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梯形圖是PLC使用得最多的圖形編程語言,被稱為PLC的第一編程語言。根據梯形圖中各觸點的狀態和邏輯關係,求出與圖中各線圈對應的編程元件的狀態,稱為梯形圖的邏輯解算。

1 梯形圖 -簡介

梯形圖梯形圖

PLC是專為工業控制而開發的裝置,其主要使用者是工廠廣大電氣技術人員,為了適應他們的傳統習慣和掌握能力,通常PLC不採用微機的編程語言,而常常採用面向控制過程、面向問題的「自然語言」編程。國際電工委員會(IEC)1994年5月公布的IEC1131-3(可編程式控制制器語言標準)詳細地說明了句法、語義和下述5種編程語言:功能表圖(sequential   function chart)、梯形圖(Ladder diagram)、功能塊圖(Function black diagram)、指令表(Instruction list)、結構文本(structured text)。梯形圖和功能塊圖為圖形語言,指令表和結構文本為文字語言,功能表圖是一種結構塊控制流程圖。  

2 梯形圖 -基本概念

1.軟繼電器
PLC梯形圖中的某些編程元件沿用了繼電器這一名稱,如輸入繼電器、輸出繼電器、內部輔助繼電器等,但是它們不是真實的物理繼電器,而是一些存儲單元(軟繼電器),每一軟繼電器與PLC存儲器中映像寄存器的一個存儲單元相對應。該存儲單元如果為 「1」狀態,則表示梯形圖中對應軟繼電器的線圈「通電」,其常開觸點接通,常閉觸點斷開,稱這種狀態是該軟繼電器的「1」或「ON」狀態。如果該存儲單元為「0」狀態,對應軟繼電器的線圈和觸點的狀態與上述的相反,稱該軟繼電器為「0」或「OFF」狀態。使用中也常將這些「軟繼電器」稱為編程元件。

2.能流

梯形圖圖1

如圖1所示觸點1、2接通時,有一個假想的「概念電流」或「能流」(PowerFlow)從左向右流動,這一方向與執行用戶程序時的邏輯運算的順序是一致的。能流只能從左向右流動。利用能流這一概念,可以幫助我們更好地理解和分析梯形圖。圖1中存在的能流有(1,2)、(1,5,4)、(3,4)和(3,5,2),為此可以將圖1轉化為圖2。

3.母線

梯形圖圖2

梯形圖兩側的垂直公共線稱為母線(Bus bar)。在分析梯形圖的邏輯關係時,為了借用繼電器電路圖的分析方法,可以想象左右兩側母線(左母線和右母線)之間有一個左正右負的直流電源電壓,母線之間有「能流」從左向右流動。右母線可以不畫出。

4.梯形圖的邏輯解算
根據梯形圖中各觸點的狀態和邏輯關係,求出與圖中各線圈對應的編程元件的狀態,稱為梯形圖的邏輯解算。梯形圖中邏輯解算是按從左至右、從上到下的順序進行的。解算的結果,馬上可以被後面的邏輯解算所利用。邏輯解算是根據輸入映像寄存器中的值,而不是根據解算瞬時外部輸入觸點的狀態來進行的。

3 梯形圖 -識讀梯形圖

識讀PLC梯形圖和語句表的過程同PLC掃描用戶過程一樣,從左到右、自上而下,按程序段的順序逐段識圖。

值得指出的是:在程序的執行過程中,在同一周期內,前面的邏輯運算結果影響後面的觸點,即執行的程序用到前面的最新中間運算結果。但在同一周其內,後面的邏輯運算結果不影響前面的邏輯關係。該掃描周期內除輸入繼電器以外的所有內部繼電器的最終狀態(線圈導通與否、觸點通斷與否)將影響下一個掃描周期各觸點的通與斷。

由於許多讀者對繼電器接觸器控制電路比較熟悉,因此建議沿用識讀繼電器接觸器控制電路查線讀圖法,按下列步驟來看梯形圖:

1) 根據I/O設備及PLC的I/O分配表和梯形圖,找出輸入、輸出繼電器,並給出與繼電器接觸器控制電路相對應的文字代號。

2) 將相應輸入設備、輸出設備的文字代號標註在梯形圖編程元件線圈及其觸點旁。

3) 將梯形圖分解成若干基本單元,每一個基本單元可以是梯形圖的一個程序段(包含一個輸出元件)或幾個程序段(包含幾個輸出元件),而每個基本單元相當於繼電器接觸器控制 電路的一個分支電路。

4) 可對每一梯級畫出其對應的繼電器接觸器控制電路。

5) 某編程元件得電,其所有動合觸點均閉合、動斷觸點均斷開。某編程元件失電,其所有已閉合的動合觸點均斷開(複位),所有已斷開的動斷觸點均閉合(複位)。因此編程元件得電、失電后,要找出其所有的動合觸點、動斷觸點,分析其對相應編程元件的影響。

6) 一般來說,可從第一個程序段的第一自然行開始識讀梯形圖。第一自然行為程序啟動行。按啟動按鈕,接通某輸入繼電器,該輸入繼電器的所有動合觸點均閉合,動斷觸點均斷開。 再找出受該輸入繼電器動合觸點閉合、動斷觸點斷開影響的編程元件,並分析使這些編程元件產生什麼動作,進而確定這些編程元件的功能。值得注意的是:這些編程元件有的可能立即得電動作,有的並不立即動作而只是為其得電動作做準備。

由PLC的工作原理可知,當輸入端接動合觸點,在PLC工作時,若輸入端的動合觸點閉合,則對應於該輸入端子的輸入繼電器線圈得電,它的動合觸點閉合、動斷觸點斷開;當輸入端接動斷觸點且在PLC工作時,若輸入端的動斷觸點未動作,則對應於該輸入端的輸入繼電器線圈得電,它的動合觸點閉合、動斷觸點斷開。如果該動斷觸點與輸出繼電器線圈串聯,則輸出繼電器線圈不能得電。因而,用PLC控制電動機的啟停,如果停止按鈕用動斷觸點,則與控制電動機的接觸器相接的PLC輸出繼電器線圈應與停止按鈕相接的輸入端子相對應的動合觸點串聯。在繼電接觸控制中,停止按鈕和熱繼電器均用動斷觸點,為了與繼電接觸控制的控制電路相一致,在PLC梯形圖中,同樣也用動斷觸點,這樣一來,與輸入端相接的停止按鈕和熱繼電器觸點就必須用動合觸點。在識讀程序時必須注意這一點。

4 梯形圖 -plc梯形圖的識別方法與步驟

一、 總體分析

  1 系統分析
  依據控制系統所需完成的控制任務,對被控對象的工藝過程、工作特點以及控制系統的控制過程、控制規律、功能和特徵進行詳細分析,明確輸入、輸出物理量是開關量還是模擬量,明確劃分控制的各個階段及其特點,階段之間的轉換條件,畫出完整的工作流程圖和各執行元件的動作節拍表。

梯形圖梯形圖


  2 看主電路
進一步了解工藝流程及其對應的執行裝置和元器件。
  3 看PLC控制系統的I/O配置和PLC的I/O接線
  了解輸入信號和對應輸入繼電器的配置、輸出繼電器的配置及其所接的對應負載。
  在沒有給出輸入/輸出設備定義和PLC的I/O配置的情況下,應根據PLC的I/O接線圖或梯形圖和指令語句表,做出輸入/輸出設備定義和PLC的I/O配置。
   4 通過PLC的I/O接線圖了解梯形圖
PLC的I/O接線是連接主電路和PLC梯形圖的紐帶。
  1) 根據用電器(如電動機、電磁閥、電加熱器等)主電路控制電器(接觸器、繼電器)主觸點的文字元號,在PLC的I/O接線圖中找出相應編程元件的線圈,便可得知控制該控制電器的輸出繼電器,再在梯形圖或語句表中找到該輸出繼電器的程序段,並做出標記和說明。〖JP〗
  2) 根據PLC的 I/O接線圖的輸入設備及其相應的輸入繼電器,在梯形圖(或語句表)中找出輸入繼電器的動合觸點、動斷觸點,並做出相應標記和說明。

二、 梯形圖的結構分析

 
  1 PLC控制系統梯形圖的特點
  (1) PLC控制系統的輸入信號和輸出負載
  繼電器電路圖中的交流接觸器和電磁閥等執行機構用PLC的輸出繼電器來控制,它們的線圈接在PLC的輸出端。按鈕、控制開關、限位開關、接近開關等用來給PLC提供控制命令和反饋信號,它們的觸點接在PLC的輸入端。
   (2) 繼電器電路圖中的中間繼電器和時間繼電器的處理
  繼電器電路圖中的中間繼電器和時間繼電器的功能用PLC內部的輔助繼電器和定時器來完成,它們與PLC的輸入繼電器和輸出繼電器無關。
  (3) 設置中間單元
  在梯形圖中,若多個線圈都受某一觸點串/並聯電路的控制,為了簡化電路,在梯形圖中可設置用該電路控制的輔助繼電器,輔助繼電器類似於繼電器電路中的中間繼電器。
  (4) 時間繼電器瞬動觸點的處理
  時間繼電器除了延時動作的觸點外,還有在線圈得電或失電時立即動作的瞬動觸點。對於有瞬動觸點的時間繼電器,可以在梯形圖中對應的定時器的線圈兩端並聯輔助繼電器,後者的觸點相當於時間繼電器的瞬動觸點。
  (5) 外部聯鎖電路的設立
  為了防止控制正/反轉的兩個接觸器同時動作,造成三相電源短路,除了在梯形圖中設置與它們對應的輸出繼電器的線圈串聯的動斷觸點組成的軟互鎖電路外,還應在PLC外部設置硬互鎖電路。
 2 梯形圖的結構分析
  採用一般編程方法還是採用順序功能圖編程方法;採用順序功能圖的單序列結構還是選擇序列結構、并行序列結構,使用啟/保/停電路、步進順控指令進行編程還是用置位/複位指令進行編程。這部分內容見第四章和第五章。
  梯形圖的分解由操作主令電路(如按鈕)開始,查線追蹤到主電路控制電器(如接觸器)動作,中間要經過許多編程元件及電路,查找起來比較困難。
  無論多麼複雜的梯形圖,都是由一些基本單元構成的。按主電路的構成情況,利用逆讀溯源法,把梯形圖和指令語句表分解成與主電路的用電器(如電動機)相對應的幾個基本單元,然後一個環節、一個環節地分析,最後再利用順讀跟蹤法把各環節串起來。
  (1) 按鈕、行程開關、轉換開關的配置情況及作用
  在PLC的I/O接線圖中有許多行程開關和轉換開關,以及壓力繼電器、溫度繼電器等,這些電器元件沒有吸引線圈,它們的觸點的動作是依靠外力或其他因素實現的,因此必須先把引起這些觸點動作的外力或因素找到。其中行程開關由機械聯動機構來觸壓或鬆開,而轉換開關一般由手工操作,從而使這些行程開關、轉換開關的觸點在設備運行過程中便處於不同的工作狀態,即觸點的閉合、斷開情況不同,以滿足不同的控制要求,這是看圖過程中的一個關鍵。
  這些行程開關、轉換開關的觸點的不同工作狀態單憑看電路圖難以搞清楚,必須結合設備說明書、電器元件明細表,明確該行程開關、轉換開關的用途,操縱行程開關的機械聯動機構,觸點在不同的閉合或斷開狀態下電路的工作狀態等。
  (2) 採用逆讀溯源法將多負載(如多電動機電路)分解為單負載(如單電動機)電路
  根據主電路中控制負載的控制電器的主觸點文字元號,在PLC的I/O接線圖中找出控制該負載的接觸器線圈的輸出繼電器,再在梯形圖和指令語句表中找出控制該輸出繼電器的線圈及其相關電路,這就是控制該負載的局部電路。
  在梯形圖和指令語句表中,很容易找到該輸出繼電器的線圈電路及其得電、失電條件,但引起該線圈的得電、失電及其相關電路就不容易找到,可採用逆讀溯源法去尋找:
  1) 在輸出繼電器線圈電路中串、並聯的其他編程元件觸點的閉合、斷開就是該輸出繼電器得電、失電的條件。
  2) 由這些觸點再找出它們的線圈電路及其相關電路,在這些線圈電路中還會有其他接觸器、繼電器的觸點……
  3) 如此找下去,直到找到輸入繼電器(主令電器)為止。
  值得注意的是:當某編程元件得電吸合或失電釋放后,應該把該編程元件的所有觸點所帶動的前、后級編程元件的作用狀態全部找出,不得遺漏。
  找出某編程元件在其他電路中的動合觸點、動斷觸點,這些觸點為其他編程元件的得電、失電提供條件或者為互鎖、聯鎖提供條件,引起其他電器元件動作,驅動執行電器。
  (3) 將單負載電路進一步分解
  控制單負載的局部電路可能仍然很複雜,還需要進一步分解,直至分解為基本單元電路。
  (4) 分解電路的注意事項
  1) 若電動機主軸接有速度繼電器,則該電動機按速度控制原則組成停車制動電路。
  2) 若電動機主電路中接有整流器,表明該電動機採用能耗制動停車電路。
  (5) 集零為整,綜合分析
  把基本單元電路串起來,採用順讀跟蹤法分析整個電路。

三、 識讀梯形圖的具體方法

  識讀PLC梯形圖和語句表的過程同PLC掃描用戶過程一樣,從左到右、自上而下,按程序段的順序逐段識圖。
  值得指出的是:在程序的執行過程中,在同一周期內,前面的邏輯運算結果影響後面的觸點,即執行的程序用到前面的最新中間運算結果。但在同一周其內,後面的邏輯運算結果不影響前面的邏輯關係。該掃描周期內除輸入繼電器以外的所有內部繼電器的最終狀態(線圈導通與否、觸點通斷與否)將影響下一個掃描周期各觸點的通與斷。
  由於許多讀者對繼電器接觸器控制電路比較熟悉,因此建議沿用識讀繼電器接觸器控制電路查線讀圖法,按下列步驟來看梯形圖:
  1) 根據I/O設備及PLC的I/O分配表和梯形圖,找出輸入、輸出繼電器,並給出與繼電器接觸器控制電路相對應的文字代號。
  2) 將相應輸入設備、輸出設備的文字代號標註在梯形圖編程元件線圈及其觸點旁。
  3) 將梯形圖分解成若干基本單元,每一個基本單元可以是梯形圖的一個程序段(包含一個輸出元件)或幾個程序段(包含幾個輸出元件),而每個基本單元相當於繼電器接觸器控制
電路的一個分支電路。
  4) 可對每一梯級畫出其對應的繼電器接觸器控制電路。
  5) 某編程元件得電,其所有動合觸點均閉合、動斷觸點均斷開。某編程元件失電,其所有已閉合的動合觸點均斷開(複位),所有已斷開的動斷觸點均閉合(複位)。因此編程元件得電、失電后,要找出其所有的動合觸點、動斷觸點,分析其對相應編程元件的影響。
  6) 一般來說,可從第一個程序段的第一自然行開始識讀梯形圖。第一自然行為程序啟動行。按啟動按鈕,接通某輸入繼電器,該輸入繼電器的所有動合觸點均閉合,動斷觸點均斷開。
  再找出受該輸入繼電器動合觸點閉合、動斷觸點斷開影響的編程元件,並分析使這些編程元件產生什麼動作,進而確定這些編程元件的功能。值得注意的是:這些編程元件有的可能立即得電動作,有的並不立即動作而只是為其得電動作做準備。
  由PLC的工作原理可知,當輸入端接動合觸點,在PLC工作時,若輸入端的動合觸點閉合,則對應於該輸入端子的輸入繼電器線圈得電,它的動合觸點閉合、動斷觸點斷開;當輸入端接動斷觸點且在PLC工作時,若輸入端的動斷觸點未動作,則對應於該輸入端的輸入繼電器線圈得電,它的動合觸點閉合、動斷觸點斷開。如果該動斷觸點與輸出繼電器線圈串聯,則輸出繼電器線圈不能得電。因而,用PLC控制電動機的啟停,如果停止按鈕用動斷觸點,則與控制電動機的接觸器相接的PLC輸出繼電器線圈應與停止按鈕相接的輸入端子相對應的動合觸點串聯。在繼電接觸控制中,停止按鈕和熱繼電器均用動斷觸點,為了與繼電接觸控制的控制電路相一致,在PLC梯形圖中,同樣也用動斷觸點,這樣一來,與輸入端相接的停止按鈕和熱繼電器觸點就必須用動合觸點。在識讀程序時必須注意這一點。

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