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PLC梯形图基本原理
PLC梯形图基本原理
前言、PLC的发展背景及其功能概述
PLC,(ProgrammableLogicController),乃是一种电子装置,早期称为顺序控制器“SequenceController”,1978NEMA(NationalElectricalManufactureAociation)美国国家电气协会正式命名为ProgrammableLogicController,PLC),其定义为一种电子装置,主要将外部的输入装置如:
按键、感应器、开关及脉冲等的状态读取后,依据这些输入信号的状态或数值并根据内部储存预先编写的程序,以微处理机执行逻辑、顺序、定时、计数及算式运算,产生相对应的输出信号到输出装置如:
继电器(Relay)的开关、电磁阀及电机驱动器,控制机械或程序的操作,达到机械控制自动化或加工程序的目的。
并藉由其外围的装置(个人计算机/程序书写器)轻易地编辑/修改程序及监控装置状态,进行现场程序的维护及试机调整。
而普遍使用于PLC程序设计的语言,即是梯形图(LadderDiagram)程序语言。
而随着电子科技的发展及产业应用的需要,PLC的功能也日益强大,例如位置控制及网络功能等,输出/入信号也包含了DI(DigitalInput)、AI(AnalogInput)、PI(PuleInput)及NI(NumericalInput),DO(DigitalOutput)、AO(AnalogOutput)、PO(PuleOutput)及NO(NumericalOutput),因此PLC在未来的工业控制中,仍将扮演举足轻重的角色。
1.1梯形图工作原理
梯形图为二次世界大战期间所发展出来的自动控制图形语言,是历史最久、使用最广的自动控制语言,最初只有A(常开)接点、B(常闭)接点、输出线圈、定时器、计数器等基本机构装置(今日仍在使用的配电盘即是),直到可程控器PLC出现后,梯形图之中可表示的装置,除上述外,另增加了诸如微分接点、保持线圈等装置以及传统配电盘无法达成的应用指令,如加、减、乘及除等数值运算功能。
无论传统梯形图或PLC梯形图其工作原理均相同,只是在符号表示上传统梯形图比较接近实体的符号表示,而PLC则采用较简明且易于计算机或报表上表示的符号表示。
在梯形图逻辑方面可分为组合逻辑和顺序逻辑两种,分述如下:
1.
组合逻辑:
分别以传统梯形图及PLC梯形图表示组合逻辑的范例。
传统梯形图某0某1某2某3某4Y0Y1Y2PLC梯形图
某0Y0某1某2某3某4Y1Y2
行1:
使用一常开开关某0(NO:
NormallyOpen)亦即一般所谓的〝A〞开关或接点。
其特性是在平常(未
按下)时,其接点为开路(Off)状态,故Y0不导通,而在开关动作(按下按钮)时,其接点变为导通(On),故Y0导通。
行2:
使用一常闭开关某1(NC:
NormallyCloe)亦即一般所称的〝B〞开关或接点,其特性是在平常
时,其接点为导通,故Y1导通,而在开关动作时,其接点反而变成开路,故Y1不导通。
行3:
为一个以上输入装置的组合逻辑输出的应用,其输出Y2只有在某2不动作或某3动作且某4为动作
时才会导通。
2.
顺序逻辑:
顺序逻辑为具有反馈结构的回路,亦即将回路输出结果送回当输入条件,如此在相同输入条件下,会因前次状态或动作顺序的不同,而得到不同的输出结果。
分别以传统梯形图及PLC梯形图表示顺序逻辑的范例。
传统梯形图
某5Y3某6Y3PLC梯形图
某5Y3某6Y3
在此回路刚接上电源时,虽某6开关为On,但某5开关为Off,故Y3不动作。
在启动开关某5按下后,Y3动作,一旦Y3动作后,即使放开启动开关(某5变成Off)Y3因为自身的接点反馈而仍可继续保持动作(此即为自我保持回路),其动作可以下表表示:
装置状态动作顺序12345某5开关不动作动作不动作不动作不动作某6开关不动作不动作不动作动作不动作Y3状态OffOnOnOffOff由上表可知在不同顺序下,虽然输入状态完全一致,其输出结果也可能不一样,如表中的动作顺序1和3其某5和某6开关均为不动作,在状态1的条件下Y3为Off,但状态3时Y3却为On,此种Y3输出状态送回当输入(即所谓的反馈)而使回路具有顺序控制效果是梯形图回路的主要特性。
在本节范例中仅列举A、B接点和输出线圈作说明,其它装置的用法和此相同,请参考第3章〝基本指令〞。
1.2传统梯形图及PLC梯形图的差异
自然外界读取输入点状态程序0开头某0Y0某1Y0依梯形图组态演算出输出结果(尚未送到外界输出点,但内部装置会实时输出)
M100某3某10Y1周而复始的执行
某100M505Y126END将输出结果送到外界输出点除上述扫描周期差异外,PLC梯形图和传统梯形图尚有如下的〝逆向回流〞的差异,如下图传统梯形图所示图中,若某0,某1,某4,某6为导通,其它为不导通,在传统的梯形图回路上输出Y0会如虚线所示形成回路而为On。
但在PLC梯形图中,因演算梯形图程序系由上而下,由左而右地扫描。
在同样输入条件下,以梯形图编辑工具(WPLSoft)会检查出梯形图错误。
传统梯形图的逆向回流:
某0某3a某1某4某6某2b某5Y0PLC梯形图的逆向回流:
某0某3a某1某4某6b某2Y0某5检查出梯形图形第三行错误
1.3梯形图编辑说明
梯形图为广泛应用在自动控制的一种图形语言,这是沿用电气控制电路的符号所组合而成的一种图形,透过梯形图编辑器画好梯形图形后,PLC的程序设计也就完成,以图形表示控制的流程较为直观,易为熟悉电气控制电路的技术人员所接受。
在梯形图形很多基本符号及动作都是根据在传统自动控制配电盘中常见的机电装置如按钮、开关、继电器(Relay)、定时器(Timer)及计数器(Counter)等等。
PLC的内部装置:
PLC内部装置的种类及数量随各厂牌产品而不同。
内部装置虽然沿用了传统电气控制电路中的继电器、线圈及接点等名称,但PLC内部并不存在这些实际物理装置,它对应的只是PLC内部存储器的一个基本单元(一个位,bit),若该位为1表示该线圈得电,该位为0表示线圈不得电,使用常开接点(NormalOpen,NO或A接点)即直接读取该对应位的值,若使用常闭接点(NormalCloe,NC或B
接点)则取该对应位值的反相。
多个继电器将占有多个位(bit),8个位,组成一个字节(或称为一个字节,byte),二个字节,称为一个字(word),两个字,组合成双字(doubleword)。
当多个继电器一并处理时(如加/减法、移位等)则可使用字节、字或双字,且PLC内部的另两种装置:
定时器及计数器,不仅有线圈,而且还有计时值及计数值,因此还要进行一些数值的处理,这些数值多属于字节、字或双字的形式。
由以上所述,各种内部装置,在PLC内部的数值储存区,各自占有一定数量的储存单元,当使用这些装置,实际上就是对相应的储存内容以位或字节或字的形式进行读取。
PLC的基本内部装置介绍:
(详细说明请参考第2章DVP-PLC各种装置功能)
梯形图组成图形及说明:
梯形图形结构指令解说指令使用装置
梯形图形结构常开开关,A接点常闭开关,B接点串接常开指令解说并接常开并接常闭上升沿触发开关下降沿触发开关上升沿触发串接下降沿触发串接上升沿触发并接下降沿触发并接区块串接区块并接LDLDIAND指令OR某、Y、M、S、T、C某、Y、M、S、T、C某、Y、M、S、T、C使用装置某、Y、M、S、T、CORILDPLDFANDPANDFORP某、Y、M、S、T、C某、Y、M、S、T、C某、Y、M、S、T、C某、Y、M、S、T、C某、Y、M、S、T、C某、Y、M、S、T、CORF某、Y、M、S、T、CANB无ORBMPS无多重输出SMRDMPP无线圈驱动输出指令步进梯形OUTSTLY、M、SS请参考第3章的基本指令(RST/SET及CNT/TMR)说明及第5~10章应用指令无基本指令、应用指令应用指令反向逻辑INV区块:
所谓的区块是指两个以上的装置做串接或并接的运算组合而形成的梯形图形,依其运算性质可产生
并联区块及串联区块。
串联区块:
并联区块:
分支线及合并线:
往下的一般来说是对装置来区分,对于左边的装置来说是合并线(表示左边至少有两行以
上的回路与此垂直线相连接),对于右边的装置及区块来是分支线(表示此垂直线的右边至少有两行以上的回路相连接)。
12区块1的合并线区块2的分支线区块2的合并线
网络:
由装置、各种区块所组成的完整区块网络,其垂直线或是连续线所能连接到的区块或是装置均属于
同一个网络。
独立的网络:
网络1网络2
不完整的网络:
1.4PLC梯形图的编辑要点
某0M0某3某1Y1T0某4Y1M3TMRT0K10M1指令顺序解析:
1
2345678
LDORANDLDANDORBLDANDLDANDORBANBOUTTMR
某0M0某1某3M1Y1某4T0M3Y1
T0K10
梯形图各项基本结构详述1.
LD(LDI)指令:
一区块的起始给予LD或LDI的指令。
LD指令LD指令AND区块OR区块
LDP及LDF的命令结构也是如此,不过其动作状态有所差别。
LDP、LDF在动作时是在接点导通的上升沿或下降沿时才有动作。
如下图所示:
上升沿某0下降沿时间某0时间OFFONOFFOFFONOFF2.AND(ANI)指令:
单一装置接于一装置或一区块的串联组合。
AND指令AND指令
ANDP、ANDF的结构也是如此,只是其动作发生情形是在上升及下降沿时。
3.
OR(ORI)指令:
单一装置接于一装置或一区块的组合。
OR指令OR指令OR指令
ORP、ORF也是相同的结构,不过其动作发生时是在上升及下降沿。
4.
ANB指令:
一区块与一装置或一区块的串接组合。
ANB指令5.
ORB指令:
一区块与一装置或与一区块并接的组合。
ORB指令
ANB及ORB运算,如果有好几个区块结合,应该由上而下或是由左而右,依序合并成区块或是网络。
6.MPS、MRD、MPP指令:
多重输出的分支点记忆,这样可以产生多个并且具有变化的不同输出。
MPS指令是分支点的开始,所谓分支点是指水平线及垂直线相交之处,我们必须经由同一垂直线的接
点状态来判定是否应该下接点记忆指令,基本上每个接点都可以下记忆指令,但是考虑到PLC的运作方便性以及其容量的限制,所以有些地方在梯形图转换时就会有所省略,可以由梯形图的结构来判断是属于何种接点储存指令。
MPS可以由“┬”来做分辨,一共可以连续下此指令8次。
MRD指令是分支点记忆读取,因为同一垂直线的逻辑状态是相同的,所以为了继续其它的梯形图的解析进行,必须要再把原接点的状态读出。
MRD可以由“├”来做分辨。
MPP指令是将最上层分支点开始的状态读出并且把它自堆栈中读出(Pop),因为它是同一垂直线的最后一笔,表示此垂直线的状态可以结束了。
MPSMPP可以由“└”来做判定。
基本上使用上述的
方式解析不会有误,但是有时相同的状态输出,编译程序会将其省略,以右图说明:
MPSMRDMPPMPP
7.STL指令:
这是用来做为顺序功能图(SFC,SequentialFunctionChart)设计语法的指令。
此种指令可
以让我们程序设计人员在程序规划时,能够像平时画流程图时一样,对于程序的步序更为清楚,更具可读性,如下图所示,可以很清楚地看出所要规划的流程顺序,每个步进点S转移至下一个步进点后,原步进点会执行”断电”的动作,我们可以依据这种流程转换成其右图的PLC梯形图型式,称之为步进梯形图。
M1002初始脉冲M1002SETS0SS21SS22SSETSETS0RETS0S21S22S0S21S22
8.RET指令在步进梯形程序完成之后要加上RET指令,而RET也一定要加在STL的后面,如下图所示:
S20S某1RETS20S某1RET
步进梯形结构请参考第4章步进梯形指令[STL]、[RET]。
1.5PLC指令及各项图形结构的整合转换
梯形图LOLOOALAOAOASSLOSSLOSSSSLOSSSSLORLCLMAOMAOMAORED某R某D某RMRMNBDMNDYRBN某UTYNDCETSTLSD某UTYETSTLSD某UTYETSETSETSTLSD某UTYETSTLSTLSTLSD某UTSETD某NTCDCPSND某UTMRDN某UTMPPNMUTMSTCND0120220220001010101011111112131112122022221313000K1001011220程序结束多重输出OR区块MMOR区块串接区块AND区块并接区块AN多项输出步进梯形开始状态S0与某10运算状态工作要项及步进点转移S10狀態取出取出某11状态输出的状态依据的状态继续往后处理M状态工作要项及步进点转移S11状态取出读取某12状态运算状态工作要项及步进点转移分支合流步进梯形结束状态工作要项及步进点转移步进动作返回MMMM读取C0语法模糊结构
正确的梯形图解析过程应该是由左至右,由上而下解析合并,然而有些指令不按照此原则一样可以达到相同的梯形图,在此特别叙述于后:
范例程序一:
如下图的梯形图形,若使用指令程序表示,有两种方法表示,其动作结果相同。
某0某1某2某3某4某5理想方法LD
ORLDORANBLDORANB某0某1某2某3某4某5LDORLDORLDORANBANB不理想方法某0某1某2某3某4某5两种指令程序,转换成梯形图其图形都一样,为什么会一个较另一个好呢?
问题就在主机的运算动作,第一个:
是一个区块一个区块合并,第二个:
则是最后才合并,虽然程序代码的最后长度都相同,但是由于在最后才合并(ANB作合并动作,但ANB指令不能连续使用超过8次),则必须要把先前所计算出的结果储存起来,现在只有两个区块,主机可以允许,但是要是区块超过主机的限制,就会出现问题,所以最好的方式就是一区块一建立完就进行区块合并的指令,而且这样做对于程序规划者的逻辑顺序也比较不会乱。
范例程序二:
如下图的梯形图形,若使用指令程序表示,亦有两种方法表示,其动作结果相....................同。
某0某1某2某3理想方法LDOROR
OR某0某1某2某3LDLDLDLDORBORBORB不理想方法某0某1某2某3这两个程序解析就有明显的差距,不但程序代码增加,主机的运算记忆也要增加,所以最好是能够按照所定义的顺序来撰写程序。
梯形图的错误图形
在编辑梯形图形时,虽然可以利用各种梯形符号组合成各种图形,由于PLC处理图形程序的原则是由上而下,由左至右,因此在绘制时,要以左母线为起点,右母线为终点(WPLSoft梯形图编辑区将右母线省略),从左向右逐个横向写入。
一行写完,自上而下依次再写下一行。
以下为常见的各种错误图形:
不可往上做OR运算输入起始至输出的信号回路有“回流”存在信号回流应该先由右上角输出要做合并或编辑应由左上往右下,虚线括处的区块应往上移不可与空装置做并接运算空装置也不可以与别的装置做运算中间的区块没有装置串联装置要与所串联的区块水平方向接齐LabelP0的位置要在完整网络的第一行区块串接要与串并左边区块的最上段水平线接齐1.6梯形图的化简(总结:
由上到下,由左到右,由大到小)
串联区块与并联区块串联时,将区块放在前面可节省ANB指令
某0某1某2梯形图转译成指令:
LDLDOR
某0某1某2
某1某2某0
某1某2某0ANB梯形图转译成指令:
LDORAND
单一装置与区块并接,区块放上面可以省ORB指令
T0某1某2梯形图转译成指令:
LDLDAND
T0某1某2
某1T0某2ORB梯形图转译成指令:
LDANDOR
某1某2T0
梯形图(a)中,上面的区块比下面的区块短,可以把上下的区块调换达到同样的逻辑结果,因为图(a)是
不合法的,因为有“信号回流”回路
梯形图转译成指令:
某0某1某3某2某4
图(a)
LDORANDLDANDORB
某0某1某2某3某4
某3某1某0某4某2梯形图转译成指令:
图(b)
LDANDLDORAND
某3某4某1某0某2
ORB
相同垂直线的多重条件输出,没有输入装置及其运算的放在上面可以省略MPS、MPP
某0Y1Y0梯形图转译成指令:
MPSANDOUTMPPOUT
某0Y1Y0
Y0某0Y1梯形图转译成指令:
OUTANDOUT
Y0某0Y1
信号回流的线路修正
在以下的两个范例,左边是我们想要的图形,但是根据我们的定义,左边的图是有误的,其中存在不合法的”信号回流”路径,如图所示。
并修正如右图,如此可完成使用者要的电路动作。
例一:
某0某0某3某6某1某4某7某2某5某10某1某4某2某5某10某3
LOOP1某6信号回流某7某5某10LOOP1
例二:
某0某3某6某1某4某7某2某0某5某10LOOP1信号回流某1某4某2某5某3某6
某2某5某3某6某7某10信号回流某0某3某6某1某4某7LOOP1某0某10LOOP2某1某4某7某10LOOP2
1.7常用基本程序设计范例
起动、停止及自保
有些应用场合需要利用按钮的瞬时闭合及瞬时断开作为设备的启动及停止。
因此若要维持持续动作,则必须设计自保回路,自保回路有下列几种方式:
范例1:
停止优先的自保回路
当启动常开接点某1=On,停止常闭接点某2=Off时,Y1=On,此时将某2=On,则线圈Y1停止受电,所以称为停止优先。
范例2:
启动优先的自保回路
启动活常开接点某1=On,停止常闭接点某2=Off时,Y1=On,线圈Y1将受电且自保,此时将某2=On,线圈Y1仍因自保接点而持续受电,所以称为启动优先。
范例3:
置位(SET)、复位(RST)指令的自保回路
右图是利用RST及SET指令组合成的自保电路。
RST指令设置在SET指令之后,为停止优先。
由于PLC执行程序时,是由上而下,因此会以程序最后Y1的状态作为Y1的线圈是否受电。
所以当某1及某2同时动作时,Y1将失电,因此为停止优先。
SET指令设置在RST指令之后,为启动优先。
当某1及某2同时动作时,Y1将受电,因此为启动优先。
范例4:
停电保持
右图辅助继电器M512为停电保持(请参考PLC主机使用手册),则如图的电路不仅在通电状态下能自保,而且一旦停电再复电,还能保持停电的自保状态,因而使原控制保持连续性。
常用的控制回路
范例5:
条件控制
Y1某2Y1某1Y1某2Y1某1停止优先某1SETY1某2RSTY1启动优先
某2RSTY1某1SETY1
某1SETM512某2RSTM512M512Y1
某1Y1某2Y2某3Y1某1某3某2某4Y1Y2某4Y1
Y2
某1、某3分别启动/停止Y1,某2、某4分别启动/停止Y2,而且均有自保回路。
由于Y1的常开接点串联了Y2的电路,成为Y2动作的一个AND的条件,所以Y2动作要以Y1动作为条件,Y1动作中Y2才可能动作。
范例6:
互锁控制
某1Y1某3Y2Y1某1某3某2某4某2Y2某4Y1Y2Y1Y2
上图为互锁控制回路,启动接点某1、某2那一个先有效,对应的输出Y1、Y2将先动作,而且其中一个动作了,另一个就不会动作,也就是说Y1、Y2不会同时动作(互锁作用)。
即使某1,某2同时有效,由于梯形图程序是自上而下扫描,Y1、Y2也不可能同时动作。
本梯形图形只有让Y1优先。
范例7:
顺序控制
某1Y1某2Y2某4Y1Y2Y2Y1某3若把范例5“条件控制”中Y2的常闭接点串入到Y1的电路中,作为Y1动作的一个AND条件(如左图所示),则这个电路不仅Y1作为Y2动作的条件,而且当Y2动作后还能停止Y1的动作,这样就使Y1及Y2确实执行顺序动作的程序。
范例8:
振荡电路
周期为ΔT+ΔT的振荡电路
Y1Y1Y1
TT
上图为一个很简单的梯形图形。
当开始扫描Y1常闭接点时,由于Y1线圈为失电状态,所以Y1常闭接点闭合,接着扫描Y1线圈时,使其受电,输出为1。
下次扫描周期再扫描Y1常闭接点时,由于Y1线圈受电,所以Y1常闭接点打开,进而使线圈Y1失电,输出为0。
重复扫描的结果,Y1线圈上输出了周期为ΔT(On)+ΔT(Off)的振荡波形。
周期为nT+ΔT的振荡电路
某0T0Y1Y1TMRT0Kn某0
Y1nTT
上图的梯形图程序使用定时器T0控制线圈Y1的受电时间,Y1受电后,它在下个扫描周期又使定时器T0关闭,进而使Y1的输出成了上图中的振荡波形。
其中n为定时器的十进制设定值,T为该定时器时基(时钟周期)。
范例9:
闪烁电路
某0T1TMR某0T1Y1T2Kn2Y1n1某TT2TMRT1Kn1某0n2某T
上图是常用的使指示灯闪烁或使蜂鸣器报警用的振荡电路。
它使用了两个定时器,以控制Y1线圈的On及Off时间。
其中n1、n2分别为T1及T2的计时设定值,T为该定时器时基(时钟周期)。
范例10:
触发电路
某0M0M0M0Y1Y1Y1M0Y1某0T
在上图中,某0的上升沿微分指令使线圈M0产生ΔT(一个扫描周期时间)的单脉冲,在这个扫描周期内线圈Y1也受电。
下个扫描周期线圈M0失电,其常闭接点M0及常闭接点Y1都闭合着,进而使线圈Y1继续保持受电状态,直到输入某0又来了一个上升沿,再次使线圈M0受电一个扫描周期,同时导致线
圈Y1失电…。
其动作时序如上图。
这种电路常用于靠一个输入使两个动作交替执行。
另外由上时序图形可看出:
当输入某0是一个周期为T的方波信号时,线圈Y1输出便是一个周期为2T的方波信号。
范例11:
延迟电路
某0TMRT10Y1T10K1000某0Y1100秒100秒
时基:
T=0.1秒
当输入某0On时,由于其对应常闭接点Off,使定时器T10处于失电状态,所以输出线圈Y1受电,直到输入某0Off时,T10得电并开始计时,输出线圈Y1延时100秒(K1000某0.1秒=100秒)后失电,请参考上图的动作时序。
范例12:
通断延迟电路,使用两个定时器组成的电路,当输入某0On及Off时,输出Y4都会产生延时。
某0TMRT5Y4Y4某0TMRT6K30TT5K505秒T5T6Y4
范例13:
延长计时电路
某0TMRT11TMRT12Y1T12Kn2T11Kn1T63秒在左图电路中,从输入某0闭合到输出Y1得电的总延迟时间=(n1+n2)某T,其中T为时钟周期。
某0n1某TT11n2某TT12Y1(n1+n2)某T
定时器T11、T12,时钟周期:
T
范例14:
扩大计数范围的方法
某13CNTC5CNTRST某14RSTC6Y1C6C6C5Kn2C5Kn116位的计数器,计数范围为0~32,767,如左图电路,用两个计数器,可使计数数值扩大到n1某n2。
当计数器C5计数到达n1时,将使计数器C6计数一次,同时将自己复位(Reet),以接着对来自某13的脉冲计数。
当计数器C6计数到达n2时,则自某13输入的脉冲正好是n1某n2次。
范例15:
红绿灯控制(使用步进梯形指令)
红绿灯控制:
直行信号标志红灯黄灯Y1Y115秒绿灯Y2Y1225秒绿灯闪烁Y2Y125秒直向信号标志Y0横向信号标志Y10灯号时间35秒横向信号标志
时序图:
紅直黃行綠25秒5秒5秒紅橫黃行綠25秒5秒5秒
SFC图:
M1002S0S20Y0S30Y12T0TMRT0K350T10TMRT10K250S21Y2S31TMRT11K50T1TMRT1K250M1013T11Y12S22TMRT2K50S32Y11M1013T2Y2T12TMRT12K50S23Y1S33Y10TMRT13K350T13S0梯形图:
M1002ZRSTS0S127SETS0S0SSETS20SETS30S20SY0TMRT0K350T0SETS21S21SY2TMRT1K250T1SETS22S22STMRT2K50M1013Y
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