第四章：开关量控制系统梯形图设计(精)
可编程控制器(PLC)梯形图的设计方法的探析
对 两 种信 号 时行 转 换 。
超 过电气控制范畴 ， 仅可实现逻辑运算 ， 不 还具 有算 术运算 、
数据处理、联 网通信等功能 ，是具有工业控制指令的微机系 统。由于梯形图的设计 ， 是计算机程序设计与电气控制设计思
修改的典型电路拼凑梯形图。这种方法没有普遍 的规律可 以
遵循 ， 具有很大的试探性 和随意性 ， 最后 的结果往往不是唯一 的 。设计者所用 的时间、 设计 的品质 ， 与设计者 的经验有很大
的关系 。 一般用于较简单 的梯形图的设计 。 一些教材及手册 中 给 出了大量常用 的继电器控制电路 ，在用经验法设计梯形图 时 ， 以参考这些电路 。 可 １１ 设计步骤 ．
况下 ， 设计梯形图程序大致可按下面几步进行 ：
收 稿 日期 ：００ ０ — ６ ２ １－ ７ １
相反。这种方法 ， 优点是程 序设计 方法简单 ， 现成 的电气 其 有
控制线路 作依 据 ， 计周期短 。 设 一般在 旧设备 电气控制系统改
基金项 目： 海南省 自然科学基金项 目（１２０ ； ６０３）海南省教育科学 ２０ 年度“ ０９ 十一五” 规划课题（ ｕ １ｏ ）海南省教育厅高等学校科学研究资 助 Ｑ ５６ ；
控制设计既有着相 同点 ， 也有着不同点 。 本文对开关量控制系 统梯形 图的设计 ， 给出了数种常用的设计方法。
１ 经 验设计 法
经验设计法也叫试凑 法 ，其要求设计者掌握大量的典型 电路 ， 在掌握这些典 型电路 的基础上 ， 充分理解实 际的控制问
题， 将实 际控制问题分解成典型控制电路 ， 然后用典型 电路或
《电气控制与PLC应用》教学大纲
《电气控制与PLC应用》教学大纲（56课时）西门子S7-200系列PLC版1课程编码：课程类别：职业核心能力课课程归属：信息与控制技术学院编制人：徐文编（修）制日期：2008年10月审定组（人）：审定日期：2008年10月适用专业：计算机控制技术一、课程的性质与任务《电气控制与PLC应用》课程是计算机控制技术专业的职业核心能力课，是集计算机技术、自动控制技术和网络通信技术于一体的综合性学科。
目前PLC 集三电（电控、电仪、电传）为一体，性能价格比高、高可靠性的特点已使其成为自动化工程的核心设备。
PLC作为具备计算机功能的一种通用工业控制装置，其使用量高居首位。
PLC目前是现代工业自动化的三大技术支柱（PLC、机器人、CAD/CAM ）之一。
本课程的任务是让学生学习和掌握低压电器的基本知识、电气控制系统的基本控制环节、典型电路的基本原理，具有电气控制系统分析和阅读电气系统图的基本能力；掌握可编程控制器工作原理、系统构成、指令系统及编程方法（包括开关量控制、模拟量控制、数据通信及网络），具备一定的PLC程序设计和PLC 应用能力，能熟练使用一种典型的PLC设备进行控制系统的结构组成设计、I/O 地址分配设计、以梯形图为主的PLC程序设计、控制系统的软件调试以及故障分析。
教学内容大致分为低压电器（模块一）、电气控制基本环节（模块二）、PLC 基础知识（模块三）和PLC控制系统设计与编程实现（模块四）部分。
其中PLC 控制系统设计与编程实现（模块四）部分可以根据教学条件和教师资源选择三菱FX2N系列或西门子S7-200系列可编程控制器。
二、教学基本要求1本教学大纲中涉及PLC实际教学的部分均采用西门子S7-200系列PLC《电气控制与PLC应用》具有很强的实践性，要求学生具有良好的电子、电工基础知识和操作技能，并具备基本的逻辑判断能力和计算机软件的基础知识。
在教学中注意该课程的理论与实践、应用相结合，采用启发式、讲练结合式、案例式等多种教学方法，培养学生针对实际应用工程的项目开发能力。
梯形图基本编程指令及其应用
定时器和计数器指令——定时器指令
定时器的组成
S7中定时时间由时基和定时值两部分组 成，定时时间等于时基与定时值得乘积。采 用减计时，定时时间到达设定时间后将会引 起定时器触点的动作。
定时器的运行时间设定值由TV端输入， 该值可以是常数（如：S5T#45S），也可 以通过扫描输入字（如：拨轮开关）来获得， 或者通过处理输出字、标志字或数据字来确
状态字
• 首位检测位(FC) • 逻辑运算结果(RLO) • 状态位(STA) • 或位(OR)
• 溢出位(OV) • 溢出状态保持位(OS) • 条件码1(CC1)和条件码0(CC0) • 二进制结果位(BR)
逻辑指令——位逻辑指令
➢ 常开触点
地址 ---| |---
存储在指定<地址>的位值为“1”时，(常开触点)处于闭合状态。 触点闭合时，梯形图轨道能流流过触点，逻辑运算结果(RLO) =“1”。 否则，如果指定<地址>的信号状态为“0”，触点将处于断开状态。 触点断开时，能流不流过触点，逻辑运算结果(RLO) =“0”。
定。时间设定值得格式是以常数形式输入定时时间，只需在字符串“S5T#” 后以小时（h）、分钟（m）、秒（s）、或毫秒（ms）为单位写入时间值即 可。
时间基准定义的是一个单位代表的时间间隔。当时间用常数（S5T#…） 表示时，时间基准由系统自动分配。如果时间由拨码按钮或通过数据接口指 定，用户必须指定时间基准。
定时器和计数器指令——定时器指令
➢ 接通延时定时器（SD）
当接通延时定时器的S输入端的RLO从0 变到1时，定时器定时起作用。当达到指定的 TV值并且S=1仍旧保持时，定时器启动，输 出Q的信号变为1。如果在定时时间到达前输 入端S从1变到0，定时器停止运行，这时输出 Q=0。当复位输入R的RLO=1时，就清除定时 器中的定时值，并将输出Q的状态复位。当前 时间值可以在BI输出端以二进制数读出，在 BCD输出端以BCD码形式读出，当前时间值 是TV的初值减掉定时器启动以来的经过时间。
PLC原理及应用第4章 习题及答案
第4章习题及答案
1．PLC常用的编程语言有哪些？各有哪些特点？
常见的PLC的编程语言有LAD（梯形图）、STL（语句表）、FBD（功能块图/逻辑功能图）、顺序功能图（SFC）等。
梯形图（LAD）编程语言是从继电器控制系统原理图的基础上演变而来的。
PLC 的梯形图与继电器控制系统的梯形图的基本思想是一致的，只是在使用符号和表达方式上有区别。
梯形图具有形象、直观、简单明了、易于理解的特点，特别适用于开关量逻辑控制，是所有编程语言的首选。
语句表（STL）编程语言类似于计算机中的助记符语言，它是PLC最基础的编程语言。
一般来说，语句表编程适合于熟悉PLC和有经验的程序员使用。
功能块图是一种类似于数字逻辑门电路的编程语言。
该编程语言用类似“与门”、“或门”的方框来表示逻辑运算关系，方框的左侧为逻辑运算的输入变量，右侧为输出变量，输入、输出端的小圆圈表示“非”运算，方框被“导线”连接在一起，信号自左向右运动。
顺序功能图（SFC）又称状态转移图，它是描述控制系统的控制过程、功能和特性的一种图形，也是设计PLC顺序控制程序的一种有力工具。
顺序功能图并不涉及所描述的控制功能的具体技术，它是一种通用的技术语言，可以供进一步的设计和不同专业的人员之间进行技术交流用。
2．按步输入图4-25梯形图程序。
1）将T37设定值PT改为50，下载并监控程序的运行。
2）采用“状态表”监控T37、M0.0、Q0.0状态。
3）打开STEP7-Micro/WIN，在“系统块”中将PLC端口0的波特率修改为19.2kbps，再次下载并监控程序的运行。
1）
2）
3）。
4-plc数字量控制系统梯形图程序设计方法
顺序控制设计法的基础是系统的顺序功能图的绘制。
顺序功能图(Seguential Function Chart)是描述控制系统 的控制过程、功能和特性的一种图形，也是设计PLC顺序 控制程序的有力工具。
顺序功能图并不涉及所描述的控制功能的具体技术，它 是一种通用的技术语言，可以供进一步设计和不同专业人 员之间进行技术交流之用。
T38 Q0.2 ( ) KM2 M0.2 ()
T38 KT2 IN TON
Q0.1
Q0.2
60 T38
Q0.3
PT 100ms Q0.3 ( )KM3
4.2.2 系统改造中的注意事项
梯形图和继电器电路图表面相似，实际上有本质区别。继电器电 路是硬件电路，而梯形图是软件程序。
改造中应注意如下问题： 1.应遵守梯形图语言中的语法规定。 2.设置中间单元：若多个线圈都受某组串并联触点的控制，为了 简化电路，在梯形图中可以设置用该电路控制的位存储器（类似继 电器电路的中间继电器）。 3.尽量减少PLC的输入信号和输出信号，减少PLC的I/O点数，降低 费用。 4.设立外部联锁电路，增强系统的安全性和可靠性。 5.对梯形图进行优化设计，在串联电路中将单个触点放在右边， 在并联电路中将单个触点放在下边，以避免电路的块连接操作，从 而减少程序指令条数。 6.关注外部负载的额定工作电压要求，选用PLC输出模块的输出类 型需与之匹配。
工步 顺序功能图的组成 转有换向பைடு நூலகம்线
转换条件 命令或动作
4.3.2 顺序功能图中的步与动作
1.步的基本概念及工步划分的基本方法
可以将被控系统的一个工作周期划分为若干个顺序相连 的阶段，这些阶段称为步，并用编程元件（如位存储器M 和顺序控制继电器S）来代表各步。
1PLC程序设计基础-4
0
11、模拟量输出（AQ） AQ W 4 以字为单位，4----起始字节数 14、常数表示方法与范围P38表3-2 常数寻址可以以字节、字、双字为单位进行。 注意：I、Q、V、M、S、SM、L均可按位、字 节、双字来存取。
4.2.3 直接寻址与间接寻址14
一、直接寻址:指定了存储器的区域、长度和位置，例如VB200。 方式一：按位寻址 格式：I 4. 5 字节的位,即位号 地址与字节间的间隔 字节的地址 元件的名称(区域标识) 有了I4.5,我们就能很容易地在存储器中找出其确定的位置,如下图
如S7-200是小型PLC，本身并不能直接支持顺序功 能图需将顺序功能图转换成S7-200对应的编程软 件STEP 7所支持的PLC的梯形图。 代表平台 西门子S7-Graph,能直接将梯形图转换 PLC的直接识别的机器语言.注意S7-200不支持这 种图形方法. 2、梯形图 (1) 特点: 使用最多的一种图形编程语言。 它属于图形编程语言。因为梯形图与继电器控制系 统电路图非常相似，在扩充部分中已介绍，它直观 易懂，适用于数字量逻辑控制，不适合于编写大型 控制程序。 适合于熟悉继电器控制的电气人员。
二、数据的位数与取值范围 P31 表3-2 在编程中，根据我们所用的数据大小，查表， 选择存储该数据空间。 三、常数表示 P34表3-3
4.2 存储器的数据类型与寻址方式13
4.2.1 数据在存储器中的存取方式 1、以位为单位 P30图3-4 用1位二进制表示开关量，数据的类型为布尔型 二进制数0、1表示开关量的两种状态 1：表示梯形图中，线圈得电，触点动作； 0：表示梯形图中，线圈失电，触点不动作。 I0.2 Q 1.3 以位为单位的存取格式：存储器标识符+字节地址+位号 2、以字节（字或双字）为单位的数据的位数与取值范围 （见P31表3-2）
第四章 开关量梯形图的设计方法
一、梯形图经验设计法
经验设计方法也叫试凑法，经验设计方法需要 设计者掌握大量的典型电路，在掌握这些典型 电路的基础上，充分理解实际的控制问题，将 实际控制问题分解成典型控制电路，然后用典 型电路或修改的典型电路进行拼凑梯形图。
2、常用基本环节梯形图程序
△ 起动、保持和停止电路 △ 三相异步电动机正反转控
KM1
KM1
FR
KM2
Y1 X2 X0 X3 Y0
Y0 X1 X0 X3 Y1
注意事项
• 设计梯形图的基本原则 • 分离交织在一起的电路 • 中间单元的设置 • 复杂电路的等效 • 尽量减少PLC的输入和输出信号 • 软件互锁与硬件互锁 • 梯形图电路的优化设计 • 热继电器触点的处理
顺序控制设计法与顺序功能图
（1）具有试探性和随意性 （2）最后的结果不是唯一的 （3）设计所用的时间和质量因设计者的经验而异
4、设计实例（根据电动机正反转控制）
送料小车在限位开关X3处装料，10S后结束然后右行，碰到X4后停 下来卸料，15S后左行，碰到X3后，又停下来装料，这样不停地循环 工作，直到按下停机按钮。
Y1左行
（2）电动机正反转控制
（3）多继电器线圈控制电路
下图是可以自锁的同时控制4个继电器线圈的电路图。其中X0是起动 按钮，X1是停止按钮。
（4）多地控制电路
下图是两个地方控制一个继电器线圈的程序。其中X0和X1是 一个地方的起动和停止控制按钮，X2和X3是另一个地方的 起动和停止控制按钮。
（5）互锁控制电路
（2）转换条件的确定
转换条件是使系统从当前步进入下一步的条件。常 见的转换条件有按钮、行程开关、定时器和计数 器的触点的动作（通/断）等。
06电气51班《PLC综合》教案
生产学习教学教案科目PLC 综合执行记录日期9月6日9月9日场地PLC实训室审查签字梁沃军星期星期一（5-6）星期四（1-4）班级06电气51班课题名称开关量控制系统梯形图设计方法分课题梯形图的经验设计方法教学目的掌握开关量控制系统梯形图的经验设计方法教学环节时间分配组织教学时间分巡回指导时间分复习时间分检查评分时间分布置项目及讲解要求时间分总结时间分教学过程（一）、组织教学1、检查学生出勤情况2、稳定学生情绪，开始上课（二）、复习回顾针对学去天津一年，对之前所学PLC基础知识掌握情况进行了解，然后有针对性地进行基础知识的补充、复习，具体包括：编程软件的使用已经基本指令的练习（三）、引入新课如何运用基本指令写自己的梯形图程序？（四）、新课教学一、梯形图经验设计法（广播教学，幻灯片演示）1、什么是经验设计法？经验设计方法也叫试凑法，经验设计方法需要设计者掌握大量的典型电路，在掌握这些典型电路的基础上，充分理解实际的控制问题，将实际控制问题分解成典型控制电路，然后用典型电路或修改的典型电路进行拼凑梯形图。
2、典型环节电路程序（复习、提问、讲解）2.1 起-保-停电路（四种型式）教学过程2.2 三相异步电动机正反转电路 2.3 多继电器线圈控制电路（输入与输出继电器互锁的区别）2.4 多地控制电路 2.5互锁控制电路2.6顺序启动控制电路 2.7 集中与分散控制电路2.8 闪烁电路 2.9 定时范围扩展电路教学过程3、经验方设计要点分解梯形图程序输入信号逻辑组合使用辅助元件和辅助触点使用定时器和计数器使用功能指令画互锁条件画保护条件二、实操练习（学生实操、老师讲解）1、设计两台电动机顺序控制PLC系统。
控制要求：两台电动机相互协调运转，M1运转10S，停止5S，M2要求与M1相反，M1停止M2运行，M1运行M2停止，如此反复动作3次，M1和M2均停止。
部分梯形图程序如下：2、图一、图二是代表在任何一次亮的时候关断X0，图3是计数3次后延时100小时。
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注意事项：
(2) 尽量减少PLC的输入信号和输出信号 因PLC的价格与I/O点数有关，因此要减少I/O点数以降 低硬件费用。 如果继电器电路图中几个输入元件触点的串并联电路只 出现一次，或者作为整体多次出现，可将它们作为PLC的 一个输入信号，只占一个输入点。例图4.11中的2JPK的 常开触点和2ZPK的常闭触点的并联电路
图4-13 波形图
图4-14 梯形图
例： 送料小车自动控制系统的梯形图设计
要解决的问题： 送料小车在限位开关 X4处装料，10S后装料 结束，开始右行，碰到 X3后停下来卸料，15S 后左行，碰到X4后又 停下来装料，如此循环 往复。
设计过程： 根据问题描述我们想到了 电动机正反转控制系统。
确定辅助继电器和定时器的元件号
中间继电器ZZJ → 辅助继电 器M200 中间继电器ZFJ → 辅助继电 器M201 时间继电器SJ
→ 定时器T0
根据需要增设 的中间单元
注意事项:
(1) 应遵守梯形图语言的语法规定 梯形图中的线圈应放在最右边
注意事项:
(1) 应遵守梯形图语言的语法规定
第4章 开关量控制系 统梯形图设计方法
4.1 梯形图的经验设计法: 在一些典型的控制电路程序的基础上，根据被 控制对象的具体要求，进行选择组合，并多次 反复调试和修改梯形图，有时需增加一些辅助 触点和中间编程环节，才能达到控制要求。这 种方法没有规律可遵循，设计所用的时间和设 计质量与设计者的经验有很大的关系，所以称 为经验设计法。经验设计法用于较简单的梯形 图设计。应用经验设计法必须熟记一些典型的 控制电路，如起保停电路、脉冲发生电路等。
4.3 根据继电器电路图设计梯形图的方法
步骤： （1）熟悉现有的继电器控制线路。
（2）对照PLC的I/O端子接线图，将继电器电路图上的被 控器件（如接触器线圈、指示灯、电磁阀等）换成接线 图上对应的输出点的编号，将电路图上的输入装置（如 传感器、按钮开关、行程开关等）触点都换成对应的输 入点的编号。
再考虑需修改的地方：要 增加时间控制和限位开关控 制。
用经验法设计梯形图存在的问题：
1) 设计方法很难掌握，设计周期长。 没有一套固定的方法和步骤可以遵循，具有很大 的试探性和随意性； 在设计复杂的梯形图时，由于要考虑的因素很多， 往往交织在一起，分析起来非常困难。
2) 装置交付使用后维修困难。
图4.3 异步电动机正反转电路 的PLC外部接线图与梯形图
4.1.3 钻床刀架运动控制系统的设计
刀架开始时在限位开关X4处，按下起动按钮 X0，刀架左行，开始钻削加工，到达限位 开关X3所在位置时停止进给，钻头继续转 动，进行无进给切削，6s后定时器T0的定 时时间到，刀架自动返回起始位置。
4.1.4 常闭触点输入信号的处理
用经验设计法设计出的梯形图往往非常复杂，分 析起来非常困难，给PLC控制系统的维修和改进 带来了很图的方法
因为老的继电器控制系统已被证明能完成系统要求的控 制功能，而继电器电路图又与梯形图有很多相似之处， 因此可以将继电器电路图“翻译”成梯形图，用PLC的 硬件和梯形图软件来实现继电器控制系统的功能。 这种设计方法的优点： 改造前后的系统没有太大区别，操作工人易适应。 一般不需改动控制面板和它上面的器件，可减少硬件 改造的费用和改造的工作量。
图4-7 常闭触点输入电路
4.2、时序控制系统梯形图设计方法
4.2.1定时器的应用电路
问题的提出
FX系列PLC提供的定时器只有通电延时类 型，如何实现断电延时的功能？ 定时器设定值最大为32767，最长延时时 间不足1小时，如何实现长延时？
定时范围的扩展
1.定时器的串联
X0 T0 T0 T1 T1 Y0 K6000 K30000
4.1.1 起动-保持-停止电路
图4.1 起保停电路
2、三相异步电动机正反转控制电路
KM1、KM2： 控制正转运行 与反转运行的 交流接触器
控制回路 停止按钮 正转启动按钮
FR：手动复位 的热继电器
主回路
图4.2 异步电动机正反转电路
要点：
两个起保停电路分别控 制电动机的正转和反转 互锁系统：Y0与Y1的常 闭触点分别与对方的线 圈串连，保证它们不会 同时接通。 按钮互锁：将XO、X1 的常闭触点分别与线圈 Y1、Y0串连，保证Y1、 Y0不会同时接通。 硬件互锁电路：PLC输 出电路中KM1、KM2的 辅助常闭触点组成。
定时器的最大设定值为 32767，不足1小时，为 了扩展定时器的延时时 间，可以采用几种方法
延时时间=T0+T1=3600s
2.定时器和计数器配合使用
X2
T0 T0 X2 RST T0 C0 C0 Y0 延时时间=60s60=3600s K60 C0对T0的60s脉冲计数 K600 X2
60s T0常开触点
图4.14 局部等效电路图
注意事项：
(2) 尽量减少PLC的输入信号和输出信号 又如1ZPK和1JPK的常开触点的串联电路，还有一个它们 的常闭触点的并联电路，因1ZPK 1JPK 1ZPK+1JPK ,即1ZPK 与1JPK的常开触点的串联电路对应的“与”逻辑表达式 取反后，即为它们的常闭触点的并联电路对应的逻辑表 达式。因此可将1ZPK与1JPK的常开触点的串联电路作为 一个输入信号。
（ 3 ）将继电器电路图中的中间继电器、定时器，用 PLC 的辅助继电器、定时器来代替。 （4）画出全部梯形图，并予以简化和修改。
例： 某卧式镗床继电器电路 熟悉现有的继电器控制线路 该镗床电机能实现高、低 速运转；正、反转运行； 可通过开关按钮及限位开 关实现对它的相应操作。
确定输入信号和输出负载，并画出PLC的外部接线图
C0
1 Hour
Y0
闪烁（振荡）电路
X0 T1 T0 T0 K20
T1
K30
Y0 X0
2S 3S
Y0
通电延时/断电延时
X0 T0 Y1 X0 T1 K70 T1 Y1 Y1 T1 K90 X0 Y1 T0
通电延时 接通
断电延时 断开
T0
9S
7S
单稳态电路
4.2.3 使用多个定时器接力定时的时序控 制电路