老式洗衣机怎么用

云南大学滇池学院

创新设计论文

论文题目：PLC全自动洗衣机控制系统

院系：计电系

*****

学号：***********

专业：电子信息工程

指导教师：***

2011年6月日

1

摘要

本文介绍了可编程序控制器（PLC）和PLC控制系统的基本知识，包括PLC

的定义、特点、分类、技术指标、基本结构、工作原理、硬件知识、西门子S7-200

系列PLC的程序设计基础及PLC控制系统等知识。然后以西门子公司的S7-200

系列小型PLC为控制装置，设计了一个简单的全自动洗衣机控制系统，并描述了

全自动洗衣机控制系统的设计过程和运行结果。

关键词：PLC可编程控制器、全自动洗衣机、自动控制

1

目录

1．概述.............................................................1

1.1PLC产生背景..................................................................................................1

1.2PLC的基本概念与基本结构..........................................................................1

1.3PLC的特点与应用领域..................................................................................3

的硬件与工作原理.............................................5

2.1PLC的硬件......................................................................................................5

2.2PLC的工作原理..............................................................................................6

2.3S7-200系列PLC.............................................................................................8

3．PLC程序设计基础.................................................9

3.1PLC的编程语言与程序结构..........................................................................9

3.2存储器的数据类型与寻址方式...................................................................10

3.3位逻辑指令...................................................................................................12

3.4定时器与计数器指令...................................................................................13

4．数字量控制系统程序设计方法......................................15

4.1梯形图的经验设计法....................................................................................15

4.2顺序控制设计法与顺序功能图...................................................................15

4.3使用起保停电路的顺序控制梯形图设计方法............................................19

4.4以转换为中心的顺序控制梯形图设计方法...............................................20

4.5使用SCR指令的顺序控制梯形图设计方法...............................................20

5.全自动洗衣机控制系统............................................22

5.1划分工步........................................................................................................22

5.2I/O端口分配及系统分析............................................................................23

5.3顺序功能图...................................................................................................23

5.4梯形图............................................................................................................24

5.5系统调试与运行............................................................................................26

5.6实验小结........................................................................................................26

参考文献...............................................................................................................26

1

1．概述

1.1PLC产生背景

可编程序控制器(ProgrammableLogicController,PLC)在产生之间，主要

用继电器作为产生系统的控制。继电器的三大作用：弱电控制强电、电气隔离、

进行简单逻辑运算，因为这些作用较适合当时对自动控制要求还比较的低的工业

生产，所以在PLC未产生之前，它得到了大量的运用。

传统的继电器控制系统，因为控制系统要求比较简单，所以使用的继电器数

量较少，成本低，维修还不太困难，系统反应速度还能满足生产要求，但现代社

会要求制造业对市场需求作出迅速反应，生产出小批量、多品种、多规格、低成

本和高质量的产品，传统的继电器控制系统成为实现这一目标的巨大障碍。因为

庞大的控制系统如果采用继电器的控制，要求的继电器的数量是巨大的，这使得

系统的控制速度慢，易出故障，可靠性不高，维修困难，功耗大，灵活性变差。

因此需要寻求一种新的控制装置来取代老式的继电器控制系统，使电气控制系统

的工作更加可靠、更容易维修和适应经常变化的工业生产条件，于是PLC便在这

种情况下产生了。

1.2PLC的基本概念与基本结构

1.2.1PLC的基本概念

可编程序控制器(PLC):可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统,专

为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行

逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模

拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制及其有关设

备，都应按易于使工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。

1.2.2PLC的基本结构

PLC主要同CPU模块、输入模块（input）、输出模块（output）、编程器和

电源模块组成（如图1-1）。

1．CPU模块

CPU模块主要由微处理器（CPU芯片）和存储器组成。在PLC控制系系统中,CPU

模块相当于人的大脑和心脏,它不断地采集输入信号，执行用户程序，刷新系统

的输出；存储器用来储存程序和数据，它的物理存储器分为：随机存取存储器

（RAM）、只读存储器（ROM）、可以电擦除可编程的只读存储器（EEPROM）。

2

2．I/O模块

输入（Input）模块和输出（Output）模块简称为I/O模块，它们相当于人

的眼、耳、手、脚，是联系外部现场设备和CPU模块的桥梁。

I/O模块的作用：

输入模块用来接收和采集输入信号。PLC通过输入模块检测被控对象或被控

生产过程的各种参数，这些参数数据输入到PLC中用来控制PLC工作。

（a）开关量输入模块用来接收从按钮、选择开关、限位开关、接近开关、

光电开关、压力继电器等来的开关量输入信号。

（b)模拟量输入模块用来接收电位器、测速发电机和各种变送器提供的连

续变化的模拟量电流电压信号。

输出模块将PLC处理的结果送出PLC去控制外部设备，达到控制工业生产过

程的目的。

（a）开关量输出模块用来控制接触器、电磁阀、电磁铁、指示灯、数字显

示装置和报警装置等输出设备。

（b）模拟量输出模块用来控制调节阀、变频器等执行机构。

通过上面对I/O模块的功能介绍和图1-1，简单的概括I/O模块的功能：传

递信号、电平变换、噪声隔离。

3．编程器

编程器用来生成用户程序，并用它来编辑、检查、修改、调试用户程序，监

视用户程序执行情况。现在的发展趋势，编程软件取代了手持式编程器，在计算

器上编好的PLC程序编译无错后通过通信电缆下载到PLC上来达到编程器的目

的，所以现在的PLC大多都没有带编程器。

4．电源

PLC使用AC220V电源或DC24V电源。内部的开关电源为各模块提供不同

电压等级的直流电源。小型PLC可以为输入电路和外部的电子传感器提供DC24V

电源，驱动PLC负载的直流电源一般由用户提供。

CPU

模块

输

入

模

块

输

出

模

块

编程装置

可编程序控制器

按钮

选择开关

限位开关

电源

接触器

电磁阀

指示灯

电源

图1-1控制系统示意图

3

1.3PLC的特点与应用领域

1.3.1PLC的特点

1.编程方法简单易学

梯形图是使用最多的PLC的编程语言，其电路符号和表达方式与继电器电路

原理图相似，梯形图语言形象直观，易学易懂。

2.功能强，性能价格比高

一台小型PLC内有成百上千个可供用户使用的编程元件，有很强的功能，可

以实现非常复杂的控制功能。与相同功能的继电器控制系统相比，具有很高的性

能价格比。

3.硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强

PLC产品已经标准化、系统化、模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供

用户选用，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。

PLC的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。PLC有较强的带负载

能力，可以直接驱动一般的电磁阀和小型交流接触器。

4.可靠性高，抗干扰能力强

传统的继电器控制系统使用了大量的中间继电器、时间继电器。而这些继电

器是机械开关，使用寿命有限，容易出现故障。PLC采取了一系列硬件和软件抗

干扰措施，具有很强的抗干扰能力，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场。

5.系统的设计、安装、调试工作量少

PLC用软件轼能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、计数器等器

件，使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减小。PLC的梯形图程序一般用顺

序控制设计法来设计，这种编程方法很有规律，很容易掌握。完成了系统的安装

和接线后，在现场的统调过程中发现的问题一般通过修改程序就可以解决，系统

的调试时间比继电器系统少得多。

6.维修工作量小，维修方便

PLC的故障率很低，且有完善的自诊断和显示功能。如果发生故障时，只要

查出发生故障的模块更换模块就可以迅速地排除故障。

7.体积小，能耗低

PLC与大量的继电器相比，体积大大减小，耗能也比继电器少。因为PLC采

用程序来取代大量继电器的电路连接，所以配线比继电器控制系统的配线少得

多，故可以节省大量的配线和附件，减少大量的安装接线工时，加上开关柜体积

的缩小，可以节小大量的费用。

1.3.2PLC的应用领域

1.开关量逻辑控制

PLC最基本最广泛的应用就是开关量逻辑控制。其输入输出均为开关量信

4

号，控制过程替代继电器进行组合逻辑控制、定时控制与顺序逻辑控制，可以用

于单台设备，也可用于自动生产线，应用领域遍及各行各业。

2.运动控制

PLC使用专用的运动控制模块，对直线运动、圆周运动的位置、速度和加速

度进行控制，广泛应用于各种机械的加工场合。

3.闭环过程控制

通过PLC的模拟量A/D、D/A模块，可以完成模拟量和数字量之间的相互转

换，实现对温度、压力、流量等连续变化的模拟量的PID（比例－积分－微分）

闭环过程控制。

4.数据处理

现代PLC具有数学运算、数据传输、数据转换、排序、查表等功能，可能实

现数据采集、分析和处理，大大增强了PLC自动控制系统的功能。

5.通信联网

PLC的通信包括主机与远程I/O之间、多台PLC之间、PLC与其它智能设备

（如计算机、变频器、数控装置等）之间的通信。PLC与其他智能控制设备一起，

可以组成“分散控制、集中管理”的分布式自动控制系统（DCS系统）。

1.3.3PLC与其它控制设备的比较

个人计算机：有较强的数据处理功能和图形显示功能，有丰富的软件支持，

但主要为办公自动化和家庭设计，对环境要求不高，抗干扰能力不强，不能直接

用于工业生产现场。

单片机：只是一片集成电路，不能直接将它与外部I/O信号相连。要专门

设计和制作配套的I/O接口电路，硬件设计、制作和程序设计的工作量相当大，

要求设计者具有较强的计算机专业知识和电路设计及制作能力。

工业控制计算机：专为工业控制而设计，控制功能强大，速度快，可靠性

高，数据处理能力强，图形显示功能好,价格高。外部接线多采用多芯扁平电缆

和插头插座直接从各种印制电路板卡引出，接线不如PLC方便

5

的硬件与工作原理

2.1PLC的硬件

2.1.1PLC的物理结构

根据硬件结构的不同，可以将PLC分为整体式、模块式和混合式。

1．整体式PLC

整体式又叫单元式或箱体式，即将PLC的模块集中装在一个箱体中。它的

特点是：体积小、价格低，小型PCL一般采用这种结构，单一的整体式PLC功能

较固定，如果需要扩展功能，可以将扩展模块通过扁平电缆与PLC的CPU模块连

接。

2．模块式PLC

模块式即各功能模块没有像整体式那样集中装在一个箱体中，而是可以比较

自由的组合。模块式PLC特点：可以灵活的组装用户需要的功能，维修时更换模

块、判断故障范围很方便，大、中型PLC一般采用模块式结构。

2.1.2CPU模块中的存储器

存储器分为系统存储器和用户程序存储器。PLC的CPU模块中的存储器：随

机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、可以电擦除可编程的只读存储器

（EEPROM）。

2.1.3I/O模块

在PLC中各I/O点的通/断状态用发光二极管（LED）显示，PLC与外部接线

的连接一般采用接线端子。

1．输入模块

输入电路设有RE滤波电路，以防止由于输入触点抖动或外部干扰脉冲引起

错误的输入信号。输入方式：直流输入模块、交流输入模块。

图2-1是S7-200的直流输入模块的内部电路和外部接线图。当外接触点接

通时，光耦合器中两个反并联的发光二极管中的一个亮，光敏三极管饱和导通；

外接触点断开时，光耦合器中的发光二极管熄灭，光敏三极管截止，信号经内部

电路传送给CPU模块。

0.1

1M

内

部

电

路

5.6K

1K

图2-1输入电路

6

交流输入方式适合于在有油雾、粉尘的恶劣环境下使用。直流输入电路的延

迟时间较短，可以直接与接近开关、光电开关等电子输入装置连接。

2．输出模块

PLC的输出模块的输出电路：继电器输出电路、场效应晶体管输出电路、双

向晶闸管输出电路。

继电器输出电路：既可以驱动直流负载也可以驱动交流负载，同时继电器起

隔离和功率放大作用，每一路只给用户提供一对常开触点。与触点并联的RC电

路和压敏电阻用来消除触点断开时产生的电弧。

场效应晶体管输出电路：只能驱动直流负载，输出信号送给内部电路中的输

出锁存器，再经光耦合器送给场效应晶体管，后者的饱和导通状态和截止状态相

当于触点的接通和断开。图中的稳压管用来抑制关断过电压和外部的浪涌电压，

以保护场效应晶体管。

双向晶闸管输出电路：只能驱动交流负载。

2.2PLC的工作原理

2.2.1PLC的操作模式

1．PLC有两种操作模式，即RUN（运行）模式与STOP（停止）模式。

在RUN模式，通过执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能。

在STOP模式，CPU不执行用户程序。

2．CPU模块上的模式开关在STOP位置时，将停止用户程序的运行；在RUN

位置时，将启动用户程序的运行。模式开关在STOP或TERM（Terminal，终端）

位置时，电源通电后CPU自动进入STOP模式；在RUN位置时，电源通电后自动

进入RUN模式。

2.2.2PLC的工作原理

PLC通电后，需要对硬件和软件作一些初始化工作。为了使PLC的输出及时

地响应各种输入信号，初始化后PLC要反复不停地分阶段处理各种不同的任务

（如图2-2），这种周而复始的循环工作方式称为扫描工作方式。

执行用户程序

读取输入

改写输出

处理通信请求

自诊断检查

图2-2扫描过程

RUN模式

STOP模式

读取输入

处理通信请求

自诊断检查

改写输出

7

PLC在RUN工作模式下，将采用周期性循环扫描、分时操作的工作方式，不

断地读取输入，执行用户程序，处理通信请求，自诊断检查，改写输出。

1.读取输入（输入采样）

PLC把所有输入电路的接通/断开（ON/OFF）状态读入输入映像寄存器中寄

存起来，作为程序执行时的条件。在程序执行期间，即使输入状态变化，输入映

像寄存器的内容也不会改变。输入状态的变化只能在下一个工作周期的输入采样

阶段才被重新读入。

2.执行用户程序

PLC逐条顺序扫描执行用户程序（如果程序用梯形图表示，则按先上后下，

先左后右的顺序扫描执行）。执行程序指令时，所需要的输入状态或其它编程元

件的状态分别由输入映像寄存器和元件映像寄存器中读出，而执行结果写入到元

件映像寄存器中，这就是说，对于每个编程元件来说，元件映像寄存器中寄存的

内容，会随程序执行的进程而变化。

3.通信处理

可编程序控制器与别的带微处理器的智能装置通信，响应编程器键入的命

令，更新编程器的显示内容。

自诊断测试

在内部处理阶段，可编程序控制器检查CPU模块内部的硬件是否正常，将监

控定时器复位，以及完成一些别的内部工作。

5.改写输出（输出刷新）

输出刷新阶段，当程序执行完后，进入输出刷新阶段。此时，将元件映像寄

存器中所有的输出继电器的状态转存到输出锁存电路，再通过输出模块去驱动用

户输出设备（负载），这就是PLC的实际输出。

6.中断程序的处理

如果程序中使用了中断，中断事件发生时，CPU停止执行正常的扫描工作方

式，立即执行中断程序。中断功能可以提高PLC对某些事件的响应速度。

7.立即I/O处理

在程序执行过程中使用立即I/O指令可以直接存取I/O点。用立即I/O指令

读入输入点的值时，相应的输入映像寄存器的值未被更新。用立即I/O指令来改

写输出点时，相应的输出映像寄存器的值被更新。

8.中断程序的处理：如果在程序中使用了中断，中断事件发生时，CPU停止

正常的扫描工作方式，立即执行中断程序，中断功能可以提高PLC对某些事件的

响应速度。

9.立即I/O处理：在程序执行过程中使用立即I/O点。用立即I/O指令读输

入点的值时，相应的输入过程映像寄存器的值未被更新。用立即I/O指令来改写

8

输出点时，相应的输出过程映像寄存器的值被更新。

PLC在STOP模式下，在每一个工作周期下，不执行用户程序，其它的与RUN

工作模式一样。

2.3S7-200系列PLC

2.3.1S7-200的特点

1．功能强，有PID参数自整定、配方、数据归档等功能。

2．先进的程序结构

3．灵活方便的寻址方法

4．功能强大、使用方便的编程软件

5．简化复杂编程任务的向导功能

6．强大的通信功能

7．品种丰富的配套人机界面

8．有竞争力的价格

9．完善的网上技术支持

9

3．PLC程序设计基础

3.1PLC的编程语言与程序结构

3.1.1IEC61131-3标准的5种编程语言(见图3-1、3-2、3-3)：

1．顺序功能图(SequentialFunctionChart)；

2．梯形图(LadderDiagram)；

3．功能块图(FunctionBlockDiagram)；

4．指令表(InstructionList)；

5．结构文本(StructuredText)。

顺序功能图

梯形图功能块图指令表结构文本

图3-1PLC的编程语言

I0.0

I0.3

I0.2

（）

Q0.0

OR

I0.1

I0.3

I0.2

Q0.0

AND

能流

图3-2梯形图图3-3功能块图

上述的5种编程语言中,我们常用的有三种:顺序功能图、梯形图和指令表，下面

介绍这两种语言：

顺序功能图：一种位于其他编程语言之上的图形语言，用来编制控制程序。

顺序功能图提供了一种组织程序的图形方法，步、转换和动作是顺序功能图中的

三种主要元件。

梯形图：梯形图程序设计语言是用梯形图的图形符号来描述程序的一种程序

设计语言。梯形图由触点、线圈和用方框表示的功能块图组成。

指令表：S7系列将指令表称为语句表。PLC的指令是一种与微的汇编语言中

的指令相似的助记符表达式，由指令组成指令表程序或语句表程序。

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3.1.2S7-200的程序由主程序、子程序和中断程序组成

1．主程序：每次扫描都要执行主程序。每个项目都必须且只能有一个主程

序。在主程序中可以调用子程序和中断程序。

2．子程序：可选的，仅在被其它程序调用时执行。可以多次调用，简化程

序代码、减少扫描时间、容易移植等特点。

3．中断程序：用来及时处理与用户程序的执行时序无关的操作，或者不能

事先预测何时发生的中断事件。中断程序不是由用户程序调用，而是在中断事件

发生时由操作系统调用。中断程序由用户编写。

3.2存储器的数据类型与寻址方式

3.2.1CPU的存储区

1．输入过程映像寄存器（I）……输入继电器

输入过程映像寄存器是PLC接收外部输入的开关量信号的窗口。在每个扫描

周期的开始，PLC的CPU模块对物理输入端进行采样，通过光电耦合器，将外部

信号的状态读入并存入输入映像寄存器中。外部输入电路接通时对应的映像寄存

器为ON（1状态），反之为OFF（0状态）。输入端可以外接常开触点或常闭触点，

也可以接多个触点组成的串、并联电路。在梯形图中，可以多次使用输入位的常

开触点或常闭触点。(如图3-4)

输

入

映

像

寄

存

器

I0.1I0.0

Q0.0

Q0.0

()

读出

I0.0

输入触点

COM

输

出

映

像

寄

存

器

写入

输

出

锁

存

器

PLC

用户程序

继电器输出电路

Q0.0

COM

负载

负载电源

图3-4输入继电器与输出继电器示意图

一般情况下，输入继电器的状态唯一取决于现场输入信号的状态，不可能受

用户程序的控制，因此在梯形图中绝对不能出现输入继电器的线圈。

2．输出过程映像寄存器（Q）……输出继电器

在扫描周期的末尾，CPU将输出过程映像寄存器的数据传送给输出模块，再

由后者驱动外部负载。

如果梯形图中Q0.0的线圈“通电”，继电器型输出模块中对应的硬件继电器

的常开触点闭合，使接在Q0.0输出端的外部负载通电，反之则外部负载断电。

输出模块中的每一个硬件继电器仅有一对常开触点，但是在梯形图中，每一个输

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出位常开触点和常闭触点都可以多次使用。

3．变量存储区(V)：

变量(Variable)存储器用来在程序执行过程中存放中间结果，或者用来保存

与工序或任务有关的其它数据。

4．位存储区（M）

位存储器（M0.0~M31.7）类似于继电器控制系统中的中间继电器，用来存储

中间操作状态或其它控制信息，也可以按字节、字或双字来存取。

5．定时器存储区（T）

定时器相当于继电器控制系统中的时间继电器。

S7-200中有三种定时精度的定时器：1ms、10ms和100ms。定时器的当前值

寄存器是16位有符号整数，用于存储定时器累计时间基准增量值（1~32767）。

6．计数器存储区（C）

计数器用来对输入脉冲信号的上升沿进行计数。

S7-200中提供了加计数、减计数和加减计数器。计数器当前值为16位有符

号整数，用来存放计数脉冲（1~32767）。

当加计数器的当前值大于等于设定值时，计数器位被置为1状态。

用计数器地址（如C20）来存取当前值和计数器位，带位操作数的指令存取

计数器位，带字操作数的指令存取当前值（即时计数脉冲数）。

7．高速计数器（HC）

用来累计比CPU的扫描速率更快的输入脉冲，计数过程由专门的控制电路来

进行，与扫描过程无关。其当前值为32位有符号整数，当前值为只读数据。

8．累加器（AC）

累加器用来向子程序传递参数，或从子程序返回参数，以及用来存放计算的

中间结果。

9．特殊存储器（SM）

特殊存储器（SM）用于CPU与用户之间交换信息。例如：

SM0.0一直为1状态；

SM0.1仅在执行用户程序的第一个扫描周期为1状态。

SM0.4和SM0.5分别提供周期为1分钟和1秒的时钟脉冲。

SM1.0、SM1.1和SM1.2分别为零标志、溢出标志和负数标志。

10．局部存储器(L)

作为暂时存储器，或给子程序传递参数。

11．模拟量输入(AI)

模拟量输入字(AI)用于存放A/D模块转换得到的数字量，数据格式为一个字

长（16位），因此从偶数字节地址开始（例如AIW2），为只读数据。

12

12．模拟量输出(AQ)

模拟量输出字(AQ)用于存放将要D/A转换为模拟量输出的数字量数值。数据

格式为一个字长（16位），因此从偶数字节地址开始（例如AQW2），为只写数据，

用户不能读取模拟量输出值。

13．顺序控制继电器（S）：

顺序控制继电器（SCR）用于顺序控制编程用，与顺序控制继电器指令配合

使用，用来表示顺序控制系统的工步步序。

3.3位逻辑指令

3.3.1触点指令

1．堆栈：S7-200有一个9层堆栈，栈顶用来存储逻辑运算的结果，下面

的8层用来存放运算的中间结果。堆栈中的数据按“先进后出”的原则存

放。

2．标准触点指令

常开触点对应的存储地址位为1状态时，该软继电器线圈得电，该触点闭合。

常开触点的连接指令有：

LD：用于梯形图电路的起始常开触点的连接，即将该存储位状态值载入栈顶；

A：用于单个常开触点与其它触点的串联连接，即读出该存储器状态后与栈

顶值相与，其结果存入栈顶；

O：用于单个常开触点与其它触点的并联连接，即读出该存储器状态后与栈

顶值相或，其结果存入栈顶。

常闭触点对应的存储地址位为0状态时，该软继电器线圈失电，该触点闭合。

常闭触点的连接指令有：

LDN：用于梯形图电路的起始常闭触点的连接，即该存储位取反后载入栈顶；

AN：用于单个常闭触点与其它触点的串联连接；即读出该存储器状态后取反，

再与栈顶值相与，得到的结果存入栈顶；

ON：用于单个常闭触点与其它触点的并联连接；即读出该存储器状态后取反，

再与栈顶值相或，得到的结果存入栈顶；

3．装载或（OLD，OrLoad）指令

并联触点总是并在它前面已经连好的电路的两端。

4.装载与(ALD,AndLoad)指令

5.其他堆栈操作指令

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逻辑入栈(LogicPush,LPS)指令复制栈顶的值并将其压入堆栈的下一层,

栈中原来的数据依次向下一层推移,栈底值被推出丢失。

逻辑读栈(LogicRead,LRD)指令将堆栈中第2层的数据复制到栈顶，第2~9

层的数据不变，但是原栈顶值消失。

3.3.2输出指令与其他指令

1.输出指令

输出指令(=)与线圈相对应,驱动线圈的触点电路接通时,线圈流过”能

流”,指定位对应的映像寄存器为1,反之则为0。执行输出指令时,将栈顶值复制

到对应的映像寄存器。

2．置位与复位指令

S（Set）是置位指令，R（Ret）复位指令。执行置指令或复位指令时，从

指定的位地址开始的N个连续的位地址都被置位（变为1）或复位（变为0）。它

们最主要的特点是有记忆和保持功能。

3.4定时器与计数器指令

3.4.1定时器指令

1．接通延时定时器

接通延时定时器（TON）的使能输入端（IN）的输入电路接通时开始定时。

当前值大于等于预置时间（PrentTime,PT）端指定的设定值时，定时器位变

为ON，梯形图中该定时器的常开触点闭合，常闭触点断开。达到设定值后，当

前值勤仍然继续增大。

输入电路断开时，定时器自动复位，当前值勤被子清零，定时器位变为OFF。

CPU第一次扫描时，定时器位被清零。

2．断开延时定时器

接在断开延时定时器（TOF）IN输入端的输入电路接通时，定时器位变为ON，

当前值被清零。输入电路断开后，开始定时，当前值从0开始增大。当前值等于

设定值时，输出位变为OFF，当前值保持不变，直到输入电路接通。断开延时定

时器用于设备停机后的延时，例如大型电动机的冷却风扇的延时。

3．保持型接通延时定时器

保持型接通延时定时器（TONR）的输入电路接通时，开始定时。当前值大于

等于PT端指定的设定值时，定时器位变为ON。达到设定值后，当前值仍然继续

计数。

保持接通延时定时器因为具有记忆功能，当输入电路断开时，当前值保持不

变，所以只能用复位指令（R）来复位TONR，使它的当前值变为0，同时使定时

器位OFF。

14

3.4.2计数器指令

1．加计数器（CTU）

当接在R输入端的复位输入电路断开时，接在CU输入央的加计数（Count

Up,CU）脉冲输入电路由断开变为接通，计数器的当前值加1，直到计断最大值

为32767。当前值大于等于设定值PV时，计数器位被置1。当复位输入R为ON

或执行复位指令时，计数器被复位，计数器位变为OFF，当前值被清零。

2．减计数器（CTD）

在减计数（CountDown,CD）脉冲输入信号的上升没，从设定值开始，计数

器的当前值减1，减到0时，停止计数，计数器位被置1。装载输入LD为1状态

时，计数器位被复位为0，并把设定值装入当前值寄存器。

15

4．数字量控制系统程序设计方法

4.1梯形图的经验设计法

经验设计法:没有普遍的规律可以遵循,具有很大的试探性和随意性,最后的

结果不是惟一的,设计所有用的时间、设计的质量与设计者的经验有很大的关系。

经验设计法没有一套固定的方法和步骤可以遵循，具有很大的试探性和随意

性，对于不同的控制系统，没有一种通用的容易掌握的设计方法。在设计复杂系

统的梯形图时，用大量的中间元件来完成记忆、联锁和互锁等功能，由于需要考

虑的因素较多，它们往往又交织在引起，分析起来十分困难，并且容易遗漏一些

应该考虑的问题。修改某一局部电路时，很可能会“牵一发而动全身”，对系统

的其它部分产生意想不到的影响，因此梯形图的修改十分麻烦，往往花了很长时

间还得不到一个满意的结果。用经验设计法设计出的梯形图程序往往很难阅读，

给系统的维修和改进带来了很大困难。

4.2顺序控制设计法与顺序功能图

4.2.1顺序控制设计法

顺序控制：按照生产工艺预先规定的顺序，在各个输入信号的作用下，根据

内部状态和时音的顺序，在生产过程中各个执行机构自动地有秩序地进行操作。

使用顺序控制设计法时首先根据系统的工艺过程，画顺序功能图，然后根据顺序

功能图设计出梯形图。

顺序功能图是描述控制系统的控制过程、功能和特性的一种图形，也是设计

PLC的顺序控制程序的有力工具。

顺序功能图主要由步、有向连线、转换、转换条件和动作（或命令）组成。

4.2.2步与动作

1．步的基本概念

将系统的一个工作周期划分为若干个顺序相连的阶段，这些阶段称为步。

步是根据输出量的状态变化来划分的，步划分的原则：（a）在任何一步之内，

各输出量的ON/OFF状态不变；（b）相邻两步输出量总的状态是不同的。

2．初始步

与系统的初始状态相对应的步称为初始步，初始状态一般是系统等待起动命

令的相对静止的状态。初始步用双线方框表示，每一个顺序功能图至步应该有一

个初始步，一方面因为该步与它的相邻步相比，输出变量总的状态各不相同，另

16

一方面如果没有该步，系统将无法表示其初始状态，系统也将无法返回停止状态。

3．与步对应的动作或命令

控制系统可以划分为：被控系统和施控系统，例如用PLC控制工厂中的机器，

则PLC为施控系统，而机器是被控系统。施控系统发出的是“命令”，被控系统

在命令指导下完成对应的“动作”，在PLC中将它们称为命令或动作。如果某一

步有几个动作,可以用图4-1所示的两种方法排列,但是在图中各动作的先后顺

序,并不隐含这些动作之间的任何顺序。

5

动作A动作B

5

动作A

动作B

图4-1动作

4．活动步

当系统正处于某一步所在的阶段时，该步处于活动状态，称该步为“活动步”。

步处于活动状态时，相应的动作被执行。

4.2.3有向连线与转换条件

1．有向连线

随着时间的推移和转换条件的实现，将会发生步的活动状态的进展，这种进

展按有向连线规定的路线和方向进行。步的活动状态习惯的进展方向是从上到下

或从左至右，在这两个方向有向连线上的箭头可以省略，如果不是上述的方向，

应在有向连线上用箭头注明进展方向。

2．转换

转换用有向连线上与有向连垂直的短划线来表示，转换将相邻两步隔开。步

的活动状态的进展是由转换的实现来完成的，并与控制过程的发展相对应。

3．转换条件

使系统由当前步进入下一步的信号称为转换条件。转换条件的提供信号：

（a）外部的输入信号（如按钮、指令开关、限位开关的接通或断开等）；

（b）PLC内部产生的信号（如定时器、计数器常开触点的接通等）；

（c）若干个信号的与、或、非等的逻辑组合（若干信号“与”、“或”、“非”

的逻辑组合）。

转换条件是与转换相关的逻辑命题，转换条件可以用文字语言、布尔代数表

达式或图形符号标注在表示转换的短线旁边，使用得最多的是布尔代数表达式。

如图4-2（A）是用文字语言表示转换条件，而（B）用布尔代数表达式表示，（C）

用开关图形符号表示，（D）用电路中常用的门“与”门表示，（E）布尔代数表达

式加上方向箭头表示上升沿、下降沿。

17

图4-2转换与转换条件

M0.3

(I0.3+I0.5)

I2.1

I0.3+I0.5

I2.1

M0.3

a

b

（A）

（B）

（C）

（D）（E）

（F）

a*b

触点a与b

同时闭合

a

b

&

4.2.4顺序功能图的基本结构

1．单序列

单序列由一系列相继激活的步组成，每一步的后面仅有一个转换，每一个转

换的后面只有一个步。如图4-3（a）

2．选择序列

选择序列的开始称为分支（如图4-3（b）），转换符号只能标在水平连线之

下。如果步5是活动步，并且转换条件h=1,则发生由步5-步8的进展；如果步

5是活动步，并且转换条件k=1，则发生由步5-步10的进展。

选择序列的结束称为合并（如图4-3（b）），几个选择序列合并到一个公共

序列时，用需要重新组合的序列相同数量的转换符号和水平连线来表示，转换符

号只允许标在水平连线之上。如果步9是活动步，并且转换条件j=1,则发生由

步9-步12的进展；如果步11是活动步，并且n=1，则发生由步11-步12的进

展。

3．并行序列

并行序列用来表示系统的几个同时工作的独立部分的工作情况。并行序列的

开始称为分支（如图4-3（c）），当转换的实现导致几个序列同时激活时，这些

序列称为并行序列。当步3是活动的，并且转换条件e=1，步4和步6同时变为

活动步，同时步3变为不活动步。为了强调转换的同步实现，水平连线用双线表

示。步4和步6被同时激活后，每个序列中活动步的旱灾展将是独立的。在表示

同步的水平双线之上，只允许有一个转换符号。

并行序列的结束称为合并（如图4-3（c）），在表示同步的水平双线之下，

只允许有一个转换符号。当直接连在双线上的所有前级步（步5和步7）都处于

活动状态，并且转换条件i=1时，才会发生步5和步7到步10的进展，即步5

和步7同时变为不活动步，而步10变为活动步。

18

3

4

5

d

e

5

8

h

3

12

j

i

10

11

k

m

n

4

5

f

6

7

g

3

10

e

i

(a)

(b)

(c)

图4-3单序列、选择序列与并行序列

4.2.5顺序功能图中转换实现的基本规则

1．转换实现的条件

（a）该转换所有的前级步都是活动步；

（b）相应的转换条件得到满足。

2．转换实现应完成的操作

（a）使所有由有向连线与相应转换符号相连的后续步都变为活动步；

（b）使所有由有向连线与相应转换符号相连的前级步都变为不活动步。

注意：在并行序列的合并处，转换有几个前级步，它们均为活动步时才有可

能实现转换，在转换实现时应将它们对应的编程元件全部复位。在选择序列的分

支与合并处，一个转换实际上只有一个前级步和一个后续步，但是一个步可能有

多个前级步或多个后续步。

3．绘制顺序功能图时的注意事项

（a）两个步绝对不能直接相连,必须用一个转换将它们分隔；

（b）两个转换也不能直接相连，必须用一个步将它们分隔开；

（c）初始步是必不可少的，一方面因为该步与它的相邻步相比，从总体上

说输出变量的状态各不相同；另一方面如果没有该步，无法表示初始状态，系统

也无法返回等待起动的停止状态。

（d）单周期操作的控制系统：当启动信号到来时，系统从初始步开始运行，

在执行完一次工艺过程的全部操作之后，从最后一步返回到初始步，系统停止在

初始状态，等待下一次启动信号的到来。

连续循环工作的控制系统：当启动信号到来时，系统从初始步开始运行，在

执完一次工艺过程的全部操作之后，系统从最后一步返回到工作周期中开始运行

的第一步（即初始等待步），继续执行下一个周期的操作，直到系统的停止信号

到来时，系统执行完一个工作周期后，返回并停在初始等待状态（即初始等待步），

19

等待下一个启动信号的到来。

4.3使用起保停电路的顺序控制梯形图设计方法

起保停电路仅仅使用与触点和线圈有关的指令，任何一种PLC的指令系统都

有这一类指令，因此这是一种通用的编程方法，可以用于任意型号的PLC。

根据顺序功能图设计梯形图时，可以用存储器位M来代表步。某一步为活动

步时，对应的存储器位为1状态，某一转换实现时，该转换的后续步变为活动步，

前级步变为不活动步。设计起保停电路的关键是找出它的起动条件和停止条件。

4.3.1单序列的编程方法

图5-1为起保停电路顺序控制单序列梯形图设计：

Mi-1

Mi

Mi+1

Xi

Xi+1

Qi

Mi-1Xi

Mi

Mi+1

（）

Mi

（）

Qi

图4-4起保停电路顺序控制单序列梯形图设计

4.3.2选择序列与并行序列的编程方法

图4-5为选择序列顺序功能图与梯形图，图中步Mi向下转换有两条路径可

以选择，根据转换条件，如果Li+1条件满足时，则步Mi转换到步Mi+1；如果

Li+2条件满足时，则步Mi转换到步Mi+3，但Mi不会同时向两步转换。合并时，

只要步Mi+2为活动步有转换条件Li+1满足，步Mi+2就能转换到步Mi+5；同样

只要步Mi+4为活动步有转换条件Li+6满足，步Mi+4就能转换到步Mi+5；

（）

Mi

Mi-1

Mi

Mi+1

Mi+2

Li+3

Li+1

Li+5

Mi+3

Mi+4

Li+4

Li+2

Li+6

Mi+5

Mi+6

Mi-1Li

Mi

Mi+1Mi+3

MiLi+1

Mi+1

Mi+2

（）

Mi+1

MiLi+2

Mi+3

Mi+4

（）

Mi+3

Mi+2Li+5

Mi+4

Mi+6

（）

MI+5

Mi+5

Li+6

Li

图4-5选择序列顺序功能图与梯形图

20

图4-6并行序列的顺序功能图与梯形图，与选择序列不同的是，并行序列

的分支是同时进行的，步Mi为活动步且转换条件Li+1满足，则步Mi+1和Mi+3

都变为活动步。合并时，只有步Mi+2和步Mi+4都为活动步，同时转换条件Li+4

满足，才能转换到步Mi+5为活动步。

4.4以转换为中心的顺序控制梯形图设计方法

以转换为中心的顺序控制梯形图是用置位和复位指令来实现的。如图4-7

以转换为中心的顺序控制梯形图。

Mi+1

Mi

Xi

Xi+1

MiXi+1Mi+1

(S)

1

Mi

(R)

1

图4-7以转换为中心的顺序控制梯形图

注意：以转换为中心的顺序控制梯形图用置位和复位指令实现的只是步与步

之间的转换，不能将控制输出也放在其中，控制输入必须另设一个网络。

4.5使用SCR指令的顺序控制梯形图设计方法

4.5.1顺序控制继电器指令

S7-200中的顺序控制继电器(SCR)专门用于编制顺序控制程序。顺序控制程

Mi

Mi+1

Mi+2

Li+3

Li+5

Mi+3

Mi+4

Li+4

Li+2

Mi+5

Mi+6

Li+1

Mi+2Mi+4

Mi+1

Li+4Mi+6

MiLi+1

Mi+1

Mi+2

（）

Mi+1

MiLi+1

Mi+3

Mi+4

（）

Mi+3

（）

Mi

图4-6并行序列的顺序功能图与梯形图

21

序被划分为LSCR与SCRE指令之间的若干个SCR段，一个SCR段对应于顺序功能

图中的一步。（如表4-1）

装载顺序控制继电器（LoadSequenceControlRelay）指令“LSCRS_bit”

用来表示一个SCR段（即顺序功能图中的步）的开始。

顺序控制继电器（SequenceControlRelayEnd）指令SCRE用来表示SCR

段的结束。

顺序控制继电器转换（SequenceControlRelayTransition）指令“SCRT

S_bit”用来表示SCR段之间的转换，即步的活动状态的转换。值得注意的是当

后续步被变换为活动步时，不需要人为的将前级步变为不活动步，复位操作由系

统程序完成。

使用SCR指令时有以下的限制：不能在不同的程序中使用相同的S位；不能

在SCR段之间使用JMP及LBL指令，即不允许用跳入或跳出SCR段；不能在SCR

段中使用FOR、NEXT和END指令。

如图4-8是用顺序控制继电器设计的顺序功能图与梯形图。

S0.1

S0.2

Q0.0

Q0.1

I0.1

SCR

S0.1

I0.0

（）

Q0.0

I0.0S0.2

（SCRT）

（SCRE）

图4-8顺序控制继电器顺序功能图与梯形图

梯形图语句表描述梯形图语句表描述

SCRLSCRS_bitSCR程序段开始SCRECSCRESCR程序条件结束

SCRTSCRTS_bitSCR转换SCRESCRESCR程序段结束

表4-1顺序控制继电器指令

22

5.全自动洗衣机控制系统

波轮式全自动洗衣机的洗衣桶（外桶）和脱水桶（内桶）是以同一中心安装

的。外桶固定，作盛水用，内桶可以旋转，作脱水（甩干）用。内桶的四周有许

多小孔，使内外桶水流相通。

洗衣机的进水和排水分别由进水电磁阀和排水电磁阀控制。进水时，控制系

统使进水电磁阀打开，将水注入外桶；排水时，使排水电磁阀打开，将水由外桶

排到机外。洗涤和脱水由同一台电机拖动，通过电磁阀离合器来控制，将动力传

递给洗涤波轮或甩干桶（内桶）。电磁离合器失电，电动机带动洗涤波轮实现正、

反转，进行洗涤；电磁离合器得电，电动机带动内桶单向旋转，进行甩干（此时

波轮不转）。水位高低分别由高低水位开关进行检测。启动按钮用来启动洗衣机

工作。

控制要求：

启动时，首先进水，到高位时停止进水，开始洗涤。正转洗涤15S，暂停3S

后反转洗涤15S，暂停3S后再正转洗涤，如此反复30次。洗涤结束后开始排水，

当水位下降到低水位时，进行脱水（同时排水），脱水时间为10S。这样完成一

次从进水到脱水的大循环过程。

经过3次上述大循环后（第2、3次为漂洗），进行洗衣完成报警，报警10S

后结束全部过程，自动停机。

5.1划分工步

图创新-2洗衣机示意图，开始

时，水位传感器开关I0.0和I0.1为

OFF状态，将此过程设为步M0.0；当

按下启动按钮I0.2，进水阀Q0.0为

ON，水进入洗衣机，当水位越过最高

水位处传感器时，I0.0为ON，将此

过程设为步M0.1；接着进水阀为OFF，

洗涤过程开始，电动机正转开关Q0.2

为ON，电动机带动洗涤波轮正转，正

转15S，将此过程设为步M0.2；15S

后，停止转动，即Q0.2为OFF，停3S，将此过程设为步M0.3；3S后，电动机带

动洗涤波轮反转，反转15S，将此过程设为步M0.4；15S后，停止转动，即Q0.3

进水

排水

M

I0.0

Q0.0

I0.1

Q0.1

内桶

外桶

Q0.2

Q0.3

Q0.5

Q0.4

图创新-2洗衣机示意图

23

为OFF，停3S，同时启动计数，将此过程设为步M0.5；3S后，同时计数达30，

排水过程开始，排水阀Q0.1为ON，桶内的水位下降，当水位降到最低水位处传

感器以下时，I0.1为OFF，将此过程设为步M0.6；脱水过程开始，电磁离合器

为ON得电，洗衣机脱离洗涤波轮，同时正转Q0.2为ON，电动机带动内桶单向

旋转，同时全过程洗衣计数加1，脱水10S，将此过程设为步M0.7；10S后，计

数为3，启动报警Q0.5为ON，报警持续10S，将此过程设为M1.0；洗衣过程结

束，系统返回初始状态。

5.2I/O端口分配及系统分析

如图创新-1PLC外部端口分配,当洗

衣机桶内的水位达到最高水位时,最高

水位处的传感器将“1”状态值输入到

PLC的I0.0端口；当洗衣机桶内的水位

降到最低水位传感器下方时，最低水位

传感器将“0”状态输入到PLC的I0.1

端口；启动按钮的状态值通过端口I0.2

输入PLC。对于输出端口，Q0.0控制进

水电磁阀，当Q0.0为“1”状态时，进

水电磁阀打开；Q0.1控制排水电磁阀，当Q0.1为“1”状态时，排水电磁阀打

开；Q0.2为“1”状态时，控制电动机正转；Q0.3为“1”状态时，控制电动机

反转；Q0.4为“1”状态时，控制电磁离合器得电，电动机内桶单向转动（波轮

不转动）；Q0.5为“1”控制洗衣机洗衣结束后的报警信息。

5.3顺序功能图

图创新-3为全自动洗衣机控制系统的顺序功能图，图中存储器位

M0.0-M1.0代表各步。

步M0.0为初始状态，在这个状态复位C1计数器。步M0.0通过启动按钮按

下条件，转换到步M0.1，此时步M0.0变为不活动步，步M0.1变为活动。在步

M0.1，控制进水阀进水，同时复位C0计数器。当水位到达最高水位条件满足时，

步M0.1转换到步M0.2，电动机正转开始洗涤，同时起动T37计时15s，时间到，

步M0.2转换到步M0.3，在步M0.3计时3s，即停止3s,计时时间到，步M0.3转

换到步M0.4I,开始电动机反转洗涤，用T39计时反转洗涤15s，由步M0.4转换

到步M0.5，在此步停止3s，同时计数器在当前值计1。但从步M0.5往下就要通

过转换条件来选择路径了。当停止时间到，而且C0计满30次则步M0.5转换到

I0.0

I0.1

I0.2

Q0.0

Q0.1

Q0.2

Q0.3

Q0.4

Q0.5

COM

AC220V

最高水位

最低水位

起动

图创新-1PLC外部端口分配

进水

排水

正转

反转

开启离合器

报警

COM

24

步M0.6，否则再从步M0.1开始。到达步M0.6,打开排水阀Q0.1，当水位降到设

定的最低位时，则从步M0.6转换到步M0.7，此步排水阀继续打开，电磁离合器

Q0.4打开，电动机正转进入为脱水状态，同时计数器C1在当前值加1，当脱水

10s，判断C1是否计满3次，如果计满3次，则由步M0.7转换到步M1.0,否则

转换到步M0.1。在步M1.0，起动报警Q0.5，报警10s后，转换到初始步M0.0。

5.4梯形图

如图创新-4是以转换为中心的梯形图设计方法,用到的主要指令是置位(S)

和复位(R)。如图创新-5就是用以转换为中心的方法设计的全自动洗衣机的梯形图。

Mi+1

Mi

Xi

Xi+1

MiXi+1Mi+1

(S)

1

Mi

(R)

1

图创新-4以转换为中心的顺序控制梯形图

M0.0

M0.2

M0.3

M0.4

M0.5

M0.7

M0.6

M1.0

T38

Q0.0

复位C0

Q0.2T37

Q0.3T39

M0.1

T40C0

Q0.2C1Q0.1Q0.4

Q0.5T42

Q0.1

复位C1

I0.2

起动

I0.0

进水

到达最高水位

正转(洗涤)

15S定时

T37

3S定时

T38

反转(洗涤)

15S定时

T39

3S定时

计数30次

CO*T40

CO*T40

计满30次

未计满30次

排水

I0.1

到达最低水位

正转(脱水)

报警

10S定时

离合器开启

T41

10S定时

计数

3次

C1*T41

C1*T41

T42

SM0.1

计满3次

图创新-3全自动洗衣机控制系统顺序功能

25

SM0.1M0.0

（S）

1

M0.0

（R）

1

M0.0I0.2M0.1

（S）

1

M0.1

（R）

1

M0.1I0.0M0.2

（S）

1

M0.2

（R）

1

M0.2T37M0.3

（S）

1

M0.4

（R）

1

M0.3T38M0.4

（S）

1

M0.4

（R）

1

M0.4T39M0.5

（S）

1

M0.6

（R）

1

M0.6M0.7

（S）

1

I0.1

M1.0

（R）

1

M1.0T42M0.0

（S）

1

INTON

PT100ms

T39

150

INTON

PT100ms

T40

30

INTON

PT100ms

T41

100

INTON

PT100ms

T42

100

M0.7

（R）

1

M0.7C1M1.0

（S）

1

T41

M0.7

（R）

1

M0.7M0.1

（S）

1

T41C1

M0.1

（）

Q0.0

M0.2

M0.7

（）

Q0.2

M0.2

INTON

PT100ms

T37

150

INTON

PT100ms

T38

30

M0.3

M0.4

（）

Q0.3

CUCTU

R

PV

C0

30

M0.5

M0.1

M0.6

M0.7

（）

Q0.1

M0.7

（）

Q0.0

CUCTU

R

PV

C1

3

M0.0

M1.0

（）

Q0.0

M0.5

（R）

1

M0.5C0M0.6

（S）

1

T40

M0.5

（R）

1

M0.5M0.2

（S）

1

T40CO

图创新-5全自动洗衣机控制系统以转换为中心的梯形图程序

26

5.5系统调试与运行

本次实验,经过系统分析，步划分，顺序功能图设计，以转换为中心的顺序

控制梯形图设计，将梯形图程序下载到西门子S7-200系列PLC中。然后按照顺

序功能图一步一步的往下运行调试，观察运行中，各中间变量和输出变量值的变

化，最终系统运行正常。

5.6实验小结

本次实验前面的基础部分,我花了近一个学期的积累。虽然这一部分的大多

数内容是参考所用的教科书，但是它给我的感受却很深。因为当我认真的思考，

我应该选择什么内容写时，我已经无意间在疏理PLC的基本知识，再加上用电脑

输入其中的内容，我又加深了对PLC基础知识的理解。对于后面的创新实验，我

用了大概二周的时间，完成了从构思到系统顺序功能图的绘制，最后到程序设计

以及用西门子S7-200系列PLC检验实现全自动洗衣机系统的全过程。当然这次

我设计的全自动洗衣机系统比较简单，但是它让我认识了，PLC控制系统设计的

整个流程，而且将整个的PLC基础知识结合到了一起，达到了理论与实践相结合

的目的，对我有很大的提高。

参考文献

[1]廖常初.S7-200PLC编程及应用[M].北京:机械工业出版社，2009.