2.3 梯形圖程序設計法

2.3.1 梯形圖經驗設計法

1.梯形圖中的基本電路

（1）起保停電路與置位復位電路

起動-保持-停止電路（簡稱為起保停電路）是梯形圖中的電路，其電路如圖2-18所示。

圖2-18 起保停電路與置位復位電路

圖2-18中側的起動信號I0.0和停止信號I0.1（例如起動按鈕和停止按鈕提供的信號）持續為1狀態的時間一般都很短。起保停電路最主要的特點是具有“記憶”功能，按下起動按鈕，I0.0的常開觸點接通，Q0.0的線圈“通電”，它的常開觸點同時接通。放開起動按鈕，I0.0的常開觸點斷開，“能流”經Q0.0的常開觸點和I0.1的常閉觸點流過Q0.0的線圈，Q0.0仍為1狀態，這就是所謂的“自鎖”或“自保持”功能。按下停止按鈕，I0.1的常閉觸點斷開，使Q0.0的線圈“斷電”，其常開觸點斷開。以后即使放開停止按鈕，I0.1的常閉觸點恢復接通狀態，Q0.0的線圈仍然“斷電”。

這種記憶功能也可以用圖2-18中的S指令和R指令來實現。起保停電路與置位復位電路是后面要重點介紹的順序控制設計法的基本電路。在實際電路中，起動信號和停止信號可能由多個觸點組成的串、并聯電路提供。

（2）三相異步電動機的正反轉控制電路

如圖2-19是三相異步電動機正反轉控制的主電路和繼電器控制電路圖，KM1和KM2分別是控制正轉運行和反轉運行的交流接觸器。用KM1和KM2的主觸點改變進入電動機的三相電源的相序，就可以改變電動機的旋轉方向。圖中的FR是熱繼電器，在電動機過載時，它的常閉觸點斷開，使KM1或KM2的線圈斷電，電動機停轉。

如圖2-19中的控制電路由兩個起保停電路組成，為了節省觸點，FR和SB1的常閉觸點供兩個起保停電路公用。按下正轉起動按鈕SB2，KM1的線圈通電并自保持，電動機正轉運行。按下反轉起動按鈕SB3，KM2的線圈通電并自保持，電動機反轉運行。按下停止按鈕SB1，KM1或KM2的線圈斷電，電動機停止運行。

圖2-19 異步電動機正反轉繼電器控制電路

為了方便操作和保證KM1和KM2不會同時動作，在圖2-19中設置了“按鈕聯鎖”，將正轉起動按鈕SB2的常閉觸點與控制反轉的KM2的線圈串聯，將反轉起動按鈕SB3的常閉觸點與控制正轉的KM1的線圈串聯。設KM1的線圈通電，電動機正轉，這時如果想改為反轉，可以不按停止按鈕SB1，直接按反轉起動按鈕SB3，它的常閉觸點斷開，使KM1的線圈斷電，同時SB3的常開觸點接通，使KM2的線圈得電，電動機由正轉變為反轉。由主電路可知，如果KM1和KM2的主觸點同時閉合，將會造成三相電源相間短路的故障。在控制電路中，KM1的線圈串聯了KM2的輔助常閉觸點，KM2的線圈串聯了KM1的輔助常閉觸點，它們組成了硬件互鎖電路。

假設KM1的線圈通電，其主觸點閉合，電動機正轉。因為KM1的輔助常閉觸點與主觸點是聯動的，此時與KM2的線圈串聯的.KM1的常閉觸點斷開，因此按反轉起動按鈕SB3之后，要等到KM1的線圈斷電，它在主電路的常開觸點斷開，輔助常閉觸點閉合，KM2的線圈才會通電，因此這種互鎖電路可以有效地防止電源短路故障。圖2-20和圖2-21是實現上述功能的PLC的外部接線圖和梯形圖。

圖2-20 PLC的外部接線圖

圖2-21 梯形圖

將繼電器電路圖轉換為梯形圖時，首先應確定PLC的輸入信號和輸出信號。3個按鈕提供操作人員發出的指令信號，按鈕信號必須輸入到PLC中去，熱繼電器的常開觸點提供了PLC的另一個輸入信號。顯然，兩個交流接觸器的線圈是PLC輸出端的負載。畫出PLC的外部接線圖后，同時也確定了外部輸入/輸出信號與PLC內的過程映像輸入/輸出位的地址之間的關系。可以將繼電器電路圖“翻譯”為梯形圖，即采用與圖2-19中的繼電器電路完全相同的結構來畫梯形圖。各觸點的常開、常閉的性質不變，根據PLC外部接線圖中給出的關系，來確定梯形圖中各觸點的地址。圖2-19中SB1和FR的常閉觸點串聯電路對應于圖2-21中I0.2的常閉觸點。

在圖2-21中的梯形圖將控制Q0.0和Q0.1的兩個起保停電路分離開，電路的邏輯關系比較清晰。雖然多用了一個I0.2的常閉觸點，但是并不會增加硬件成本。圖2-21使用了Q0.0和Q0.1的常閉觸點組成的軟件互鎖電路。如果沒有圖2-20的硬件互鎖電路，從正轉馬上切換到反轉時，由于切換過程中電感的延時作用，可能會出現原來接通的接觸器的主觸點還未斷開，另一個接觸器的主觸點已經合上的現象，從而造成交流電源瞬間短路的故障。

此外，如果沒有硬件互鎖電路，且因為主電路電流過大或接觸器質量不好，某一接觸器的主觸點被斷電時產生的電弧熔焊而被粘接，其線圈斷電后主觸點仍然是接通的，這時如果另一個接觸器的線圈通電，也會造成三相電源短路事故。為了防止出現這種情況，應在PLC外部設置由KM1和KM2的輔助常閉觸點組成的硬件互鎖電路（見圖2-20）。這種互鎖與圖2-19的繼電器電路的互鎖原理相同，假設KM1的主觸點被電弧熔焊，這時它與KM2線圈串聯的輔助常閉觸點處于斷開狀態，因此KM2的線圈不可能得電。

2.梯形圖的經驗設計法

在一些典型電路的基礎上，根據被控對象對控制系統的具體要求，不斷地修改和完善梯形圖，有時需要多次反復地調試和修改梯形圖，增加一些中間編程元件和觸點，最后才能得到一個較為滿意的結果。這種方法沒有普遍的規律可以遵循，具有很大的試探性和隨意性，最后的結果不是唯一的，設計所用的時間、設計的質量與設計者的經驗有很大的關系，所以有人把這種設計方法叫經驗設計法，它可以用于較簡單的梯形圖（例如手動程序）的設計。

（1）小車自動往返控制程序的設計

異步電動機的主回路與圖2-19中的相同。在圖2-20的基礎上，增加了接在I0.3和I0.4輸入端子的左限位開關SQ1和右限位開關SQ2的常開觸點（見圖2-22）。

按下右行起動按鈕SB2或左行起動按鈕SB3后，要求小車在兩個限位開關之間不停地循環往返，按下停止按鈕SB1后，電動機斷電，小車停止運動。可以在三相異步電動機正反轉繼電器控制電路的基礎上，設計出滿足要求的梯形圖（見圖2-23）。

圖2-22 PLC的外部接線圖

為了使小車的運動在極限位置自動停止，將右限位開關I0.4的常閉觸點與控制右行的Q0.0的線圈串聯，將左限位開關I0.3的常閉觸點與控制左行的Q0.1的線圈串聯。為了使小車自動改變運動方向，將左限位開關I0.3的常開觸點與手動起動右行的I0.0的常開觸點并聯，將右限位開關I0.4的常開觸點與手動起動左行的I0.1的常開觸點并聯。

假設按下左行起動按鈕I0.1，Q0.1變為1狀態，小車開始左行，碰到左限位開關時，I0.3的常閉觸點斷開，使Q0.1的線圈“斷電”，小車停止左行。I0.3的常開觸點接通，使Q0.0的線圈“通電”，開始右行。碰到右限位開關時，I0.4的常閉觸點斷開，使Q0.0的線圈“斷電”，小車停止右行。I0.4的常開觸點接通，使Q0.1的線圈“通電”，又開始左行。以后將這樣不斷地往返運動下去，直到按下停車按鈕，I0.2變為1狀態，其常閉觸點使Q0.0或Q0.1的線圈斷電。

圖2-23 小車自動往返的梯形圖

這種控制方法適用于小容量的異步電動機，且往返不能太頻繁，否則易導致電動機過熱。

（2）較復雜的小車自動運行控制程序的設計

首先，較為復雜的小車自動運行控制的PLC外部接線圖與圖2-22相同。小車開始時停在左邊，左限位開關SQ1的常開觸點閉合。要求按下列順序控制小車：

1）按下右行起動按鈕，小車開始右行。

2）走到右限位開關處，小車停止運動，延時8s后開始左行。

3）回到左限位開關處，小車停止運動。

在異步電動機正反轉控制電路的基礎上設計的滿足上述要求的梯形圖如圖2-24所示。

在控制右行的Q0.0的線圈回路中串聯了I0.4的常閉觸點，小車走到右限位開關SQ2處時，I0.4的常閉觸點斷開，使Q0.0的線圈斷電，小車停止右行。同時I0.4的常開觸點閉合，定時器TON的IN輸入為1狀態，開始定時。8s后定時時間到，用定時器的Q輸出端控制的M2.0的常開觸點閉合，使Q0.1的線圈通電并自保持，小車開始左行。離開限位開關SQ2后，I0.4的常開觸點斷開，定時器因為其IN輸入變為0狀態而被復位。小車運行到左邊的起始點時，左限位開關SQ1的常開觸點閉合，I0.3的常閉觸點斷開，使Q0.1的線圈斷電，小車停止運動。

在梯形圖中，保留了左行起動按鈕I0.1和停止按鈕I0.2的觸點，使系統有手動操作的功能。串聯在起保停電路中的限位開關I0.3和I0.4的常閉觸點在手動時可以防止小車的運動超限。

圖2-24 梯形圖

2.3.2 順序控制功能圖

在用經驗設計法設計梯形圖時，因為沒有一套固定的方法和步驟可以遵循，并且由于程序的試探性和隨意性，對于設計復雜系統的梯形圖時，要用大量的中間單元來完成記憶和互鎖等功能，由于需要考慮的因素很多，它們往往又交織在一起，分析起來非常困難，并且很容易遺漏一些應該考慮的問題。尤其在修改某一局部電路時，往往會出現“牽一發而動全身”的麻煩，對系統的其他部分產生意想不到的影響，因此梯形圖的修改也很麻煩，往往花了很長的時間還得不到一個滿意的結果。用經驗法設計出的復雜的梯形圖很難閱讀，給系統的維修和改進帶來了很大的困難。

順序控制設計法是一種先進的設計方法，很容易被初學者接受，對于有經驗的工程師，也會提高設計的效率，程序的調試、修改和閱讀也很方便。所謂順序控制，就是按照生產工藝預先規定的順序，在各個輸入信號的作用下，根據內部狀態和時間的順序，在生產過程中各個執行機構自動地有秩序地進行操作。

順序功能圖（Sequential Function Chart，SFC）是描述控制系統的控制過程、功能和特性的一種圖形，也是設計PLC的順序控制程序的有力工具。順序功能圖并不涉及所描述的控制功能的具體技術，它是一種通用的技術語言，可以供進一步設計和不同專業的人員之間進行技術交流之用?，F在還有相當多的PLC（包括S7-1200）沒有配備順序功能圖語言，但是可以用順序功能圖來描述系統的功能，根據它來設計梯形圖程序。

1.步與動作

（1）步

順序控制設計法最基本的思想是將系統的一個工作周期劃分為若干個順序相連的階段，這些階段稱為步（Step），并用編程元件（例如位存儲器M）來代表各步。步是根據輸出量的狀態變化來劃分的，在任何一步之內，各輸出量的ON/OFF狀態不變，但是相鄰兩步輸出量總的狀態是不同的，步的這種劃分方法使代表各步的編程元件的狀態與各輸出量的狀態之間有著極為簡單的邏輯關系。

順序控制設計法用轉換條件控制代表各步的編程元件，讓它們的狀態按一定的順序變化，然后用代表各步的編程元件去控制PLC的各輸出位，我們還是以小車控制程序為例，如圖2-25所示。

圖2-25 系統示意圖與波形圖

在圖2-25中，小車開始時停在最左邊，限位開關I0.2為1狀態。按下起動按鈕，Q0.0變為1狀態，小車右行。碰到右限位開關I0.1時，Q0.0變為0狀態，Q0.1變為1狀態，小車改為左行。返回起始位置時，Q0.1變為0狀態，小車停止運行，同時Q0.2變為1狀態，使制動電磁鐵線圈通電，接通延時定時器開始定時。定時時間到，制動電磁鐵線圈斷電，系統返回初始狀態。

根據Q0.0～Q0.2的ON/OFF狀態的變化，顯然可以將上述工作過程分為3步，分別用M4.1～M4.3來代表這3步，另外還設置了一個等待起動的初始步。圖2-26是描述該系統的順序功能圖，圖中用矩形方框表示步，方框中可以用數字表示該步的編號，也可以用代表該步的編程元件的地址作為步的編號，例如M4.0等。為了便于將順序功能圖轉換為梯形圖，用代表各步的編程元件的地址作為步的代號，并用編程元件的地址來標注轉換條件和各步的動作或命令。

（2）初始步

與系統的初始狀態相對應的步稱為初始步，初始狀態一般是系統等待起動命令的相對靜止的狀態。初始步用雙線方框表示，每一個順序功能圖至少應該有一個初始步。

圖2-26 順序功能圖

（3）活動步

當系統正處于某一步所在的階段時，該步處于活動狀態，稱該步為“活動步”。步處于活動狀態時，執行相應的非存儲型動作；處于不活動狀態時，則停止執行。

（4）與步對應的動作或命令

可以將一個控制系統劃分為被控系統和施控系統，例如在數控車床系統中，數控裝置是施控系統，而車床是被控系統。對于被控系統，在某一步中要完成某些“動作”（Action），對于施控系統，在某一步中則要向被控系統發出某些“命令”（Command）。為了敘述方便，下面將命令或動作統稱為動作，并用矩形框中的文字或變量表示動作，該矩形框應與它所在的步對應的方框相連。如果某一步有幾個動作，可以用圖2-27中的兩種畫法來表示，但是并不隱含這些動作之間的任何順序。應清楚地表明動作是存儲型的還是非存儲型的。

圖2-27 動作

在圖2-26中的Q0.0～Q0.2均為非存儲型動作，例如在步M4.1為活動步時，動作Q0.0為1狀態，步M4.1為不活動步時，動作Q0.0為0狀態。步與它的非存儲型動作的波形完全相同。

某些動作在連續的若干步都應為1狀態，可以在順序功能圖中，用動作的修飾詞“S”（見表2-7）將它在應為1狀態的第一步置位，用動作的修飾詞“R”將它在應為1狀態的最后一步的下一步復位為0狀態。這種動作是存儲型動作，在程序中用置位、復位指令來實現。在圖2-18中，定時器T1的IN輸入在步M4.3為活動步時為1狀態，步M4.3為不活動步時為0狀態，從這個意義上來說，T1的IN輸入相當于步M4.3的一個非存儲型動作，所以將T1放在步M4.3的動作框內。

表2-7 動作的修飾詞

使用動作的修飾詞（如前表2-7所示），可以在一步中完成不同的動作。修飾詞允許在不增加邏輯的情況下控制動作。例如，可以使用修飾詞L來限制配料閥打開的時間。

2.有向連線與轉換條件

（1）有向連線

在順序功能圖中，隨著時間的推移和轉換條件的實現，將會發生步的活動狀態的進展，這種進展按有向連線規定的路線和方向進行。

在畫順序功能圖時，將代表各步的方框按它們成為活動步的先后次序順序排列，并用有向連線將它們連接起來。步的活動狀態習慣的進展方向是從上到下或從左至右，在這兩個方向有向連線上的箭頭可以省略。如果不是上述的方向，則應在有向連線上用箭頭注明進展方向。為了更易于理解，在可以省略箭頭的有向連線上也可以加箭頭。

如果在畫圖時有向連線必須中斷，（例如在復雜的圖中，或用幾個圖來表示一個順序功能圖時），應在有向連線中斷之處標明下一步的標號和所在的頁數，例如“步80、10頁”。

（2）轉換

轉換用有向連線上與有向連線垂直的短畫線來表示，轉換將相鄰兩步分隔開。步的活動狀態的進展是由轉換的實現來完成的，并與控制過程的發展相對應。

（3）轉換條件

使系統由當前步進入下一步的信號稱為轉換條件，轉換條件可以是外部的輸入信號，例如按鈕、指令開關、限位開關的接通或斷開等；也可以是PLC內部產生的信號，例如定時器、計數器常開觸點的接通等，轉換條件還可以是若干個信號的與、或、非邏輯組合。

轉換條件可以用文字語言、布爾代數表達式或圖形符號標注在表示轉換的短線旁，使用得最多的是布爾代數表達式（見圖2-28）。

圖2-28 轉換與轉換條件

轉換條件I0.0和I0.0分別表示當輸入信號I0.0為1狀態和0狀態時轉換實現。符號↑I0.0和↓I0.0分別表示當I0.0從0狀態到1狀態和從1狀態到0狀態時轉換實現。實際上即使不加符號“↑”，轉換一般也是在信號的上升沿實現的，因此一般不加“↑”。

圖2-28用高電平表示步M2.1為活動步，反之則用低電平表示。轉換條件I0.0·I2.1表示I0.0的常開觸點與I2.1的常閉觸點同時閉合，在梯形圖中則用兩個觸點的串聯來表示這樣一個“與”邏輯關系。

圖2-26中步M4.3下面的轉換條件M2.1對應于定時器T1的Q輸出信號，T1的定時時間到時，轉換條件滿足。在順序功能圖中，只有當某一步的前級步是活動步，該步才有可能變成活動步。如果用沒有斷電保持功能的編程元件來代表各步，進入RUN工作方式時，它們均處于0狀態。

在對CPU組態時如果設置默認的MB1為系統存儲器字節，則必須用開機時接通一個掃描周期的M1.0的常開觸點作為轉換條件，將初始步預置為活動步（見圖2-26），否則因為順序功能圖中沒有活動步，系統將無法工作。如果系統有自動、手動兩種工作方式，順序功能圖是用來描述自動工作過程的，這時還應在系統由手動工作方式進入自動工作方式時，用一個適當的信號將初始步置為活動步（見2.3.4節）。

3.順序功能圖的組成

（1）單序列

單序列由一系列相繼激活的步組成，每一步的后面僅有一個轉換，每一個轉換的后面只有一個步（見圖2-29a），單序列的特點是沒有下述的分支與合并。

（2）選擇序列

選擇序列的開始稱為分支（見圖2-29b），轉換符號只能標在水平連線之下。如果步5是活動步，并且轉換條件h為1狀態，則發生由步5→步8的進展。如果步5是活動步，并且k為1狀態，則發生由步5→步10的進展。如果將選擇條件k改為k·h，則當k和h同時為1狀態時，將優先選擇h對應的序列，一般只允許同時選擇一個序列。

選擇序列的結束稱為合并（見圖2-29b），幾個選擇序列合并到一個公共序列時，用需要重新組合的序列相同數量的轉換符號和水平連線來表示，轉換符號只允許標在水平連線之上。如果步9是活動步，并且轉換條件j為1狀態，則發生由步9→步12的進展。如果步11是活動步，并且n為1狀態，則發生由步11→步12的進展。

圖2-29 單序列、選擇序列與并行序列

（3）并行序列

并行序列用來表示系統的幾個同時工作的獨立部分的工作情況。并行序列的開始稱為分支（見圖2-29c）。

當轉換的實現導致幾個序列同時激活時，這些序列稱為并行序列。當步3是活動的，并且轉換條件e為1狀態，步4和步6同時變為活動步，同時步3變為不活動步。為了強調轉換的同步實現，水平連線用雙線表示。步4和步6被同時激活后，每個序列中活動步的進展將是獨立的。在表示同步的水平雙線之上，只允許有一個轉換符號。

并行序列的結束稱為合并（見圖2-29c），在表示同步的水平雙線之下，只允許有一個轉換符號。當直接連在雙線上的所有前級步（步5和步7）都處于活動狀態，并且轉換條件i為1狀態時，才會發生步5和步7到步10的進展，即步5和步7同時變為不活動步，而步10變為活動步。

（4）順序功能圖舉例

【例2-1】某專用鉆床用來加工圓盤狀零件上均勻分布的6個孔，見圖2-30所示。上面是側視圖，下面是工件的俯視圖。

在進入自動運行之前，兩個鉆頭應在最上面，上限位開關I0.3和I0.5為1狀態，系統處于初始步，加計數器C0被復位，實際計數值CV被清零。用存儲器位M來代表各步，順序功能圖中包含了選擇序列和并行序列。操作人員放好工件后，按下起動按鈕I0.0，轉換條件I0.0·I0.3·I0.5滿足，由初始步轉換到步M4.1，Q0.0變為1狀態，工件被夾緊。夾緊后壓力繼電器I0.1為1狀態，由步M4.1轉換到步M4.2和M4.5，Q0.1和Q0.3使兩只鉆頭同時開始向下鉆孔。大鉆頭鉆到由限位開關I0.2設定的深度時，進入步M4.3，Q0.2使大鉆頭上升，升到由限位開關I0.3設定的起始位置時停止上升，進入等待步M4.4。小鉆頭鉆到由限位開關I0.4設定的深度時，進入步M4.6，Q0.4使小鉆頭上升，設定值為3的加計數器C0的實際計數值加1。升到由限位開關I0.5設定的起始位置時停止上升，進入等待步M4.7。

C0加1后的實際計數值為1，C0的Q輸出端控制的M2.2的常閉觸點閉合，轉換條件M2.2滿足。兩個鉆頭都上升到位后，將轉換到步M5.0，Q0.5使工件旋轉120°，旋轉到位時I0.6為1狀態，又返回步M4.2和M4.5，開始鉆第2對孔。3對孔都鉆完后，實際計數值為3，其Q輸出端控制的M2.2變為1狀態，轉換到步M5.1，Q0.6使工件松開。松開到位時，限位開關I0.7為1狀態，系統返回初始步M4.0。

因為要求兩個鉆頭向下鉆孔和鉆頭提升的過程同時進行，故采用并行序列來描述上述的過程。由M4.2～M4.4和M4.5～M4.7組成的兩個單序列分別用來描述大鉆頭和小鉆頭的工作過程。在步M4.1之后，有一個并行序列的分支。當M4.1為活動步，并且轉換條件I0.1得到滿足（I0.1為1狀態），并行序列的兩個單序列中的第1步（步M4.2和M4.5）同時變為活動步。

圖2-30 專用鉆床零件圖及控制系統的順序功能圖

此后兩個單序列內部各步的活動狀態的轉換是相互獨立的，例如大孔或小孔鉆完時的轉換一般不是同步的。

兩個單序列的最后1步（步M4.4和M4.7）應同時變為不活動步。但是兩個鉆頭一般不會同時上升到位，不可能同時結束運動，所以設置了等待步M4.4和M4.7，它們用來同時結束兩個并行序列。當兩個鉆頭均上升到位，限位開關I0.3和I0.5分別為1狀態，大、小鉆頭兩個子系統分別進入兩個等待步，并行序列將會立即結束。在步M4.4和M4.7之后，有一個選擇序列的分支。沒有鉆完3對孔時，M2.2的常閉觸點閉合，轉換條件滿足，如果兩個鉆頭都上升到位，將從步M4.4和M4.7轉換到步M5.0。如果已經鉆完了3對孔，M2.2的常開觸點閉合，轉換條件M2.2滿足，將從步M4.4和M4.7轉換到步M5.1。

在步M4.1之后，有一個選擇序列的合并。當步M4.1為活動步，而且轉換條件I0.1得到滿足（I0.1為1狀態），將轉換到步M42和M4.5。當步M5.0為活動步，而且轉換條件↑I0.6得到滿足，也會轉換到步M4.2和M4.5。

4.繪制順序功能圖的注意事項

（1）順序功能圖轉換實現的條件

在順序功能圖中，步的活動狀態的進展是由轉換的實現來完成的。轉換實現必須同時滿足兩個條件：

1）該轉換所有的前級步都是活動步。

2）相應的轉換條件得到滿足。

這兩個條件是缺一不可的，這樣才能防止誤操作，保證系統嚴格地按順序功能圖規定的順序工作。

（2）轉換實現應完成的操作

轉換實現時應完成以下兩個操作：

1）使所有由有向連線與相應轉換符號相連的后續步都變為活動步。

2）使所有由有向連線與相應轉換符號相連的前級步都變為不活動步。

以上規則可以用于任意結構中的轉換，其區別如下：在單序列和選擇序列中，一個轉換僅有一個前級步和一個后續步。在并行序列的分支處，轉換有幾個后續步（見圖2-29c），在轉換實現時應同時將它們對應的編程元件置位。在并行序列的合并處，轉換有幾個前級步，它們均為活動步時才有可能實現轉換，在轉換實現時應將它們對應的編程元件全部復位。

如果轉換的前級步或后續步不止一個，轉換的實現稱為同步實現（見圖2-31）。為了同步實現，有向連線的水平部分用雙線表示。

在梯形圖中，用編程元件（例如M）代表步，當某步為活動步時，該步對應的編程元件為1狀態。當該步之后的轉換條件滿足時，轉換條件對應的觸點或電路接通，因此可以將該觸點或電路與代表所有前級步的編程元件的常開觸點串聯，作為與轉換實現的兩個條件同時滿足對應的電路。

圖2-31 轉換的同步實現

以圖2-31為例，轉換條件的布爾代數表達式為I0.1+I0.3，它的兩個前級步對應于M4.2和M4.4，應將M4.2、M4.4的常開觸點組成的串聯電路與I0.3的常開觸點和I0.1的常閉觸點組成的并聯電路串聯，作為轉換實現的兩個條件同時滿足對應的電路。在梯形圖中，該電路接通時，應使代表前級步的M4.2和M4.4復位（變為0狀態并保持），同時使代表后續步的M4.5和M4.7置位（變為1狀態并保持），完成以上任務的電路將在下一節中介紹。

（3）繪制順序功能圖時的注意事項

下面是針對繪制順序功能圖時常見的錯誤提出的注意事項：

1）兩個步絕對不能直接相連，必須用一個轉換將它們分隔開。

2）兩個轉換也不能直接相連，必須用一個步將它們分隔開。第1條和第2條可以作為檢查順序功能圖是否正確的判據。

3）順序功能圖中的初始步一般對應于系統等待起動的初始狀態，這一步可能沒有什么輸出處于ON狀態，因此有的初學者在畫順序功能圖時很容易遺漏這一步。初始步是必不可少的，一方面因為該步與它的相鄰步相比，從總體上說輸出變量的狀態各不相同；另一方面如果沒有該步，無法表示初始狀態，系統也無法返回等待起動的停止狀態。

4）自動控制系統應能多次重復執行同一工藝過程，因此在順序功能圖中一般應有由步和有向連線組成的閉環，即在完成一次工藝過程的全部操作之后，應從最后一步返回初始步，系統停留在初始狀態（單周期操作，見圖2-25），在連續循環工作方式時，應從最后一步返回下一工作周期開始運行的第一步（見圖2-30）。

2.3.3 含有置位、復位指令的梯形圖設計法

1.設計順序控制梯形圖需要考慮的問題

控制系統的梯形圖一般采用圖2-32所示的典型結構，程序中的漢字是程序作者添加的。在對CPU組態時，設置MB1為系統存儲器字節，M1.2的常開觸點一直閉合，每次掃描都會執行公用程序。系統有自動和手動兩種工作方式，自動方式和手動方式都需要執行的操作放在公用程序FC1中，公用程序還用于自動程序和手動程序相互切換的處理。M6.0是自動/手動切換開關，當它為1狀態時調用手動程序FC2，為0狀態時調用自動程序FC3。開始執行自動程序時，要求系統處于與自動程序的順序功能圖的初始步對應的初始狀態。如果開機時系統沒有處于初始狀態，則應進入手動工作方式，用手動操作使系統進入初始狀態后，再切換到自動工作方式，也可以設置使系統自動進入要求的初始狀態的工作方式（見2.3.4節）。

圖2-32 OB1中的程序

假設剛開始執行用戶程序時，系統的機械部分已經處于要求的初始狀態。在OB1中用僅在首次掃描循環時為1狀態的M1.0將初始步對應的編程元件（例如圖2-33中的M4.0）置為1狀態，其余各步的編程元件置為0狀態，為轉換的實現做好準備。如果MB4沒有設置保持功能，起動時它被自動清零，可以刪除圖2-33中的MOVE指令。

圖2-33 OB1中的初始化電路

2.單序列的編程方法

（1）設計控制代表步的存儲器位置位復位的電路的方法

在順序功能圖中，如果某一轉換所有的前級步都是活動步，并且滿足相應的轉換條件，則轉換實現，即該轉換所有的后續步都變為活動步，該轉換所有的前級步都變為不活動步。用該轉換所有前級步對應的存儲器位（M）的常開觸點與轉換對應的觸點或電路串聯，來使所有后續步對應的存儲器位置位，和使所有前級步對應的存儲器位復位。

置位和復位操作分別使用置位指令和復位指令。在任何情況下，代表步的存儲器位的控制電路都可以用這一原則來設計，每一個轉換對應一個這樣的控制置位和復位的電路塊，有多少個轉換就有多少個這樣的電路塊。

這種設計方法特別有規律，梯形圖與轉換實現的基本規則之間有著嚴格的對應關系，在設計復雜的順序功能圖的梯形圖時既容易掌握，又不容易出錯。

（2）編程方法應用舉例

在SETP 7 Basic中新建一個名為“小車控制順序功能”的新項目，將CPU的型號選為CPU 1214C，操作后將圖2-26的小車控制系統的順序功能圖重新畫在圖2-34中。

實現圖中I0.1對應的轉換需要同時滿足兩個條件，即該轉換的前級步是活動步（M4.1為1狀態）和轉換條件滿足（I0.1為1狀態）。在梯形圖中，用M4.1和I0.1的常開觸點組成的串聯電路來表示上述條件。該電路接通時，兩個條件同時滿足。此時應將該轉換的后續步變為活動步，即用置位指令（S指令）將M4.2置位。還應將該轉換的前級步變為不活動步，即用復位指令（R指令）將M4.1復位。

用上述的方法編寫控制代表步的M4.0～M4.3的電路，每一個轉換對應一個這樣的電路（見圖2-35）。

圖2-34 順序功能圖

圖2-35 OB1中的梯形圖

使用這種編程方法時，不能將輸出位的線圈與置位指令和復位指令并聯，這是因為圖2-35中控制置位、復位的串聯電路接通的時間是相當短的，只有一個掃描周期。轉換條件I0.1滿足后，前級步M4.1被復位，下一個掃描循環周期M4.1和I0.1的常開觸點組成的串聯電路斷開，而輸出位Q的線圈至少應該在某一步對應的全部時間內被接通。所以應根據順序功能圖，用代表步的存儲器位的常開觸點或它們的并聯電路來驅動輸出位的線圈。

在制動延時步，M4.3為1狀態，它的常開觸點接通，使TON定時器開始定時。定時時間到時，定時器的Q輸出端控制的M2.1變為1狀態，轉換條件滿足，將轉換到初始步M4.0。

3.選擇序列編程方法

如果某一轉換與并行序列的分支、合并無關，則它的前級步和后續步都只有一個，需要復位、置位的存儲器位也只有一個，因此選擇序列的分支與合并的編程方法實際上與單序列的編程方法完全相同。

如圖2-36所示的順序功能圖中，除了I0.3與I0.6對應的轉換以外，其余的轉換均與并行序列的分支、合并無關，I0.0～I0.2對應的轉換與選擇序列的分支、合并有關，它們都只有一個前級步和一個后續步。與并行序列的分支、合并無關的轉換對應的梯形圖是非常標準的，每一個控制置位、復位的電路塊都由前級步對應的一個存儲器位的常開觸點和轉換條件對應的觸點組成的串聯電路、一條置位指令和一條復位指令組成。

4.并行序列的編程方法

如圖2-36中步M4.2之后有一個并行序列的分支，當M4.2是活動步，并且轉換條件I0.3滿足時，步M4.3與步M4.5應同時變為活動步，這是用M4.2和I0.3的常開觸點組成的串聯電路使M4.3和M4.5同時置位來實現的。與此同時，步M4.2應變為不活動步，這是用復位指令來實現的。

I0.6對應的轉換之前有一個并行序列的合并，該轉換實現的條件是所有的前級步（即步M4.4和M4.6）都是活動步，和轉換條件I0.6滿足。由此可知，應將M4.4、M4.6和I0.6的常開觸點串聯，作為控制后續步M4.0置位和前級步M4.4、M4.6復位的電路。

在圖2-37所示順序功能圖中，轉換的上面是并行序列的合并，轉換的下面是并行序列的分支，該轉換實現的條件是所有的前級步（即步M4.2和M4.4）都是活動步和轉換條件I0.1+I0.3滿足。因此應將M4.2、M4.4、I0.3的常開觸點與I0.1的常閉觸點組成的串并聯電路，作為使M4.5、M4.7置位和使M4.2、M4.4復位的條件。

圖2-36 選擇序列與并行序列

圖2-37 轉換的同步實現

5.復雜的順序功能圖的調試方法

調試復雜的順序功能圖時，應充分考慮各種可能的情況，對系統的各種工作方式、順序功能圖中的每一條支路、各種可能的進展路線，都應逐一檢查，不能遺漏。特別要注意并行序列中各子序列的第1步（如圖2-36中的步M4.3和步M4.5）是否同時變為活動步，最后一步（步M4.4和步M4.6）是否同時變為不活動步。

發現問題后應及時修改程序，直到每一條進展路線上步的活動狀態的順序變化和輸出點的變化都符合順序功能圖的規定。

將圖2-39中的程序輸入到OB1。調試時可以在監視表中用二進制格式監視MB4、QB0和IB0（見圖2-38），在RUN模式時點擊狀態表工具欄上的按鈕，啟動監控功能。第一次調試時從初始步轉換到步M4.1，經過并行序列，最后返回初始步。第二次調試時從初始步開始，跳過步M4.1，進入步M4.2。經過并行序列，最后返回初始步。

圖2-38 監視表

圖2-39 選擇序列與并行序列的梯形圖

6.應用程序舉例

【例2-2】鉆床控制系統順序功能圖。

如圖2-40是圖2-30中的鉆床控制系統的順序功能圖，圖2-41是用置位復位指令編寫的梯形圖。

在STEP 7 Basic的項目視圖中生成一個名為“鉆床控制”的新項目，把CPU的型號設為CPU 1214C。將圖2-41中的程序輸入到OB1。

如圖2-40中分別由M4.2～M4.4和M4.5～M4.7組成的兩個單序列是并行工作的，設計梯形圖時應保證這兩個序列同時開始工作和同時結束，即兩個序列的第一步M4.2和M4.5應同時變為活動步，兩個序列的最后一步M4.4和M4.7應同時變為不活動步。

并行序列的分支的處理是很簡單的，在圖2-40中，當步M4.1是活動步，并且轉換條件為I0.1為1狀態時，步M4.2和M4.5同時變為活動步，兩個序列開始同時工作。在梯形圖中；用M4.1和I0.1的常開觸點組成的串聯電路來控制對M4.2和M4.5的同時置位，和對前級步M4.1的復位。

另一種情況是當步M5.0為活動步，并且轉換條件為I0.6為1狀態時，步M4.2和M4.5也應同時變為活動步，兩個序列開始同時工作。在梯形圖中，用M5.0的常開觸點和I0.6的上升沿檢測觸點組成的串聯電路，來控制對M4.2和M4.5的同時置位，和對前級步M5.0的復位。

在圖2-40的并行序列合并處的轉換有兩個前級步M4.4和M4.7，根據轉換實現的基本規則，當它們均為活動步并且轉換條件滿足時，將實現并行序列的合并。未鉆完3對孔時，加計數器C0的實際計數值小于預置值3，其常閉觸點閉合，轉換條件滿足，將轉換到步M5.0。在梯形圖中，用M4.4、M4.7的常開觸點和M2.2的常閉觸點組成的串聯電路將M5.0置位，使后續步M5.0變為活動步；同時用R指令將M4.4和M4.7復位，使前級步M4.4和M4.7變為不活動步。

鉆完3對孔時，C0的實際計數值等于預置值3，其常開觸點閉合，轉換條件.M2.2滿足，將轉換到步M5.1。在梯形圖中，用M4.4、M4.7和M2.2的常開觸點組成的串聯電路將M5.1置位，使后續步M5.1變為活動步；同時用R指令將M4.4和M4.7復位，使前級步M4.4和M4.7變為不活動步。

圖2-40 專用鉆床控制系統的順序功能圖

2.3.4 基于多種工作方式系統的梯形圖設計方法

1.系統的硬件結構及工作方式

基于生產需要的多種多樣，一些設備要求設置多種工作方式，例如手動和自動（包括連續、單周期、單步和自動返回初始狀態）工作方式。

手動程序比較簡單，一般用經驗法設計，復雜的自動程序一般用順序控制法設計。我們以實例方式來講解。

【例2-3】機械手控制的梯形圖設計方法

某機械手用來將工件從A點搬運到B點（見圖2-42），控制面板如圖2-43所示，圖2-44是PLC的外部接線圖。

（1）硬件結構

夾緊裝置用單線圈電磁閥控制，輸出Q0.1為1狀態時工件被夾緊，為0時被松開。工作方式選擇開關的5個位置分別對應于5種工作方式，操作面板左邊的6個按鈕是手動按鈕。為了保證在緊急情況下（包括PLC發生故障時）能可靠地切斷PLC的負載電源，設置了交流接觸器KM（見圖2-44）。在PLC開始運行時按下“負載電源”按鈕，使KM線圈得電并自鎖，KM的主觸點接通，給PLC的外部負載提供交流電源。出現緊急情況時用“緊急停車”按鈕斷開負載電源。

圖2-41 專用鉆床控制系統的梯形圖

圖2-42 機械手示意圖

圖2-43 操作面板

圖2-44 外部接線圖

（2）工作方式

該系統設有手動、單周期、單步、連續和回原點5種工作方式，如圖2-43所示操作面板。

在手動工作方式，用I0.5～I1.2對應的6個按鈕分別獨立控制機械手的升、降、左行、右行和松開、夾緊。機械手從初始狀態開始，將工件從A點搬運到B點，最后返回初始狀態的過程，稱為一個工作周期。

在單周期工作方式的初始狀態按下起動按鈕I0.0，從初始步M0.0開始，機械手按順序功能圖（見圖2-48）的規定完成一個周期的工作后，返回并停留在初始步。

在連續工作方式的初始狀態按下起動按鈕，機械手從初始步開始，工作一個周期后又開始搬運下一個工件，反復連續地工作。按下停止按鈕，并不馬上停止工作，完成最后一個周期的工作后，系統才返回并停留在初始步。

在單步工作方式，從初始步開始，按一下起動按鈕，系統轉換到下一步，完成該步的任務后，自動停止工作并停留在該步，再按一下起動按鈕，才開始執行下一步的操作。單步工作方式常用于系統的調試。

機械手在最上面和最左邊且夾緊裝置松開時，稱為系統處于原點狀態（或稱初始狀態）。在進入單周期、連續和單步工作方式之前，系統應處于原點狀態。如果不滿足這一條件，可以選擇回原點工作方式，然后按起動按鈕I0.0，使系統自動返回原點狀態。

（3）程序的總體結構

在STEP 7 Basic的項目視圖中新建一個名為“機械手控制”的新項目CPU的型號為CPU 1214C。本例程需要添加一塊8點的DI模塊，在硬件組態時將自動分配的模塊字節地址改為2。

圖2-45是OB1中的程序。在CPU組態時設置系統存儲器字節為MB6，M6.2的常開觸點一直閉合，公用程序FC1是無條件執行的。在手動方式，I2.0為1狀態，執行手動程序FC2。在自動回原點方式，I2.1為1狀態，執行回原點程序FC3?？梢詾槠渌?種工作方式分別設計一個單獨的子程序?？紤]到這些工作方式使用相同的順序功能圖，程序有很多共同之處，為了簡化程序，減少程序設計的工作量，將單步、單周期和連續這3種工作方式的程序合并為自動程序FC4。在自動程序中，應考慮用什么方法區分這3種工作方式。

圖2-45 OB1的程序

2.公用程序

公用程序用于處理各種工作方式都要執行的任務，以及不同的工作方式之間相互切換的處理，如圖2-46所示（圖中的漢字為方便理解特意添加的）。

左限位開關I0.4、上限位開關I0.2的常開觸點和表示機械手松開的Q0.1的常閉觸點的串聯電路接通時，“原點條件”M0.5變為1狀態。當機械手處于原點狀態（M0.5為1狀態），在開始執行用戶程序（M6.0為1狀態）、系統處于手動方式（I2.0為1狀態）或自動回原點方式（I2.1為1狀態）時，圖2-47中的初始步對應的M0.0被置位，為進入單步、單周期和連續工作方式做好準備。如果此時M0.5為0狀態，M0.0被復位，初始步為不活動步，按下起動按鈕也不能轉換到順序功能圖的第2步M2.0，系統不能在單步、單周期和連續工作方式工作。

圖2-46 公用程序

圖2-47 手動程序

從一種工作方式切換到另一種工作方式時，應將有存儲功能的位元件復位。工作方式較多時，應仔細考慮各種可能的情況，分別進行處理。在切換工作方式時應執行下列操作：

1）當系統從自動工作方式切換到手動或自動回原點工作方式時，必須將圖2-47中除初始步以外的各步對應的存儲器位（M2.0～M2.7）復位，否則以后返回自動工作方式時，可能會出現同時有兩個活動步的異常情況，引起錯誤的動作。

2）在退出自動回原點工作方式時，I2.1的常閉觸點閉合。此時應將自動回原點的順序功能圖（見圖2-48）中所有的步對應的存儲器位（M1.0～M1.5）復位，以防止下次進入自動回原點方式時，可能會出現同時有兩個活動步的異常情況。

3）非連續工作方式時I2.4的常閉觸點閉合，將表示連續工作狀態的標志M0.7復位。

3.手動程序

圖2-47是手動程序，為了保證系統的安全運行，在手動程序中設置了一些必要的聯鎖：

1）設置上升與下降之間、左行與右行之間的互鎖，以防止功能相反的兩個輸出同時為`狀態。

2）用限位開關I0.1～I0.4的常閉觸點限制機械手移動的范圍。

3）上限位開關I0.2的常開觸點與控制左、右行的Q0.4和Q0.3的線圈串聯，機械手升到最高位置才能左右移動，以防止機械手在較低位置運行時與別的物體碰撞。

4）只允許機械手在最左邊或最右邊時（I0.3或I0.4的常開觸點閉合）上升、下降和松開工件。

4.自動程序

圖2-48是處理單周期、連續和單步工作方式的順序功能圖，最上面的轉換條件與公用程序有關。圖2-49是用置位復位指令設計的程序，單周期、連續和單步這3種工作方式主要是用“連續”標志M0.7和“轉換允許”標志M0.6來區分的。

（1）單步與非單步的區分

M0.6的常開觸點串接在每一個控制置位復位操作的串聯電路中，它們斷開時禁止步的活動狀態的轉換。系統工作在連續和單周期（非單步）工作方式時，I2.2的常閉觸點接通，使M0.6為1狀態，控制置位復位的電路中的M0.6的常開觸點接通，允許步與步之間的正常轉換。M0.6對單步方式步的活動狀態的轉換過程的控制見后面對單步工作方式的介紹。

圖2-48 順序功能圖

（2）單周期與連續的區分

PLC上電后如果原點條件不滿足，應首先進入單步或回原點方式，通過相應的操作使原點條件滿足，公用程序使初始步M0.0為1狀態，然后切換到自動方式。

在單周期和連續工作方式，I2.2（單步方式）的常閉觸點閉合，M0.6的線圈“通電”（見圖2-49），允許轉換。連續工作方式時I2.4為1狀態，在初始步為活動步時按下起動按鈕I0.0，控制連續工作的M0.7的線圈“通電”并自保持。圖2-49左邊第5行的M0.0、I0.0、M0.5（原點條件）和M0.6的常開觸點均接通，將M2.0置位，系統進入下降步，Q0.0的線圈“通電”，機械手下降。

機械手碰到下限位開關I0.1時，轉換到夾緊步M2.1，Q0.1被置位（見圖2-50），夾緊電磁閥的線圈通電并保持。同時接通延時定時器TON開始定時，2s后定時時間到，工件被夾緊，定時器Q輸出端控制的M4.0變為1狀態，轉換條件滿足，轉換到步M2.2。以后系統將這樣一步一步地工作下去。

當機械手在步M2.7返回最左邊時，I0.4為1狀態，因為“連續”標志位M0.7為1狀態，轉換條件M0.7·I0.4滿足，系統將返回步M2.0，反復連續地工作下去。按下停止按鈕I1.3以后，M0.7變為0狀態，但是機械手不會立即停止工作，在完成當前工作周期的全部操作后，機械子返回最左邊，左限位開關I0.4為1狀態，轉換條件滿足，系統才會從步M2.7返回并停留在初始步M0.0。

圖2-49 FC4中的自動控制程序

圖2-49 FC4中的自動控制程序（續）

圖2-49 FC4中的自動控制程序（續）

圖2-49 FC4中的自動控制程序（續）

圖2-50 FC4中的輸出電路

在單周期工作方式，M0.7一直處于0狀態。當機械手在最后一步M2.7返回最左邊時，左限位開關I0.4變為1狀態，因為連續工作標志M0.7為0狀態，轉換條件滿足，系統返回并停留在初始步M0.0，機械手停止運動。按一次起動按鈕，系統只工作一個周期。

（3）單步工作過程

在單步工作方式，I2.2為1狀態，它的常閉觸點斷開，“轉換允許”輔助繼電器.M0.6在一般情況下為0狀態，不允許步與步之間的轉換。設初始步時系統處于原點狀態，M0.5和M0.0為1狀態，按下起動按鈕I0.0，M0.6變為1狀態，使M2.0的起動電路接通，系統進入下降步。在起動按鈕上升沿之后，M0.6變為0狀態。在下降步，Q0.0的線圈“通電”，當下限位開關I0.1變為1狀態時，與Q0.0的線圈串聯的I0.1的常閉觸點斷開（見圖2-50），使Q0.0的線圈“斷電”，機械手停止下降。I0.1的常開觸點閉合后，如果沒有按起動按鈕，I0.0和M0.6處于0狀態，不會轉換到下一步。一直要等到按下起動按鈕，I0.0和M0.6變為1狀態，M0.6的常開觸點接通，才能使轉換條件I0.1起作用，M2.1被置位，系統才能由步M2.0進入步M2.1。以后在完成某一步的操作后，都必須按一次起動按鈕，系統才能轉換到下一步。

（4）輸出電路

輸出電路（見圖2-50）是自動程序FC4的一部分，輸出電路中I0.1～I0.4的常閉觸點是為單步工作方式設置的。以下降為例，當小車碰到下限位開關I0.1后，與下降步對應的存儲器位M2.0或M2.4不會馬上變為0狀態。如果Q0.0的線圈不與IO.1的常閉觸點串聯，機械手不能停在下限位開關I0.1處，還會繼續下降。對于某些設備，可能造成事故。

（5）程序的調試

在調試時用監視表（見圖2-51）監視與順序控制有關的MB0、MB1、MB2和QB0，顯示模式均為二進制數（Bin）。如果僅僅是作為編程練習，可以不增加DI模塊，在調試程序時，用監視表將I2.0～I2.4中的某一位置為1，其他位清零，用這樣的方法來設置工作方式。

圖2-51 監視表

5.自動回原點程序

圖2-52是自動回原點程序的順序功能圖，圖2-53是FC3中用置位復位電路設計的梯形圖。

在回原點工作方式，I2.1為1狀態。按下起動按鈕I0.0時，機械手可能處于任意狀態，根據機械手當時所處的位置和夾緊裝置的狀態，可以分為3種情況，采用不同的處理方法：

1）Q0.1為0狀態，表示夾緊裝置松開，機械手沒有夾持工件，應上升和左行，直接返回原點位置。按下起動按鈕I0.0，應進入圖2-52中的上升步M1.4，轉換條件為。如果機械手已經在最上面，上限位開關I0.2為1狀態，進入上升步后，因為轉換條件已經滿足，將馬上轉換到左行步。

2）Q0.1為1狀態，夾緊裝置處于夾緊狀態。機械手在最右邊，右限位開關I0.3為1狀態，應將工件放到B點后再返回原點位置。按下起動按鈕I0.0，機械手應進入下降步M1.2，轉換條件為I0.0·Q0.1·I0.3，首先執行下降和松開操作，釋放工件后，再返回原點位置。

3）Q0.1為1狀態，夾緊裝置處于夾緊狀態。機械手不在最右邊，I0.3為0狀態。按下起動按鈕I0.0，應進入步M1.0，轉換條件為I0.0·Q0.1·，首先上升、右行、下降和松開工件，將工件搬運到B點后再返回原點位置。

機械手返回原點位置后，原點條件滿足，公用程序中的原點條件標志M0.5為1狀態，因為此時I2.1為1狀態，圖2-44的順序功能圖中的初始步M0.0在公用程序中被置位，為進入單周期、連續和單步工作方式做好了準備，因此可以認為自動程序的順序功能圖的初始步M0.0是步M1.5的后續步。

圖2-52 回原點順序功能圖

圖2-53 FC3中的自動回原點的梯形圖

圖2-53 FC3中的自動回原點的梯形圖（續）