PLC順序控制設計法編程研究

摘 要：順序控制設計法是設計PLC梯形圖程序的一種先進規范的方法，順序功能圖是設計PLC梯形圖程序的有力工具，文章以FX2N和FX3U系列的PLC為對象介紹了順序控制設計法、順序功能圖的基本元素，以及順序功能圖中轉換實現的基本規則和順序控制設計法編程的規律。

關鍵詞：PLC；順序功能圖；梯形圖順序；控制設計法

中圖分類號：TM571.6 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2014）6-0001-02

PLC（Programmable Logic Controller）作為一種通用工業控制計算機，實現了工業控制領域接線邏輯到存儲邏輯的飛躍；其功能從弱到強，實現了邏輯控制到數字控制的進步；其應用領域從小到大，實現了單體設備簡單控制到勝任運動控制、過程控制、及集散控制等各種任務的跨越。今天的PLC正在成為工業控制領域的主流控制設備，在世界各地發揮著越來越大的作用。其用內部編程“軟元件”取代繼電器邏輯控制電路中大量的時間繼電器和中間繼電器，簡化控制線路、提高系統可靠性，今后有取代傳統繼電器控制系統的趨勢。

1 PLC程序設計方法

PLC程序設計主要有兩個方法：第一種是經驗設計法；第二種是順序控制設計法。

本文以三菱的FX2N和FX3U系列PLC為對象，介紹PLC的順序控制設計編程方法。順序控制設計法，這種方法只需略加變動，就可以移植到其他機型上，因此具有一定的通用性。就三菱FX2N和FX3U系列PLC而言，實現順序控制的程序設計方法主要有四種，即：采用啟停保電路的編程方法、采用以轉換為中心的編程方法（置位SET/復位RST）指令的編程方法、采用步進指令（Step Ladder Instruction—STL）的編程方法和采用移位寄存器的編程方法等。從設計效率、應用范圍以及內存占用空間等方面考慮，較為通用的設計方法是采用SET/RST指令編程和采用STL指令編程。

2 順序控制設計法的本質

經驗設計法實際上是試圖用輸入信號X直接控制輸出信號Y（如圖1a所示），如果無法直接控制，或者為了實現記憶、聯鎖、互鎖這些功能，只能被動地增加一些輔助元件和輔助觸點。因為不同的系統的輸出量Y與輸入量X之間的關系都不相同，而且它們對聯鎖、互鎖的要求千變萬化，不可能找出一種簡單通用的設計方法。

順序控制設計法最基本的思想是分析被控對象的工作過程及控制要求，根據控制系統輸出狀態的變化將系統的一個工作周期劃分為若干個順序相連的階段，這些階段稱為步（step），可以用編程元件（例如輔助繼電器M或狀態繼電器S）來代表各步，順序功能圖的結構如圖2所示。

順序控制設計法則是用輸入量X控制代表各步的編程元件（如輔助繼電器M），再用它們控制輸出量Y（如圖1b所示）。

順序功能圖是一種新穎的、按照工藝流程圖進行編程的圖形編程語言。這是一種IEC標準推薦的首選編程語言，近年來在PLC編程中已經得到了普及和推廣。

3 順序控制設計編程方法

3.1 用啟停保電路的編程方法

啟保停電路僅僅使用與觸點和線圈有關的指令，任何一種PLC的指令系統都有這一類指令，因此這是一種通用的編程方法，可以用于任意型號的PLC。

其設計思想是根據轉換實現的基本原則，即轉換實現的條件是它的前級步為活動步，并且滿足相應的轉換條件。用這種方法編程在順序功能圖中步一般用輔助繼電器M來表示。步Mn變成活動步的條件是：Mn-1為活動步，并且轉換條件Xn=1。因此，可以將Mn-1和Xn的動合觸點串聯后作為控制步Mn的啟動條件。而當Mn和Xn+1均變為“1”時，步Mn+1變為活動步，這時步Mn應變為不活動步。為此可以將Mn+1=1作為使輔助繼電器停止的條件，即將后續步的動斷觸點與的線圈相串聯。Mn的動合觸點與Mn-1的動合觸點和Xn的動合觸點的串聯電路相并聯，作為控制的保持電路。因此，圖3中與順序功能圖的步相對應的梯形圖模塊可以用邏輯代數式表示為Mn=（Mn-1·Xn+Mn）·Mn+1。

采用啟動-保持-停止功能模塊編程時，相應步成為活動步和成為非活動步的條件在一個梯級中實現。該步相應的命令或動作則安排在該梯級之后，或集中安排在輸出段，如圖3所示。

3.2 采用步進指令STL的編程方法

STL指令使編程者可以生成流程和工作與順序功能圖非常接近的程序。如圖4所示的執行過程是：當步Sn為活動步時，Sn的STL觸點“Xn=1”接通負載Yn輸出。如果轉換條件Xn+1滿足，后續步Sn+1被置位變成活動步，同時前級步Sn自動斷開變成不活動步，輸出Yn也斷開。

這種編程方法可以節約編程的時間，并能減少編程錯誤，程序比較短，在順序控制設計中應該優先考慮，此法在工業自動化控制中應用也比較多。

3.3 以轉換為中心的編程方法

在以轉換為中心的編程方法中，用該轉換所有制前級步對應的輔助繼電器的常開觸點與轉換對應的觸點或電路串聯，作為使所有后續步對應的輔助繼電器置位（使用SET指令）和使所有前級步對應的輔助繼電器復位（使用RST指令）的條件。這種設計方法相當有規律，具有編程簡單、思路清晰、不容易出錯等特點。但由于不能將輸出位的線圈與置位指令和復位指令并聯，致使梯形圖中的語句條數比較多，程序的執行時間稍長一些。

使用這種編程方法時，不能將輸出繼電器的線圈與SET和RST指令并聯。應根據順序功能圖，用代表步的輔助繼電器M的動合觸點或它們的并聯電路來驅動輸出繼電器的線圈。

圖5給出了以轉換為中心的編程方法的順序功能圖與梯形圖的對應關系。

3.4 使用移位寄存器的編程方式

順序控制設計也可以使用移位寄存器指令來控制，如利用位右移SFTR與位左移SFTL指令使位元件中的狀態成組地向右或向左移動，其將指定的移位寄存器的位元件進行左移。如圖6所示，程序中以M0為源操作數，M1為最前端要素，Kn為移位寄存器個數，K1為移一位。實現圖中Xn對應的移位和轉換需要同時滿足兩個條件，就是該轉換的前級步是活動步（Mn-1=1）和轉換條件滿足（Xn=1）。在梯形圖中，主要是用Mn-1和Xn的常開觸點組成的串聯電路來表示上述條件。電路接通時，兩個條件同時滿足，此時需要完成兩個操作，就是將該轉換的后續步變成活動步（用SFTL位左移指令將Mn置位）和將該轉換的前級變成不活動步，該方法設計的梯形圖看起來簡潔，所用指令也比較少，但對相對的復雜控制系統設計有些不方便，使用過程中在線修改能力差，在工業控制中一般應用在單序列的順序控制中。

以上總結了PLC順序控制設計法的編程規律，程序設計人員可以根據實際情況選擇一種方法來編制梯形圖，這樣可以大大減輕程序設計的工作量，縮短系統設計的時間，提高編程質量。

參考文獻：

[1] 廖常初.PLC基礎及應用（第2版）[M].北京：機械工業出版社，2011.

[2] 張豪.三菱PLC應用案例解析[M].北京：中國電力出版社，2012.