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1、第5章 状态转移图及编程方法,5.1 状态转移图及状态功能 5.2 单流程状态转移图的编程 5.3 选择性分支与汇合的编程 5.4 并行分支与汇合的编程 5.5 编程实例 5.6 逻辑设计法,PLC程序设计步骤,根据可编程序控制器系统硬件结构和生产工艺要求，在软件规格说明书的基础上，用相应的编程语言指令，编制实际应用程序并形成程序说明书的过程就是程序设计。PLC程序设计一般分为以下几个步骤：程序设计前的准备工作。程序框图设计。程序测试。编写程序说明书。,1程序设计前的准备工作,程序设计前的准备工作大致可分为3个方面：1）了解系统概况，形成整体概念这一步的工作主要是通过系统设计方案和软件规格说明
2、书了解控制系统的全部功能、控制规模、控制方式、输入输出信号种类和数量、是否有特殊功能接口、与其他设备的关系、通信内容与方式等。没有对整个控制系统的全面了解，就不能对各种控制设备之间的关联有真正的理解，闭门造车和想当然地编程序，编出的程序到现场去运行，肯定问题百出，不能使用。,2）熟悉被控对象:编出高质量的程序这步的工作是通过熟悉生产工艺说明书和软件规格说明书来进行的。可把控制对象和控制功能分类，按响应要求、信号用途或者按控制区域划分，确定检测设备和控制设备的物理位置，深入细致地了解每一个检测信号和控制信号的形式、功能、规模、其间的关系和预见以后可能出现的问题，使程序设计有的放矢。在熟悉被控对象
3、的同时，还要认真借鉴前人在程序设计中的经验和教训，总结各种问题的解决方法哪些是成功的，哪些是失败的，为什么。总之，在程序设计之前，掌握东西越多，对问题思考得越深入，程序设计就会越得应手。,3）充分利用手头的硬件和软件工具例如，硬件工具有：编程器、GPC（图形编程器）、FIT（工厂智能终端）；编程软件有：LSS、SSS、CPT、CXProgTammer、西门子STEP7 如果是利用计算机编程，可以大大提高编程的效率和质量。,2程序框图设计,这步的主要工作是根据软件设计规格书的总体要求和控制系统具体情况，确定应用程序的基本结构、按程序设计标准绘制出程序结构框图；然后再根据工艺要求，绘制出各功能单元
4、的详细功能框图。如果有人已经做过这步工作，最好拿来借鉴一下。有的系统的应软件已经模块化，那就要对相应程序模块进行定义，规定其功能，确定各块之间连接关系，然后再绘制出各模块内部的详细框图。框图是编程的主要依据，要尽可能地详细。如果框图是别人设计的，一定要设法弄清楚其设计思想和方法。这步完成之后，就会对全部控制程序功能实现有一个整体概念。,3编写程序,编写程序就是根据设计出的框图逐条地编写控制程序，这是整个程序设计工作的核心部分。如果有编程支持软件如：SSS、CPT，应尽量使用。梯形图语言是最普遍使用的编程语言，对初学者来讲，可以借鉴现成的标准程序，但必须弄懂这些程序段，否则将会给后续工作带来困难
5、和损失。另外，编写程序过程中要及时对编出的程序进行注释，以免忘记其间相互关系，要随编随注。注释要包括程序的功能、逻辑关系说明、设计思想、信号的来源和去向以便阅读和调试。,4程序测试,程序测试是整个程序设计工作中一项很重要的内容，它可以初步检查程序的实际效果。程序测试和程序编写是分不开的，程序的许多功能是在测试中修改和完善的。测试时先从各功能单元入手，设定输入信号，观察输出信号的变化情况，必要时可以借用某些仪器仪表。各功能单元测试完成后，再贯通全部程序，测试各部分的接口情况，直到满意为止。程序测试可以在实验室进行，也可以在现场进行。如果是在现场进行程序测试，那就要将可编程序控制器系统与现场信号隔
6、离，可以使用暂停输入输出服务指令，也可以切断输入输出模板的外部电源，以免引起不必要的、甚至可能造成事故的机械设备动作。,5编写程序说明书,程序说明书是对程序的综合说明，是整个程序设计工作的总结。编写程序说明书的目的是便于程序的使用者和现场调试人员使用。对于编程人员本人，程序说明书也是不可缺少的，它是整个程序文件的一个重要组成部分。在程序说明书中通常可以对程序的依据即控制要来程序的结构、流程图等给予必要的说明，并且给出程序的安装操作使用步骤等。,流程图,5.1 状态转移图及状态功能,引例:如图所示,台车自动往返系统工况示意图,SQ2(X2),SQ1(X1),SQ3(X3),前进(Y1),后退(Y
7、2),SB(X0),启动,某生产过程的控制工艺要求如下：,5.1 状态转移图及状态功能,(2)台车后退碰到限位开关SQ2后，台车电机M停转，台车停车，停5 s，第二次前进，碰到限位开关SQ3，再次后退。,(3)当后退再次碰到限位开关SQ2时，台车停止(或者继续下一个循环)。,(1)按下启动按钮SB，台车电机M正转，台车前进，碰到限位开关SQ1后，台车电机M反转，台车后退。,为编程的需要，不妨设置输入、输出端口配置如表所示。,5.1 状态转移图及状态功能,编程步骤如下：,5.1 状态转移图及状态功能,第一步：绘制流程图,流程图是描述控制系统的控制过程、功能和特性的一种图形，流程图又叫功能表图(F
8、unction Chart)。,流程图主要由步、转移(换)、转移(换)条件、线段和动作(命令)组成。,台车的每次循环工作过程分为前进、后退、延时、前进、后退五个工步。,5.1 状态转移图及状态功能,每一步用一个矩形方框表示，方框中用文字表示该步的动作内容或用数字表示该步的的标号。,与控制过程的初始状态相对应的步称为初始步。初始步表示操作的开始。,每步所驱动的负载(线圈)用线段与方框连接。方框之间用线段连接，表示工作转移的方向，习惯的方向是从上至下或从左至右，必要时也可以选用其它方向。线段上的短线表示工作转移条件，图中状态转移条件为SB、SQ1。方框与负载连接的线段上的短线表示驱动负载的联锁条件
9、，当联锁条件得到满足时才能驱动负载。转移条件和联锁条件可以用文字或逻辑符号标注在短线旁边。,5.1 状态转移图及状态功能,当相邻两步之间的转移条件得到满足时，转移去执行下一步动作，而上一步动作便结束，这种控制称为步进控制。,5.1 状态转移图及状态功能,在初始状态下，按下前进启动按钮SB(X00动合触点闭合)，则小车由初始状态转移到前进步，驱动对应的输出继电器Y01，当小车前进至前限位SQ1时(X01动合触点闭合)，则由前进步转移到后退步。这就完成了一个步进，以下的步进读者可以自行分析。,顺序控制若采用步进指令编程，则需根据流程图画出状态转移图。状态转移图是用状态继电器(简称状态)描述的流程图
10、。,5.1 状态转移图及状态功能,第二步：绘制状态转移图,状态元件是构成状态转移图的基本元素，是可编程序控制器的元件之一。,(1)驱动负载。状态可以驱动M、Y、T、S等线圈。可以直接驱动和用置位SET指令驱动，也可以通过触点联锁条件来驱动。例如，当状态S20置位后，它可以直接驱动Y1。在状态S20与输出Y1之间有一个联锁条件Y2。,状态可提供以下三种功能：,5.1 状态转移图及状态功能,(2)指定转移的目的地。状态转移的目的地由连接状态之间的线段指定，线段所指向的状态即为指定转移的目的地。例如，S20转移的目的地为S21。,流程图中的每一步，可用一个状态来表示，由此绘出图所示的台车流程图的状态
11、转移图。如图所示，分配状态的元件如下：,初始状态 S0,前进(工序一)S20,后退(工序二)S21,延时(工序三)S22,再前进(工序四)S23,再后退(工序五)S24,注意：虽然S20与S23、S21与S24，功能相同，但它们是状态转移图中的不同工序，也就是不同状态，故编号也不同。,台车流程图的状态转移图,(3)给出转移条件。状态转移的条件用连接两状态之间的线段上的短线来表示。当转移条件得到满足时，转移的状态被置位，而转移前的状态(转移源)自动复位。例如，当X1动合触点瞬间闭合时，状态S20将转移到S21，这时S21被置位而S20自动复位。,5.1 状态转移图及状态功能,状态的转移条件可以是
12、单一的，也可以是多个元件的串、并联组合，如图所示。,5.1 状态转移图及状态功能,在使用状态时还需要说明以下问题：,5.1 状态转移图及状态功能,(1)状态的置位要用SET指令，这时状态才具有步进功能。,它除了提供步进触点外，还提供一般的触点。步进触点(STL触点)只有动合触点，一般触点有动合触点和动断触点。当状态被置位时，其STL触点闭合，用它去驱动负载。,(2)用状态驱动的M、Y若要在状态转移后继续保持接通，则需用SET指令。当需要复位时，则需用RST指令。,(3)只要在不相邻的步进段内，则可重复使用同一编号的计时器。这样，在一般的步进控制中只需使用23个计时器就够了，可以节省很多计时器。
13、,5.2 单流程状态转移图的编程,(4)状态也可以作为一般中间继电器使用，其功能与M一样，但作一般中间继电器使用时就不能再提供STL触点了。,每个状态提供一个STL触点，当状态置位时，其步进触点接通。用步进触点连接负载的梯形图称为步进梯形图，它可以根据状态转移图来绘制。根据图所示台车状态转移图绘制的步进梯形图。,5.2 单流程状态转移图的编程,第三步：设计步进梯形图,5.2 单流程状态转移图的编程,下面对绘制步进梯形图的要点作一些说明：,5.2 单流程状态转移图的编程,(1)状态必须用SET指令置位才具有步进控制功能，这时状态才能提供STL触点。,(2)状态转移图除了并联分支与联接的结构以外，
14、STL触点基本上都是与母线连接的，通过STL触点直接驱动线圈，或通过其它触点来驱动线圈。线圈的通断由STL触点的通断来决定。,(3)图中M8002为特殊辅助继电器的触点，它提供开机初始脉冲。,(4)在步进程序结束时要用RET指令使后面的程序返回原母线。,由步进梯形图可用步进指令编制出语句表程序。步进指令由STL/RET指令组成。STL指令称为步进触点指令，用于步进触点的编程；RET指令称为步进返回指令，用于步进结束时返回原母线。,5.2 单流程状态转移图的编程,第四步：编制语句表,由步进梯形图编制语句表的要点是：(1)对STL触点要用STL指令，而不能用LD指令。不相邻的状态转移用OUT指令，
15、例如从S24转移到S25。,(2)与STL触点直接连接的线圈用OUT/SET指令。对于通过触点连接的线圈，应在触点开始处使用LD/LDI指令。,(3)步进程序结束时要写入RET指令。LD M8002 SET S0 STL S0 LD X0 SET S20STL S20 LDI Y2 OUT Y1 LD X1 SET S21 STL S21 LDI Y1 OUT Y2 LD X2 SET S22 STL S22 OUT T0 SP K50,5.2 单流程状态转移图的编程,LD T0 SET S23 STL S23 LDI Y2 OUT Y1 LD X3 SET S24 STL S24 LDI Y
16、1 OUT Y2 LD X2 OUT S0 RET END,5.2 单流程状态转移图的编程,1可选择的分支与汇合 从多个流程程序中，选择执行哪一个流程称为选择性分支 下图是可选择的分支与汇合的状态转移图和梯形图。,5.3 选择性分支与汇合的编程,5.3 选择性分支与汇合的编程,选择分支和汇合的编程原则是：先集中处理分支状态，然后再集中处理汇合状态。,5.3 选择性分支与汇合的编程,分支选择条件X1和X4不能同时接通。程序运行到状态器S21时，根据X1和X4的状态决定执行哪一条分支。当状态器S22或S24接通时，S21自动复位。状态器S26由S23或S25 置位，同时，前一状态器S23或S25自
17、动复位。与图对应的语句表如下：,STLS22OUTY2LDX2SETS23LDX23SETS3LDX3,LD X5SETS25STLS25OUTY5LDX6SETS26LDS26SETY6,STLS21OUTY1LDX1SETS22LDX4SETS24,SETS26STLS24 OUTY4,5.3 选择性分支与汇合的编程,5.4 并行分支与汇合的编程,并行分支的编程原则是先集中进行并行分支处理，再集中进行汇合处理。,5.4 并行分支与汇合的编程,当转换条件X1接通时，由状态器S21分两路同时进入状态器S22和S24，以后系统的两个分支并行工作，图中水平双线强调的是并行工作，实际上与一般状态编程
18、一样，先进行驱动处理，然后进行转换处理，从左到右依次进行。,STLS21OUTY1LDX1SETS22SETS24STLS22OUTY2LDX2SETS23STLS23OUTY3STLS24OUTY4,5.4 并行分支与汇合的编程,LDX3SETS25STLS 25OUTY5STLS23STLS25LDX4SETS26STLS26OUTY6,5.5 编程实例,1 交通信号灯控制(1)控制要求 信号灯的动作受开关总体控制，按一下启动按钮，信号灯系统开始工作，并周而复始地循环动作；按一下停止按钮，所有信号灯都熄灭。信号灯控制时序要求如表所示。,(2)系统配置 根据信号控制要求，I/O分配及其接线如
19、图所示 图中用一个输出点驱动两个信号灯 如果PLC输出点的输出电流不够，可以用一个输出点驱动一个信号灯 也可以在PLC输出端增设中间继电器，由中间继器再去驱动信号灯,5.5 编程实例,可编程控制器 I/O接线图,(3)时序图 十字路口交通信号灯控制的时序图,(4)程序设计 1)按单流程编程 如果把东西方向和南北方向信号灯的动作视为一个顺序动作过程，其中每一个时序同时有两个输出，一个输出控制东西方向的信号灯，另一个输出控制南北方向的信号灯，这样就可以按单流程进行编程，其状态转移图如图所示，对应的步进梯形图如图所示。,5.5 编程实例,按下启动按钮SB1，X0接通，S0置位，转入初始状态，由于Y0
20、、M0条件满足，状态使S20置位，转入第一工步，同时T0开始计时，经25 s后，S21置位，S20复位，转入第二工步当状态转移到S25时，程序又重新从第一工步开始循环。,5.5 编程实例,按单流程编程的步进梯形图,按停止按钮SB3，X2接通，M0使接通并自保，断开S0后的循环流程，当程序执行完后面的流程后停止在初始状态，即南北红灯亮，禁止通行；东西绿灯亮，允许通行。,5.5 编程实例,T6、T7组成的是0.5 s的振荡电路，该电路的作用是控制绿灯闪烁，其中T1和T4是控制闪烁的时间。,2)按双流程编程 东西方向和南北方向信号灯的动作过程也可以看成是两个独立的顺序动作过程。其状态转移图如图所示。
21、它具有两条状态转移支路，其结构为并联分支与汇合。按启动按钮SB1，信号系统开始运行，并反复循环。,5.5 编程实例,2 物料自动混合控制(1)控制要求 1)初始状态 容器是空的，电磁阀F1、F2、F3和F4，搅拌电动机M，液面传感器L1、L2和L3，加热器H和温度传感器T均为OFF。,5.5 编程实例,2)物料自动混合控制 物料自动混合装置如图所示。按下启动按钮，开始下列操作：(1)电磁阀F1开启，开始注入物料A，至高度L2(此时L2、L3 为ON)时，关闭阀F1，同时开启电磁阀F2，注入物料B，当液面上升至L1时，关闭阀F2。(2)停止物料B注入后，启动搅拌电动机M，使A、B两种物料混合10
22、 s。(3)10 s后停止搅拌，开启电磁阀F4，放出混合物料，当液面高度降至L3后，再经5 s关闭阀F4。,5.5 编程实例,3)停止操作 按下停止按钮，在当前过程完成以后，再停止操作，回到初始状态。,5.5 编程实例,PLC I/O配置及接线,5.5 编程实例,(2)用步进指令编程 物料自动混合过程，实际上是一个按一定顺序操作的控制过程。因此，也可以用步进指令编程，其状态转移图如图所示。,5.5 编程实例,3、大、小球分检控制,其动作顺序如下：左上为原点，机械臂下降(当磁铁压着的是大球时，限位开关SQ2断开。而吸着的是小球时SQ2接通，以此可判断是大球还是小球)大球SQ2断开 将球吸住 上升
23、SQ3动作 右行到SQ5动作 小球SQ2接通将球吸住上升SQ3动作右行到SQ4动作 下降SQ2动作释放上升SQ3动作左移SQ1动作到原点。左移、右移分别由Y4、Y3控制，上升、下降分别由Y2、Y0控制，将球吸住由Y1控制。,5.5 编程实例,根据工艺要求，该控制流程可根据SQ2的状态(即对应大、小球)有两个分支，此处应为分支点，且属于选择性分支。分支在机械臂下降之后根据SQ2的通断，分别将球吸住、上升、右行到SQ4或SQ5处下降，此处应为汇合点，然后再释放、上升、左移到原点。其状态转移图如图所示。,5.5 编程实例,大、小球分类选择传送状态转移图,LD M8002 SET S0 STL S0
24、OUT Y5 LD X0 AND X1 AND X3 SET S21 STL S21 0UT Y0 OUT T0 SP K20 LD T0,AND X2 SET S22 LD T0 ANI X2 SET S25 STL S22 SET Y1 OUT T1 K10 LD T1 SET S23 STL S23 OUT Y2 LD X3,选择性分支汇合编程方法编制的大、小球分类程序,LDI X5OUT Y3STL S24LD X4SET S28STL S27LD X5SET S28STL S28OUT Y0LD X2SET S29STL S29RST Y1OUT T2,SET S24 STL S24
25、 LDI X4 OUT Y3 STL S25 SET Y1 OUT T1 SP K10 LD T1SET S26STL S26OUT Y2LD X3SET S27STL S27,选择性分支汇合编程方法编制的大、小球分类程序,SP K10LD T2SET S30STL S30OUT Y2LD X3SET S31STL S31LDI X1OUT X4LD X1OUT S20RETEND,思考与练习题,1.写出图所示梯形图对应的语句表。,2.写出图所示梯形图对应的语句表。,思考与练习题,3.有一小车运行过程如图所示。小车原位在后退终端，当小车压下后限位开关SQ1时，按下启动按钮SB，小车前进，当运行
26、至料斗下方时，前限位开关SQ2动作，此时打开料斗给小车加料，延时8 s后半闭料斗，小车后退返回，SQ1动作时，打开小车底门卸料，6 s后结束，完成一次动作。如此循环下去。请用状态编程思想设计其状态转移图。,4.有一选择性分支状态转移图如图所示。请对其进行编程。,思考与练习题,5.有一选择性分支状态转移图如图所示。请对其进行编程。,思考与练习题,6.有一并行分支状态转移图如图所示。请对其进行编程。,思考与练习题,5.6 逻辑设计法,逻辑设计法是以逻辑组合的方法和形式来设计PLC控制程序。由于PLC是一种工业控制计算机，而计算机的理论基础正是建立在逻辑代数的基础上的，即“与”、“或”、“非”三种逻
27、辑电路组合。特别是PLC程序的结构和形式，无论是语句表程序还是梯形图程序，都直接或间接地采用逻辑组合的形式，其工作方式及规律也符合逻辑运算的基本规律。因此，用0、1两种取值的逻辑代数作为设计PLC应用程序的工作是极其有效的。,5.6.1基本逻辑线路结构及实现,逻辑代数的三种基本形式“与”、“或”、“非”都有非常明确的物理意义，因此，当一个逻辑函数用逻辑变量的基本运算表现出来以后，实现这个逻辑函数的线路也就确定了,5.6.2逻辑设计法的步骤,逻辑设计法特别适合开关量控制程序的设计，它是对控制任务进行逻辑分析和综合，将各变成元件的通断电状态视为以触点通断状态为逻辑变量的逻辑函数，对经过化简的逻辑函
28、数，利用PLC逻辑指令可方便的设计出程序,具体步骤：,明确控制任务和控制要求，通过分析机械装置和工艺过程，绘制工作循环过程和检测元件分布图，获得电器执行元件功能表绘制空盒子系统状态转换表。通常它由输出信号状态表、输入信号状态表、状态转换主令元件表和中间记忆装置状态表四个部分组成。根据状态转换表进行系统的逻辑设计，包括列写中间记忆元件的逻辑函数式和执行元件（输出量）的逻辑函数式将逻辑设计结果转化为PLC程序,5.6.3逻辑设计法应用举例,设计步进电机环形分配器的控制程序。步进电机的控制主要有3个参数：转速、转角和转向。步进电机的转动是由输入脉冲信号控制，转速是由输入脉冲信号的频率决定，转过的角度是由输入脉冲信号的脉冲个数决定，转向由环形分配器的输出通过步进电机A、B、C相绕组通电的相序来控制步进电机转向,
