第6章数字量控制系统梯形图程序设计方法

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PPT：第6.1章顺序功能图设计法.pptx
辅导书：S7-1200 PLC编程及应用第3版，目录中第5章为“数字量控制系统梯形图程序设计方法”。

1. 本章脉络

数字量控制系统梯形图程序设计方法
├─ 6.1 经验设计法
│  ├─ 启保停电路
│  ├─ 延时接通/断开电路
│  └─ 闪烁电路
├─ 6.2 顺序功能图
│  ├─ 步
│  ├─ 初始步与活动步
│  ├─ 动作或命令
│  ├─ 有向连线与转换条件
│  ├─ 单序列、选择序列、并列序列
│  └─ 绘制规则
└─ 6.3 顺序控制设计法
   ├─ 起保停设计法
   ├─ 置位复位设计法
   └─ 专用钻床控制实例

2. 经验设计法

经验设计法是在典型梯形图程序基础上，根据实际控制要求和PLC工作原理不断修改完善的方法。

特点：

入门容易；
适合简单逻辑；
依赖经验，复杂系统容易混乱；
程序可读性和可维护性不如顺序功能图法。

2.1 启保停电路

启保停是最基本的电机控制程序。

逻辑公式：

[ Q=(SB_{start}\lor Q)\land SB_{stop}\land FR ]

符号	含义
(Q)	输出线圈，如电机接触器
(SB_{start})	启动按钮常开触点
(SB_{stop})	停止按钮常闭触点，正常为1
(FR)	热继电器保护触点，正常为1

适用条件：普通电机启停、自保持控制。

工程意义：按启动按钮后，输出通过自身触点保持；按停止或保护动作后断开。

2.2 延时接通/断开电路

延时接通：输入条件成立一段时间后输出动作；
延时断开：输入条件消失后输出继续保持一段时间再断开。

典型用途：运输带顺序启动/停止、风机延时、冲水延时、报警延时确认。

2.3 闪烁电路

闪烁电路用于周期性改变输出状态，如报警灯闪烁。可用两个定时器交替控制，也可用CPU时钟存储器位实现。

3. 顺序功能图 SFC

顺序功能图是根据工艺过程先画出状态转换图，再由图转化为梯形图程序的方法。它特别适合顺序动作明显的机械设备和生产过程。

优点：

逻辑清楚；
调试方便；
修改容易；
适合初学者理解复杂顺序控制。

4. 顺序功能图基本元素

4.1 步 Step

步是系统工作周期中的一个阶段，通常用M位代表。

例如动力头控制中可分为：初始等待、快进、工进、快退、停止等步。

4.2 初始步与活动步

名称	含义
初始步	系统初始状态对应的步，等待启动
活动步	系统当前处于的步，该步对应动作被执行

步的活动状态可用M位表示：M=1表示活动，M=0表示不活动。

4.3 动作或命令

每一步对应的输出状态或操作称为动作。动作可写在步旁边的矩形框中。

如果某动作跨越多个连续步为1，可使用动作修饰词S/R：

S：在动作开始步置位；
R：在动作结束后的下一步复位。

4.4 有向连线与转换条件

有向连线表示步的进展方向；转换条件写在步与步之间的转换符号旁。

转换条件可以是：

文字说明；
布尔表达式；
输入点、定时器、计数器条件；
图形符号。

5. 顺序功能图基本结构

结构	含义	典型场景
单序列	每次只沿一条固定路径执行	普通机械往返动作
选择序列	根据条件选择不同分支	合格/不合格分拣
并列序列	多个分支同时执行，最后汇合	两个机构同时动作

6. 转换实现规则

6.1 转换实现条件

一个转换要实现，必须同时满足：

该转换所有前级步都是活动步；
相应转换条件满足。

逻辑公式：

[ T_i = X_{pre1}\land X_{pre2}\land \cdots \land C_i ]

符号	含义
(T_i)	第i个转换是否实现
(X_{pre})	前级步活动状态
(C_i)	转换条件

适用条件：所有SFC结构，包括单序列、选择序列、并列序列。

工程意义：只有当前步已经活动且外部条件满足时，系统才允许进入下一步。

6.2 转换实现操作

转换实现时同时完成两件事：

后续步变为活动步；
前级步变为不活动步。

即：

[ X_{next}=1,\quad X_{pre}=0 ]

7. 顺序控制梯形图实现方法

7.1 起保停设计法

程序分为两大部分：

转换条件控制步序标志
步序标志实现输出

每一步用类似启保停电路保持，当转换条件满足时，下一步置位，当前步断开。

优点：逻辑直观，便于从启保停理解SFC。

缺点：步数多时程序较长，转换逻辑较复杂。

7.2 置位复位设计法

使用S/R指令控制步状态。

基本思想：

转换条件满足 → 置位下一步 → 复位当前步

优点：程序简洁，适合较复杂的顺序控制。

易错点：必须处理好初始步置位、互斥步复位、并行分支汇合等问题。

8. 组合机床动力头运动案例

8.1 控制要求

动力头初始位置在左边，左限位为I0.3。按启动按钮I0.0后：

初始位置I0.3
→ 按I0.0启动
→ 向右快进：Q0.0和Q0.1控制
→ 到达I0.1后转入工作进给：Q0.1控制
→ 到达I0.2后快速返回：Q0.2控制
→ 回到I0.3后停止

8.2 顺序功能图拆分

步	状态	输出	转换条件
S0	初始等待	无	I0.0且I0.3
S1	快进	Q0.0、Q0.1	I0.1
S2	工进	Q0.1	I0.2
S3	快退	Q0.2	I0.3
S0	回初始	无	循环结束

工程意义：把机械运动流程转化为“步-动作-转换条件”结构。

9. 专用钻床控制实例

9.1 控制要求概要

加工圆盘状工件上均匀分布的6个孔，即每次钻两个孔，旋转120°，重复三次。

自动过程：

初始：大小钻头在上限位
→ 启动
→ 工件夹紧
→ 夹紧到位
→ 大小钻头同时下行
→ 下限位到达
→ 大小钻头上行
→ 上限位到达
→ 工件旋转120°
→ 旋转到位
→ 重复钻第二对孔
→ 再旋转120°钻第三对孔
→ 松开工件
→ 松开到位
→ 返回初始状态

9.2 输入输出分配

输入	含义
I0.0	启动按钮
I0.1	工件夹紧检测开关
I0.2	大钻头下限位
I0.3	大钻头上限位
I0.4	小钻头下限位
I0.5	小钻头上限位
I0.6	旋转到位检测
I0.7	工件松开检测

输出	含义
Q0.0	工件夹紧电磁阀
Q0.1	大钻头下行接触器
Q0.2	大钻头上行接触器
Q0.3	小钻头下行接触器
Q0.4	小钻头上行接触器
Q0.5	工件正转
Q0.6	工件松开电磁阀
Q0.7	工件反转

9.3 程序结构建议

OB1负责模式选择和总调用；
自动流程封装为FB1；
手动控制封装为FB2；
自动FB内部按顺序功能图设计步序；
每个输出都要考虑互锁，避免上下行、夹紧松开、正反转同时动作。

10. 图表索引

图表	来源位置	作用
启保停电路	第6.1章PPT 6.1部分	掌握基本自锁逻辑
延时接通/断开电路	第6.1章PPT 6.1部分	掌握定时器应用
动力头运动示意图	第6.1章PPT 6.2部分	理解步序拆分
动力头顺序功能图	第6.1章PPT 6.2部分	学会SFC表示方法
单序列/选择/并列结构图	第6.1章PPT 6.2部分	掌握SFC三种基本结构
起保停法梯形图	第6.1章PPT 6.3.1	学会SFC转梯形图
置位复位法梯形图	第6.1章PPT 6.3.2	学会S/R实现步序
专用钻床SFC	第6.1章PPT后半部分	综合设计题重点

11. 易错点

顺序功能图不是梯形图，但可以转化为梯形图。
步是状态，动作是该状态下的输出，不要混淆。
转换实现必须同时满足前级步活动和转换条件成立。
转换发生时要同时置位后续步、复位前级步。
选择序列要注意互斥条件，避免多个分支同时进入。
并列序列要注意所有分支完成后才能汇合。
手动/自动程序要有模式互锁。
上下行、正反转、夹紧松开等相反动作必须互锁。

12. 考前补充：SFC设计题答题套路

12.1 顺序控制设计步骤

读工艺要求
→ 列输入/输出表
→ 划分工作步
→ 写每步动作
→ 写步间转换条件
→ 检查初始步、互锁、停止/复位
→ 转换为梯形图或置位复位程序

12.2 单序列、选择序列、并列序列判断

结构	判断关键词	转换特点	易错点
单序列	只有一条执行路径	一步接一步	少写初始步或复位条件
选择序列	按条件走不同分支	多选一，条件通常互斥	条件不互斥会误入多个分支
并列序列	多个分支同时执行	一个转换后激活多个步	汇合时通常要等所有分支完成

12.3 由SFC转梯形图的核心公式

每一步通常可按“启动条件 + 自保持 - 下一步复位”的思路实现：

[ M_i=(M_{i-1}\land T_{i-1})\lor(M_i\land \lnot T_i) ]

其中 (M_i) 是当前步标志，(T_i) 是当前步到下一步的转换条件。置位复位法则更直观：转换条件成立时置位后续步、复位前级步。

12.4 综合题安全检查清单

初始状态是否明确，如动力头在左限位、钻头在上限位。
相反动作是否互锁，如上行/下行、正转/反转、夹紧/松开。
自动循环是否有停止、急停、复位或故障处理。
输出动作是否只由对应活动步决定，避免多个程序段重复驱动同一输出。

13. 本章预测题与答案

题1：什么是经验设计法？

答案：经验设计法是在典型梯形图程序基础上，结合实际控制要求和PLC工作原理不断修改完善的方法。它适合简单控制任务，但复杂系统中容易出现逻辑混乱和维护困难。

题2：什么是顺序功能图？有什么优点？

答案：顺序功能图是根据工艺过程，把系统工作周期划分为若干步，并用转换条件表示步之间切换关系的图形设计方法。优点是逻辑清楚、便于调试、修改方便，适合顺序控制系统。

题3：顺序功能图中的“步”是什么意思？

答案：步是系统工作周期中的一个阶段，通常用M位表示。系统处于某一步时，该步为活动步，并执行该步对应的动作。

题4：转换实现需要满足哪两个条件？

答案：第一，该转换所有前级步都处于活动状态；第二，相应转换条件成立。两者同时满足时，转换才能实现。

题5：转换实现时要完成什么操作？

答案：转换实现时，要使所有后续步变为活动步，同时使所有前级步变为不活动步。

题6：顺序功能图有哪三种基本结构？

答案：单序列、选择序列和并列序列。单序列按固定路径执行；选择序列按条件选择分支；并列序列多个分支同时执行并在后续汇合。

题7：起保停设计法实现顺序控制时程序通常分为哪两部分？

答案：一部分用转换条件控制步序标志，另一部分用步序标志实现输出动作。

题8：置位复位设计法的基本思想是什么？

答案：当某步的转换条件满足时，使用置位指令使下一步活动，同时使用复位指令使当前步不活动。

题9：动力头控制案例中，从快进转为工进的条件是什么？

答案：动力头按启动后先快进，当到达位置检测I0.1时，由快进步转换为工作进给步。

题10：专用钻床控制中为什么要设置手动和自动两种方式？

答案：自动方式用于正常生产循环，提高效率；手动方式用于调试、维护、单步检查和异常处理。两种方式要互锁，避免同时控制同一输出。

第06章_数字量控制系统梯形图程序设计方法

第6章 数字量控制系统梯形图程序设计方法