电气控制与可编程控制器技术电子

电气控制与可编程控制器技术电子

本章介绍状态指令、状态元件、状态三要素、状态编程思想，状态转移图与状态梯形图对应关系。然后说明常见状态转移图的编程方法，并结合实例介绍状态编程思想在顺序控制中的应用。 一、 FX 2N 系列步进指令及使用说明 1． FX 2N 系列步进指令 FX 2N 系列 步进指令有两条 ，其指令助记符与功能如表7-1所示。 第一节 步进指令与状态转移图表示方法 表7-1 步进阶梯指令助记符与功能 指令助记符、名称 功能 步进梯形图的表示 程序步 STL 步进接点指令 步进接点驱动 1 RET 步进返回指令 步进程序结束返回 1 FX 2N 系列 PLC 步进指令所使用的状态软元件 S 有1000个 ，其分类、编号、数量和用途见表6-11。 步进接点指令只有 常开接点， 连接步进接点的其它继电器接点用 指令 LD 或 LDI 开始 。 步进返回指令( RET) 用于状态( S) 流程结束时 ，返回主程序(母线)。步进指令在状态转移图和状态梯形图中的表示如图7-1所示。 图7-1 步进指令表示方法 图7-1 (b) 中每个状态的内母线上都将提供三种功能： ① 驱动负载( OUT Yi); ② 指定转移条件( LD/LDI Xi); ③ 指定转移目标( SET Si) 。 称为状态的三要素 。 后两个功能是必不可少的 。 使用步进指令时应 先设计状态转移图 (SFC), 再由状态转移图转换成状态梯形图 (STL) 。状态转移图中的每个状态表示顺序控制的每步工作的操作,因此 常用步进指令实现时间或位移等顺序控制的操作过程 。使用步进指令不仅可以简单、直观地表示顺序操作的流程图，而且可以非常容易地设计多流程顺序控制，并且能够减少程序条数，程序易于理解。 2．步进指令的使用说明 （1）步进接点在状态梯形图中与 左母线相连，具有主控制功能， STL 右侧产生的新母线上的接点要用 LD 或 LDI 指令开始 。 RET 指令可以在一系列的 STL 指令最后安排返回，也可以在一系列的 STL 指令中需要中断返回主程序逻辑时使用 。 （2）当步进接点接通时，其后面的电路才能按逻辑动作。 如果步进接点断开，则后面的电路则全部断开，相当于该段程序跳过 。若需要保持输出结果，可用 SET 和 RST 指令。 （3）可以在步进接点内处理的顺控指令如表7-2所示。 表7-2 可在状态内处理的顺控指令一览表 指令 状态 LD/LDI/LDP/LDF AND/ANI/ANDP/ANDF OR/ORI/ORP/ORF/INV/OUT SET/RST,PLS/PLF ANB/ORB MPS/MRD/MPP MC/MCR 初始状态/一般状态 可以使用 可以使用 不可使用 分支,汇合状 态 输出 处理 可以使用 可以使用 不可使用 转移 处理 可以使用 不可使用 不可使用 表中的栈操作指令 MPS/MRD/MPP 在状态内不能直接与步进接点后的内母线连接，应接在 LD 或 LDI 指令之后，如图7-2所示 。 在 STL 指令内允许使用跳转指令，但其操作复杂，厂家建议最好不使用。 图7-2 栈操作指令在状态内的正确使用 （4） 允许同一编号元件的线圈在不同的 STL 接点后面多次使用 。但是应注意， 同一编号定时器线圈不能在相邻的状态中出现 。在同一个程序段中， 同一状态继电器地址号只能使用一次 。 （5）在 STL 指令的内母线上将 LD 或 LDI 指令编程后，对图7-3（ a） 所示没有触点的线圈 Y003 将不能编程，应改成按图7-3（ b） 电路才能对 Y003 编程。 图7-3 状态内没有触点线圈的编程 （6）为了控制电机正反转时避免两个线圈同时接通短路， 在状态内可实现输出线圈互锁 ，方法如图7-4所示。 图7-4 输出线圈的互锁 二、状态转移图（ SFC） 的建立及其特点 状态转移图是状态编程法的重要工具。 状态编程的一般设计思想是 ： 将一个复杂的控制过程分解为若干个工作状态，弄清各工作状态的工作细节（如状态功能、转移条件和 转移方向），再依据总的控制顺序要求，将这些工作状态联系起来，就构成了状态转移图，简称为 SFC 图 。 SFC 图可以在备有 A7PHP/HGP 等图示图像外围设备和与其对应编程软件的个人计算机上编程。根据 SFC 图进而可以编绘出状态梯形图 STL 。下面介绍图7-5中某台车自动往返控制的 SFC 建立。 台车自动往返一个工作周期的控制工艺要求如下。 （1）按下启动钮 SB， 电机 M 正转，台车前进，碰到限位开关 SQ1 后，电机 M 反转，台车后退。 （2）台车后退碰到限位开关 SQ2 后，台车电机 M 停转，台车停车5 s 后，第二次前进，碰到限位开关 XSQ3， 再次后退。 （3）当后退再次碰到限位开关 SQ2 时，台车停止。 下面运用状态编程思想说明建立 SFC 图的方法。 （1）将整个过程按工序要求分解。 由 PLC 的输出点 Y021 控制电机 M 正转驱动台车（前进），由 Y023 控制 M 反转（后退）。为了解决延时5 S， 选用定时器 T0。 将启动按钮 SB 及限位开关 SQ1、SQ2、SQ3 分别接于 X000、X011、X012、X013。 分析其一个工作周期的控制要求， 有五个工序要顺序控制 ，如图7-6所示。 （2）对每个工序分配状态元件，说明每个状态的功能与作用，转移条件。如表7-3所示。 表7-3 工序状态元件分配、功能与作用、转移条件 工 序 分配的 状态元件 功能与作用 转移条件 0 初始状态 S0 PLC 上电作好工作准备 RUN 后 M8002 产生 1 个脉冲 1 第一次前进 S20 驱动输出线圈 Y021，M 正转 X000（SB） 2 第一次后退 S21 驱动输出线圈 Y023，M 反转 X011（SQ1） 3 暂停5秒 S22 驱动定时器 T0 延时5 S X012（SQ2） 4 第二次前进 S23 驱动输出线圈 Y021，M 正转 T0 5 第二次后退 S24 驱动输出线圈 Y023，M 反转 X013（SQ3） 根据表7-3可绘出状态转移图如图7-7所示。图中初始状态 S0 要用双框，驱动 S0 的电路要在对应的状态梯形图中的开始处绘出。 SFC 图和状态梯形图结束时要使用 RET 和 END 指令。 三、状态转移图（ SFC） 转换成 状态梯形图（ STL）、 指令表程序 由以上分析可看出， SFC 图基本上是以机械控制的流程表示状态（工序）的流程，而 STL 图全部是由继电器来表示控制流程的程序。我们仍以图7-7的 SFC 图为例，将其转换成 STL 图和指令表程序，如图7-8所示。读者会发现，从 SFC 图转换成 STL 图，写出指令表程序是非常容易的。 图7-8 台车自动往返控制的状态梯形图（ STL 图）和指令表 第二节 编制 SFC 图的注意事项和规则 一、编制 SFC 图的注意事项 （1）对状态编程时必须使用步进接点指令 STL。 程序的最后必须使用步进返回指令 RET， 返回主母线。 （2）初始状态的软元件用 S0 ~S9, 要用双框表示 ；中间状态软元件用 S20～S899 等状态，用单框表示 。 若需要在停电恢复后继续原状态运行时，可使用 S500→S899 停电保持状态元件。 此外 S10～S19 在采用状态初始化指令 FNC60（IST） 时,可用于特殊目的 。 （3）状态编程顺序为： 先进行驱动，再进行转移，不能颠倒 。 （4）当同一负载需要连续多个状态驱动时，可使用多重输出，在状态程序中， 不同时 “ 激活 ” 的 “ 双线圈 ” 是允许的 ，如图7-9（ a）。 另外, 相邻状态使用的 T、C 元件，编号不能相同 。如图7-9( b) 所示。 （5）负载的驱动、状态转移条件可能为多个元件的逻辑组合，视具体情况，按串、并联关系处理，不能遗漏。如图7-10（ a）。 图7-9 同一负载需要多个状态驱动可使用多重输出， 但相邻状态定时器编号不能相同 图7-10 负载组合驱动、状态向不连续状态转移的处理 （7）在 STL 与 RET 指令之间 不能使用 MC、MCR 指令。 （8） 初始状态可由其他状态驱动 ， 但运行开始必须用其他方法预先作好驱动，否则状态流程不可能向下进行 。一般用系统的初始条件，若无初始条件，可用 M8002（PLC 从 STOP→RUN 切换时的初始脉冲）进行驱动。 二、编制 SFC 图的规则 1 ．若向上转移（称重复）、向非相连的下面转移或向其他流程状态转移（称跳转），称为顺序不连续转移， 顺序不连续转移的状态不能使用 SET 指令，要用 OUT 指令进行状态转移，并要在 SFC 图中用“”符号表示转移目标 。如图7-11所示。 图7-11 非连续转移在 SFC 图中的表示 2 ．在流程中要表示状态的自复位处理时，要用“ ”符号表示,自复位状态在程序中用 RST 指令表示，如图7-12所示。 3. SFC 图中的 转移条件 不能使用 ANB, ORB,MPS, MRD,MPP 指令 。应按图7-13 (b) 所示确定转移条件。 4.状态转移图中和流程不能交叉，应按图7-14处理。 5． 若要对某个区间状态进行复位，可用区间复位指令 ZRST 按图7-15（ a） 处理；若要使某个状态中的输出禁止，可按图7-15（ b） 所示方法处理；若要使 PLC 的全部输出继电器( Y) 断开，可用特殊辅助继电器 M8034 接成图7-15（ c） 电路，当 M8034 为 ON 时， PLC 继续进行程序运算，但所有输出继电器（ Y） 都断开了。 为了有效地编制 SFC 图,常需要采用表7-4所示的特殊辅助继电器。 图7-15 状态区域复位和输出禁止的处理 表7-4 SFC 图中常采用的特殊继电器功能与用途 地址号 名称 功能与用途 M8000 RUN 监视器 可编程控制器在运行过程中 , 它一直处于接通状态。可作为驱动所需的程序输入条件与表示可编程控制器的运行状态来使用。 M8002 初始脉冲 在可编程控制器接通瞬间，产生 1 个扫描周期的接通信号。用于程序的初始设定与初始状态的置位 . M8040 禁止转移 在驱动该继电器时 , 禁止在所有程序步之间转移。在禁止转移状态下 , 状态内的程序仍然动作 , 因此输出线圈等不会自动断开 . M8046 STL 动作 任一状态接通时 , M8046 仍自动接通 , 可用于避免与其他流程同时启动，也可用作工序的动作标志 . M8047 STL 监视器有效 在驱动该继电器时 , 编程功能可自动读出正在动作中的状态地址号 第三节 多流程步进顺序控制 在顺序控制中，经常需要按不同的条件转向不同的分支，或者在同一条件下转向多路分支。当然还可能需要跳过某些操作或重复某种操作。也就是说， 在控制过程中可能具有两个以上的顺序动作过程，其状态转移流程图也具有两个以上的状态转移分支，这样的 SFC 图称为多流程顺序控制。 常用的状态转移图的基本结构有 单流程、选择性分支、并联性分支和跳步与循环四种结构。 一、单流程结构程序 所谓单流程结构，就是由一系列相继执行的工步组成的单条流程。其特点是 : ①每一工步的后面 只能有一个转移的条件，且转向仅有一个工步 。 ②状态不必按顺序编号，其它流程的状态也可以作为状态转移的条件。第一节中讨论的台车自动往返控制 SFC 就是这类结构。下面再分析一例转轴的旋转控制系统。 图7-16轮轴旋转控制系统* 二、选择性分支与汇合及其编程 （一）选择性分支 SFC 图的特点 从多个分支流程中根据条件选择某一分支，状态转移到该分支执行，其它分支的转移条件不能同时满足，即 每次只满足一个分支转移条件，称为选择性分支 。图 7-17 就是一个选择性分支的状态转移图。其特点是： 1.该状态转移图有三个分支流程顺序。 2． S20 为分支状态。根据不同的条件（ X000、X010、X020）， 选择执行其中的一个分支流程。当 X000 为 ON 时执行第一分支流程； X010 为 ON 时执行第二分支流程； X020 为 ON 时执行第三分支流程。 X000，X010，X020 不能同时为 ON。 图7-17 选择性分支状态转移图 * 3． S50 为汇合状态，可由 S22、S32、S42 任一状态驱动。 （二）选择性分支、汇合的编程 编程原则是 先集中处理分支状态，然后再集中处理汇合状态。 1.   分支状态的编程 编程方法是先对分支状态 S20 进行驱动处理（ OUT　Y000）， 然后按 S21、S31、S41 的顺序进行转移处理。图7-17的分支状态 S20 如图7-18（ a）， 图7-18（ b） 是分支状态的编程。 图7-18 分支状态 S20 及其编程 2、汇合状态的编程 编程方法是先依次对 S21、S22、S31、S32、S41、S42 状态进行汇合前的 输出处理编程 ，然后按顺序从 S22（ 第一分支）、 S32（ 第二分支）、 S42（ 第三分支）向汇合状态 S50 转移编程。 图7-19 汇合状态 S50 及其编程* 3.选择性分支状态转移图对应的状态梯形图 根据图7-17的选择性分支 SFC 图和上面的指令表程序，可以绘出它的状态梯形图如图7-20所示。 图7-20 选择性分支 SFC 图对应的状态梯形图 （二）选择性分支状态转移图及编程实例 图7-21为使用传送带将大、小球分类选择传送装置的示意图。 左上为原点，机械臂的动作顺序为下降、吸住、上升、右行、下降、释放、上升、左行。机械臂下降时， 当电磁铁压着大球时，下限位开关 LS2（X002） 断开 ； 压着小球时， LS2 接通，以此可判断是大球还是小球 。 左、右移分别由 Y004、Y003 控制 ； 上升、下降分别由 Y002、Y000 控制 ， 将球吸住由 Y001 控制。 图7-21 大小球分类选择传送装置示意图* 根据工艺要求，该 控制流程可根据 LS2 的状态（即对应大、小球）有两个分支，此处应为分支点，且属于选择性分支 。分支在机械臂下降之后 根据 LS2 的通断，分别将球吸住、上升、右行到 LS4 （ 小球位置 X004 动作） 或 LS5 （ 大球位置 X005 动作） 处下降，此处应为汇合点 。然后再释放、上升、左移到原点。其状态转移图如图7－22所示。 图7-22 大小球分类选择传送的状态转移图 二、并行分支与汇合的编程 （一）并行分支状态转移图及其特点 当满足某个条件后使多个流程分支同时执行的分支流程称为并行分支 ，如图7－23所示。图中当 X000 接通时，状态同时转移，使 S21、S31 和 S41 同时置位，三个分支同时运行，只有在 S22、S32 和 S42 三个状态都运行结束后，若 X002 接通，才能使 S30 置位，并使 S22、S32 和 S42 同时复位。它有二个特点： 图7-23 并行分支流程结构* （二）并行分支状态转移图的编程 编程原则是 先集中进行并行分支处理，再集中进行汇合处理。 1．并行分支的编程 编程方法是 先对分支状态进行驱动处理，然后按分支顺序进行状态转移处理 。图7-24（ a） 为分支状态 S20 图，图7-24（ b） 是并行分支状态的编程。 2、并行汇合处理编程 编程方法是先进行汇合前状态的驱动处理，然后按顺序进行汇合状态的转移处理。 图7-24 并行分支的编程 按照并行汇合的编程方法，应先进行汇合前的输出处理，即按分支顺序对 S21、S22、S31、S32、S41、S42 进行输出处理，然后依次进行从 S22、S32、S42 到 S30 的转移。图7－25（ a） 为 S30 的并行汇合状态, 图7-25（ b） 是各分支汇合前的输出处理和向汇合状态 S30 转移的编程。 3.并行分支 SFC 图对应的状态梯形图 根据图7-23的 SFC 图和上面的指令表程序，可以绘出它的状态梯形图如图7-26所示。 图7-25 并行汇合的编程 图7-26 并行分支 SFC 图的状态梯形图 4、并行分支、汇合编程应注意的问题 （1）并行分支的汇合 最多能实现8个分支的汇合 ，如图7－27所示。 （2）并行分支与汇合流程中， 并联分支后面不能使用选择转移条件 ※， 在转移条件*后不允许并行汇合 ，如图7－28（ a） 所示,应改成图7-28( b) 后，方可编程。 （三）并行分支、汇合编程实例 图7－29为按钮式人行横道交通灯控制示意图。 车道信号由状态 S21 控制绿灯 （ Y003） 亮， 人行横道信号由状态 S30 控制红灯 （ Y005） 亮。 图7-29 人行横道交通灯控制 人过横道，应按路两边的人行横道按钮 X000 或 X001， 车道绿灯亮30秒后 由状态 S22 控制车道黄灯（ Y002） 亮10秒 ，然后由状态 S23 控制车道红灯（ Y001） 亮5秒后 , 启动状态 S31 使人行横道的红灯变为绿灯（ Y006） 点亮。 人行横道绿灯亮15秒后， 由状态 S32 和 S33 交替控制横道绿灯进行0.5秒闪烁，闪烁5次 ， 人行横道变为红灯亮 , 人行横道禁止通行 。5秒后返回初始状态。 人行横道交通灯控制的状态转移图及程序如图7-30所示。在图中 S33 处有一个选择性分支，人行道绿灯闪烁不到五次，选择局部重复动作；闪烁五次后使横道红灯亮 , 车道绿灯亮 。 四、分支、汇合的组合流程及虚设状态 运用状态编程思想解决问题，当状态转移图设计出后，发现有些状态转移图不单单是某一种分支、汇合流程，而是若干个或若干类分支、汇合流程的组合。如按钮式人行横道的状态转移图，并行分支、汇合中，存在选择性分支，只要严格按照分支、汇合的原则和方法，就能对其编程。但有些分支、汇合的组合流程不能直接编程，需要转换后才能进行编程，如图7－31，应将左图转换为可直接编程的右图形式。 图7-31 组合流程的转移 另外，还有一些分支、汇合组合的状态转图如图7-32所示，它们连续地直接从汇合线转移到下一个分支线，而没有中间状态。这样的流程组合既不能直接编程，又不能采用上述办法先转换后编程。 这时需在汇合线到分支线之间插入一个状态，以改变直接从汇合线到下一个分支线的状态转移。但在实际工艺中这个状态并不存在，所以只能虚设，这种状态称为虚设状态。加入虚设状态之后的状态转换图就可以进行编程了 。 图 7-32 虚拟状态的设置 一条并行分支或选择性分支的电路数限定为8条以下;有多条并行分支与选择性分支时,每个初始状态的电路总数应小于等于16条，如图7-33所示。 五、跳转与循环结构 跳转与循环是选择性分支的一种特殊形式。 若满足某一转移条件，程序跳过几个状态往下继续执行，这是正向跳转 ， 若要程序返回到上面某个状态再开始往下继续执行，这是 逆向跳转 ，也称作循环。 任何复杂的控制过程均可以由以上四种结构组合而成。下面图7-34所示就是跳转与循环结构的状态转移图和状态梯形图。 图7-34 跳转与循环控制的 SFC 图和 STL 图* 在图7-34中 : 在 S23 工作时， X003 和 X100 均接通，则进入逆向跳转，返回到 S21 重新开始执行（循环工作）； 若 X100 断开,则 X100 常闭触点闭合,程序则顺序往下执行 S24。 当 X004 和 X101 均接通时，程序由 S24 直接转移到 S27 状态，跳过 S25 和 S26， 执行状态 S27， 为正向跳转。 当 X007 和 X102 均接通时，程序将返回到 S21 状态，逆向跳转 , 开始新的工作循环； 若 X102 断开， X102 常闭触点闭合时，程序返回到预备工作状态 S0， 等待新的启动命令。 跳转与循环的条件，可以由现场的行程（位置）获取，也可以用计数方法确定循环次数，在时间控制中可以用定时器来确定。