# 第6章 数字量控制系统梯形图程序设计方法
# 资料来源
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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。
