有明显的差异性。而日本的PLC技术是由美国引进的，对美国的PLC产品有一定的继承性，但日本的主推产品定位在小型PLC上。美国和欧洲以大中型PLC而闻名，而日本则以小型PLC著称。同一地区的产品相互借鉴的比较多，相互影响比较大，技术渗透比较深，面临的主要市场相同，用户要求接近，这一切就使得同一地域的PLC产品表现出比较多的相似性。下面就根据PLC三大技术派别分别介绍以上三种PLC技术概况。

（1） 美国PLC产品

美国是PLC生产大国，有100多家PLC厂商，著名的有A-B公司、通用电气（GE）公司、莫迪康（MODICON）公司、德州仪器（TI）公司、西屋公司等。其中A-B公司是美国最大的PLC制造商，其产品约占美国PLC市场的一半。

A-B公司产品规格齐全、种类丰富，其主推的大、中型PLC产品是PLC-5系列。该系列为模块式结构，CPU模块为PLC-5/10、PLC-5/12、PLC-5/15、PLC-5/25时，属于中型PLC，I/O点配置范围为256～1024点；当CPU模块为PLC-5/11、PLC-5/20、PLC-5/30、PLC-5/40、PLC-5/60、PLC-5/40L、PLC-5/60L时，属于大型PLC，I/O点最多可配置到3072点。该系列中PLC-5/250功能最强，最多可配置到4096个I/O点，具有强大的控制和信息管理功能。大型机PLC-3最多可配置到8096个I/O点。A-B公司的小型PLC产品有SLC500系列等。

GE公司的代表产品是：小型机GE-1、GE-1/J、GE-1/P等，除GE-1/J外，均采用模块结构。GE-l用于开关量控制系统，最多可配置到112个I/O点。GE-1/J是更小型化的产品，其I/O点最多可配置到96点。GE-1/P是GE-1的增强型产品，增加了部分功能指令（数据操作指令）、功能模块（A/D、D/A等）、远程I/O功能等，其I/O点最多可配置到168点。中型机GE-Ⅲ比GE-1/P增加了中断、故障诊断等功能，最多可配置到400个I/O点。大型机GE-Ⅴ比GE-Ⅲ增加了部分数据处理、表格处理、子程序控制等功能，并具有较强的通信功能，最多可配置到2048个I/O点。GE-Ⅵ/P最多可配置到4000个I/O点。

德州仪器（TI）公司的小型PLC新产品有510、520和TI100等，中型PLC新产品有TI300、5TI等，大型PLC产品有PM550、530、560、565等系列。除TI100和TI300无联网功能外，其他PLC都可实现通信，构成分布式控制系统。

莫迪康（MODICON）公司有M84系列PLC。其中M84是小型机，具有模拟量控制、与上位机通信功能，最多I/O点为112点。M484是中型机，其运算功能较强，可与上位机通信，也可与多台联网，最多可扩展I/O点为512点。M584是大型机，其容量大、数据处理和网络能力强，最多可扩展I/O点为8192。M884增强型中型机，它具有小型机的结构、大型机的控制功能，主机模块配置2个RS-232C接口，可方便地进行组网通信。

（2） 欧洲PLC产品

德国的西门子（SIEMENS）公司、AEG公司、法国的TE公司是欧洲著名的PLC制造商。德国西门子公司的电子产品以性能精良而久负盛名。在中、大型PLC产品领域与美国的A-B公司齐名。

西门子PLC主要产品是S5、S7系列。在S5系列中，S5-90U、S-95U属于微型整体式PLC；S5-100U是小型模块式PLC，最多可配置到256个I/O点；S5-115U是中型PLC，最多可配置到1024个I/O点；S5-115UH是中型机，它是由两台S5-115U组成的双机冗余系统； S5-155U为大型机，最多可配置到4096个I/O点，模拟量可达300多路；S5-155H是大型机，它是由两台S5-155U组成的双机冗余系统。而S7系列是西门子公司在S5系列PLC基础上近年推出的新产品，其性能价格比高，其中S7-200系列属于微型PLC、S7-300系列属于中小型PLC、S7-400系列属于中高性能的大型PLC。本书主要介绍S7-200系列PLC。

（3） 日本PLC产品

日本的小型PLC最具特色，在小型机领域中颇具盛名，某些用欧美的中型机或大型机才能实现的控制，日本的小型机就可以解决。在开发较复杂的控制系统方面明显优于欧美的小型机，所以格外受用户欢迎。日本有许多PLC制造商，如三菱、欧姆龙、松下、富士、日立、东芝等，在世界小型PLC市场上，日本产品约占有70%的份额。

三菱公司的PLC是较早进入中国市场的产品。其小型机F1/F2系列是F系列的升级产品，早期在我国的销量也不小。F1/F2系列加强了指令系统，增加了特殊功能单元和通信功能，比F系列有了更强的控制能力。继F1/F2系列之后，20世纪80年代末三菱公司又推出FX系列，在容量、速度、特殊功能、网络功能等方面都有了全面的加强。FX2系列是在20世纪90年代开发的整体式高功能小型机，它配有各种通信适配器和特殊功能单元。FX2N是近年推出的高功能整体式小型机，它是FX2的换代产品，各种功能都有了全面的提升。近年来还不断推出满足不同要求的微型PLC，如FXOS、FX1S、FX0N、FX1N及α系列等产品。三菱公司的大中型机有A系列、QnA系列、Q系列，具有丰富的网络功能，I/O点数可达8192点。其中Q系列具有超小的体积、丰富的机型、灵活的安装方式、双CPU协同处理、多存储器、远程口令等特点，是三菱公司现有PLC中最高性能的PLC。

欧姆龙（OMRON）公司的PLC产品，大、中、小、微型规格齐全。微型机以SP系列为代表，其体积极小，速度极快。小型机有P型、H型、CPM1A系列、CPM2A系列、CPM2C、CQM1等。P型机现已被性价比更高的CPM1A系列所取代，CPM2A/2C、 CQM1系列内置RS-232C接口和实时时钟，并具有软PID功能，CQM1H是CQM1的升级产品。中型机有C200H、C200HS、C200HX、C200HG、C200HE、CS1系列。C200H是前些年畅销的高性能中型机，配置齐全的I/O模块和高功能模块，具有较强的通信和网络功能。C200HS是C200H的升级产品，指令系统更丰富、网络功能更强。C200HX/HG/HE是C200HS的升级产品，有1148个I/O点，其容量是C200HS的2倍，速度是C200HS的3.75倍，有品种齐全的通信模块，是适应信息化的PLC产品。CS1系列具有中型机的规模、大型机的功能，是一种极具推广价值的新机型。大型机有C1000H、C2000H、CV （CV500/CV1000/CV2000/CVM1）等。C1000H、C2000H可单机或双机热备份运行，安装带电插拔模块，C2000H可在线更换I/O模块；CV系列中除CVM1外，均可采用结构化编程，易读、易调试，并具有更强大的通信功能。

松下公司的PLC产品中，FPO为微型机，FP1为整体式小型机，FP3为中型机， FP5/FP10、FP10S（FP10的改进型）、FP20为大型机。松下公司近几年PLC产品的主要特点是：指令系统功能强；有的机型还提供可以用FP-BASIC语言编程的CPU及多种智能模块，为复杂系统的开发提供了软件手段；FP系列各种PLC都配置通信机制，由于它们使用的应用层通信协议具有一致性，这给构成多级PLC网络和开发PLC网络应用程序带来方便

2. 按应用的点数分

（1） 小型PLC。小型PLC的I/O点数一般在128点以下，其特点是体积小、结构紧凑，整个硬件融为一体，除了开关量I/O以外，还可以连接模拟量I/O以及其他各种特殊功能模块。它能执行包括逻辑运算、计时、计数、算术运算、数据处理和传送、通信联网以及各种应用指令。

（2） 中型PLC。中型PLC采用模块化结构，其I/O点数一般在256～1024点之间。I/O的处理方式除了采用一般PLC通用的扫描处理方式外，还能采用直接处理方式，即在扫描用户程序的过程中，直接读输入，刷新输出。它能联接各种特殊功能模块，通信联网功能更强，指令系统更丰富，内存容量更大，扫描速度更快。

（3） 大型PLC。一般I/O点数在1024点以上的称为大型PLC。大型PLC的软、硬件功能极强。具有极强的自诊断功能。通信联网功能强，有各种通信联网的模块，可以构成三级通信网，实现工厂生产管理自动化。大型PLC还可以采用三CPU构成表决式系统，使机器的可靠性更高。

3. PLC的应用领域

PLC的应用领域非常广泛。目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类。

（1） 开关量的逻辑控制

这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。

（2） 模拟量控制

在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。

（3） 运动控制

PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。

（4） 过程控制

过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。PID处理一般是运行专用的PID子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。

（5） 数据处理

现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。

（6） 通信及联网

PLC通信含PLC间的通信及PLC与其他智能设备间的通信。随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便。

1.7 PLC技术开发中的梯形图设计方法

PLC是专为工业控制而开发的装置，其主要使用者是工厂广大电气技术人员。为了适应他们的传统习惯和掌握能力，通常PLC不采用微机的编程语言，而常常采用面向控制过程、面向问题的“自然语言”编程。国际电工委员会（IEC）1994年5月公布的IEC1131-3 （可编程控制器语言标准）详细地说明了句法、语义和下述5种编程语言：功能表图（Sequential function chart）、梯形图（Ladder diagram）、功能块图（Function black diagram）、指令表（Instruction list）、结构文本（Structured text）。梯形图和功能块图为图形语言，指令表和结构文本为文字语言，功能表图是一种结构块控制流程图。

由于梯形图与继电器接触器控制系统有着天生有传承性，而PLC应用程序往往是一些典型的控制环节和基本单元电路的组合，熟练掌握这些典型环节和基本单元电路，可以使程序的设计变得简单。所以本节主要介绍一些常见的典型单元梯形图程序。

1.7.1 梯形图常规设计方法

梯形图是使用得最多的图形编程语言，被称为PLC的第一编程语言。梯形图的常规设计方法主要是各种常用程序的组合。在工业控制领域，各种复杂程序都是由各种常用的简单程序组合而成的。本节主要介绍一些经常被重复使用的梯形图程序。

1. 梯形图相关概念

在梯形图编程中，用到以下三个基本概念。

（1） 软继电器

PLC梯形图中的某些编程元件沿用了继电器这一名称，如输入继电器、输出继电器、内部辅助继电器等，但是它们不是真实的物理继电器，而是一些存储单元（软继电器），每一软继电器与PLC存储器中映像寄存器的一个存储单元相对应。该存储单元如果为“1”状态，则表示梯形图中对应软继电器的线圈“通电”，其常开触点接通，常闭触点断开，称这种状态是该软继电器的“1”或“ON”状态。如果该存储单元为“0”状态，对应软继电器的线圈和触点的状态与上述的相反，称该软继电器为“0”或“OFF”状态。使用中也常将这些“软继电器”称为编程元件。

（2） 能流

在梯形图中有一个假想的“概念电流”或“能流”（Power Flow）从左向右流动，这一方向与执行用户程序时的逻辑运算的顺序是一致的。能流只能从左向右流动。利用能流这一概念，可以帮助我们更好地理解和分析梯形图。图1-6（a）不符合能流只能从左向右流动的原则，因此应改为如图1-6（b）所示的梯形图。

梯形图两侧的垂直公共线称为母线（Bus bar）。在分析梯形图的逻辑关系时，为了借用继电器电路图的分析方法，可以想象左右两侧母线（左母线和右母线）之间有一个左正右负的直流电源电压，母线之间有“能流”从左向右流动。右母线可以不画出。

（3） 梯形图的逻辑解算

根据梯形图中各触点的状态和逻辑关系，求出与图中各线圈对应的编程元件的状态，称为梯形图的逻辑解算。梯形图中逻辑解算是按从左至右、从上到下的顺序进行的。解算的结果，马上可以被后面的逻辑解算所利用。逻辑解算是根据输入映像寄存器中的值，而不是根据解算瞬时外部输入触点的状态来进行的。

2. 具有自锁、互锁功能的程序

（1） 具有自锁功能的程序

利用自身的常开触点使线圈持续保持通电即“ON”状态的功能称为自锁。如图1-7所示的启动、保持和停止程序（简称启保停程序）就是典型的具有自锁功能的梯形图。I0.2为启动信号，I0.1为停止信号。

图1-8（a）为停止优先程序，即当I0.2和I0.1同时接通，则Q0.1断开。图1-8（b）为启动优先程序，即当I0.2和I0.1同时接通，则Q0.1接通。启保停程序也可以用置位（SET）和复位（RST）指令来实现。在实际应用中，启动信号和停止信号可能由多个触点组成的串、并联电路提供。

（2） 具有互锁功能程序设计方法

利用两个或多个常闭触点来保证线圈不会同时通电的功能成为“互锁”。三相异步电动机的正反转控制电路即为典型的互锁电路，如图1-9所示。其中KMl和KM2分别是控制正转运行和反转运行的交流接触器。

图1-10是采用PLC控制三相异步电动机正反转的外部I/O接线图和梯形图。实现正反转控制功能的梯形图是由两个启保停的梯形图再加上两者之间的互锁触点构成。

应该注意的是虽然在梯形图中已经有了软继电器的互锁触点，但在I/O接线图的输出电路中还必须使用KM1、KM2的常闭触点进行硬件互锁。因为PLC软继电器互锁只相差一个扫描周期，而外部硬件接触器触点的断开时间往往大于一个扫描周期，来不及响应，且触点的断开时间一般较闭合时间长。例如Q0.0虽然断开，可能KM1的触点还未断开，在没有外部硬件互锁的情况下，KM2的触点可能接通，引起主电路短路，因此必须采用软硬件双重互锁。采用了双重互锁，同时也避免因接触器KM1或KM2的主触点熔焊引起电动机主电路短路。

3. 计数器及定时器梯形图程序设计方法

根据不同的定时器，可以根据定时器的特点进行多种程序的功能扩展。

（1） 断电延时定时器

PLC定时器一般为通电延时型的，当定时器输入接通时，定时器从设定值开始做减法运算，减到零时，定时器才有输出，其常开触点闭合、常闭触点断开。当定时器输入断开时，定时器立即复位，即由当前值恢复到设定值，其常开触点断开、常闭触点闭合。有时需要另一种定时器，即从某个输入条件断开时开始延时，这就是断电延时定时器，梯形图如图1-11所示。

当输入I0.1接通时，Q0.1线圈得电并自锁，但定时器T40的输入却无法接通。只有当I0.1断开时，T40才开始定时，10 s后定时时间到，T40常闭触点断开，使Q0.1线圈断电，实现了断电延时。

（2） 双延时定时器

所谓双延时定时器，是指通电和断电均延时的定时器，用两个定时器完成双延时控制，如图1-12所示。

当输入I0.1接通时，T40开始定时，10 s后定时时间到，T40的常开触点接通，Q0.1得电并自锁。当输入I0.1断开时，T41开始定时，15 s后，T41常闭触点断开，使Q0.1线圈断电，实现了输出线圈Q0.1在通电和断电时均产生延时控制的效果。

（3） 单脉冲电路

单脉冲器梯形图如图1-13所示，在控制信号的上升沿产生脉宽一定的单脉冲。

控制输入I0.1接通时，Q0.2线圈得电并自锁，Q0.2常开触点闭合，使T40开始定时、Q0.1线圈得电。2 s到，T40常闭触点断开，使Q0.1线圈断电。无论输入I0.1接通的时间长短怎样，输出Q0.1的脉宽都等于T40的定时时间2 s。

（4） 方波梯形图

通过此种梯形图可以形成方波发生电路，其梯形图如图1-14所示，该电路可产生周期性方脉冲。

控制输入I0.1接通时，T40开始定时，2 s后，T40常开触点闭合，使T41开始定时、Q0.1线圈得电。3 s后，T41常闭触点断开，使T40复位。T40常开触点断开，使T41复位、I0.1断电。T41常闭触点闭合，T40重新定时。如此循环，直到Q0.1断开。

（5） 定时/计数范围的扩展

PLC中一个定时器或计数器的定时、计数范围都是有限的，如普通定时器的定时范围为0.1～999.9 s，普通计数器的计数范围为1～9999个，若想实现长时间定时或大范围计数，可以用两个或两个以上的定时器或计数器级联起来，具体方法有多种，在此仅举一例。

用两个计数器完成1小时定时，梯形图如图1-15（a）所示。T41对I0.1进行计数，由此产生周期为60 s的脉冲序列，T41由T40激活，计满60个T41的计数周期即60 s，即可以产生长度为1小时的计时过程。并由Q0.1输出。其时序图如图1-15（b）所示。

1.7.2 梯形图继电器设计方法

PLC使用与继电器电路图极为相似的梯形图语言。如果用PLC改造继电器控制系统，根据继电器电路图来设计梯形图是一条捷径。这是因为原有的继电器控制系统经过长时间的使用和考验，已经被证明能完成系统要求的控制功能，而继电器电路图又与梯形图有很多相似之处，因此可以将继电器电路图“翻译”成梯形图。这种设计方法一般不需要改动控制面板，保持了系统原有的外部特性，操作人员不用改变长期形成的操作习惯。

1. 基本方法

继电器电路图是一个纯粹的硬件电路图。将它改为PLC控制时，需要用PLC的外部接线图和梯形图来等效继电器电路图。可以将PLC想象成是一个控制箱，其外部接线图描述了这个控制箱的外部接线，梯形图是这个控制箱的内部“线路图”，梯形图中的输入位和输出位是这个控制箱与外部世界联系的“接口继电器”，这样就可以用分析继电器电路图的方法来分析PLC控制系统。在分析梯形图时可以将输入位的触点想象成对应的外部输入器件的触点，将输出位的线圈想象成对应的外部负载的线圈。外部负载的线圈除了受梯形图的控制外，还可能受外部触点的控制。

将继电器电路图转换成为功能相同的PLC的外部接线图和梯形图的步骤如下。

（1） 了解和熟悉被控设备的工作原理、工艺过程和机械的动作情况，根据继电器电路图分析和掌握控制系统的工作原理。

（2） 确定PLC的输入信号和输出负载。继电器电路图中的交流接触器和电磁阀等执行机构如果用PLC的输出位来控制，它们的线圈在PLC的输出端。按钮、操作开关和行程开关、接近开关等提供PLC的数字量，输入信号继电器电路图中的中间继电器和时间继电器的功能用PLC内部的存储器位和定时器来完成，它们与PLC的输入位、输出位无关。

（3） 选择PLC的型号。根据系统所需要的功能和规模选择CPU模块、电源模块和数字量输入和输出模块，对硬件进行组态，确定输入、输出模块在机架中的安装位置和它们的起始地址。

（4） 确定PLC各数字量输入信号与输出负载对应的输入位和输出位的地址，画出PLC的外部接线图。各输入和输出在梯形图中的地址取决于它们的模块的起始地址和模块中的接线端子号。

（5） 确定与继电器电路图中的中间继电器、时间继电器对应的梯形图中的存储器和定时器、计数器的地址。

（6） 根据上述的对应关系画出梯形图。

2. 方法实例

这部分以三相异步电动的机动过程为例说明相应设计方法的使用。

（1） 硬件配置

系统所需的硬件及输入/输出端口分配如图1-16所示。由图可见，除可编程控制器之外，还增添了部分器件，其中，SB1为停止按钮，SB2为启动按钮，FR为热继电器的常开触点，KM 1为主电源接触器，KM 2为△形运行接触器，KM 3为Y形启动接触器。

（2） 系统分析

电机启动的继电器启动电路如图1-17所示。

根据启动过程中的时间变化，利用时间继电器来控制Y/△的换接。由图1-17（a）可知，工作时，首先合上刀开关QS，当接触器KM 1及KM 3接通时，电动机Y形启动。当接触器KM 1及KM2接通时，电动机△形运行。图1-17（b）为控制电路，其工作过程分析如下。

当SB2接通时，系统启动，并通过KM1接通KM3，同时启动时间继电器KT，此时电机Y形启动，再经过一段时间，KT的延时接通触点，KT接通KM2，并自锁，进行△形运行。

（3） 软件设计

在编制梯形图时除应用前述的部分基本指令及软元件之外，还新增软元件辅助继电器M10及定时器T 40，可编程控制的梯形图如图1-18所示。

工作过程分析如下。按下启动按钮SB2时，输入继电器I0.0的常开触点闭合，并通过主控触点（M10常开触点）自锁，输出继电器Q0.1接通，接触器KM 3得电吸合，接着Q0.0接通，接触器KM1得电吸合，电动机在Y形接线方式下启动；同时定时器T 0开始计时，延时8秒后T40动作，使Q0.1断开，Q0.1断开后，KM 3失电，互锁解除，使输出继电器Q0.2接通，接触器KM2得电，电动机在△形接线方式下运行。

若要使电动机停止，按下SB1按钮或过载保护（FR）动作，不论电动机是在启动或运行情况下都可使主控接点断开，电动机停止运行。

3. 注意事项

根据继电器电路图设计PLC的外部接线图和梯形图时应注意以下问题。

（1） 应遵守梯形图语言中的语法规定。由于工作原理不同，梯形图不能照搬继电器电路中的某些处理方法。例如在继电器电路中，触点可以放在线圈的两侧，但是在梯形图中，线圈必须放在电路的最右边。

（2） 适当地分离继电器电路图中的某些电路。设计继电器电路图时的一个基本原则是尽量减少图中使用的触点的个数，因为这意味着成本的节约，但是这往往会使某些线圈的控制电路交织在一起。在设计梯形图时首要的问题是设计的思路要清楚，设计出的梯形图容易阅读和理解，并不是特别在意是否多用几个触点，因为这不会增加硬件的成本，只是在输入程序时需要多花一点时间。

（3） 尽量减少PLC的输入和输出点。PLC的价格与I/O点数有关，因此输入、输出信号的点数是降低硬件费用的主要措施。

在PLC的外部输入电路中，各输入端可以接常开点或是常闭点，也可以接触点组成的串并联电路。PLC不能识别外部电路的结构和触点类型，只能识别外部电路的通断。

（4） 时间继电器的处理。时间继电器除了有延时动作的触点外，还有在线圈通电瞬间接通的瞬动触点。在梯形图中，可以在定时器的线圈两端并联存储器位的线圈，它的触点相当于定时器的瞬动触点。

（5） 设置中间单元。在梯形图中，若多个线圈都受某一触点串并联电路的控制，为了简化电路，在梯形图中可以设置中间单元，即用该电路来控制某存储位，在各线圈的控制电路中使用其常开触点。这种中间单元类似于继电器电路中的中间继电器。

（6） 设立外部互锁电路。控制异步电动机正反转的交流接触器如果同时动作，将会造成三相电源短路。为了防止出现这样的事故，应在PLC外部设置硬件互锁电路。

（7） 外部负载的额定电压。PLC双向晶闸管输出模块一般只能驱动额定电压AC220V的负载。如果系统原来的交流接触器的线圈电压为380V，应换成220V的线圈，或是设置外部中间继电器。

1.7.3 梯形图顺序设计方法

在生产机械的自动控制领域，PLC顺序控制系统的应用量大面广。然而，工艺不同的生产机械要求设计不同的控制系统梯形图。目前，不少电气设计人员仍然采用经验设计法来设计PLC顺序控制系统，不仅设计效率低，容易出差错，而且设计阶段难以发现错误，需要多次调试、修改才符合设计要求。如果一个控制系统可以分解成几个独立的控制动作，且这些动作必须严格按照一定的先后次序执行才能保证生产过程的正常运行，这样的控制系统称为顺序控制系统，也称为步进控制系统。其控制总是一步一步按顺序进行。在工业控制领域中，顺序控制系统的应用很广，尤其在机械行业，几乎无例外地利用顺序控制来实现加工的自动循环。

所谓顺序控制设计法就是针对顺序控制系统的一种专门的设计方法。它是一种通用的技术语言，主要由步、有向连线、转换、转换条件和动作（命令）组成，其基本结构如图1-19所示。

这种设计方法很容易被初学者接受，对于有经验的工程师，也会提高设计的效率，程序的调试、修改和阅读也很方便，是当前最为先进的梯形图设计方法。PLC的设计者们为顺序控制系统的程序编制提供了大量通用和专用的编程元件，开发了专门供编制顺序控制程序用的功能表图，使这种先进的设计方法成为当前PLC程序设计的主要方法。

1. 顺序控制设计法的设计步骤

采用顺序控制设计法进行程序设计的基本步骤如下。

（1） 步的划分

顺序控制设计法最基本的思想是将系统的一个工作周期划分为若干个顺序相连的阶段，这些阶段称为步，并且用编程元件（辅助继电器M或状态器S）来代表各步。步是根据PLC输出状态的变化来划分的，在任何一步之内，各输出状态不变，但是相邻步之间输出状态是不同的。步的这种划分方法使代表各步的编程元件与PLC各输出状态之间有着极为简单的逻辑关系，如图1-20所示。

步也可根据被控对象工作状态的变化来划分，但被控对象工作状态的变化应该是由PLC输出状态变化引起的。

（2） 转换条件的确定

使系统由当前步转入下一步的信号称为转换条件。转换条件可能是外部输入信号，如按钮、指令开关、限位开关的接通/断开等，也可能是PLC内部产生的信号，如定时器、计数器触点的接通/断开等，转换条件也可能是若干个信号的与、或、非逻辑组合。如图1-20所示的I0.0、I0.1、I0.2均为转换条件。

顺序控制设计法用转换条件控制代表各步的编程元件，让它们的状态按一定的顺序变化，然后用代表各步的编程元件去控制各输出继电器。

（3） 功能表图的绘制

根据以上分析和被控对象工作内容、步骤、顺序和控制要求画出功能表图。绘制功能表图是顺序控制设计法中最为关键的一个步骤。绘制功能表图的具体方法将在后面详细介绍。

（4） 梯形图的编制

根据功能表图，按某种编程方式写出梯形图程序。如果PLC支持功能表图语言，则可直接使用该功能表图作为最终程序。

2. 功能表图的绘制

功能表图又称做状态转移图，它是描述控制系统的控制过程、功能和特性的一种图形，也是设计PLC的顺序控制程序的有力工具。功能表图并不涉及所描述的控制功能的具体技术，它是—种通用的技术语言，可以用于进一步设计和不同专业的人员之间进行技术交流。

各个PLC厂家都开发了相应的功能表图，各个国家也都制定了功能表图的国家标准。我国于1986年颁布了功能表图的国家标准（GB6988.6―86）。它主要由步、有向连线、转换、转换条件和动作（命令）组成，功能表图的常用形式如图1-21至1-26所示。

（1） 步与动作

● 步

在功能表图中用矩形框表示步，方框内是该步的编号。如图1-21所示各步的编号为n-1、n、n+1。编程时一般用PLC内部编程元件来代表各步，因此经常直接用代表该步的编程元件的元件号作为步的编号，这样在根据功能表图设计梯形图时较为方便。

● 初始步

与系统的初始状态相对应的步称为初始步。初始状态一般是系统等待启动命令的相对静止的状态。初始步用双线方框表示，每一个功能表图至少应该有一个初始步。

● 动作

一个控制系统可以划分为被控系统和施控系统，例如在数控车床系统中，数控装置是施控系统，而车床是被控系统。对于被控系统，在某一步中要完成某些“动作”，对于施控系统，在某一步中则要向被控系统发出某些“命令”，将动作或命令简称为动作，并用矩形框中的文字或符号表示，该矩形框应与相应的步的符号相连。如果某一步有几个动作，可以用如图1-22所示的两种画法来表示，但是图中并不隐含这些动作之间的任何顺序。

● 活动步

当系统正处于某一步时，该步处于活动状态，称该步为“活动步”。步处于活动状态时，相应的动作被执行。若为保持型动作则该步不活动时继续执行该动作；若为非保持型动作则指该步不活动时，动作也停止执行。一般在功能表图中保持型的动作应该用文字或助记符标注，而非保持型动作不要标注。

（2） 有向连线、转换与转换条件

● 有向连线

在功能表图中，随着时间的推移和转换条件的实现，将会发生步的活动状态的顺序进展，这种进展按有向连线规定的路线和方向进行。在画功能表图时，将代表各步的方框按它们成为活动步的先后次序顺序排列，并用有向连线将它们连接起来。活动状态的进展方向习惯上是从上到下或从左至右，在这两个方向有向连线上的箭头可以省略。如果不是上述的方向，应在有向连线上用箭头注明进展方向。

● 转换

转换是用有向连线上与有向连线垂直的短画线来表示，转换将相邻两步分隔开。步的活动状态的进展是由转换的实现来完成的，并与控制过程的发展相对应。

● 转换条件

转换条件是与转换相关的逻辑条件，转换条件可以用文字语言、布尔代数表达式或图形符号标注在表示转换的短线的旁边。转换条件X和分别表示在逻辑信号X为“1”状态和“0”状态时转换实现。符号X↑和X↓分别表示当X从0→1状态和从1→0状态时转换实现。使用最多的转换条件表示方法是布尔代数表达式，如转换条件（X0+X3）·。

（3） 功能表图的基本结构

● 单序列

单序列由一系列相继激活的步组成，每一步的后面仅接有一个转换，每一个转换的后面只有一个步，如图1-23所示。

● 选择序列

选择序列的开始称为分支，如图1-24（a）所示，转换符号只能标在水平连线之下。如果步5是活动步，并且转换条件d=1，则发生由步5→步6的进展；如果步5是活动的，并且f=1，则发生由步5→步11的进展。在某一时刻一般只允许选择一个序列。选择序列的结束称为合并，如图1-24（b）所示。如果步6是活动步，并且转换条件m=1，则发生由步6→步5的进展；如果步9是活动步，并且n=1，则发生由步9→步5的进展。错误！

● 并行序列

并行序列的开始称为分支，如图1-25（a）所示，当转换条件的实现导致几个序列同时激活时，这些序列称为并行序列。当步5是活动步，并且转换条件e=1时，6、9、11这三步同时变为活动步。为了强调转换的同步实现，水平连线用双线表示。步6、9、11被同时激活后，每个序列中活动步的进展将是独立的。在表示同步的水平双线之上，只允许有一个转换符号。错误！

并行序列的结束称为合并，如图1-25（b）所示，在表示同步的水平双线之下，只允许有一个转换符号。当直接连在双线上的所有前级步都处于活动状态，并且转换条件d=1时，才会发生步6、9、11到步5的进展，而步5变为活动步。并行序列表示系统的几个同时工作的独立部分的工作情况。

● 子步

某一步可以包含一系列子步和转换，如图1-26所示。通常这些序列表示整个系统的一个完整的子功能。子步的使用使系统的设计者在总体设计时容易抓住系统的主要矛盾，用更加简捷的方式表示系统的整体功能和概貌，而不是一开始就陷入某些细节之中。设计者可以从最简单的对整个系统的全面描述开始，然后画出更详细的功能表图。子步中还可以包含更详细的子步，这使设计方法的逻辑性很强，可以减少设计中的错误，缩短总体设计和查错所需要的时间。

3. 基于功能表图的梯形图设计方法实例

根据顺序功能表图，可以采用多种编程方式设计出梯形图。下面介绍常用的启保停电路设计法和置位、复位指令的梯形图设计方法。

（1） 使用启动—保持—停止电路的PLC顺序控制梯形图设计方法

启动—保持—停止电路简称启保停电路，它仅仅使用与触点和线圈有关的指令，任何一种PLC的指令系统都有这一类指令，因此这是一种通用的设计方法，可以用于任意型号的PLC。某小车运动的示意图如图1-27所示。

设小车在初始位置时停在左边，限位开关I0.1为ON。按下启动按钮I0.0后，小车向右运动（简称右行），碰到限位开关I0.2后，停车该处，3 s后开始左行，碰到I0.1返回初始步，停止运动。根据Q0.2和Q0.3 ON/OFF状态的变化，一个工作周期可以分为左行、暂停和右行三步，另外还应设置等待启动的初始步，分别用M2.0～M2.3来代表这四步。启动按钮I0.0、限位开关I0.1、I0.2的常开触点和T37延时接通的常开触点是各步之间的转换条件。其顺序功能表图如图1-28所示。

这种设计方法用启保停电路来控制代表各步的辅助继电器，设计的关键问题是确定启保停电路的启动信号和停止信号。以控制M2.1线圈的启保停电路为例，步M2.1变为活动步的条件是前级步M2.0为活动步（M2.0的常开触点闭合）与转换条件I0.0满足（I0.0的常开触点闭合）。所以应将M2.0和I0.0的常开触点串联，作为控制M2.1的启动电路。M2.1的后续步M2.2变为活动步时，M2.1应变为不活动步（线圈“断电”）。因此应将M2.2的常闭触点与M2.1的线圈串联。根据上述设计方法和顺序功能图，很容易画出梯形图。如图1-28中的步M2.3为步M2.0的前级步，I0.0是二者之间的转换条件，所以将M2.3和I0.0的常开触点串联，作为M2.0的启动电路。PLC开始运行时应将M2.0置为ON，否则系统无法工作，故将M0.0的常开触点与启动电路并联，启动电路还并联了M2.0的自保持触点。后续步M2.1的常闭触点与M2.0的线圈串联，M2.1为ON时的M2.0的线圈“断电”。某一输出量仅在某一步中为ON（如Q0.2和Q0.3），可以将它的线圈与对应步的辅助继电器的线圈并联。如某一输出继电器在几步中都为ON，应将各有关步的辅助继电器的常开触点并联后，驱动该输出继电器的线圈，根据此原则设计出的梯形图如图1-29所示。

（2） 使用置位、复位指令的PLC顺序控制梯形图设计实例

置位（SET）指令使某一编程元件变为ON并保持ON状态，复位（RST）指令使某一编程元件变为OFF并保持OFF状态，它们是各种型号的PLC都使用的通用指令。图1-30所示给出了使用置位指令和复位指令设计梯形图时，顺序功能表图与梯形图之间的对应关系。

实现图中I0.1对应的转换需要同时满足两个条件，即该转换的前级步是活动步（M2.1为ON）和转换条件满足（I0.1为ON）。在梯形图中，可以用M2.1和I0.1的常开触点组成的串联电路来表示上述条件。该电路接通时，两个条件同时满足，此时应完成两个操作，即将该转换的后续步变为活动步（用SET M2.2指令将M2.2置位）和将该转换的前级步变为不活动步（用RST M2.1指令将M2.1复位），这种编程方法与转换实现的基本规则之间有着严格的对应关系，用它编制复杂的顺序功能表图的梯形图时，更能显示出它的优越性。

下面以某组合机床的控制过程为例说明如何使用此种方法。

某组合机床的动力头在初始状态时停在最左边，限位开关I0.0为ON，如图1-31所示。

按下启动按钮I0.4，动力头的进给运动如图1-31所示，工作一个循环后，返回并停在初始位置，控制电磁阀的Q1.0～Q1.3在各工步的状态如图1-32所示。在以转换为中心的编程方法中，用该转换所有前级步对应的辅助继电器的常开触点与转换对应的触点或电路串联，作为使所有后续步对应的辅助继电器置位（使用SET指令）和使所有前级步对应的辅助继电器复位（使用RST指令）的条件。在任何情况下，代表步的辅助继电器的控制电路都可以用这一原则来设计，每一个转换对应一个这样的的控制置位和复位的电路块；有多少个转换就有多少个这样的电路块。这种设计方法特别有规律，在设计复杂的顺序功能表图的梯形图时既容易掌握，又不容易出错。其顺序功能表图如图1-32所示。

使用这种编程方法时，不能将输出继电器的线圈与SET和RST指令并联，这是因为图1-32中前级步和转换条件对应的串联电路接通的时间是相当短的（只有一个扫描周期），转换条件满足后，前级步马上被复位，该串联电路被断开，而输出继电器的线圈至少应该在某一步对应的全部时间内被接通。所以应根据顺序功能图，用代表步的辅助继电器的常开触点或它们的并联电路来驱动输出继电器的线圈，根据此原则可以设计出梯形图如图1-33所示。

（3） 由顺序功能表图转换成梯形图的基本规则

在功能表图中，步的活动状态的进展是由转换的实现来完成的。转换实现必须同时满足该转换所有的前级步都是活动步；而且相应的转换条件得到满足。如果转换的前级步或后续步不止一个，转换的实现称为同步实现。转换的实现应完成两个操作：

● 使所有由有向连线与相应转换符号相连的后续步都变为活动步；

● 使所有由有向连线与相应转换符号相连的前级步都变为不活动步。

（4） 绘制功能表图应注意的问题

● 两个步绝对不能直接相连，必须用一个转换将它们隔开。

● 两个转换也不能直接相连，必须用一个步将它们隔开。

需要强调，功能表图中初始步是必不可少的，它一般对应于系统等待启动的初始状态，这一步可能没有什么动作执行，因此很容易遗漏这一步。如果没有该步，无法表示初始状态，系统也无法返回停止状态。

只有当某一步所有的前级步都是活动步时，该步才有可能变成活动步。如果用无断电保持功能的编程元件代表各步，则PLC开始进入RUN方式时各步均处于“0”状态，因此必须要有初始化信号，将初始步预置为活动步，否则功能表图中永远不会出现活动步，系统将无法工作。

1.8 课后习题

1. 填空题

（1） 可编程序控制器简称________，是近年来发展极为迅速、应用面极广的工业控制装置。

（2） PLC控制系统设计的基本原则是首先要熟悉被控对象的________。

（3） 在用户程序执行阶段，PLC总是按________依次地扫描用户程序。

（4） 扫描周期是指________。扫描周期的长短一般与________、________、________有关。

（5） 选择PLC机型时应考虑________、________、________和________等方面。

2. 选择题

（1） PLC主要有（ ）两种结构形式。

A. 整体式和模块式

B. 整体式和分体式

C. 分体式和模块式

D. 整体式和分散式

（2） 不属于主令电器类的输入设备是（ ）。

A. 按钮

B. 行程开关

C. 转换开关

D. 继电器

（3） 根据节约I/O点的原则，图1-34可以节省的I/O点数为（ ）。

A. 1

B. 2

C. 3

D. 4

（4） 顺序控制设计法中不包括的内容是（ ）。

A. 步

B. 有向连线

C. 转换

D. 线圈

（5） 选择序列的结束称为合并，如图1-35所示，如果转换条件m=1，则发生由步（ ）→步5的进展。

A. 5

B. 6

C. 9

D. 11

3. 上机题

（1） 根据图1-36所示的顺序功能图，使用置位、复位指令来完成梯形图设计。

（2） 根据图1-37所示的顺序功能图绘制梯形图。

（3） 某液压滑台动作如图所示，试编写其梯形图。

4. 简答

（1） 简述PLC的定义。

（2） 继电器控制与PLC控制方法的区别是什么？

（3） 简述PLC的基本工作原理。

（4） 简述PLC的各分类方法及其应用场合。

（5） PLC的发展趋势主要体现在几个方面？