可编程控制器应用技术 Application Technology of Programmable Logic Controller张希川 高级工程师 沈阳工业大学 材料科学与工程学院第5章 梯形图语言的编程原理 梯形图语言是二次世界大战期间出现的自动控制 图形语言，是历史最久、使用最广之自动控制 语言。梯形图语言最初只有常开触点、常闭触 点、输出线圈、定时器、计数器等基本机构装 置，直到PLC出现后，梯形图中的装置，除上述 外，还增加了诸如上下沿微分触点、保持线圈 等装置以及加、减、乘、除等数值运算功能。无论传统梯形图或PLC梯形图其工作原理基本相 同，只是在符号表示上传统梯形图以较接近实 体符号，而PLC则采用较简明且易于计算机上表 示的符号。 第5章 梯形图语言的编程原理 5.1 梯形图语言基础 5.2 PLC的梯形图原理 5.3 PLC梯形图的基本结构 5.4 PLC梯形图的编辑要点 5.5 PLC梯形图常见的错误图形 5.6 PLC梯形图的化简及修正 5.7 常用基本程序设计范例 第5章 梯形图语言的编程原理5.1 梯形图语言基础 5.1.1 梯形图的组成元素 梯形图来源于电气系统的逻辑控制图，其中采用继电器、触点、线圈和逻辑关系图等 表示它们的逻辑关系。IEC61131-3标准规定梯形图可采用的图形元素有电源轨线、连接元 素、触点、线圈、功能和功能块等。 1 电源轨线(母线) 电源轨线(Power Rail)是梯形图左侧和右侧的2条垂直线，又称为母线。如图5.1所示 ，位于梯形图左侧的垂直线称为左电源轨线，或左母线，在梯形图中必须绘制左母线；位 于右侧的垂直线称为右电源 轨线，或右母线，有时可省略。 图5.1中虚线矩型是泛指图形 元素。在梯形图中，电流从左母 线向右流动， 经连接元素和其他 连接在该梯级的图形元素到达右 母线。为了说明流动状态，采用 图形元素的状态表示。 第5章 梯形图语言的编程原理5.1 梯形图语言基础 5.1.1 梯形图的组成元素 2 连接元素 梯形图中，连接元素(Link Element)包括水平连接线和垂直连接线，见图5.1(b)。连接元素的状态只有0和1两种，0表示断开，1 表示接通。连接元素是将最靠近该元素左侧图形符号的状态传递到 该元素的右侧图形元素。连接元素的状态从左向右传递，实现能流的流动，状态的传递遵守下列规则。(1) 水平连接线从紧靠其左侧的图形元素开始将该图形元素的状态传递到紧靠它右侧 的图形元素。(2) 垂直连接线总是与一个或多个水平连接线连接，即由一个或多个水平连接元素在 每一侧与垂直线相交组成。垂直连接元线的状态根据与其连接的各左侧水平连接元素状态 的或运算表示。因此，垂直连接线的状态根据下列规则确定。 如果左侧所有水平连接元线的状态为0，则该垂直连接元素的状态为0。 如果左侧的一个或多个水平连接线的状态为1，则该垂直连接线的状态为1。 垂直连接线的状态被传递到与其右侧连接的所有水平连接线，但不能传递到与其 左侧连接的所有水平连接线。(3) 连接线的输入输出数据类型必须相同。 第5章 梯形图语言的编程原理5.1 梯形图语言基础 5.1.1 梯形图的组成元素 2 连接元素 连接线及状态分析范例：分析图5.2中的连接线的状态。1、2、3、4和5水平连接线分别为，6为垂直连接线，A 、B、C和D为图形元素。图中，1、4线与左母线相连，状态始终为1；当元素A和D 都断开时，2、5、6线状态为0；A和D只要其中之一接通时，2、5、6线状态变为1 ；当元素A和D都断开，元素B无论通断，3线状态都为0；当元素A和D其中之一接通 时，若元素B接通，3线状态为1；此时，若元素B断开，3线状态为0。 图5.2中，当连接线3状态为1时，表示电回路接通，电流会由左母线流向右母线。此 时回路中必须有负载性元件，来消耗电能，否则就是短路。 第5章 梯形图语言的编程原理5.1 梯形图语言基础 5.1.1 梯形图的组成元素 3 触点 触点(Contact)属于梯形图中的图形元素，沿用电气逻辑图的触点术语，类似于实际 中的开关、按钮等。触点要将自身状态及左侧水平连接线状态向右侧水平连接线 传递。按静态特性分类，触点分为常开触点(Normally Open Contact)和常闭触点(Normally Close Contact)。常开触点指在正常工况下，触点断开，其状态为0，常闭触点指 在正常工况下，触点闭合，其状态为1。按动态特性分类，触点分为上升沿 触发触点，或正跳变触发触点 (Positive Transition Contact)和下降 沿触发触点，或负跳变触发触点 (Negative Transition Contact)。 表5.1为触点的图形符号。第5章 梯形图语言的编程原理5.1 梯形图语言基础 5.1.1 梯形图的组成元素 3 触点 根据触点及其的左侧水平连接线的状态，按以下规则确定其右水平连接线的状态。 (1) 单一静态触点，当其左侧水平连接线的状态为0时，无论触点状态为0或1，其右侧水 平连接线的状态始终为0。 (2) 单一静态触点，当其左侧水平连接线的状态为1时，状态传递原则如下： 如果触点状态为1，则该触点右侧水平连接线的状态为1。 如果触点状态为0，则该触点右侧水平连接线的状态为0。 (3) 单一动态触点，当其左侧水平连接线的状态为0时，无论触点状态由0变为1，还是由1 变为0，其右侧水平连接线的状态始终为0。 (4) 单一正跳变触发触点，当其左侧水平连接线的状态为1时，触点状态由0变为1时，其 右侧水平连接线的状态为1，且只保持1个运算周期，而后自动回0。 (5) 单一负跳变触发触点，当其左侧水平连接线的状态为1时，触点状态由1变为0，其右 侧水平连接线的状态始终为1，且只保持1个运算周期，而后自动回0。 第5章 梯形图语言的编程原理5.1 梯形图语言基础 5.1.1 梯形图的组成元素 4 线圈梯形图中的线圈(Coil)沿用电气逻辑图的线圈术语，会将其左侧水平连接线状态毫无改变地传递到其右侧水平连接线。在梯形图中，一般情况下，线圈总是在右侧与 右母线相连，这也是右母线可以省略的原因。在PLC程序梯形图中，线圈可以用“( )”、“ ”、“”及“”表示；台达PLC 程序梯形图中，用椭圆表示。 第5章 梯形图语言的编程原理5.1 梯形图语言基础 5.1.1 梯形图的组成元素 5 功能模块梯形图编程语言支持功能模块的调用。在功能模块调用时应注意以下事项。(1) 功能模块的输入和输出参数，都可以是1个或多个和多个。多数情况下，功能模块用矩形表示。(2) 为了保证程序正常运行，每个被调用功能模块必须有相应的输入和输出参数。第5章 梯形图语言的编程原理5.1 梯形图语言基础 5.1.2 梯形图的执行通常，输入指令与左母线连接，输出指令与右母线连接。梯形图执行时，会从最上层梯级开始，从左到右确定各图形元素的状态，并确定其右侧连接线的状态，逐个向右执行，结果由执行控制元素输出，直到右母线。然后，进行下一个梯级的执行过程。图5.3给出了梯形图的执行过程示意图。 当梯级中有分支出现时，仍然以从上到下、从左到右的顺序分析各图形元素的状态。对于垂直连接线，则根据上述有关规则确定其右侧连接线的状态，从而逐个从左向右、从上向下执行操作过程。 第5章 梯形图语言的编程原理5.1 梯形图语言基础 5.1.2 梯形图的执行梯形图是以从上到下，从左到右的顺序执行的。梯形图均采用网络结构，以左母线和右母线为界。梯级是梯形图网络结构的最小单位。一个梯级包含输入指令和输出指令。输入指令在梯级中执行比较、测试的操作，并根据结果设置梯级的状态。例如：当梯级内连接的图形元素状态的测试结果为1时，输入状态就被设置为1。输入指令通常执行一些逻辑运算、数据比较等操作。输出指令检测输入指令结果，并执行有关操作和功能。如使线圈激励等。 第5章 梯形图语言的编程原理5.1 梯形图语言基础 5.1.3 梯形图的执行控制 对梯形图执行的控制是采用跳转、返回及中断等图形元 素使梯形图按非常规顺序执行。 1 跳转和返回在梯形图网络结构中，用跳转和返回等图形元素表示跳 转的目标、跳转的返回及跳转的条件等。当跳转条件满 足时，程序跳转到目标区并执行该区程序时，目标区程 序执行完毕后，程序返回到原断点后的一个梯级开始执 行。 2 中断中断是指当程序接到外界硬件(如I/O设备)发来的信号时 ，马上停止原来的工作，转去处理这一事件，在处理完 了以后，主机又回到原来的工作继续工作。 第5章 梯形图语言的编程原理5.2 PLC梯形图与传统梯形图的区别5.2.1 梯形图的组成元素 1 执行方式PLC梯形图和传统梯形图在工作原理上是完全一致的，而实际上 PLC仅是利用微计算机，来仿真传统梯形图的动作，即利用扫描的方 式逐一地查看所有输入装置及输出线圈的状态，再将这些状态根据梯 形图的逻辑作演算，得到传统梯形图一样的输出结果。但因为微计算 机只有一个，故PLC只能逐一地查看梯形图程序，并依该程序及输入 输出状态演算输出结果，再将结果送到输出介面，然后又重新读取输 入状态 演算 输出，如此周而复始地循环运行上述动作。PLC 完成一次循环动作所用的时间称为扫描时间，其时间会随着程序的增 大而加长，此扫描时间将造成PLC从输入检知到输出反应得延迟，延 迟时间愈长对控制所造成的误差愈大，甚至无法满足控制要求，此时 就必须选用扫描速度更快的PLC。因此扫描速度是PLC的重要规格，随 着微计算机及ASIC（特定用途IC）技术的快速发展，现今PLC的扫描 速度有了极大提高。图5.4为PLC梯形图程序扫描示意图。 第5章 梯形图语言的编程原理5.2 PLC梯形图与传统梯形图的区别5.2.1 梯形图的组成元素 2 逆向回流除扫描时间的差异外，PLC梯形图和传统梯形图还有如下“逆向回流”的差异。如图5.5所示，若X0，X1，X4，X6为导通，其他为不导通，在传统梯形图的回路上输出Y0会如 虚线所示形成回路而为On，但在PLC梯形图中，因演算梯形图程序系由上而下，由左而右 地扫描。在同样输入条件下，梯形图编辑软件(WPLSoft)会检测出梯形图错误。 第5章 梯形图语言的编程原理5.2 PLC梯形图与传统梯形图的区别5.2.1 梯形图的组成元素 3 结束符号 由前述，PLC梯形图程序循环扫描的方式执行，微计算机必须知道程序的开头和结尾 。程序的开头都是梯形图的第一行，而结尾必须用“结束符号(END)”明确表示，如图5.6所示，否则梯形图编辑软件(WPLSoft)也会检测出梯形图错误。 第5章 梯形图语言的编程原理5.2 PLC梯形图与传统梯形图的区别5.2.2 梯形图的分类1 组合逻辑 图5.7 为PLC梯形图中的组合逻辑示意图。梯级1：使用常开触点X0，具体元器件可以 是开关或按钮，其特性是在平常(未按下)时，为开路(Off)状态，故Y0不导通，而在动作( 按下)时，其状态变为导通(On)，故Y0导通。梯级2：使用常闭触点X1，具体元器件也可以是开关或按钮，其特性是在平常时， 为导通，故Y1导通，而在开关动作时，其触点反而变成开路，故Y1不导通。梯级3：为一个以上输入装置的组合逻辑输出的应用，其输出Y2只有在X2不动作或 X3动作且X4为动作时才会导通。 第5章 梯形图语言的编程原理5.2 PLC梯形图与传统梯形图的区别5.2.2 梯形图的分类2 顺序逻辑 顺序逻辑为具有回授结构的回路，也就是将回路的输出结果拉回当输入条件，如此在 相同输入条件下，会因前次状态或动作顺序的不同，而得到不同的输出结果。图5.8为 PLC梯形图中的顺序逻辑示意图。在此回路刚接上电源时，虽X6开关为On，但X5开关 为Off，故Y3不动作。在启动开关X5按下后，Y3动作，一旦Y3动作后，即使放开启动 开关(X5变成Off)，Y3因为自身的触点回授而仍可继续保持动作(此为自