PLC梯形圖輸出元件網絡設計法探討

聶輝

（湖南工業大學電氣與信息工程學院，湖南株洲412007）

PLC梯形圖輸出元件網絡設計法探討

聶輝

（湖南工業大學電氣與信息工程學院，湖南株洲412007）

PLC是當今電氣自動化領域中不可替代的中心控制器件，它的廣泛應用在一定程度上取決于應用程序的開發和編制。為簡便快速編制PLC應用程序，構思了一種輸出元件網絡設計法。由于此設計法能簡便快捷地完成大多數PLC控制程序的編制，因此在PLC應用程序的開發和編制方面具有一定的使用價值。在對這種方法進行簡單介紹的基礎上，結合一個實例對其編制的關鍵步驟進行了探討。

PLC；梯形圖；輸出元件；網絡設計法

0 引言

可編程序控制器（programmable logic controller，PLC）是當今電氣自動化控制領域中不可替代的中心控制器件，它深受廣大自動控制工程技術人員的喜愛。目前，PLC控制技術被應用于人類活動的各個領域[1]，但其廣泛應用在一定程度上取決于應用程序的設計。PLC的應用程序設計一般是憑設計者的經驗來完成的，從事PLC程序設計時間越長的技術人員，其設計程序的速度也越快，而且設計出的程序質量也越高。有關PLC的書籍和文獻介紹了PLC程序設計的一些方法，如經驗法、狀態表法、功能圖法和流程圖法等[2-3]。這些方法都是靠長時間的探索和經驗積累而形成的，對一般設計人員和工程技術人員有一定的難度。為減小這種難度，有些學者總結出了一種PLC程序的簡單設計法，如王永華[4]編著的《現代電氣控制及PLC應用技術》一書就介紹了這種設計方法。簡單設計法雖然在一定程度上減小了設計的難度，但由于它現在仍停留在經驗總結的層面，還沒有上升到一定的理論高度，因此在廣泛應用方面存在一定的局限性。

為了克服PLC應用程序傳統設計方法的不足，使其變得更加簡便和快速，特應用PLC梯形圖網絡有關理論構思了一種輸出元件網絡設計法。本文謹對這種設計方法進行簡單介紹，并結合一個實例對其梯形圖程序設計的有關問題進行初步探討。

1 輸出元件網絡設計法的特點

PLC梯形圖輸出元件網絡設計法是基于一般設計法和邏輯設計法的基本思路和基本原則。它雖然類似于簡單設計法，但它比簡單設計法更突出控制主體概念，設計步驟清晰，設計簡便快捷。輸出元件網絡設計法將梯形圖分為3類網絡：第一類是直接網絡。它以PLC輸出元件為控制對象，并由這種元件的輸出來控制外接輸出設備。第二類是間接網絡。它控制的是通用繼電器、時間繼電器等不直接對外輸出的元件，為直接網絡服務。它是在直接網絡群構建后，用自己的觸點對直接網絡進行影響或作用。第三類是短信號處理網絡。它是為提高直接網絡元件啟動和關斷的可靠性而專門設置的輔助網絡，它利用PLC脈沖指令控制通用繼電器來產生控制脈沖。當用梯形圖控制對象網絡設計法設計應用程序時，首先考慮的應是設計直接網絡，只有當直接網絡群設計出來以后，才考慮分步解決間接網絡和短信號處理網絡問題。直接網絡的結構可依據輸出控制對象的基本邏輯函數來構建，在沒有約束條件的情況下，這種函數可表示為

式中：K為控制對象的當前狀態；FK為下一個狀態值；X開為啟動條件；X關為關斷條件。對應式（1）的直接網絡典型結構如圖1所示。

圖1 直接網絡典型結構圖Fig.1Typical direct network structure

圖1中所示的是單一輸出控制對象PLC梯形圖直接網絡。在多個輸出梯形圖網絡中，每一個輸出控制對象都必須對應一個圖1所示結構的網絡圖。間接網絡數量可依據直接網絡啟動和關閉約束條件的多少來設置。如前所述，這些網絡所控制的不是PLC的輸出元件，而是PLC內部的通用繼電器、時間繼電器等。在用PLC梯形圖控制對象網絡設計法編程時，雖然PLC具有成批輸出的特性，但也要使上述3類網絡在梯形圖中有一個合理的排列順序。若按PLC對梯形圖的掃描順序排列，則短信號處理網絡置前，間接網絡隨后，直接網絡則放在最后。一個完整的梯形圖程序就是上述3類網絡在同一母線下的有序排列。

2 輸出元件網絡設計法關鍵步驟

為實現簡便快捷設計PLC梯形圖程序，應用輸出元件網絡設計法應遵循如下關鍵步驟。

2.1 確定控制對象

確定控制對象，是應用輸出元件網絡設計法首先要考慮的問題，也是關系所設計的程序是否實用的問題。為確定控制對象，首先要認真分析控制系統的功能，然后要針對這些功能進行外接設備、PLC直接控制元件等的分析和認定。在確定控制對象中，要使所編制的梯形圖程序達到控制要求，必須將直接網絡控制對象找齊核準，并以表格的形式記錄其情況。此表至少應包括控制對象名稱、控制對象符號以及PLC輸出元件安排等情況。實踐證明，認真完善此表很重要，這不僅有利硬件設計，同時對軟件設計也帶來很大幫助。必須指出，在使用輸出元件網絡設計法時，只有當直接網絡控制對象完全、正確認定之后，才能實施具體設計。

2.2 集中快捷設計直接網絡群

集中快捷設計直接網絡群是應用輸出元件設計法的第二個關鍵步驟。所謂集中，就是指將直接網絡群中的所有網絡在同一時段一次性編制出來。所謂快捷，是指設計時只要按圖1“依樣畫葫蘆”即可，而網絡中具體是什么觸點可暫不考慮。顯然，只要直接網絡的控制元件認定了，那么直接網絡群也就容易設計了。設計時，應當注意輸出控制元件與直接網絡的對應性。也就是說，控制系統若有N個輸出控制元件，則直接網絡群中就一定有N個如圖1所示的直接網絡，如圖2所示。圖2直接網絡群中的每個輸出控制元件Q都有具體安排，而此網絡群中所有的常開觸點和常閉觸點僅給出圖樣，而不作任何具體的元件提示和安排。

圖2 直接網絡群示意Fig.2Schematic of direct network group

2.3 依次編制間接網絡

當直接網絡群形成后，輸出元件設計法的又一關鍵步驟是依次設計間接網絡。所謂依次設計，就是指同一時段只設計一個單一結構的網絡，且各網絡的設計可有先后順序。間接網絡控制元件是指那些除輸出元件之外的PLC內部的其它元件。間接網絡的作用是用自己的觸點連接到直接網絡而影響直接網絡控制元件的啟動或關斷。顯然，設計間接網絡要比設計直接網絡復雜得多，其原因是設計間接網絡除必須考慮上述各網絡之間的聯系外，還必須考慮本網絡的具體元件以及啟動與關閉的控制邏輯，同時還要考慮間接網絡控制元件觸點在直接網絡中的影響和作用。

2.4 短信號處理

為提高對輸出控制元件的控制可靠性，輸出元件設計法要求在設計時要對開啟與關斷信號進行短信號處理。因此在順序設計了直接網絡和間接網絡之后，就要認真考慮和具體安排這種處理。這種處理需要用到PLC邊沿脈沖指令[5-6]。這種指令有上升沿脈沖與下降沿脈沖之分，短信號處理時序圖如圖3所示。如使用上升沿脈沖指令，便可將啟動或關閉的長信號轉變成寬度為一個掃描周期的上升沿脈沖信號，并可用這種信號可靠地啟動和關閉直接網絡中的輸出控制元件。

圖3 短信號處理時序圖Fig.3Short signal processing sequence diagram

2.5 集合與貫通“三圖”

“三圖”是指直接網絡圖、間接網絡圖和短信號處理網絡圖。所謂“三圖”集合，就是指將上述3個網絡圖在梯形圖的同一母線下按一定的順序進行合理排列和可靠連接。由于PLC實行的是集中輸出方式，因此直接網絡群內的網絡排列和連接可不分先后順序，而對于間接網絡和直接網絡來說，由于PLC實行的是串行掃描方式，因此從PLC掃描的時序上考慮宜將間接網絡排列在前，而直接網絡排列居后。至于短信號處理網絡圖，可將其安排在直接網絡之前的盡量靠前的位置。所謂“三圖”貫通，是指將間接網絡和短信號處理網絡控制元件觸點與直接網絡進行連接，從而使“三圖”建立直接聯系并合理排列，組成一個完整的梯形圖網絡程序。

2.6 整體校核與修改網絡圖

將上述“三圖”集合貫通而形成梯形圖網絡程序后，為使這個程序更加科學和實用，還要將其進行全面校核和修改。其原因主要是這種程序還只是初步程序，尤其是對于那些控制邏輯復雜、常開常閉觸點眾多的網絡部分，更要反復核查，及時發現并解決問題。在梯形圖整體校核與修改中，要始終圍繞直接網絡中輸出控制元件，即始終以這類元件為中心，反復對直接網絡、間接網絡和短信號處理網絡的結構布置、觸點安排等進行校核與完善。事實上，用輸出元件設計法設計的程序如果經過了嚴格的校核和修改，這個程序一般都會達到科學和實用的要求。

3 設計實例

用PLC控制3臺電動機M1, M2, M3的順序啟動和順序停車，即按下啟動開關后，先啟動M1，經T1后啟動M2，再經T2后啟動M3；按下停車開關后，先停M3，經T3后停M2，再經T4后停M3，現按照以上所述的PLC梯形圖輸出元件網絡設計法的6個步驟來設計控制程序。

第一步是確定控制對象。本例的外接設備是3臺電動機，而與PLC直接相連的不是電動機，而是交流接觸器KM1，KM2和KM3。PLC通過輸出端子控制的是與3個交流接觸器分別直接相連的3個輸出元件，并可由這3個元件分別形成3個直接網絡。在分析以上情況之后，將直接網絡控制對象的情況分別記錄于表1。

表1 直接網絡控制對象情況表Table 1Direct network control object table

第二步是集中快捷設計直接網絡群。由于本例有3個輸出控制元件，因此直接網絡群就設計了與它們分別對應的3個直接網絡，其輸出控制元件分別安排為Q00, Q01和Q02，而對其中的6個常開觸點和3個常閉觸點既未作出元件類型的安排，更未作出元件編號的安排，如圖4所示。

圖4 直接網絡群Fig.4Direct network group

第三步是依次編制間接網絡。本例由于需要用到4個時間繼電器，因此可選T37, T38, T40和T41分別作為這些間接網絡的控制元件，并將它們的觸點相應連接于直接網絡之中，如圖5所示。

圖5 各間接網絡Fig.5Indirect networks

圖中的T1～T4是間接網絡的控制元件，它們都是100 ms通電延時型定時器。M01～M04也是間接網絡的控制元件，它們都是通用輔助繼電器，其常開觸點在圖中起自鎖作用。圖中的觸點Y1, X1, Y2, Y3, X2, Y4，也可通過分析間接網絡與直接網絡、各間接網絡之間的關系，不難看出，它們依次為Q01, T37, Q02, T39, T39和T40。

第四步是短信號處理。本例將啟動開關連接至PLC輸入端子I00，停車開關接至PLC輸入端子I01。由于按下啟動開關或停車開關都是給PLC輸入一個長信號，不能保證啟動和停止具有很高的可靠性，因此對輸入元件I00和I01信號通過上升沿脈沖指令進行處置，如圖6所示，即利用輔助繼電器M00和M05分別獲得一個寬度為一個掃描周期的上升沿脈沖信號。

圖6 短信號處理網絡圖Fig.6Short signal processing network diagram

第五步是集合與貫通“三圖”。將第二步設計的直接網絡群圖、第三步設計的間接網絡圖和第四步設計的短信號處理圖的各母線都連接在同一根母線上，以完成“三圖”的集合與貫通，如圖6 所示。

圖6 梯形圖網絡程序結構圖Fig.6The network program structure of ladder chart

圖6中，第一、二網絡為短信號處理網絡。前者為直接網絡中控制元件啟動信號的短信號處理網絡，后者為關閉信號的短信號處理網絡；第三～六網絡為間接網絡。每一個網絡都有2個控制元件，但這2個元件都不與輸出端子直接相聯；第七～九網絡為直接網絡群。這些網絡雖排在梯形圖的最后，但它們卻是梯形圖的主體，PLC對外部設備的控制都是它們通過輸出端子實現的。

第六步是整體校核與修改網絡圖。經過對圖6仔細校核，其梯形圖結構及邏輯關系正確無誤，能達到本例電動機的控制設計要求。圖6 即為本例設計出來的可用于實際控制的PLC自動控制應用程序。

4 結語

PLC輸出元件網絡設計法雖然來自于經驗總結，但構思這種設計法依據了PLC梯形圖網絡相關理論和啟動與關斷邏輯函數理論。由于PLC梯形圖輸出元件網絡設計法對傳統的設計方法，尤其是對簡單設計法的設計思路和步驟進行了規范和優化，因此這種設計法更適宜于進行PLC梯形圖程序的設計。由于PLC輸出元件網絡設計法與傳統的設計法相比，尤其是與簡單設計法相比，更能突出控制主體概念，設計步驟清晰，設計簡便快捷，因此具有較高的實用價值，值得PLC業內人士進行實際應用和更深入的研究。

[1]嚴俊，鐘燕科. 基于PLC的廠區鐵路道口報警系統設計[J]. 湖南工業大學學報，2011，25(4)：73-76. Zhong Jun，Zhong Yanke. Design of Plant Railway Crossroad Warning System Based on PLC[J]. Journal of Hunan University of Technology，2011，25(4)：73-76.

[2]郁漢琪.電氣控制與可編程序控制器應用技術[M].南京：東南大學出版社，2009：121-130. Yu Hanqi. Application Technology of Electrical Controlling and Programmable Controller[M]. Nanjing：Southeast University Press，2009：121-130.

[3]王兆義.小型可編程控制器實用技術[M].北京：機械工業出版社，2008：119-132. Wang Zhaoyi. Small Programmable Controller Practical Technology[M]. Beijing：Mechanical Industry Publishing House，2008：119-132.

[4]王永華. 現代電氣控制及PLC應用技術[M]． 北京：北京航空航天大學出版社，2008：177-181. Wang Yonghua. Modern Electrical Control and PLC Application Technology[M]. Beijing：Beijing University of Aeronautics and Astronautics Press，2008：177-181.

[5]西門子公司. SIMATIC S7-200可編程序控制器系統手冊[S]. [S.l.]：Siemens，2011：112-121. Siemens. SIMATIC S7-200 Programmable Controller System Manual[S]. [S.l.]：Siemens，2011：112-121.

[6]西門子公司. MICROMASTER 440用戶手冊[S]. [S.l.]：Siemens，2003：98-102. Siemens. MICROMASTER 440 User Manual[S]. [S.l.]：Siemens，2003：98-102.

（責任編輯：申劍）

The Output Element Network Design Method for PLC Ladder Diagram

Nie Hui
（School of Electrical and Information Engineering, Hunan University of Technology, Zhuzhou Hunan 412007, China）

PLC is the irreplaceable center control device in the field of electrical automation. Its wide application depends to a certain extent on the application program developing. For simply and quickly programming PLC, designs a kind of network output element design method. The method can complete most of the PLC control program compilation and has a certain applicable value in the PLC program development. Makes brief introduction of the method and discusses the key steps of programming with a design instance.

PLC；ladder diagram；output component；network design method

TP368.4

A

1673-9833(2014)03-0047-05

10.3969/j.issn.1673-9833.2014.03.010

2014-01-23

聶輝（1978-），男，湖南株洲人，湖南工業大學教師，主要研究方向為電子技術理論與應用，E-mail：184537915@qq.com