纸鸢｜物联设备PLC梯形图编程

梯形图（LAD）是PLC编程的最佳可视化语言，它看起来非常类似于继电器电路图，因此如果你对继电器控制和电子电路有所了解的话，那么学起来会非常容易！

在这篇文章中，我们将学习关于使用梯形图进行PLC编程的有关知识。

什么是梯形图

梯形图是一种PLC编程语言，也被称为梯形逻辑（Ladder Logic）。

之所以称为梯形图，是因为这种程序由一条条水平线构成，看起来很像梯子。

梯形图是为电气工程师发明的，它是一种图形化的编程语言，这意味着编程的过程不是采用文本，而是组合各种不同的图形符号，由于目标用户是电气工程师，因此采用的符号非常类似于电路符号，以便于电气工程师理解。

梯形图主要用于位逻辑操作，其规范有PLCOpen负责制定，因此梯形图是标准化的PLC编程语言，该标准为IEC 61131-3。

如何阅读梯形图

梯形图通常从左到右、从上到下编制，原因在于：

更容易读图：我们的眼睛自然地从左向右读图，然后继续到下一行，就像你阅读的时候一样。
易于在计算机上编制：当在计算机上编制梯形图时，你可以一次编制一行。当绘制出越来越多的行时，它们将叠加在一起，看起来就像一个梯子。查看一个行数众多的梯形图的最佳方式，就是沿着屏幕上下滚动。
执行的顺序：最后一个原因在执行的顺序，也就是PLC运行梯形图的先后顺序，更确切的说，就是梯形图中的指令如何依次执行：PLC总是从梯形图顶部开始，然后依次向下执行。

梯形图看起来非常像电路图。大多数人也是这样开始学习编制梯形逻辑图的。但是还是有一些不同之处，主要的差异在于：

PLC每次执行梯形图的一行，然后才继续下一行
电气系统则是许多回路同时激活

了解了这些关键的区别，现在让我们开始学习梯形逻辑。

梯形图基础

创建梯形图时，你首先看到的就是两条竖线，就是在这两条竖线之间进行梯形图的编制，其中每一条水平线被称为一个Rung（横线）。梯形逻辑符号就放置在这些水平线上，图中看到的，我在每一个水平线上标记了数字，以便于理解PLC是如何执行梯形逻辑的。

PLC扫描时间或扫描周期，PLC首先扫描其输入，然后执行程序，最后设置输出。

但是PLC如何执行我们的梯形逻辑？

一次一条水平线。

这可能是梯形逻辑的最重要的一条规则：PLC一次只能执行一条水平线，然后才是下一条。实际上， PLC只能一次执行一个逻辑符号。

编写梯形逻辑

梯形逻辑中的每个符号都是一个指令，初看起来这相当令人困惑。

但是别担心，我将用简单的例子加以解释。

让我给你一个简单的实例，在这个例子当中将引入两个梯形逻辑符号。那么，这些符号或指令到底是什么？

它们是基本的逻辑指令，让你可以创建一小段逻辑，也就是你的PLC程序。如果你仔细看下面的示例，可以看到两个指令（符号）：

闭路检查指令

第一个指令被称为闭路检查，指令的符号看起来是这样：

这是一个条件指令，意思是说这个指令用来检查某个条件是否满足，例如检查某个数据位是否处于ON的状态。

闭路检查指令用来检查某个地址的特定位，在上图中指的是一个数字输入的特定位，它也可以是内存位，甚至是输出位。

闭路检查指令也被称为常开指令，基本上它类似于电路中的常开触点，因此可以对应于一个点动开关。

输入和输出都是PLC中的内存点位。在上面的示例中，闭路判断指令设置地址I0.0作为条件，这个地址属于PLC的第一个输入。

每个闭路检查指令必须要设置PLC中的一个地址

其工作原理如下：

当PLC扫描周期开始，PLC将首先检查所有输入的状态，然后将输入状态（0或1）写入内存中，如果输入是LOW，那么对应的内存位置位0，如果输入是HIGH，则对应的内存位置为1.

输出线圈指令

每个指令本身在PLC内存中也有个位置，PLC会将指令的结果存入。要了解PLC使用结果做什么，让我们看下一个指令：

输出线圈指令用来打开或关闭一个数据位。

正如你看到的，该符号位于水平线的右侧，意思是（同一水平线上）之前的指令作为该指令的条件。在我们的示例中，之前的指令就是闭路检查指令。

让我们检查下该指令的最终结果，来了解其工作过程：

PLC 扫描 | 输入 -> I0 字节
程序执行 | I0.0 -> Xic结果

在上面的动画中，你会看到PLC首先扫描所有的输入，并将输入状态存入内存。一个内存字节是彼此相邻的8位。

一旦PLC保存了所有输入的状态，程序将开始运行。

第一个要执行的指令是闭路检查指令，该指令的结果与内存位状态一致 —— 这也是该指令被称为常开指令的原因 —— 在正常状态（内存位为0），触点将保持常开，结果将为0，但是如果内存位为1，触点将闭合，结果也变为1。

最后，让我们看这条线的输出：

XiC结果 -> 输出线圈
输出线圈 -> 输出字节

现在，输出线圈指令使用了前序指令的结果作为条件。这被称为RLO（逻辑操作结果）。

逻辑操作结果保存在PLC内存中的特定位置。在西门子S7系列PLC中，这个位置被称为状态字。

在PLC术语中，一个WORD是16位，或2个字节。输出线圈指令很简单，它只是将其结果设置为与条件相同的值。

在PLC中所有的数字输出也映射到内存地址。我们将其称为输出位，因此地址Q0对应Q0.0 - Q0.7. 输出线圈指令的结果将被写入内存位Q0.0。

当PLC执行完整个程序，它将设置输出。每个输出被设置为与输出内存位一致的状态。

扫描周期这个概念非常重要，当你在编制梯形逻辑时一定要记住。否则你的程序可能会有奇怪的行为。

我们将在下一个示例中展示这一点，同时引入3个新的梯形逻辑指令。

输出锁存

在前面的示例中，我们学会了如何读取数字输入的状态，并将数字输出设置为同样的状态。

需要指出数字输入是一个暂态按钮，因为它内部有个弹簧，这意味着按钮只有在你一直按下时才会保持激活。

上面的梯形图可以正常工作，不过你可能注意到，只有输入激活时输出才会激活。因此你不得不用手指一直按住按钮，才能让输出保持激活。但是想一下，如果输出控制的是一个通风系统里的风机，那么要求操作员一直按着按钮就很不合理了。我们需要一个办法来保持输出激活，即使操作员已经释放了按钮。

在梯形逻辑中，有两种办法实现这一点：

如果你熟悉电路，就会发现这很类似，这杯称为锁存（Latching）或者自我保持（self holding）。

这个名称揭示了其工作原理：线圈简单的维持自己前一个扫描周期的状态。让我们单步分析一下：

当PLC第一次运行这个梯形逻辑程序时（按下按钮时），输出将被激活，就像前一个例子一样。有趣的事情发生在后续运行逻辑的时候。因为这是一个暂态按钮，它不会一直激活。依赖于 PLC程序的运行总时长，按钮可能在第二次、第三次或第四次运行时不再激活。

让我们进入按钮释放之后的第一个扫描周期。

输出还处于激活状态，因为上一个扫描周期按钮被按下。

这时PLC将再次读取输入并存入对应的内存位。内存位I0.0”这次将存入“0”。因此I0.0的闭路判断指令结果为false或“0”。

但是你可以看到，还有另一个并行的闭路判断指令，不过该指令的条件是输出内存位，因此其结果为true或“1”，因为这是输出还处于激活状态。只要输出内存位是“1”，输出就会激活，它就像自己的条件一样。

自保持指令与其他指令并联的原因在于构造一个OR条件，在这个示例当中，I0.0或Q0.0中的一个为true都会激活输出。

开路检查指令

你刚学习了如何编制一个有用的PLC梯形图程序。

一个激活输出的按钮。在我们的示例中，这个可能是连接到一个风机的触点，输出可以自保持。

但是这个程序有个问题，怎么关掉风机？

我们希望能够再次关掉风机。最简单的方法是添加一个停机按钮，该按钮将连接到PLC的第二个输入，因此其内存地址为I0.1。

问题是，我们为停机按钮使用什么指令？更重要的，我们应当将其放在梯形图的哪里？

第一个问题的答案是另一个梯形逻辑指令：开路检查指令，它看起来如下：

这个指令和闭路检查指令的工作方式恰恰相反，其结果是条件的反转。这意味着，如果条件为“0”，那么结果为“1”，反之亦然。

如果你考虑一下，就会发现这恰恰就是我们希望停机按钮做的事情。要关闭输出线圈，我们必须给出条件“0”。

现在是第二个问题，在哪里放置这个指令？

我们需要将其放在自锁指令之后，或者说，串联起来。否则当停机按钮按下时，还是会输出“1”。

现在，梯形逻辑如下：

你可以看到开路检查指令将其条件的反转结果传递给输出线圈。要再次激活输出，就需要再次按下启动按钮。

在上面的示例中，我使用了一个开路判断指令作为停机按钮。这不是好的实践！

我们最终遵循最佳实践，修改后的梯形图如下：

虽然我们修改了指令，梯形图的运行没有变化，这是因为我们同样修改了物理停机按钮的工作方式。