PLC程序逻辑设计方法优化策略

逻辑设计方法是以逻辑组合或逻辑时序的方法和形式来设计PLC程序，可分为组合逻辑设计法和时序逻辑设计法两种。这些设计方法既有严密可循的规律性、明确可行的设计步骤，又具有简便、直观和规范的特点。

1.PLC程序的组合逻辑设计法

（1）逻辑函数与梯形图的关系

组合逻辑设计法的理论基础是逻辑代数。我们知道，逻辑代数的三种基本运算“与”、“或”、“非”都有着非常明确的物理意义。逻辑函数表达式的线路结构与PLC梯形图相互对应，可以直接转化。

图5-32所示为逻辑函数与梯形图的对应关系，其中图5-32a是多变量的逻辑“与”运算函数与梯形图，图5-32b为多变量“或”运算函数与梯形图，图5-32c为多变量“或与”运算函数与梯形图，图5-32d为多变量“与或”运算函数与梯形图。

图5-32 逻辑函数与梯形图的对应关系

a）“与”运算 b）“或”运算 c）“或与”运算 d）“与或”运算

由图5-32可知，当一个逻辑函数用逻辑变量的基本运算式表达出来后，实现这个逻辑函数的梯形图也就确定了。

（2）组合逻辑设计法的编程步骤

组合逻辑设计法适合于设计开关量控制程序，它是对控制任务进行逻辑分析和综合，将元件的通、断电状态视为以触点通、断状态为逻辑变量的逻辑函数，对经过化简的逻辑函数，利用PLC逻辑指令可顺利地设计出满足要求且较为简练的程序。这种方法设计思路清晰，所编写的程序易于优化。

用组合逻辑设计法进行程序设计一般可分为以下几个步骤：

1）明确控制任务和控制要求，通过分析工艺过程绘制工作循环和检测元件分布图，取得电气执行元件功能表。

2）详细绘制系统状态转换表。通常它由输出信号状态表、输入信号状态表、状态转换主令表和中间记忆装置状态表四个部分组成。状态转换表全面、完整地展示了系统各部分、各时刻的状态和状态之间的联系及转换，非常直观，对建立控制系统的整体联系、动态变化的概念有很大帮助，是进行系统的分析和设计的有效工具。

3）根据状态转换表进行系统的逻辑设计，包括列写中间记忆元件的逻辑函数式和执行元件（输出量）的逻辑函数式。这两个函数式组，既是生产机械或生产过程内部逻辑关系和变化规律的表达形式，又是构成控制系统实现控制目标的具体程序。

4）将逻辑设计的结果转化为PLC程序。逻辑设计的结果（逻辑函数式）能够很方便地过渡到PLC程序，特别是语句表形式，其结构和形式都与逻辑函数式非常相似，很容易直接由逻辑函数式转化。当然，如果设计者需要由梯形图程序作为一种过渡，或者选用的PLC的编程器具有图形输入的功能，则也可以首先由逻辑函数式转化为梯形图程序。

（3）组合逻辑设计举例

下面通过步进电动机环形分配器的PLC程序来进行说明：

1）工作原理。步进电动机控制主要有三个重要参数，即转速、转过的角度和转向。由于步进电动机的转动是由输入脉冲信号控制，所以转速是由输入脉冲信号的频率决定，而转过的角度由输入脉冲信号的脉冲个数决定。转向由环形分配器的输出通过步进电动机A、B、C相绕组来控制，环形分配器通过控制各相绕组通电的相序来控制步进电动机转向。

图5-33给出了一个双向三相六拍环形分配器的逻辑电路。电路的输出除决定于复位信号RESET外，还决定于输出端Q_A、Q_B、QC的历史状态及控制信号EN使能信号、CON正反转控制信号和输入脉冲信号。其真值表如表5-5所示。

图5-33 步进电动机环形分配器的逻辑电路

表5-5 真值表

2）程序设计。程序设计采用组合逻辑设计法，由真值表可知：

当CON＝0时，输出Q_A、Q_B、Q_C的逻辑关系为

当CON＝1时，输出Q_A、Q_B、Q_C的逻辑关系为

Qⁿ_A＝Qⁿ_C Qⁿ_B＝Qⁿ_A Qⁿ_C＝Qⁿ_B

当CON＝0，正转时步进电动机A、B、C相线圈的通电相序为(www.xing528.com)

A→AB→B→BC→C→CA→A……

当CON＝1，反转时各相线圈通电相序为

A→AC→C→CB→B→BA→A……

Q_A、QB、QC的状态转换条件为输入脉冲信号上升沿到来，状态由前一状态转为后一状态，所以在梯形图中引入了上升沿微分指令。

PLC输入／输出元件地址分配如表5-6所示。

表5-6 PLC输入／输出元件地址分配

根据逻辑关系画出步进电动机环形分配器的梯形图，如图5-34所示。

梯形图工作原理简单分析如下：设初始状态为RESET有效。X2常开触点闭合，Y0输出为1状态，Y1、Y2为0状态，RESET无效后，上述三输出状态各自保持原状态。CON＝0（X3＝0），当EN（X1＝1）有效，且有输入脉冲信号CLK（X0）输入，CLK（X0）上升沿到来，M0辅助继电器常开触点闭合一个扫描周期。在此期间，各输出继电器状态自保持失效，Y0输出保持为1状态，Y1输出由0变1，Y2输出状态为0。一个扫描周期过后，M0常开触点断开，常闭触点闭合，各输出继电器状态恢复自保持，等待下一个输入脉冲信号上升沿的到来。

2.PLC程序的时序逻辑设计法

（1）概述

时序逻辑设计法适用于PLC各输出信号的状态变化有一定的时间顺序的场合，在程序设计时根据画出的各输出信号的时序图，理顺各状态转换的时刻和转换条件，找出输出与输入及内部触点的对应关系，并进行适当化简。一般来讲，时序逻辑设计法应与经验法配合使用，否则将可能使逻辑关系过于复杂。

（2）时序逻辑设计法的编程步骤

1）根据控制要求，明确输入／输出信号个数。

2）明确各输入和各输出信号之间的时序关系，画出各输入和输出信号的工作时序图。

3）将时序图划分成若干个时间区段，找出区段间的分界点，弄清分界点处输出信号状态的转换关系和转换条件。

4）PLC的I／O、内部辅助继电器和定时器／计数器等进行分配。

5）列出输出信号的逻辑表达式，根据逻辑表达式画出梯形图。

6）通过模拟调试，检查程序是否符合控制要求，结合经验设计法进一步修改程序。

图5-34 步进电动机环形分配器的梯形图

（3）时序逻辑设计举例

1）控制要求。有A1和A2两台电动机，按下起动按钮后，A1运转10min，停止5min，A2与A1相反，即A1停止时A2运行，A1运行时A2停止，如此循环往复，直至按下停车按钮。

2）I／O分配。X0为起动按钮，X1为停车按钮，Y0为A1电动机接触器线圈，Y1为A2电动机接触器线圈。

3）画时序图。为了使逻辑关系清晰，用中间继电器M0作为运行控制继电器，且用T0控制A1运行时间，T1控制A1停车时间。根据要求画出时序图，如图5-35所示。由该图可以看出，T0和T1组成闪烁电路，其逻辑关系表达式为

图5-35 两台电动机顺序控制时序图

4）设计梯形图。结合逻辑关系画出的梯形图如图5-36所示。最后，还应分析一下所画梯形图是否符合控制要求。