任務5-1小車自動往復運動的PLC控制當今自動化領域，尤其自動化、智能化生產線中，經常用到典型的順序控制邏輯，因為邏輯本身的關系，采用經驗設計法及基本指令編程時存在以下問題：（1）工藝動作表達繁瑣。（2）梯形圖涉及的聯鎖關系較復雜，處理起來較麻煩。（3）梯形圖可讀性差，很難從梯形圖看出具體控制工藝過程。為此，人們一直在尋求一種易于構思，易于理解的圖形程序設計工具，它應有流程圖的直觀又有利于復雜控制邏輯關系的分解與綜合——這就是狀態轉移圖。狀態轉移圖的基本結構有單流程、選擇性、并行性等多種；同時，若要將狀態轉移圖轉換為最后的PLC程序，則需要用到步進指令：STL和RET。本項目主要講解順序邏輯控制及步進指令的應用。一、任務描述

某自動小車在起動前位于導軌的中部，如圖5-1-1所示。其一個工作周期的控制要求如下：（1）按下起動按鈕SB（X000），小車電機M正轉（Y001），小車前進，碰到限位開關SQ1（X001）后，小車電機M反轉（Y002），小車后退。（2）小車后退過程碰到限位開關SQ2（X002）后，電機M停轉，小車停止，停止5s后，第二次前進，碰到限位開關SQ3（X003），再次后退。（3）當再次后退碰到限位開關SQ2時，小車停止。

圖5-1-1小車往返運行示意圖試完成滿足上述要求的PLC控制。理解順序控制邏輯；掌握步進指令STL、RET的使用；掌握單流程順序控制的PLC程序設計方法。能繪制對應順序控制的狀態轉移圖；能正確將狀態轉移圖轉換為梯形圖；能熟練掌握順序控制的完整PLC程序設計方法。二、任務目標

三、相關知識

知識點1狀態轉移圖狀態轉移圖又叫順序功能圖。為了說明狀態轉移圖，現將小車往返運動的各工作步驟用工序來表示，并按照工作順序將工序連接成圖5-1-2所示。這就是狀態轉移圖的雛形。圖5-1-2小車往返運動步序圖從圖5-2可以看出，步序圖具有以下特點：（1）將復雜的任務或過程分解成若干個工序（狀態）。無論多么復雜的工作過程均可分化為的更小的工序，此思想有利于程序的結構化設計。（2）對于其中某一個具體的工序來說，控制任務實現了簡化，局部程序的編制更加簡潔方便。（3）整體程序是局部程序的綜合，只要弄清各工序成立的條件和相應的輸出、各工序轉移的條件和轉移方向，就可以進行這類圖形的設計。（4）這種圖很容易理解，可讀性很強，能清晰地反映全部控制工藝過程。其實，將上圖中的“工序”更改為”狀態”，就得到了狀態轉移圖——狀態編程法的重要工具。狀態編程的一般思想為：將一個復雜的控制過程分解為若干個工作狀態，弄清每個狀態的工作細節（功能、轉移條件和轉移方向），再依據總的控制順序要求，將這些狀態連接起來，便可形成狀態轉移圖，進而編繪梯形圖程序。（1）步所謂的“步”是指控制過程中的一個特定狀態。它又分為初始步和工作步，狀態轉移圖中初始步用雙線框表示，工作步用單線框表示。初始步是表示一個控制系統的初始狀態，故每個控制系統都必須有初始步，初始步可以沒有具體完成的動作。當轉移條件被滿足時，轉移條件所指向的工作步就被激活為活動步。活動步可以驅動具體的輸出，完成相應的動作。

1.狀態轉移圖的組成要素狀態轉移圖是一種用于描述順序控制系統的編程語言，主要由步、轉移和動作組成。（2）轉移轉移分為轉移方向（有向連線）和轉移條件。在狀態轉移圖中，隨著時間的推移和轉移條件的滿足，將會使步的活動狀態隨之移動，它的移動路線和方向由有向連線來決定。所謂有向連線是指步與步之間的連線。步的活動狀態一般是從上到下或者從左到右，故在這兩個方向上的有向連線的箭頭可以省略，但如果不是這兩個方向上的，就應該在有向連線上用箭頭注明移動方向。因狀態轉移圖涉及到狀態的轉移，所以在步與步之間必須要有轉移條件。通常用垂直于有向連線的短線來表示，在短線旁邊標注出從前一步的活動步轉移到下一步的轉移條件。轉移條件通常用文字語言、邏輯方程或圖形符號表示。如轉移條件X、分別表示當邏輯信號為ON和OFF時，狀態轉移。在使用狀態轉移圖時要注意，轉移的前一步必須是活動步，當轉移條件滿足后，當前步變為活動步，前一步被自動復位，即由完成前一步動作，轉移到執行下一步動作。（3）動作動作是指某步處于活動步狀態時，PLC向被控系統發出命令，如輸出繼電器Y000線圈得電。下面舉例說明，如圖5-1-3所示。(a)狀態轉移圖(b)梯形圖圖5-1-3狀態轉移圖舉例在圖5-3中，S0、S20、S21所在的位置都為“步”，因S0用雙線框表示，故S0是初始步，它的右側沒有驅動任何輸出，所以它可以不完成具體的工作。當PLC開始運行時，M8002產生一個初始化脈沖使初始狀態S0置1，在X001置1后，狀態轉移到S20，使S20置1，S20所在的步成為活動步，同時S0自動復位，S20驅動Y001得電。當X002置1后，狀態向下轉移到S21，使S21置1，S21所在的步成為活動步，S20復位，S21驅動Y002得電。當X003被置1后，狀態重新回到S0的初始狀態停下來。在圖5-3中，S0與S20之間的連接線為有向連線，說明了狀態轉移路線和方向從上到下，故箭頭省略了。但從S21到S0的轉移方向是從下到上，所以需要箭頭指明轉移方向了。X001就是從S0狀態轉移到S20狀態的轉移條件，在轉移前S0是活動步，X001置1條件滿足后，S20就變為活動步了。當S20為活動步時，輸出繼電器Y001線圈就得電動作了。在繪制狀態轉移圖時，應注意以下幾點：（1）狀態轉移圖必須要有初始態。若沒有該狀態，一是無法表示系統的初始狀態，二是系統無法返回到停止狀態。（2）若狀態轉移順序不是從上到下、從左到右時，有向連線的箭頭不能省略。（3）步與步之間不能直接連接，必須要有轉移條件將兩步隔開。在步的活動狀態轉移過程中，相鄰兩步的狀態繼電器會同時接通一個掃描周期，會引發瞬時雙線圈問題。如在狀態轉移圖中同一定時器的線圈可以在不同的步中使用，這樣可以節省定時器的使用數量。但有一種情況除外，即相鄰兩步不能使用同一定時器。若同一定時器的線圈用在相鄰兩步上，在步的活動狀態轉移時，該定時器的線圈還沒斷開，又被下一活動步啟動計時，導致定時器的當前值不能復位，無法正常運行。如果軟件無法解決雙線圈問題，也可試試從硬件方面解決。

2.狀態轉移圖的基本結構

根據步與步之間轉移的情況不同，狀態轉移圖可分為單序列、選擇序列、并行序列、跳轉與循環序列4種不同的基本結構形式。圖5-1-4狀態轉移圖的四種結構（1）單序列如圖5-1-4（a）所示，單序列的狀態轉移只有一種順序，所有的步依次被激活，每步后面只有一個轉移，每個轉移后面也只有一個步。圖5-1-4（a）中，從S0到S21被順序激活，兩步之間的轉移條件只有一個。（2）選擇序列如圖5-1-4（b）所示，選擇序列用單水平線表示，選擇序列的開始稱為分支，在一個步后可以有兩條或兩條以上的分支，但每次只能從多個分支中選擇其中的一條分支執行。為保證只選擇一條分支執行，需對各分支的轉移條件加以約束。各條分支的轉移條件標注在水平線以下。在圖5-1-4（b）中有兩條分支，當S20為活動步時，若X001被置1，則活動步將轉移到S21，S21所在的分支被執行；若X002被置1，則活動步將轉移到S31，S31所在的分支被執行。選擇序列的結束稱為合并，幾個選擇序列合并到一個公共序列時，各分支的轉移條件匯合在同一單水平線，其后直接接公共步。圖5-1-4（b）中，不管哪條分支被執行，只要對應的轉移條件（X005或X006）滿足，都可以使S23被激活。（3）并行序列如圖5-1-4（c）所示，并行序列的結構和選擇序列相似，但也有不同。并行序列用的是雙水平線表示，當滿足某一轉移條件后，幾條分支被同時激活，各自完成所在分支的全部動作，在所有分支的動作都完成，且轉移條件滿足后，狀態轉移至公共步，故該轉移條件必須出現在雙水平線下。在圖5-1-4(c)中，當S20為活動步，X001被置1后，S21、S31所在的兩條分支同時被執行，沒有先后之分。當各分支的動作全被執行完（先執行完的要等后執行完的），且X005被置1，則S23被激活。（4）跳轉與循環序列如圖5-1-4（d）所示，跳轉序列是表示執行過程中跳過了某些步（狀態），循環序列是指重復執行某些狀態。在圖5-1-4（d）中，當S20是活動步，而X002被置1時，狀態直接跳過了S21、S22，S23被直接激活，這就是跳轉。跳轉有向后跳轉、向前跳轉、向外程序跳轉和自復位跳轉。若X001被置1時，程序中的工作步S20到S23依次被激活，當S23成為活動步，且X007被置1時，狀態重新轉移到S20，再進行下一次循環，這就是循環序列。

知識點2狀態繼電器（S）狀態繼電器是構成狀態轉移圖的基本元素，是可編程控制器的軟元件之一。FX3U系列PLC共有狀態繼電器4096點（S0~S4095），其分類、編號、數量及用途如表5-1-1所示。表5-1-1FX3U系列PLC的狀態元件

知識點3步進指令FX3U系列PLC的步進指令有兩條：步進梯形開始指令（STL指令）和步進返回指令（RET指令）。STL指令是步進梯形圖的開始，利用內部軟元件（狀態繼電器）進行工序步控制的指令；RET是步進結束指令，是表示狀態流程圖結束，用于返回到主程序（左母線）的指令。按一定的規則編寫的步進梯形圖也可作為順序功能圖（SFC圖）處理，從順序功能圖反過來也可形成步進梯形圖。步進指令的名稱、助記符、功能及梯形圖表示等使用要素如表5-1-2所示。1.步進指令（STL、RET）使用要素表5-1-2步進指令（STL、RET）使用要素表2.步進指令的使用說明步進指令的使用說明如圖5-1-5所示。a)順序功能圖b)梯形圖c)指令表圖5-1-5STL指令使用說明1）步進梯形開始指令STL只有與狀態繼電器S配合時才具有步進功能。使用STL指令的狀態繼電器常開觸點稱為STL觸點，沒有常閉的STL觸點。用狀態繼電器代表功能圖的各步，每一步都具有三種功能：負載驅動處理、指定轉移條件和指定轉移目標。2）STL觸點是與左母線相連的常開觸點，類似于主控觸點，并且同一狀態繼電器的STL觸點只能使用一次（并行序列的合并除外）。3）STL觸點可以直接驅動或通過別的觸點驅動Y、M、S、T或C等元件的線圈，STL觸點也可以使Y、M和S等元件置位或復位。與STL觸點相連的觸點應使用LD、LDI、LDP和LDF指令，在轉移條件對應的回路中，不能使用ANB、ORB、MPS、MRD及MPP指令。4）如果使狀態繼電器置位的指令不在STL觸點驅動的電路塊內，那么執行置位指令時，系統程序不會自動地將前級狀態步對應的狀態繼電器復位。5）驅動負載使用OUT指令。當同一負載需要連續多步驅動時可使用多重輸出，也可使用SET指令將負載置位，等到負載不需要驅動時再用RST指令將其復位。6）STL觸點之后不能使用MC/MCR指令，但可以使用跳轉指令。7）由于CPU只執行活動步對應的電路塊，因此使用STL指令時允許“雙線圈”輸出，如圖5-1-6、圖5-1-7所示。圖5-1-6雙線圈輸出5-1-7相鄰步相同編號定時器輸出8）在狀態轉移過程中，由于在瞬間（1個掃描周期），兩個相鄰的狀態會同時接通，因此為了避免不能同時接通的一對輸出同時接通，必須設置外部硬接線互鎖或軟件互鎖，如圖5-1-8所示。圖5-1-8正反轉的軟件互鎖控制9）各STL觸點的驅動電路塊一般放在一起，最后一個STL電路塊結束時，一定要使用步進返回指令RET使其返回主母線。

知識點4步進梯形圖中常用的特殊輔助繼電器在SFC控制中，經常會用到一些特殊輔助繼電器，如表5-1-3所示。

表5-1-3步進梯形圖中常用的特殊輔助繼電器在步進順控指令編制的程序中，特別注意初始步的進入條件，初始步可由其它狀態繼電器驅動，但是最開始運行時，初始狀態處必須用其它方法預先驅動，使之處于工作狀態。初始步由PLC啟動運行，使特殊輔助繼電器M8002接通，從而使狀態繼電器S0置1。M8002稱為初始化脈沖，在PLC每一次由STOP到RUN狀態時有效，即初始態S0被M8002激活為“活動步”。但M8002只在PLC初次通電時具有復位功能，一旦程序開始被執行，要想完成停止復位或保護復位，就要借助于其它的復位條件，如圖5-3中與M8002并聯的X000。

知識點5初始狀態編程下面通過一個單序列的編程說明。(a)狀態轉移圖(b)梯形圖(c)指令表圖5-1-9STL指令順序控制梯形圖如圖5-1-9所示的小車在一個周期內的運動由S20～S23代表的4步組成，S0是初始步。假設小車位于原點（最左端），X000為ON，系統處于初始步，當PLC由STOP轉換到RUN狀態時，M8002將S0置1變為活動步。按下啟動按鈕X003，步S0到步S20的轉換條件滿足，系統由初始步轉換到步S20。S20的STL觸點接通后，Y000的線圈“通電”，小車右行，行至最右端時，限位開關X002變為ON，使S21置位，S20被系統程序置為OFF狀態，小車變為左行，小車將這樣一步一步地順序運行下去。第二次左行碰到限位開關X000時，返回起始點，并停留在初始步。在該例中，PLC初始通電時，將初始步S0激活為活動步，才能進行下面一系列的動作。四、任務實施

1.I/O地址分配先安排輸入、輸出端口及機內器件。小車由電機M驅動，正轉（前進）由PLC的輸出點Y1控制，反轉（后退）由Y2控制。為了解決延時5s，選用定時器T0。將起動按鈕SB及限位開關SQ1、SQ2、SQ3分別接于X0、X1、X2、X3。I/O分配表如5-1-4所示。表5-1-4小車往返控制的I/O分配表圖5-1-10PLC硬件接線圖

2.繪制PLC外部接線圖

根據I/O分配表，繪制PLC外部接線圖如圖5-1-10所示。運用狀態編程思想設計狀態轉移圖的方法和步驟：注意：雖然S20與S23（均為前進），S21與S24（均為后退），功能相同，但它們是狀態轉移圖中的不同工序，也就是不同狀態，故編號也不同。

3.狀態轉移圖的繪制1）將整個過程按任務要求分解為若干狀態其中的每個工序均對應一個狀態，并分配狀態元件如下。表5-1-5小車往返控制狀態元件分配2）理清每個狀態的功能、作用S0PLC上電后的工作準備狀態。S20前進（輸出Y1，驅動電動機M正轉）。S21后退（輸出Y2，驅動電動機M反轉）。S22延時5s（定時器T0計時，設定為5s，延時到T0觸點動作）。S23第二次前進（輸出Y1，驅動電動機M正轉）。S24第二次后退（輸出Y2，驅動電動機M反轉）。各狀態的功能是通過PLC驅動其各種負載來完成的。負載可由狀態元件直接驅動，也由其他軟元件觸點的邏輯組合驅動，如圖5-11所示。圖5-1-11狀態的負載驅動3）找出每個狀態的轉移條件即在什么條件下該狀態被“激活”。狀態轉移圖就是由狀態、轉移條件、轉移方向構成的流程圖，理清轉移條件是必須的。經分析可知，本任務中各狀態的轉移條件如下。S20轉移條件SBS21轉移條件SQ1S22轉移條件SQ2S23轉移條件T0S24轉移條件SQ3狀態的轉移條件可以是單一的，也可以有多個元件的串、并聯組合。如圖5-1-12所示。前面狀態向S20的轉移條件為X0與T0常開觸點串聯，再與X1常開觸點并聯；S20向S21的轉移條件則只有一個X2常開觸點。圖5-1-12狀態的轉移條件經過以上3步，可以得到小車往返控制的順控狀態轉移圖如圖5-1-13所示。圖5-1-13小車往返控制狀態轉移圖所謂單流程，是指狀態轉移只有一種順序。小車自動往返的工作過程的唯一順序：S0→S20→S21→S22→S23→S24→S0，沒有其它可能，所以叫單流程。當然，現實當中并非所有的順序控制都只有一種順序。含有多種路徑的流程叫分支流程。分支流程將在后續任務中介紹。

4.單流程狀態轉移圖的編程（1）單流程狀態轉移圖的編程方法1）狀態轉移圖的編程要素對狀態轉移圖進行編程，不僅是使用STL、RET指令的問題，還要搞清楚狀態的特性及要素。狀態轉移圖中的狀態有負載驅動、轉移目標、指轉移條件三個要素。其中指定轉移目標和轉移條件是必不可少的，而負載驅動則視具體情況而定，也可能不進行實際的負載驅動。圖5-1-14說明了狀態轉移圖和梯形圖的對應關系。其中Y5為狀態S20的負載驅動，S21為其轉移目標，X2為其轉移條件。圖5-1-14狀態轉移圖與梯形圖對應關系2）狀態轉移圖的編程方法狀態轉移圖的編程本質就是將圖中所有狀態的各元素轉換為對應的指令或梯形圖結構。對于任一個狀態的編程就是激活該狀態，然后列寫其三要素（順序原則為：先負載驅動，然后轉移條件、轉移方向）。圖5-1-14對應的指令程序如下：STLS20//激活狀態。OUTY5//負載驅動LDX3//轉移條件SETS21//轉移方向從程序可看到，進行負載驅動及轉移處理之前，首先要使用STL指令激活該狀態，這樣才能保證負載驅動和狀態轉移均是在子母線上進行（屬于該狀態）。狀態的轉移使用SET指令，但若為向上轉移、向非相連的下方轉移或向其他流程轉移，則稱為跳轉，跳轉處理時不能使用SET指令，而用OUT指令。如圖5-1-15所示。圖5-1-15跳轉狀態轉移圖STL指令的含意是提供一個步進接點，狀態的三個要素均在步進接點之后的子母線上實現。若對應的狀態是開啟（即”激活”）的，則狀態的負載驅動和轉移才有可能發生。若對應狀態是關閉的，則負載驅動和狀態轉移就不可能執行。因此，除初始狀態外，其它所有狀態只能在其前一個狀態處于激活且轉移條件成立時才能開啟。同時一旦下一個狀態被“激活”，那么“激活”它的上一個狀態會自動關閉。從PLC程序的循環掃描執行原理出發，在狀態編程程序段落中，所謂“激活”可以理解為該段程序被掃描執行。而“關閉”則可以理解為該段程序被忽略，不能掃描執行。這樣，狀態轉移圖的分析就變得十分條理清楚，無需考慮狀態間的繁雜聯鎖關系，可以理解為“只干自己需要干的事，無需考慮其它”。另外，這也方便程序的閱讀理解，使程序的調試、故障排查、試運行等變得非常直觀簡單，這就是運用狀態編程思想解決順控問題的優點所在。（2）狀態的開啟與關閉及狀態轉移圖執行的特點1）狀態編程的順序為：先進行負載驅動，再進行轉移處理，不能顛倒。2）對狀態的處理，編程時必須使用步進接點指令STL。3）步進程序的最后必須使用步進返回指令RET，返回主母線。（3）編程要點及注意事項4）在狀態程序中，不同時“激活”的“雙線圈”是允許的（如多個狀態中可以有同一個元件的線圈）。但相鄰狀態使用的T、C元件，編號不能相同。5）負載驅動使用OUT指令時，當同一負載需要連續多個狀態驅動時，可使用多重輸出，也可使用SET指令將負載置位，等到負載不需驅動時再用RST指令將其復位。（3）編程要點及注意事項6）負載的驅動、狀態的轉移條件可能為多個元件的邏輯組合，視具體情況，按串、并聯關系處理，不能遺漏。7）若為不連續轉移，不能使用SET指令進行狀態轉移，應改用OUT指令。3）步進程序的最后必須使用步進返回指令RET，返回主母線。8）在STL與RET指令之間不能使用MC、MCR指令。9）初始狀態可由其它狀態驅動，但運行開始必須采用相應的方法預先作好驅動，否則狀態流程不可能向下進行。一般用系統的初始條件，若無初始條件，可用M8002（PLC從STOP狀態到RUN狀態切換時的初始脈沖）進行驅動。10）需在停電恢復后繼續原狀態運行時，可使用S500-S899停電保持狀態元件。根據前述，將小車往返運動的狀態轉移圖根據編程原則和注意事項，繪制步進梯形圖，如圖5-16所示。（4）小車往返運動的步進指令梯形圖圖5-1-16小車往返運動步進梯形圖利用編程軟件將編寫的梯形圖程序寫入PLC，按照圖5-1-10進行PLC外部接線，調試時請參照順序功能圖5-1-13，將PLC運行模式達到RUN狀態，按下X0，觀察Y1是否得電；按下X1，Y1是否失電，Y2是否得電；按下X2，Y2是否失電，延時5s后，Y1是否得電；按下X3，Y1是否失電，Y2是否得電，再次按下X2，Y2是否失電，以此類推，按照順序功能圖的順序對程序進行調試，觀察運行結果是否達到控制要求。

5.調試運行在順序控制步進梯形圖中，當前步的后級步成為活動步是用SET或OUT指令實現的，它的前級步變為不活動步是如何實現的？

6.分析與思考控制要求為：三盞彩燈HL1、HL2、HL3，按下啟動按鈕，HL1點亮，1s后HL1滅、HL2點亮，1s后HL2滅、HL3點亮，1s后HL3后滅，1s后HL1、HL2、HL3全亮，1s后HL1、HL2、HL3全滅，1s后HL1、HL2、HL3全亮，1s后HL1、HL2、HL3全滅,1s后HL1點亮……如此循環；按停止按鈕系統停止運行。五、任務拓展（一）彩燈閃爍的PLC控制

1.I/O地址分配

彩燈閃爍PLC控制I/O地址分配如表5-1-7所示。表5-1-7彩燈閃爍PLC控制I/O分配表