3.3 PLC开关量控制开发示例
3.3.1 训练目的
1.掌握梯形图编程规则
2.掌握基本编程环节的使用
3.掌握利用经验法设计程序
4.掌握程序的调试方法
3.3.2 训练设备
1）三菱FX2N PLC一台。
2）PLC模拟配线板一块。
3）导线若干。
4）计算机一台。
5）数据通信线一条。
3.3.3 实训基础知识
1.编程原则
1）程序应按从左至右、从上至下的顺序编制。
2）触点水平放置。
3）线圈不能直接与左母线相连。
4）尽量避免双线圈输出。
2.编程技巧
1）串联多的电路尽量放在上部。
2）并联多的电路尽量与左母线相连。
3）线圈不能直接与母线相连。如果需要，可以通过特殊辅助继电器M8000来连接。
4）对于复杂电路，用ANB、ORB难于处理时，可重复使用部分触点，画出等效电路，再进行编程。
3.编程方法
1）经验法。
2）顺序控制法。
3）解析法和图解法。
4.经验设计法编程步骤
用经验设计法编程，步骤可归纳为以下几条：
1）控制模块划分（工艺分析）：在准确了解控制要求后，合理地对控制系统中的事件进行划分，得出控制要求有几个模块组成、每个模块要实现什么功能、因果关系如何、模块与模块之间怎样联络等内容。划分时，一般可将一个功能作为一个模块来处理，也就是说，一个模块完成一个功能。
2）功能及端口定义：对控制系统中的主令元件和执行元件进行功能定义、代号定义与I/O口的定义（分配），画出I/O接线图。对于一些要用到的内部软元件，也要进行定义，以方便后期的程序设计。在进行定义时，可用资源分配表的形式来合理安排元器件。
3）功能模块梯形图程序设计：根据已划分的功能模块，进行梯形图程序的设计，一个模块对应一个程序。这一阶段的工作关键是找到一些能实现模块功能的基本控制程序、典型的控制程序，对这些控制程序进行比较，选择最佳的控制程序（方案选优），并进行一定的修改补充，使其能实现所需功能。这一阶段可由几个人一起分工编写程序。
4）程序组合，得出最终梯形图程序：对各个功能模块的程序进行组合，得出总的梯形图程序。组合以后的程序，它只是一个关键程序，而不是一个最终程序（完善的程序），在这个关键程序的基础上，需要进一步地对程序进行补充、修改。经过多次反复的完善，最后要得出一个功能完整的程序。
因此，在程序组合时，一是要注意各个功能模块组合的先后顺序；二是要注意各个功能模块之间的联络信号；三是要注意线圈之间的联锁（互锁）信号；最后不要忘了程序结束时要有程序结束指令。
3.3.4 训练内容及步骤
1.编程规则练习
（1）关于左、右母线
1）将图3-9所示梯形图输入计算机，并运行，观察结果是否一样。
图3-9 梯形图
2）分析不能转换的原因，并将能够实现同一功能的梯形图输入计算机后转换。
（2）关于继电器的编号
1）将图3-10所示梯形图输入计算机。
2）分析不能进行正常输入的原因，并将能够实现同一功能的梯形图输入计算机后转换。
（3）关于双线圈输出
1）将图3-11所示双线圈输出梯形图输入计算机，转换后传入PLC中运行。
2）打开监控，按动X000、X001、X002对应的输入按钮，观察Y000和Y001的变化。
3）分析如果要让X000和X002对应的输入按钮都能控制Y000，应该如何更改程序（可有两种方法）。
图3-10 梯形图
图3-11 双线圈输出梯形图
（4）关于顺序执行的原则
1）将图3-12所示梯形图输入计算机。
2）分析不能转换的原因，并将能够实现同一功能的梯形图输入计算机后转换。
（5）关于程序的优化
1）将图3-13所示的梯形图a）和b）在梯形图窗口中分别输入计算机并转换保存。
2）调出指令表窗口将两个梯形图的指令表抄下进行比较。
3）将两个程序分别传入PLC，打开监控状态，按动X000、X001相应的输入按钮，观察Y000的变化是否一样。
图3-12 梯形图
4）将图3-14所示的梯形图a）和b）在梯形图窗口中分别输入计算机并转换保存。
图3-13 梯形图
图3-14 梯形图
5）调出指令表窗口将两个梯形图的指令表抄下进行比较。
6）将两个程序分别传入PLC，打开监控状态，按动X000、X001、X002相应的输入按钮，观察Y000的变化是否一样。
（6）复杂程序变换
将图3-15所示的梯形图a）和b）输入计算机，分析两图实现的功能是否相同。
图3-15 梯形图
2.基本编程环节练习
（1）点动控制电路 点动控制电路的几种控制方式如图3-16所示。
这四种电路可直接替换，外部接线如图3-17所示。
它们的梯形图如图3-18所示。
图3-16 点动控制电路
1）按图3-17接线。
2）将梯形图输入PLC，运行调试。
（2）起、保、停电路单元应用现有两只不带自锁的按钮SB1和SB2及一台接触器KM和一台三相交流电动机，请设计一程序实现下面功能：
按动按钮SB1，电动机起动，松开SB1后电动机可以继续运行，按动按钮SB2电动机停止。
图3-17 外部接线图
图3-18 梯形图
（3）互锁环节应用现有三只不带自锁的按钮SB1、SB2、SB3，两台接触器KM1和KM2，一台三相交流电动机，请设计一程序实现下面功能：
按动按钮SB1，电动机正转运行，按动按钮SB2，电动机可以从正转直接转入反运行，按动按钮SB3，电动机机停止运行。
（4）基本延时环节应用
1）程序1现有两只不带自锁的按钮SB1、SB2，两台接触器KM1和KM2，两台三相交流电动机M1和M2，请设计一程序实现下面功能：
按动按钮SB1，电动机M1起动运行，5s后M2电动机自动起动，按动SB2按钮，3s后M1停止，再过2s后M2停止。
2）程序2六盏灯单通循环控制。
要求：按下起动信号X0，六盏灯（Y0～Y5）依次循环显示，每盏灯亮1s。按下停车信号X1，灯全灭。
（5）上升和下降沿均可调的连续脉冲程序应用
1）现有两只不带自锁的按钮SB1、SB2，一只灯泡，请设计一程序实现下面功能：
按动按钮SB1后的2s，灯泡点亮，经过3s后灯泡熄灭，再经过2s后灯泡重新点亮，再经过3s灯泡熄灭，如此重复灯泡不断闪烁，直到按动按钮SB2灯泡停止闪烁。
2）现有两只不带自锁的按钮SB1、SB2，一只灯泡，请再设计一程序实现下面功能：
按动按钮SB1后灯泡马上点亮，经过2s后熄灭，经过3s后灯泡重新点亮，再经过2s熄灭，如此重复灯泡不断闪烁，直到按动按钮SB2灯泡停止闪烁。
（6）两分频电路应用
1）程序1：现有一只不带自锁的按钮SB1，一只灯泡，请设计一程序实现下面功能：
第一次按动SB1后，灯泡点亮，第二次按动SB1时灯泡熄灭。灯泡点亮4次后不再点亮。
2）程序2：单按钮双路单通控制。
要求：使用一个按钮控制两盏灯，第一次按下时第一盏灯亮，第二盏灯灭；第二次按下时第一盏灯灭，第二盏灯亮；第三次按下时两盏灯都灭。按钮信号X1，第一盏灯信号Y1，第二盏灯信号Y2（时序功能图见图3-19）。
3）程序3：单按钮双路单双通控制。
图3-19 时序功能图
要求：使用一个按钮控制两盏灯，第一次按下时第一盏灯亮，第二盏灯灭；第二次按下时第一盏灯灭，第二盏灯亮；第三次按下时两盏灯都亮；第四次按下时两盏灯都灭。按钮信号X1，第一盏灯信号Y1，第二盏灯信号Y2（时序功能图见图3-20）。
（7）最长得电时间限制程序应用
现有一只不带自锁的按钮SB1，一只灯泡，设计一程序实现如下功能：
按动SB1后，灯泡点亮；如果在5s内一直按SB1，灯泡会一直亮；如果按住SB1超过5s，则灯泡会自动熄灭。
（8）最短得电时间限制程序应用
现有一只不带自锁的按钮SB1，一只灯泡，设计一程序实现如下功能：
图3-20 时序功能图
按动SB1后，灯泡点亮，但每次灯泡点亮的时间不会少于5s。
（9）断电延时程序
现有一只不带自锁的按钮SB1，一只灯泡，设计一程序实现如下功能：
按动SB1后，灯泡点亮，当松开SB1后灯泡不会马上熄灭，要延时3s后才熄灭。
（10）优先电路应用
1）现有两只不带自锁的按钮SB1、SB2和两只灯泡L1、L2，设计一程序实现如下功能：
按钮SB1可以控制灯泡L1，按钮SB2可以控制灯泡L2，在SB1和SB2中先按动哪个按钮则它对应的灯泡就会点亮，而另一按钮就会失效。
2）现有四只不带自锁的按钮SB1、SB2、SB3、SB4和四只灯泡L1、L2、L3、L4，设计一程序实现如下功能：
按钮SB1可以控制灯泡L1，按钮SB2可以控制灯泡L2，按钮SB3可以控制灯泡L3，按钮SB4可以控制灯泡L4。在四只按钮中权利的级别大小顺序为SB1、SB2、SB3、SB4，即SB1的权利最大，按动SB1其对应的灯泡就会点亮，而其他的按钮就会失效；SB2的权利次之，即在SB1没有按动的情况下按动SB2其对应的灯泡会点亮而SB3和SB4按钮就会失效；按钮SB3只有在按钮SB1和SB2没有按动的情况下按动才会使其对应的灯泡点亮，而按钮SB4将会失效；按钮SB4只有在前3个按钮没有按动的情况下才会有效。
（11）比较电路（译码电路）应用
现有两只不带自锁的按钮SB1、SB2和四只灯泡L1、L2、L3、L4，设计一程序实现如下功能：
当SB1、SB2同时接通时，L1点亮；SB1、SB2皆不接通时，L2点亮；SB1不接通，SB2接通，L3点亮；SB2接通，SB1不接通，L4点亮。
3.程序设计练习
1）控制楼上/楼下照明，需要用两盏灯，两只开关，楼上/楼下照明如图3-21所示。设计程序，用PLC实现以下控制要求：在一楼利用SA1可以把HL1和HL2同时打开和关闭，在二楼利用SA2也同样可以把HL1和HL2同时打开和关闭。考虑三层以上楼道灯的PLC控制程序。
2）原料传送带传输机控制。
图3-22所示为某原料传送带传输机原理。原料从料斗经过PD—1、PD—2两台传送带传输机送出。从料斗向PD—2供料由电磁阀YV控制，PD—1和PD—2分别由电动机M1和M2驱动。
图3-21 楼上/楼下照明灯示意图
图3-22 传送带传输机原理
控制要求：
①起动。起动时为了避免在前段传送带上造成物料堆积，要求逆物料流动方向按一定时间间隔顺序起动。其起动顺序为
②停止。停止时为了使传送带上不残留物料，要求顺物料流动方向按一定时间间隔顺序停止。其停止顺序为
③紧急停止。紧急情况下无条件地把PD—1、PD—2、YV全部同时停止。
④故障停止。运转中，当M1过载时，应使PD—1、PD—2、YV同时停止。当M2过载时，应使PD—2、YV同时停止，PD—1在PD—2停止后延迟10s再停止。
I/O点编号的分配见表3-2。
表3-2 I/O点编号的分配
3）设计一个报警器，要求当条件X1=ON满足时蜂鸣器鸣叫，同时，报警灯连续闪烁16次，每次亮2s，熄灭3s，此后，停止声光报警。
4）有四台电动机，要求起动时间隔3.12s依次起动，停止时，四台电动机同时停止。
5）有四台电动机，要求起动时间隔3.123s依次起动，停止时，四台电动机同时停止。
6）有四台电动机，要求起动时间隔3min顺序起动，停止时，四台电动机逆序停止。
7）用PLC控制工作台自动往返循环工作，工作台前进、后退由电动机通过丝杠拖动。工作台示意图如图3-23所示。控制要求如下：
图3-23 工作台示意图
①自动循环工作。
②点动控制（供调试用）。
③单循环运行，即工作台前进、后退一次循环后停止在原位。
④8次循环计数控制，即工作台前进、后退为一个循环，循环8次后自动停止在原位。
8）设计一个自动实现电动机正、反转的控制程序，具体控制要求是：
按动起动按钮后，电动机开始正转，3s后电动机停止，再经过2s的延时电动机自动开始反转，直到按动停止按钮电动机停止。要设计必要的保护措施。
9）设计一个多台电动机顺序起动逆序停止控制程序，具体要求是：
按动起动按钮后电动机M1起动，经过2s后电动机M2起动，再经过3s电动机M3起动，当按动停止按钮时电动机M3停止，经过4s后M2电动机停止，再经过5s后电动机M1停止。
10）设计一可以声光报警的程序，具体要求是：
当第一次压合按钮时报警程序起动，灯泡开始闪烁，其规律为亮2s灭3s，电铃一直鸣叫，当第二次压合同一按钮时，报警程序终止，当第三次压合这一按钮时报警程序再次起动，如此重复。
11）设计一抢答器，具体要求是：
①该抢答器能实现3个选手的抢答；
②当主持人按动准许抢答的按钮时，选手可以按动抢答按钮，哪个选手最先按下按钮则他面前的指示灯就会点亮，直到主持人按动停止按钮后指示灯熄灭，而其他两个选手即使再按下按钮也不会起作用；
③如果有选手在主持人没有按动准许抢答的按钮前按动了抢答按钮，则该选手前面的指示点就会闪烁同时会有铃声报警。直到主持人按动停止按钮后，指示灯熄灭同时铃声停止。
12）设计程序完成自动台车的控制，具体要求如下：
某自动台车在起动前位于导轨的中部，如图3-24所示。
其一个工作周期的控制工艺要求如下：
①按下起动按钮SB，台车电动机M正转，台车前进，碰到限位开关SQ1后，台车电动机M反转，台车后退。
②台车后退碰到限位开关SQ2后，台车电动机M停转，台车停车，停5s，第二次前进，碰到限位开关SQ3，再次后退。
③当后退再次碰到限位开关SQ2时，台车停止。
图3-24 自动台车示意图
13）三台电动机的循环起停运转控制设计。
三台电动机要求它们相隔5s起动，各运行10s停止，并循环。
14）有一台15kW的三相交流异步电动机，现要对其进行控制，起动时采用Y-△降压起动，停止时采用能耗制动，并用时间法来控制制动速度，试设计该电动机的控制程序。
15）有一台7.5kW的三相交流异步电动机，根据设备控制要求，现要对其进行控制：
①电动机要求能实现双重联锁正、反转控制；②由于电动机功率较大，在起动时，要求采用Y-△降压起动；③在正、反转切换过程中，要求先实现能耗制动（由速度继电器控制转速），然后再在反方向起动。
16）某设备有两台电动机（M1、M2），要实现如下功能：起动时，M1做Y-△起动，时间为3S，待M1完全起动后，延时5s，M2自行起动；停止时，按一下停止按钮，M2停止，再按一下停止按钮，M1做能耗制动（由时间控制）。
17）某设备有一台电动机（M1），要求实现正、反转带反接制动控制，即正转到反转时，先进行反接制动，然后再反向起动；反转到正转时，先进行反接制动，然后再正向起动。由于反接制动时的制动电流较大，为了防止大电流对设备及电网的影响，在制动过程中由限流电阻进行限流。
18）某设备有一台双速电动机（M1），要求实现如下控制：按下起动按钮后，电动机实现正向高速运行（有一个低速起动过程，为2s），5s后自动转到正向慢速运行；再10s后，转到反向高速运行（有一个低速停止过程和低速起动过程，为2s），10s后自动停止（有一个低速停止过程，为2s）。
19）某设备有四台电动机（M1、M2、M3、M4），分别拖动四条传送带，起动时，按照M1→M2→M3→M4的顺序顺向依次起动，起动时间间隔为5s；停止时按照M4→M3→M2→M1顺序逆向依次停止，停止时间间隔为5s。在起动过程中，若按下了停止按钮，则实现逆向停止；在停止过程中，若按下了起动按钮，则实现顺向起动。
20）某设备有四台电动机（M1、M2、M3、M4），分别拖动四条传送带，起动时，按照M1→M2→M3→M4的顺序顺向依次起动，起动时间间隔为5s；停止时按照M4→M3→M2→M1顺序逆向依次停止，停止时间间隔为5s；当某台电动机发生过载时（如M2），则编号小的电动机立即停止（M2、M1），而编号大的电动机继续运行10s后自动停止。
21）设计一个报警程序，当报警信号成立时，实现报警，要求如下：蜂鸣器鸣叫，为一长音（响2s），一短音（响0.5s）；警灯以1Hz的频率闪烁，当按下复位按钮后，停止报警。
22）有一块广告牌有16个边框装饰灯L1～L16，当广告牌开始工作时，饰灯每隔0.1s从L1到L16依次正序轮流点亮，重复进行；循环两周后，又从L16到L1依次反序每隔0.1s轮流点亮，重复进行；循环两周后，再按正序轮流点亮，重复上述过程。当按下停止按钮时，停止工作。
23）设计一个单按钮控制两台电动机顺序起动的程序，即按一下M1起动，再按一下M2起动；当按下停止按钮时，两台电动机同时停止。
24）设计一个控制程序，按下起动按钮后，M1作正转，5s后，自动停止，3s后，自动转成反转，再5s后，自动停止，再3s后，又自动转成正转，如此循环。记录循环次数，当记到5次时，自动停止工作。若按下停止按钮后，立即停止工作。
25）设计一个控制程序，按下起动按钮后，M1做正转，5s后，自动停止，3s后，自动转成反转，再5s后，自动停止，再3s后，又自动转成正转，如此循环。按下停止按钮后，自动停止工作。当再次起动时，能够从上一次停止时的状态开始进行工作（即具有记忆功能）。
26）设计一个报警程序，当报警信号成立时，实现报警，要求如下：蜂鸣器鸣叫，频率为2Hz；警灯以1Hz的频率闪烁；10s后，若没有按下复位按钮，则蜂鸣器鸣叫频率变为5Hz，警灯以10Hz的频率闪烁。当按下复位按钮后，停止报警。
27）物流检测系统
要求：图3-25所示是一个物流检测系统示意图，图中3个光电传感器为BL1、BL2、BL3。BL1检测有无次品到来，有次品到则“ON”。BL2检测凸轮的突起，凸轮每转一圈，则发一个移位脉冲，因为物品的间隔是一定的，故每转一圈就有一个物品到来，所以BL2实际上是一个检测物品到来的传感器。BL3检测有无次品落下，手动复位按钮SB1图中未画出。当次品移到第4位时，电磁阀YV打开使次品落到次品箱。若无次品则正品移到正品箱。于是完成了正品和次品分开的任务。
图3-25 物流检测系统示意图
28）彩灯闪烁控制（见图3-26）。
要求：按下起动按钮X0，Y1、Y2交替闪烁5s，闪烁频率为0.5Hz；5s后，Y0、Y3同时闪烁5s，闪烁频率仍为0.5Hz，能够实现循环；按下停止按钮X1，系统停止工作。
29）抽水泵的PLC控制。
如图3-27所示用电动机抽水至储水塔。其动作如下：
①若液位传感器SQ4检测到地上蓄水池有水，并且SQ2检测到水塔未到满水位时，抽水泵电动机运行抽水至水塔。
②若SQ4检测蓄水池无水，电动机停止运行，同时指示灯亮。
③若SQ3检测到水塔水位低于下限，水塔无水指示灯亮。
④若SQ2检测到水塔满水位（高于上限），电动机停止运转。
图3-26 彩灯闪烁控制
图3-27 抽水泵动作示意图
⑤发生停电，恢复供电时，抽水泵自动控制系统能继续工作。
方案提示：
①本课题可用一般指令组合起来完成控制。
②若用PLC和变频器控制恒压变频供水系统，则要在水箱上再增加一水位检测开关SQ1，即水位在SQ1位置上，一台电动机工频运行，一台电动机在变频下运行。若水位在SQ3时，两台电动机均在工频状态下运行。在SQ2位置时，电动机应停止。
若增加一台变频器、两台抽水泵电动机，试设计恒压变频供水PLC控制系统，并编写程序。
30）纵、横油缸控制。
图3-28所示为某机床纵、横两个油缸的液压原理图。纵向油缸和横向油缸，它们的进给和退回受YV1～YV6电磁阀驱动动作。工艺要求如下：
按下起动按钮SB后，YV1得电，纵向油缸纵向快进，到达限位行程开关SQ2位置时，撞块压下SQ2，YV3得电，纵向油缸立即切换为工进。工进到限位行程开关SQ3位置时，撞块压下SQ3，纵向油缸即停止不动，经过延时1.5s后，YV4得电，横向油缸开始快进，到达SQ5位置时，YV6得电，切换为工进。最后到达SQ6位置时，再经过2s延时，YV4与YV6失电，YV5得电，横向油缸立即快速退回。退到原位，压合原位行程开关SQ4，YV5失电，立即在原位停止。与此同时，YV1与YV3失电，YV2得电，纵向油缸开始快退，退到原位，压合原位行程开关SQ1时YV2失电，就在原位停止，完成一个循环周期。根据上述工艺要求，设计一个用FX2 PLC的控制程序。
PLC控制系统设计端口分配表见表3-3。
表3-3 PLC控制系统设计端口分配表
图3-28 某机床纵、横两个油缸的液压原理图