PLC梯形图的基本原理

1 PLC梯形图基本原理

前言、PLC的发展背景及其功能概述

PLC，(Programmable Logic Controller)，乃是一种电子装置，早期称为顺序控制器“Sequence Controller”，1978 NEMA(National Electrical Manufacture Association)美国国家电气协会正式命名为Programmable Logic Controller，PLC)，其定义为一种电子装置，主要将外部的输入装置如：按键、感应器、开关及脉冲等的状态读取后，依据这些输入信号的状态或数值并根据内部储存预先编写的程序，以微处理机执行逻辑、顺序、定时、计数及算式运算，产生相对应的输出信号到输出装置如：继电器(Relay)的开关、电磁阀及电机驱动器，控制机械或程序的操作，达到机械控制自动化或加工程序的目的。并藉由其外围的装置(个人计算机/程序书写器)轻易地编辑/修改程序及监控装置状态，进行现场程序的维护及试机调整。而普遍使用于PLC程序设计的语言，即是梯形图(Ladder Diagram)程序语言。

而随着电子科技的发展及产业应用的需要，PLC的功能也日益强大，例如位置控制及网络功能等，输出/入信号也包含了DI (Digital Input)、AI (Analog Input)、PI (Pulse Input)及NI (Numerical Input)，DO (Digital Output)、AO (Analog Output)、PO (Pulse Output)及NO (Numerical Output)，因此PLC在未来的工业控制中，仍将扮演举足轻重的角色。

1.1 梯形图工作原理

梯形图为二次世界大战期间所发展出来的自动控制图形语言，是历史最久、使用最广的自动控制语言，最初只有A（常开）接点、B（常闭）接点、输出线圈、定时器、计数器等基本机构装置（今日仍在使用的配电盘即是），直到可程控器PLC出现后，梯形图之中可表示的装置，除上述外，另增加了诸如微分接点、保持线圈等装置以及传统配电盘无法达成的应用指令，如加、减、乘及除等数值运算功能。

无论传统梯形图或PLC梯形图其工作原理均相同，只是在符号表示上传统梯形图比较接近实体的符号表示，而PLC则采用较简明且易于计算机或报表上表示的符号表示。在梯形图逻辑方面可分为组合逻辑和顺序逻辑两种，分述如下： 1.

组合逻辑：

分别以传统梯形图及PLC梯形图表示组合逻辑的范例。

传统梯形图 X0X1X2X3X4Y0Y1Y2PLC梯形图

X0Y0X1X2X3X4Y1Y2

行1：使用一常开开关X0（NO：Normally Open）亦即一般所谓的〝A〞开关或接点。其特性是在平常（未

按下）时，其接点为开路（Off）状态，故Y0不导通，而在开关动作（按下按钮）时，其接点变为导通（On），故Y0导通。

行2：使用一常闭开关X1（NC：Normally Close）亦即一般所称的〝B〞开关或接点，其特性是在平常

时，其接点为导通，故Y1导通，而在开关动作时，其接点反而变成开路，故Y1不导通。

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行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。 2.

顺序逻辑：

顺序逻辑为具有反馈结构的回路，亦即将回路输出结果送回当输入条件，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。

分别以传统梯形图及PLC梯形图表示顺序逻辑的范例。

传统梯形图

X5Y3X6Y3PLC梯形图

X5Y3X6Y3

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因为自身的接点反馈而仍可继续保持动作（此即为自我保持回路），其动作可以下表表示：

装置状态 动作顺序 1 2 3 4 5 X5开关 不动作 动作 不动作 不动作 不动作 X6开关 不动作 不动作 不动作 动作 不动作 Y3状态 Off On On Off Off 由上表可知在不同顺序下，虽然输入状态完全一致，其输出结果也可能不一样，如表中的动作顺序1和3其X5和X6开关均为不动作，在状态1的条件下Y3为Off，但状态3时Y3却为On，此种Y3输出状态送回当输入（即所谓的反馈）而使回路具有顺序控制效果是梯形图回路的主要特性。在本节范例中仅列举A、B接点和输出线圈作说明，其它装置的用法和此相同，请参考第3章〝基本指令〞。

1.2 传统梯形图及PLC梯形图的差异

虽然传统梯形图和PLC梯形图的工作原理是完全一致的，但实际上PLC仅是利用微电脑（Microcomputer），来仿真传统梯形图的动作，亦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，再将此等状态依梯形图的组态逻辑作演算和传统梯形图一样的输出结果，但因Microcomputer只有一个，只能逐一地查看梯形图程序，并依该程序及输入/出状态演算输出结果，再将结果送到输出接口，然后又重新读取输入状态 ? 演算 ? 输出，如此周而复始地循环执行上述动作，此一完整的循环动作所费的时间称之为扫描周期，其时间会随着程序的增大而加长，此扫描周期将造成PLC从输入检测到输出反应的延迟，延迟时间愈长对控制所造成的误差愈大，甚至造成无法胜任控制要求的情况，此时就必须选用扫描速度更快的PLC，因此PLC的扫描速度是PLC的重要规格，随着微电脑及ASIC（特定用途IC）技术的发展，现今的PLC在扫描速度上均有极大的改善，下图为PLC的梯形图程序扫描的示意图。

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自然外界读取输入点状态程序0开头X0Y0X1Y0依梯形图组态演算出输出结果(尚未送到外界输出点，但内部装置会实时输出)

M100X3X10Y1周而复始的执行

X100M505Y126END将输出结果送到外界输出点 除上述扫描周期差异外，PLC梯形图和传统梯形图尚有如下的〝逆向回流〞的差异，如下图传统梯形图所示图中，若X0，X1，X4，X6为导通，其它为不导通，在传统的梯形图回路上输出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，以梯形图编辑工具(WPLSoft)会检查出梯形图错误。 传统梯形图的逆向回流：

X0X3aX1X4X6X2bX5Y0 PLC梯形图的逆向回流：

X0X3aX1X4X6bX2Y0X5检查出梯形图形第三行错误

1.3 梯形图编辑说明

梯形图为广泛应用在自动控制的一种图形语言，这是沿用电气控制电路的符号所组合而成的一种图形，透过梯形图编辑器画好梯形图形后，PLC的程序设计也就完成，以图形表示控制的流程较为直观，易为熟悉电气控制电路的技术人员所接受。在梯形图形很多基本符号及动作都是根据在传统自动控制配电盘中常见的机电装置如按钮、开关、继电器（Relay）、定时器（Timer）及计数器（Counter）等等。

PLC的内部装置：PLC内部装置的种类及数量随各厂牌产品而不同。内部装置虽然沿用了传统电气控制电路中的继电器、线圈及接点等名称，但PLC内部并不存在这些实际物理装置，它对应的只是PLC内部存储器的一个基本单元（一个位，bit），若该位为1表示该线圈得电，该位为0表示线圈不得电，使用常开接点（Normal Open, NO或A接点）即直接读取该对应位的值，若使用常闭接点（Normal Close, NC或B

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接点）则取该对应位值的反相。多个继电器将占有多个位（bit），8个位，组成一个字节（或称为一个字节，byte），二个字节，称为一个字（word），两个字，组合成双字（double word）。当多个继电器一并处理时（如加/减法、移位等）则可使用字节、字或双字，且PLC内部的另两种装置：定时器及计数器，不仅有线圈，而且还有计时值及计数值，因此还要进行一些数值的处理，这些数值多属于字节、字或双字的形式。

由以上所述，各种内部装置，在PLC内部的数值储存区，各自占有一定数量的储存单元，当使用这些装置，实际上就是对相应的储存内容以位或字节或字的形式进行读取。 PLC的基本内部装置介绍：(详细说明请参考第2章DVP- PLC各种装置功能)

装置种类 输入继电器 （Input Relay） 功 能 说 明 输入继电器是PLC与外部输入点（用来与外部输入开关连接并接受外部输入信号的端子）对应的内部存储器储存基本单元。它由外部送来的输入信号驱动，使它为0或1。用程序设计的方法不能改变输入继电器的状态，即不能对输入继电器对应的基本单元改写，亦无法由HPP/WPLSoft作强行On / Off动作 (SA/SX/SC/EH/EH2/SV系列主机可仿真输入继电器X作强行On/Off的动作，但此时外部输入点状态更新动作关闭，亦即外部输入信号的状态不会被读入至PLC内部相对的装置内存，只限主机的输入点，扩展的输入点仍依正常模式动作)。它的接点（A、B接点）可无限制地多次使用。无输入信号对应的输入继电器只能空着，不能移作它用。 ? 装置表示：X0, X1,…X7, X10, X11,…，装置符号以X表示，顺序以8进制编号。在主机及扩展上均有输入点编号的标示。 输出继电器 （Output Relay） 输出继电器是PLC与外部输出点（用来与外部负载作连接）对应的内部存储器储存基本单元。它可以由输入继电器接点、内部其它装置的接点以及它自身的接点驱动。它使用一个常开接点接通外部负载，其接点也像输入接点一样可无限制地多次使用。无输出对应的输出继电器，它是空着的，如果需要，它可以当作内部继电器使用。 ? 装置表示：Y0, Y1,…Y7, Y10, Y11,…，装置符号以Y表示，顺序以8进制编号。在主机及扩展上均有输出点编号的标示。 内部辅助继电器 （Internal Relay） 内部辅助继电器与外部没有直接联系，它是PLC内部的一种辅助继电器, 其功能与电气控制电路中的辅助（中间）继电器一样, 每个辅助继电器也对应着内存的一基本单元，它可由输入继电器接点、输出继电器接点以及其它内部装置的接点驱动，它自己的接点也可以无限制地多次使用。内部辅助继电器无对外输出，要输出时请通过输出点。 ? 装置表示：M0, M1,…,M4095，装置符号以M表示，顺序以10进制编号。 步进点 （Step） DVP PLC 提供一种属于步进动作的控制程序输入方式，利用指令 STL控制步进点 S的转移，便可很容易写出控制程序。如果程序中完全没有使用到步进程序时，步进点S亦可被当成内部辅助继电器M来使用，也可当成警报点使用。 ? 装置表示：S0, S1,…S1023，装置符号以S表示，顺序以10进制编号。 1-4

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