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PLC的软件设计步骤及设计举例

一、翻译法
翻译法是用所选机型的PLC中功能相当的软器件，代替原继电器—接触器控制线路原理图中的器件，将继电器—接触器控制线路翻译成PLC梯形程序图的方法。
1.设计步骤
2.设计举例
图1为用翻译法将原有继电器—接触器控制线路改用PLC进行控制的电路图和梯形图

二、功能图法
功能图又称状态流程图，主要是针对顺序控制方式或步进控制方式的程序设计。
1.设计步骤
2.设计举例
三、逻辑设计法
在进行程序设计时以布尔逻辑代数为理论基础，既以逻辑变量“0”或“1”作为研究对象，以“与”、“或”、“非”三种基本逻辑运算为分析依据，对电气控制线路进行逻辑运算，把触点的“通、断”状态用逻辑变量“0”或“1”来表示具有多变量的“与”逻辑关系表达式可以直接转化为触点串连的梯形图。如图2(a)所示。
具有多变量的“或”逻辑关系表达式可以直接转化为触点并联的梯形图。如图2(b)所示。
具有多变量“与或”、“或与”逻辑关系表达式可以直接转化为触点串并联的梯形图。如图2(c)所示。

可编程控制器PLC的应用特点与结构

可编程序逻辑控制器起源于60年代，简称PLC（Programmable  Logic  Controller）。目前，已经广泛应用于冶金、矿业、机械等领域。其特点是：

1、编程方便易学           

2、运行稳定可靠 

3、使用维护方便

4、对环境要求低

用可编程序控制器实施控制，如上图，其实质是按照一定的算法进行输入输出变换，并将这个变换予以物理实现。入出变换、物理实现可以说是PLC实施控制的两个基本点。而人出变换实际上就是信息处理，信息处理当今**常用的是微处理机技术，物理实现则要求PLC的输入应当排除干扰信号适应于工业现场。输出应放大到工业控制的水平，能为实际控制系统方便使用。这就要求I/O电路专门设计。根据PLC实施控制的基本点的分析，PLC采用了典型的计算机结构，主要是由CPU、RAM、ROM和专门设计的输入输出接口电路等组成。

中央处理机是PLC的大脑，如下图它由中央处理器（CPU）和存储器等组成 。

1、中央处理器（CPU）

    中央处理器（CPU）一般由控制电路、运算器和寄存器组成，这些电路一般都集成在一个芯片上。CPU通过地址总线、数据总线和控制总线与存储单元。输入输出（I/O）接口电路相连接。

    它主要完成以下的功能：

（1）将输入信号送入PLC中存储起来。  

（2）按存放的先后顺序取出             

用户指令，进行编译。                  

（3）完成用户指令规定的各种操作。       

（4）将结果送到输出端。

（5）响应各种外围设备（如变程器、打印机等）的请求。

    2、存储器

PLC内部存储器有两类：一类是RAM（即随机存取存储器），可以随时由 CPU对它进行读出、写入；另一类是ROM （即只读存储器），CPU只

从中读取而不能写入。RAM主要用来存放各种暂存的数据、中间结果能及用户正在调试的程序，ROM主要存放监控程序及用户已调试好的程序，这些程序都事先烧在ROM芯片中，开机后便可运行其中程序。

     3、输入、输出接口电路

它起着PLC和外围设备之间传递信息的作用。用户设备需要输入PLC的各种控制信号，如限位开关、操作按钮以及其它一些传感器输出的开关量或模拟量（要通过模数变换进入机内）等，通过输入接口电路将这些信号转换成CPU能接收和处理的信号。输出接口电路将处理器输出的弱电信号转换成现场需要的强电信号以驱动电磁阀、接触器等被控设备的执行元件。常

用接口电路的结构如下图所示。

                 输入输出接口电路

为了保证电路的正常工作，这些接口电路有以下特点；

1）输入采用光电耦合电路，可大大减少电磁干扰

2）输出也采用光电隔离并有三种方式，即继电器、晶体管和晶闸管。这使得  PLC可以适合各种用户的不同要求。如低速、大功率负载一般采用继电器输出；高速大功率则采用晶闸管输出；高速小功率可用晶体管输出。还有功率放大输出电路等，而且有些输出电路做成模块式，可插拔，更换起来十分方便。

西门子S7-200 CPU的类型

从CPU模块的功能来看，SIMATIC S7-200系列小型PLC发展至今，大致经历了两代：

     **代产品，其CPU模块为CPU 21X，主机都可进行扩展，它具有四种不同配置的CPU单元：CPU 212，CPU 214，CPU 215和CPU 216，本书不介绍该产品。

     第二代产品，其CPU模块为CPU 22X，主机都可进行扩展，它具有五种不同配置的CPU单元：CPU 221，CPU 222，CPU 224和CPU 226和CPU226XM，除CPU 221之外，其它都可加扩展模块，是目前小型PLC的主流产品。本书将介绍CPU22X系列产品。

     对于每个型号，西门子厂家都提供有产品货号，根据产品货号可以购买到指定类型的PLC。

CPU 22X主机外形图

(1) S7-200在扫描循环中完成一系列任务。任务循环执行一次称为一个扫描周期。S7-200的工作过程如图4所示。在一个扫描周期中，S7-200主要执行下列五个部分的操作：

（Ⅰ）读输入：S7-200从输入单元读取输入状态，并存入输入映像寄存器中。

（Ⅱ）执行程序：CPU根据这些输入信号控制相应逻辑，当程序执行时刷新相关数据。程序执行后，S7-200将程序逻辑结果写到输出映像寄存器中。

（Ⅲ）处理通讯请求：S7-200执行通讯处理。

（Ⅳ）执行CPU自诊断：S7-200检查固件、程序存储

器和扩展模块是否工作正常

（Ⅴ）写输出：在程序结束时，S7-200将数据从输出映像寄存器中写入把输出锁存器，**后复制到物理输出点，驱动外部负载。

（2）、S7-200 CPU的工作模式

   S7-200有两种操作模式：停止模式和运行模式。CPU面板上的LED状态灯可以显示当前的操作模式。

   在停止模式下，S7--200不执行程序，您可以下载程序和CPU组态。在运行模式下，S7-200将运行程序。

   S7-200提供一个方式开关来改变操作模式。您可以用方式开关（位于S7-200前盖下面）手动选择操作模式：当方式开关拨在停止模式，停止程序执行；当方式开关拨在运行模式，启动程序的执行；也可以将方式开关拨在TERM（终端）（暂态）模式，允许通过编程软件来切换CPU的工作模式，即停止模式或运行模式。

    如果方式开关打在STOP或者TERM模式，且电源状态发生变化，则当电源恢复时，CPU会自动进入STOP模式。如果方式开关打在RUN模式，且电源状态发生变化，则当电源恢复时，CPU会进入RUN模式。

为什么说PLC使用方便

  用PLC实现对系统的控制是非常方便的。这是因为：首先PLC控制逻辑的建立是程序,用程序代替硬件接线。编程序比接线，更改程序比更改接线，当然要方便得多！ 

其次PLC的硬件是高度集成化的，已集成为种种小型化的模块。而且，这些模块是配套的，已实现了系列化与规格化。种种控制系统所需的模块，PLC厂家多有现货供应，市场上即可购得。所以，硬件系统配置与建造也非常方便。 

正因如此，用可编程序控制器才有这个"可"字。对软件讲，它的程序可编，也不难编。对硬件讲，它的配置可变，而且也易于变。 

具体地讲，PLC有五个方面的方便： 

（1）配置方便：可接控制系统的需要确定要使用哪家的PLC，那种类型的，用什么模块，要多少模块，确定后，到市场上定货购买即可。 

（2）安装方便：PLC硬件安装简单，组装容易。外部接线有接线器，接线简单，而且一次接好后，更换模块时，把接线器安装到新模块上即可，都不必再接线。内部什么线都不要接，只要作些必要的DIP开关设定或软件设定，以及编制好用户程序就可工作。 

（3）编程方便：PLC内部虽然没有什么实际的继电器、时间继电器、计数器，但它通过程序（软件）与系统内存，这些器件却实实在在地存在着。其数量之多是继电器控制系统难以想象的。即使是小型的PLC，内部继电器数都可以千计，时间继电器、计数也以百计。而且，这些继电器的接点可无限次地使用。PLC内部逻辑器件之多，用户用起来已不感到有什么限制。**考虑的只是入出点。而这个内部入出点即使用得再多，也无关紧要。大型PLC的控制点数可达万点以上，哪有那么大的现实系统？若实在不够，还可联网进行控制，不受什么限制。PLC的指令系统也非常丰富，可毫不困难地实现种种开关量，以及模拟量的控制。PLC还有存储数据的内存区，可存储控制过程的所有要保存的信息。……总之，由于PLC功能之强，发挥其在控制系统的作用，所受的限制已不是PLC本身，而是人们的想象力，或与其配套的其它硬件设施了。 

PLC的外设很丰富，编程器种类很多，用起来都较方便，还有数据监控器，可监控PLC的工作。使用PLC的软件也很多，不仅可用类似于继电电路设计的梯形图语言，有的还可用BASIC语言、C语言，以至于自然语言。这些也为PLC编程提供了方便。 

PLC的程序也便于存储、移植及再使用。某定型产品用的PLC的程序完善之后，凡这种产品都可使用。生产一台，拷贝一份即可。这比起继电器电路台台设备都要接线、调试，要省事及简单得多。 

（4）维修方便：这是因为： 

①PLC工作可靠，出现故障的情况不多，这大大减轻了维修的工作量。这在讲述PLC的第三个特点时，还将进一步介绍。 

②即使PLC出现故障，维修也很方便。这是因为PLC都设有很多故障提示信号，如PLC支持内存保持数据的电池电压不足，相应的就有电压低信号指示。而且，PLC本身还可作故障情况记录。所以，PLC出了故障，很易诊断。同时，诊断出故障后排故也很简单。可按模块排故，而模块的备件市场可以买到，进行简单的更换就可以。至于软件，调试好后不会出故障，再多只要依据使用经验进行调整，使之完善就是了。 

（5）改用方便：PLC用于某设备，若这个设备不再使用了，其所用的PLC还可给别的设备使用，只要改编一下程序，就可办到。如果原设备与新设备差别较大，它的一些模块还可重用。

西门子PLC程序中常用的几个指令介绍

1、串联电路块的并联连接指令OLD

两个或两个以上的接点串联连接的电路叫串联电路块。串联电路块并联连接时，分支开始用LD、LDN指令，分支结束用OLD指令。OLD指令与后述的ALD指令均为无目标元件指令，而两条无目标元件指令的步长都为一个程序步。OLD有时也简称或块指令。

2、并联电路的串联连接指令ALD

两个或两个以上接点并联电路称为并联电路块，分支电路并联电路块与前面电路串联连接时，使用ALD指令。分支的起点用LD、LDN指令，并联电路结束后，使用ALD指令与前面电路串联。ALD指令也简称与块指令，ALD也是无操作目标元件，是一个程序步指令。

3、输出指令 =

1、= 输出指令是将继电器、定时器、计数器等的线圈与梯形图右边的母线直接连接，线圈的右边不允许有触点，在编程中，触点以重复使用，且类型和数量不受限制。

4、置位与复位指令S、R

S为置位指令，使动作保持；R为复位指令，使操作保持复位。从指定的位置开始的N个点的寄存器都被置位或复位,N=1～255如果被指定复位的是定时器位或计数器位,将清除定时器或计数器的当前值。

5、跳变触点EU,ED

正跳变触点检测到一次正跳变(触点的入信号由0到1)时,或负跳变触点检测到一次负跳变(触点的入信号由1到0)时,触点接通到一个扫描周期.正/负跳变的符号为EU和ED,他们没有操作数,触点符号中间的”P”和”N”分别表示正跳变和负跳变

6、空操作指令NOP

NOP指令是一条无动作、无目标元件的一个序步指令。空操作指令使该步序为空操作。用NOP指令可替代已写入指令，可以改变电路。在程序中加入NOP指令，在改动或追加程序时可以减少步序号的改变。

7、程序结束指令END

END是一条无目标元件的一序步指令。PLC反复进行输入处理、程序运算、输出处理，在程序的**后写入END指令，表示程序结束，直接进行输出处理。在程序调试过程中，可以按段插入END指令，可以按顺序扩大对各程序段动作的检查。采用END指令将程序划分为若干段，在确认处于前面电路块的动作正确无误之后，依次删去END指令。要注意的是在执行END指令时，也刷新监视时钟。

PLC的指令格式中各部分内容分类介绍

指令格式中各部分内容说明如下：

（1）控制条件

控制条件的数量和意义随功能指令的不同而变化。控制条件存入堆栈寄存器中，其顺序是固定不变的。

（2）指令

功能指令的种类见表5-4

指令的三种格式，格式1用于梯形图；格式2用于纸带穿孔和程序显示；格式3是用编程器输入程序时的简化指令。对TMR和DEC指令在编程器上有其专用指令键，其他功能指令则用SUB键和其后的数字键输入。

（3）参数

功能指令不同于基本指令，可以处理各种数据，也就是说数据或存有数据的地址可作为功能指令的参数，参数的数目和含义随指令的不同而不同。

（4）输出

功能指令的执行情况可用一位“1”和“0”表示时，把它输出到Wl继电器，Wl继电器的地址可随意确定。但有些功能指令不用Wl，如MOVE、COM、JMP等。

（5）需要处理的数据

由功能指令管理的数据通常是BCD码或二进制数。如4位数的BCD码数据是按一定顺序放在两个连续地址的存储单元中，分低两位和高两位存放。例如BCD码1234被存放在地址200和201中，则200中存低两位（34），201中存高两位（12）。在功能指令中只用参数指定低字节的200地址。二进制代码数据可以由l字节、2字节、4字节数据组成，同样是低字节存在**小地址,在功能指令中也是用参数指定**小地址。

按钮式人行横道PLC控制系统

为按钮式人行横道控制系统示意图。

图 1 按钮式人行道控制示意图 
图 2 为按钮式人行横道控制系统的状态转移图。 
PLC 在停机转入运行时，初始状态 S0 动作，通常为车道＝绿，人行道＝红（通过 M8002 ）。

若按人行横道按钮 X0 或 X1 ，则状态 S21 为车道＝绿， S30 为人行道＝红， 红绿灯状态不变化。 30秒后车道＝黄，再过 10 秒车道＝绿。 
然后定时器 T2 （ 5 秒）启动， 5 秒后 T2 触点接通人行道＝绿。 
15 秒后人行道绿灯开始闪烁（ S32 ＝灭， S33 ＝亮）。 
闪烁中 S32 、 S33 的动作反复进行，计数器 C0 （设定值为 5 次）触点一接通，状态向 S34 转移，人行道＝红， 5 秒后，返回初始状态。在状态转移过程中，即使按动

人行横道按钮 X0 ， X1 也无效。

  
图1 所示为用机械手移送工件的机械系统。左上为原点，工件按下降→夹紧→ 1 工件移送系统示意图 
上升→右移→下降→松开→上升→左移的次序依次运行。 下降 / 上升，左移 / 右移中使用双线圈的电磁阀。夹紧使用的是单线圈电磁阀。 

该系统的初始化电路状态转移图如图 2 所示 
图3为自动运行的状态转移图，图中 S2 为自动方式的初始状态。

图3 机械手控制系统的程序