淺析PLC梯形圖的設計方法

新鄉職業技術學院 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及微電子技術相結合而形成的專門從事邏輯控制的微機系統。在PLC系統應用中，梯形圖的設計往往是最主要的問題。梯形圖不但沿用和發展了電氣控制技術，而且其功能和控制指令已遠遠超過電氣控制范疇。它不僅可實現邏輯運算，還具有算術運算、數據處理、聯網通信等功能，是具有工業控制指令的微機系統。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合的產物，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，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）調試梯形圖，分模擬調試和現場調試兩種形式，前者屬于實驗性操作，常用指示燈顯示運行結果；后者是實際性操作檢驗實際的被控系統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 經驗設計法

經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律可以遵循，具有很大的試探性和隨意性，最后的結果往往不是唯一的。設計者所用的時間、設計的質量與設計者的經驗有很大的關系，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，在用經驗法設計梯形圖時，可以參考這些電路。下面給出經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)環節。

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，執行MC、MCR主控及主控復位指令，系統運行自動控制程序，同時系統執行跳轉指令CJP，直接跳過手動控制程序，手動控制程序無效。當X401為OFF時，主控指令不執行，自動控制無效，跳轉指令也不執行，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編程一般規律示意圖

圖2 起保停控制梯形圖

圖3 順序起停控制梯形圖

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，其優點是程序設計方法簡單。這些原有的繼電器控制系統設備，經過多年的運行實踐，證明其設計是成功的。有現成的電氣控制線路作依據，設計周期短，但缺點是由于PLC和繼電器、接觸器控制系統的工作方式，動作速度不同。有可能直接翻譯的話，容易出現問題。因而一般只在比較簡單的控制系統中應用，并要在設計完后進行驗證。

3.3 邏輯代數設計法

在繼電器接觸器控制線路中用邏輯代數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、經濟合理，因而得以廣泛的應用。

3.3.1 邏輯代數設計法的設計步驟

a.根據控制要求，列出輸入輸出及輔助繼電器等之間關系的狀態表；

b.根據狀態表列寫出邏輯函數表達式，并化簡；

c.根據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，而在其他任何情況下都不運轉，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)根據邏輯代數表達式，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工藝預先規定的順序，在各個輸入信號的作用下，根據內部狀態和時間的順序關系，在生產過程中各個執行機構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，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位；

c.在前兩點的基礎上畫出功能表圖；

d.根據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，同時快速電磁鐵YA得電吸合，工進時YA失電。快退時進給電機M1反轉，同時快速電磁鐵YA得電吸合。

經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，容易理順各狀態轉換的時刻和轉換的條件，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段，找出區段間的分界點，弄清分界點各處各輸出信號狀態的轉換關系和轉換條件；

b.確定所需定時器(或計數器)的個數及其賦值；

c.根據時序圖，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，程序結構清晰，

便于調試，還可根據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，可根據具體情況，擇優使用其中的某一種方法。