西门子中国代理商变频器

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西门子PLC工程师基础用户程序设计

 1.程序设计前期准备工作

  在正式进行用户程序设计前，要做一些前期准备工作，包括绘制IO地址分配表，绘出PLC配线图，画出全部控制系统的电气原理图。

  PLC用户程序的设计方法很多，除了上面所介绍的转换技术法外，比较通用的是程序流程图设计法，其他还有组合逻辑控制设计法，步进顺控设计法和经验设计法等。但这些方法都具有一定的局限性，程序设计因人而异，即使采用同一种编程方法，所设计的用户程序也会相差很大。因此，初学者追求的是有自己的思路，根据自己的思路所设计的程序完满足控制要求，不要去追求什么程序设计技巧、优程序，等等。

  2.程序设计的算法和程序流程图设计法

  什么是算法，算法就是解决问题的思路。不管是工程控制还是数据处理，在设计程序前，总是要对问题进行分析，并找出解决问题的方法步骤，这个方法步骤就是算法。例如，黑板上有十个数，要找出大值，有人说我一眼就看出某数是大的数，这个“一眼看出”不是算法。有人说我是一个数一个数进行比较，比较时总是保留大的数，舍去小的数，后那个数就是大的数，这种一一比较的方法就是算法。因此，在PLC 程序设计中(其他程序设计也一样)，算法不但是一种思路，还应该是解决问题的具体步骤，而PLC程序则是应用指令完成算法的具体体现和成果。所以，一般来说，设计程序前先要思考算法，正如写文章前先要构想文章的大纲一样。

  算法是解决问题的思路，不同的人可能思路会不完全相同。也就说，一个问题的思路可能有多种，形成的算法也会有多种。同一个问题有多种算法，有多种程序设计都是正常的，不要轻易说别人设计的程序不对。

  一个问题可以有多种算法，但这多种算法还是可以比较的，比较的标准涉及对算法进行评价和优化的问题。具体来说，一个算法如果使用较少的硬件资源，执行时间较短，这种算法就较好。

  PLC 是解决实际控制任务的，而针对控制任务的算法是解决问题的前提，可以说，对PLC的硬件知识，编程知识的学习都是有限的，而对算法的学习则是无形的、无限的。算法不但涉及PLC知识，还涉及控制任务的相关工艺工程知识、大量的数学、物理等基础知识，试想一个连方程是什么都不知道的人，能有解一次方程的算法吗?

  有了算法，还用PLC指令编写成PLC程序。在编写程序前，要把算法表示出来。

  算法的表示方法很多，重要的是表达方式能表示算法的步骤，以便程序设计时，能很快地根据算法的步骤编写出程序。这里介绍一种常用的算法表示方法——程序流程图。在语言里，程序流程图又叫程序框图，用框图来表示执行的内容和程序的流转，用带箭头的连线表示程序执行的步骤和流程。图5.5-1 表示了程序流程图中的两种组成图框——运算框和转移框。

  图5.5-1 程序流程框图

  运算框表示算法在该步骤要执行的内容，转移框则表示程序到这一步要根据框中所表示的运算结果进行程序转移。如图中若A>B则转向Y，A≤B则转向N。连线箭头表示算法的步骤流程，每一个算法都可以先画出由运算框和转移框所组成的程序框图，然后，根据程序框图选用适当的指令编制出梯形图程序。

  3.组合逻辑控制设计法

  逻辑设计法是将数字电子技术中的数字电路逻辑设计方法移植到PLC梯形图程序设计中。梯形图和继电控制线路一样，其输出线圈和输入触点均是只有两种状态的元件，因此，用变量取值为“0”和“1”的逻辑代数也完全适用于PLC梯形图的设计。这就是梯形图逻辑设计法的依据。逻辑设计法有很大的局限性，它仅适用于组合逻辑控制系统。

  什么是组合逻辑控制当逻辑控制的输出状态仅仅取决于输入的当前值状态，而与输入、输出的以前状态无关的逻辑控制称为组合逻辑控制。组合逻辑控制的特点是输出状态仅与当前输入状态有关，其结果是的，且其转换马上实现。其逻辑表达式简单易懂，根据逻辑表达式可直接设计出梯形图，逻辑设计法不适用于时序逻辑控制。

  组合逻辑控制设计方法的步骤：

  (1)根据控制要求，明确哪些是输出变量，哪些是输入变量。

  (2)根据控制要求，绘制输入、输出关系的真值表。真值表考虑输入变量的全部状态组合。

  (3)根据真值表写出输出与输入关系之逻辑代数表达式。

  (4)根据逻辑代数表达式直接设计梯形图程序。

  可以看出，这种设计法的另一个局限是掌握一定的数字电路和逻辑代数知识，这对于没有系统学习过这些知识的人员来说，有一定的困难。

  4. 步进顺序控制设计法

  在工业控制中，除了模拟量控制之外，大部分控制都是一种顺序控制。所谓顺序控制，就是按照生产预先规定的顺序，在各个输入信号的作用下，根据内部状态和时间的顺序，在生产过程中各个执行机构自动、有序地进行操作。

  将逻辑控制看成顺序控制的基本思路逻辑控制系统在一定的时间内只能完成一定的控制任务。这样，就可以把一个工作周期内的控制任务划分成若干个时间连续、顺序相连的工作段，而在某个工作段，只关心该工作段的控制任务和什么情况下该工作段结束，然后转移到下一个工作段就行了。

  三菱FX系列PLC为顺序控制开发了步进指令STL，利用步进指令STL可以非常方便地设计顺序控制程序。在本书6章对 STL 步进指令顺序控制程序进行了详细讲解，这里不再阐述。

  步进顺序控设计法的优点程序设计思路非常清晰、容易理解和掌握，不需要过多过深的知识。对初学者来说，是容易接受、学习和掌握的梯形图程序设计方法。

  5.经验法

  经验设计法是指用设计继电控制电气原理图的经验方法来设计比较简单的开关量逻辑控制梯形图，即在掌握一些基本环节设计的基础上，充分理解实际的控制要求，将实际控制要求分解为各个基本环节所能解决的小任务，然后，根据控制要求不断地修改自己的设计，直到达到符合控制要求的梯形图为止。这就如同小作文，先阅读范文，再模仿范文写作，后达到立写作的目的。学习PLC程序设计也一样，可以先尽可能多地收集一些典型的小程序加以学习，然后模仿编写或对典型程序加以改动后移植到自己的程序中，后经过不断修改变成自己立完成的程序。

  经验法没有普通的规律可循，设计所用的时间、设计质量均与设计者经验有很大的关系，具有很大的试探性和随意性，所设计的程序是因人而异，不具有性。经验法是初学者特别是电工技术人员学习PLC程序设计比较好的切入点。经验法要求设计者对基本设计环节(启保停、延时、自锁、连锁与互锁等)能够理解、掌握和运用。经验法的另一个特点是程序可能要经过多次反复调试、修改才能完成，而实际上这种反复调试修改也给设计者积累了经验。

PLC产生、发展的条件及其给工业控制带来的变化

随着计算机控制技术的不断发展，可编程控制器的应用已广泛普及，成为自动化技术的重要组成。可编程控制器先出现在美国，1968年，美国的汽车制造公司通用汽车公司(GM)提出了研制一种新型控制器的要求，并从用户角度提出新一代控制器应具备以下条件：

（1）编程简单，可在现场修改程序；

（2）维护方便，好是插件式；

（3）可靠性继电器控制柜；

（4）体积小于继电器控制柜；

（5）可将数据直接送入管理计算机；　  （6）在成本上可与继电器控制柜竞争；

（7）输入可以是交流115V（即用美国的电网电压）；

（8）输出为交流115V、2A以上，能直接驱动电磁阀；

（9）在扩展时，原有系统只需要很小的变更；

（10）用户程序存储器容量至少能扩展到4KB。

条件提出后，立即引起了开发热潮。1969年，美国数字设备公司（DEC）研制出了世界上台可编程序控制器，并应用于通用汽车公司的生产线上。当时叫可编程逻辑控制器PLC（Programmable Logic Controller），目的是用来取代继电器，以执行逻辑判断、计时、计数等顺序控制功能。紧接着，美国MODICON公司也开发出同名的控制器，1971年，日本从美国引进了这项新技术，很快研制成了日本台可编程控制器。1973年，西欧国家也研制出他们的台可编程控制器。

随着半导体技术，尤其是微处理器和微型计算机技术的发展，到70年代中期以后，特别是进入80年代以来，PLC已广泛地使用16位甚至32位微处理器作为中央处理器，输入输出模块和电路也都采用了中、大规模甚至超大规模的集成电路，使PLC在概念、设计、性能价格比以及应用方面都有了新的突破。这时的PLC已不仅仅是逻辑判断功能，还同时具有数据处理、PID调节和数据通信功能，称之为可编程序控制器（Programmable Controller）更为合适，简称为PC，但为了与个人计算机（Persona1  Computer）的简称PC相区别，一般仍将它简称为PLC（Programmable Logic Controller）。

PLC是微机技术与传统的继电器-接触器控制技术相结合的产物，其基本设计思想是把计算机功能完善、灵活、通用等优点和继电器控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点结合起来，控制器的硬件是标准的、通用的。根据实际应用对象，将控制内容编成软件写入控制器的用户程序存储器内。继电器控制系统已有上历史，它是用弱电信号控制强电系统的控制方法，在复杂的继电器控制系统中，故障的查找和排除困难，花费时间长，严重地影响工业生产。在工艺要求发生变化的情况下，控制柜内的元件和接线需要作相应的变动，改造工期长、费用高，以至于用户宁愿另外制作一台新的控制柜。而PLC克服了继电器-接触器控制系统中机械触点的接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差的缺点，充分利用微处理器的优点，并将控制器和被控对象方便的连接起来。由于PLC是由微处理器、存储器和器件组成，所以应属于工业控制计算机中的一类。

对用户来说，可编程控制器是一种无触点设备，改变程序即可改变生产工艺，因此如果在初步设计阶段就选用可编程控制器，可以使得设计和调试变得简单容易。从制造生产可编程控制器的厂商角度看，在制造阶段不需要根据用户的订货要求设计控制器，适合批量生产。由于这些特点，可编程控制器问世以后很快受到工业控制界的欢迎，并得到迅速的发展。目前，可编程控制器已成为工厂自动化的强有力工具，得到了广泛的应用。

我国从1974年也开始研制可编程序控制器，1977年开始工业应用。目前它已经大量地应用在楼宇自动化、家庭自动化、商业、公用事业、测试设备和农业等领域，并涌现出大批应用可编程序控制器的新型设备。掌握可编程序控制器的工作原理，具备设计、调试和维护可编程序控制器控制系统的能力，已经成为现代工业对电气技术人员和工科的基本要求。