2.4.5 同步时序逻辑综合实例

1.格兰码计数器设计

设计过程如下：

（1）信号分析。有效信号用脉冲信号pA，它是本控制的主令信号，用以驱动计数。

（2）状态分析。基本状态（用G0、G1、G2取值代表）有000、001、011、010、110、111、101、100，之后又回到000。

（3）画状态图：即图2-41。

（4）列表达式，可简单依据状态转换顺序列写。

从状态000到001，G0置位，即

SET（G0）=（000）∗pA

从状态001到011，G1置位；

SET（G1）=（001）∗pA

从状态011到010，G0复位；

RESET（G0）=（011）∗pA

从状态010到110，G2置位；

SET（G2）=（010）∗pA

从状态110到111，G0置位；

SET（G1）=（110）∗pA

从状态111到101，G1复位；

RESET（G1）=（111）∗pA

从状态101到100，G1复位；

RESET（G1）=（101）∗pA

从状态100到000，G2复位；

RESET（G2）=（100）∗pA

（5）根据所列表达式其梯形图程序如图2-42a所示。

这里用mG0、mG1、mG2记录G0、G1、G2。将此梯形图转化为起保停逻辑即为图2-42b所示程序（图2-42a的中间记录条9、10、11略）。再将多余触点去除即与图2-40所示的程序类似。

2.旋转自动门工作控制

设计一个旋转自动门控制梯形图逻辑。其要求是：当电源开关处于ON时，进入工作状态；反之，退出工作状态。在工作状态下，如检测到门前有人，则自动门正转；如检测不到门前有人，经若干延时，并到达给定位置后自动门停转。在正转时，如检测到自动门闯人或夹人，则自动门反转；这时，如检测到不再闯人或夹人，经若干延时，自动门又恢复正转。

从设计要求可知：

（1）信号分析。

主令信号有：电源开关信号，对应的有电源开关ON脉冲信号（Pd）及电源开关OFF脉冲信号（Pdn）；

反馈信号有：检测门前是否有人，用光电开关。对应的有，检测到门前有人光电开关ON脉冲信号（Py），检测到门前有人光电开关OFF（门前没人）延时脉冲信号（Pyn）；

检测到门是否闯人或夹人，用光电开关。对应的有，检测到门闯人或夹人光电开关ON脉冲信号（Pc），检测到门闯人或夹人光电开关OFF（不闯人或夹人）延时脉冲信号（Pcn）；

自动门到位与否，用行程开关。对应的有，自动门到位脉冲信号（Pw）。

（2）状态分析。

基本工作状态有：

图2-42 和利时或ABB PLC格兰码计数程序

状态0：自动门不工作。如检测到电源开关ON脉冲信号（Pd），则进入状态1。

状态1：自动门处工作状态。但既不正转，也不反转。如检测到门前有人光电开关ON脉冲信号（Py），则进入状态2。

状态2：自动门正转。如检测到门闯人或夹人光电开关ON脉冲信号（Pc），则进入状态4。如检测到门前有人光电开关OFF（门前没人）延时脉冲信号（Pyn），则进入状态3。

状态3：自动门正转。如检测到自动门到位脉冲信号（Pw），则进入状态1；如又检测到门前有人光电开关ON脉冲信号（Py），则又回到状态2；

状态4：自动门反转。如检测到门闯人或夹人光电开关OFF（不闯人或夹人）延时脉冲信号（Pcn），则又回到状态2。

可能状态有：

状态4A、状态4AA：处状态4时，自动门反转，但这时可能检测到Pyn信号。对此要用一个状态（状态4A）作记录，即从4转到4A，自动门仍应反转。这时，如检测到Pcn信号，也要用一个状态（状态4AA）对此作记录，但自动门仍正转。在状态4AA时，如接收到Pw信号，则转为状态1，自动门工作，但停转；如检测到Pc信号，那又要回到状态4A，自动门又反转。

状态1A、状态1AA：处状态1时，自动门处工作状态。但这时可能检测到Pc信号。这可用一个状态（状态1A）对此应作记录，并使自动门反转。这时，如检测到Pcn信号，则也要用一个状态（状态1AA）作记录，自动门转为正转。在状态1AA时，如接收到Pw信号，则转为状态1，自动门工作，但停转；如检测到Pc信号，那又要回到状态1A，自动门又反转。

状态1AAA：处状态1A时，也可能检测到Py信号。故要用一个状态（状态1AAA）作记录，自动门仍应反转。直到检测到Pcn信号时，转到状态2，自动门正转。当然，在1AAA时，也可能又检测到Pyn信号，那又要回到状态1A。

另外，在所有状态下，只要检测到电源开关OFF脉冲信号（Pdn），则进入状态0，自动门不工作。

总之，自动门所有可能的状态都要考虑到，不能遗漏。应避免有的有效信号得不到反应或记录，那样，PLC将不可能按所要求的实现控制。

（3）画状态图。

根据以上状态的描述，初画出如图2-43所示的状态图。为了清晰，该图未把在任何状态下，如检测到Pdn信号，都转到状态0画出（只把状态1，检测到信号Pdn转到状态0画出）。

图2-43 初画自动门控制状态图

对初画的状态图可进行化简。其原则是：两个或多个状态，如原输出相同，进入次状态的信号及产生的输出又相同，则可合并，可视为同一状态。如图2-43的状态1AA、4AA与状态3，可视为同一状态，可合并。状态4及状态1AAA也可视为同一状态，也可合并。经合并后的状态图见图2-44。

图2-44 自动门控制状态图化简

再观测图2-44，状态1A与状态4A仍可合并，合并后如图2-45所示。到此没有可合并的状态了，因而也就完成了状态图的设计。

从本例可知，状态图设计与通电表唯一性设计是不同的。状态图设计是状态化简，逐步减少状态；而通电表设计是避免逻辑条件相混，逐步增加内部变量（在某种意义上讲，也可说是增加状态）。同时，状态图的化简不是必要的，也可不化简。这时，只是内部变量要多用一些，但仍可实现所要求的控制。而通电表唯一性设计则是必要的，唯一性原则不满足，将不能实现所要求的逻辑控制。

图2-45 化简后自动门控制状态图

（4）确定变量。

状态变量：本例共有6个状态，用三个内部变量M3、M2、M1的不同取值，即可把这六个状态分开。如本例各状态用二进制编码：

000（M3=0、M2=0、M1=0）代表状态0；

001（M3=0、M2=0、M1=1）代表状态1；

010（M3=0、M2=1、M1=0）代表状态2；

011（M3=0、M2=1、M1=1）代表状态3；

100（M3=1、M2=0、M1=0）代表状态4；

101（M3=1、M2=0、M1=1）代表状态1A；

输出变量：本例的输出变量有：

工作，用输出点YY0控制；

正转，用输出点YY1控制；

反转，用输出点YY2控制。

没有以上三个输出，即为不工作。

（5）列写逻辑表达式。

有了化简后状态图及状态与输出变量，就可列写逻辑表达式。

状态变量逻辑表达式：

M1置位：在状态1、3及1A为1，从其他状态进入此状态应置位。从图2-45可知，须置位的有：状态0到状态1（Pd作用）；状态2到状态1（Pyn作用）；状态4到状态1A（Pc或Pyn作用）。

具体表达式为

SET（M1）=（000）∗Pd+（010）∗Pyn+（100）∗（Pc+Pyn）

M1复位：状态状态0、2及4为0，从其他状态进入此状态应复位。从图2-45可知，须复位的有：状态1到状态2（Py作用）；状态1A到状态4（Py作用）。再有是检测到Pdn时，也要复位。表达式为

RSET（M1）=（001）∗Py+（101）∗Py+Pdn

M2置位：在状态2、3为1，从其他状态进入此状态应置位。从图2-45可知，须置位的有：状态1到状态2（Py作用）；状态4到状态2（Pcn作用）；状态1A到状态3（Pcn作用）。

具体表达式为

SET（M2）=（001）∗Py+（100）∗Pcn+（101）∗Pcn

M2复位：状态0、1、4及1A为0，从其他状态进入此状态应复位。从图2-45可知：须复位的有：状态2到状态4（Pc作用）；状态3到状态1（Pw作用）；状态3到状态1A（Pc作用）。再有是检测到Pdn时，也要复位。表达式为

RSET（M2）=（010）∗Pc+（011）∗Pw+（011）∗Pc+Pdn

M3置位：在状态4及1A为1，从其他状态进入此状态应置位。从图2-45可知，须置位的有：状态3到状态1A（Pc作用）；状态2到状态4（Pc作用）；状态1到状态1A（Pcn作用）。

具体表达式为

SET（M3）=（011）∗Pc+（010）∗Pc+（001）∗Pc

M3复位：状态0、1、2及3为0，从其他状态进入此状态应复位。从图2-45可知，须复位的有：状态1A到状态3（Pcn作用）；状态4到状态2（Pcn作用）。再有是检测到Pdn时，也要复位。表达式为

RSET（M3）=（101）∗Pcn+（100）∗Pcn+Pdn

输出变量逻辑表达式：

这式子可进行化简，但在此不做介绍。

（6）画梯形图：依化简后的逻辑表达式画出梯形图。

图2-46是它的梯形图程序，是按照未化简的逻辑关系画出的。有三个部分：状态转变逻辑；输出；中间记录。但未把脉冲信号的梯形图程序画出。因为M是西门子、三菱PLC的关键词，所以，图2-46b、c用H替代M，如H1替代M1，H22替代M22……。

3.煤气加热炉切阀、转换阀控制

图2-47为煤气加热炉切阀、转换阀工作示意图。左右切阀、转换阀要定时切换，或按要求切换，以实现储热节能及喷嘴不超温。其具体工作过程是，左、右煤气切阀交替开通，空气、烟气转换阀左右转换，总是处于图2-47a或b状态之一。处于图2-47a状态时，空气从左喷嘴进入炉子，并冷却左喷嘴（加温空气）；而烟气从右喷嘴排出，加温右喷嘴（储热）；左切阀进煤气，右切阀关闭。处于图2-47b状态时，空气从右喷嘴进入炉子，并冷却右喷嘴（加温空气）；而烟气从左喷嘴排出，加温左喷嘴（储热）；右切阀进煤气，左切阀关闭。

输出用3个变量LL、MM、RR，分别代表左煤气切阀、空气、烟气转换阀、右煤气切阀。根据以上描述，系统总是处于100（左切阀开，转换阀置左位置）或011（右切阀开，转换阀置右位置）状态之一。其切换的工艺要求是，每当送入控制脉冲AA，则先关已开的切阀，切阀关到位后，转换阀转向，换向到位后，再开原关闭的切阀。

阀动作反馈信号用相应的行程开关。具体有：左切阀开到位开关（Ld），左切阀关到位开关（Ln），右切阀开到位开关（Rd），右切阀关到位开关（Rn），转换阀置右位置开关（Md），转换阀置左位置开关（Mn）。

输出也用3个变量L、MM、R，分别代表左煤气切阀，空气烟气转换阀及右煤气切阀。

设计过程如下：

图2-46 自动门控制梯形图程序

（1）信号分析。

有效信号有：脉冲信号pA，它是本控制的主令信号，用以驱动状态的转换。

反馈脉冲信号有：左煤气切阀开到位脉冲信号（pLd）；左煤气切阀关到位脉冲信号（pLn）；右煤气切阀开到位脉冲信号（pRd）；右煤气切阀关到位脉冲信号（pRn）；空气烟气转换阀置左位置到位脉冲信号（pMd）；空气烟气转换阀置右位置到位脉冲信号（pMn）。

（2）状态分析。

基本状态（用L、MM，、R取值代表）有：

100：左煤气切阀开（1表示）；空气烟气转换阀置左位置（0表示）；右煤气切阀关（0表示）。100是稳定的工作状态。此时，若来脉冲信号pA，则转换为000，即左煤气切阀关（0表示），其他不变。

000：左煤气切阀关（0表示）；空气烟气转换阀置左位置（0表示）；右煤气切阀关（0表示）。此时，若伴随的是脉冲信号pLn，则转换为010，即空气烟气转换阀置右位置（1表示），其他不变；若伴随的是脉冲信号pMn，则也转换为100，左煤气切阀开（1表示），又回到状态100。显然，000只是过渡状态。

图2-47 切阀、转换阀工作示意图

L—左切阀 R—右切阀 M—转换阀

010：左煤气切阀关（0表示）；空气烟气转换阀置右位置（1表示）；右煤气切阀关（0表示）。此时，若伴随的是脉冲信号pMd，则转换为011，即右煤气切阀开（1表示），其他不变；若伴随的是脉冲信号pRn，则也转换为100，又煤气切阀关（0表示），返回到状态100。显然，000也只是过渡状态。

011：左煤气切阀关（0表示）；空气烟气转换阀置右位置（1表示）；右煤气切阀开（1表示）。011也是稳定的工作状态。此时，若来脉冲信号pA，则转换为010，即左煤气切阀关（0表示），其他不变。

可能状态：

在工作开始时，可能系统未进入两个稳定状态（100、011）之一，而处于000状态。此时如接收到A脉冲信号，应进入100状态。

其他状态，如101、001、111，偶尔也可能出现。为了可靠，则应强制使其转入临近的稳定状态。如101转为100，如001转为011，如111转为011。

（3）画状态图。

根据以上状态分析，可画出对应的状态图，如图2-48所示。

（4）列表达式：

L置位：在状态100为1，从状态000进入此状态应置位。从图2-48可知，须置位的有：状态000到状态100（pMn或pA作用）。

图2-48 切阀、转换阀控制状态图

具体表达式为SET（L）=（000）∗（pMn+A）

L复位：状态000、010、001、011为0，从其他状态进入此状态应复位。从图2-48可知，须复位的有：状态100到状态000（pA作用）；处状态111，应自动复位。

具体表达式为RSET（Y1）=（100）∗pA+（111）

MM置位：在状态010、011为1，从其他状态进入此状态应置位。从图2-48可知，须置位的有：状态000到状态010（pLn作用）。

具体表达式为SET（MM）=（000）∗pLn

MM复位：状态000为0，从其他状态进入此状态应复位。从图2-48可知，须复位的有：状态010到状态000（pRn作用）；处状态110应自动复位。

具体表达式为RSET（MM）=（010）∗pRn+110

R置位：在状态011为1，从其他状态进入此状态应置位。从图2-48可知，须置位的有：状态010到状态011（pMd作用）；处状态001应自动置位。

具体表达式为SET（R）=（010）∗pMd+001

R复位：状态010为0，从其他状态进入此状态应复位。从图2-48可知，须复位的有：状态011到状态010（pA作用）；处状态101应自动复位。

具体表达式为RSET（R）=（011）∗pA+101

（5）画梯形图：依化简后的逻辑表达式画出梯形图。

根据以上表达式画出的梯形图如图2-49所示。图2-49a、b用KEEP指令替代SET与RESET指令。脉冲生成程序略。

4.组合机床动力头运动控制

本例的工艺要求同本章第3节例3。它的输出有两个变量，进与慢，用DT1、DT2表示。DT1 ON进、DT2 ON快，反之为退、慢。

依题意，主轴在原位时（1XK合上），给出起动信号（用脉冲信号Q），主轴快（DT1 DT2取值为11），以使主轴快速接近工件。

主轴快进到2XK合上（这时1XK早已松开），则利用它的脉冲作用使主轴转为慢进（DT1DT2取值为10），以进行加工。

主轴加工前进到3XK合上，（这时2XK也早已松开），则利用它的脉冲作用使主轴转为快退（DT1 DT2取值为01），以便于钻头排屑。

主轴后退到2XK合上（这时3XK早已松开），再利用它的脉冲作用使主轴转为快进（DT1DT2取值为11），使主轴接近工件未加工的部分。

主轴快进到3XK合上（这时2XK早已松开），则利用它的脉冲作用使主轴转为慢进（DT1DT2取值为10），以进行未加工部分的加工。

主轴加工前进到4XK合上，（这时3XK也早已松开），则利用它的脉冲作用使主轴转为快退（DT1 DT2取值为01），直到主轴回到原位，1XK合上，完成一个工作循环。

按以上要求，用状态图法设计如下：

（1）信号分析。

有效主令信号为起动信号pQ。

反馈信号有动力头到位行程开关XK1、XK2、XK3、XK4 ON发出的相应脉冲信号p1XK、p2XK、p3XK、p4XK及XK1、XK1、XK2、XK4 OFF发出的相应脉冲信号p1OFF、p2OFF、p3OFF、p4OFF。

（2）状态分析。

状态0：动力头处原位，XK1 ON，其他开关XK2、XK3、XK4 OFF。输出DT1、DT2为00。在此状态时，按下起动按钮QQ，接收相应的脉冲信号pQ后，进入状态1。

状态1：动力头第一次快进。输出DT1、DT2为11。这时，接收到脉冲信号p2XK，则进入状态2。

状态2：动力头第一次工进。输出DT1、DT2为10。这时，接收到脉冲信号p3XK，则进入状态3。

图2-49 切阀、转换阀控制梯形图程序

状态3：动力头第一次快退。输出DT1、DT2为01。这时，接收到2XK OFF脉冲信号p2OFF，则进入状态4。

状态4：动力头第二次快进。输出DT1、DT2为11。这时，接收到脉冲信号p2OFF，则进入状态5。

状态5：动力头第二次工进。输出DT1、DT2为10。这时，接收的p4XK脉冲信号，则进入状态6。

状态6：动力头第二次快退。输出DT1、DT2为01。这时，接收的p1XK脉冲信号，则进入状态0。

（3）画状态图：按确定的状态及其转换，画出的状态图如图2-50所示。

（4）确定变量。

图2-50有7个状态，为了简化，其中1～6分别用MM1～MM66个变量代表它。哪一个ON，即进入相应的那一个状态。这些变量全为OFF即为状态0。也可用动力头在原位，即XK1 ON代表状态0。

图2-50 动力头运动控制状态图

（5）列表达式。

MM1置位：在状态1时为1。从图2-50知，在状态0时，经pQ作用，应置位，进入本状态。

具体表达式为SET（MM1）=XK1∗pQ）

MM1复位：本状态为1，其他状态均为0。从图2-50可知，经p2XK作用，进入状态2，应复位。

具体表达式为RSET（MM1）=MM1∗p2XK

MM2置位：在状态2时为1。从图2-50可知，在状态1时，经p2XK作用，应置位，进入本状态。

具体表达式为SET（MM2）=MM1∗p2XK

MM2复位：本状态为1，其他状态均为0。从图2-50可知，经p3XK作用，进入状态3，应复位。

具体表达式为RSET（MM2）=（MM2）∗p3XK

MM3置位：在状态3时为1。从图2-50可知，在状态2时，经p3XK作用，应置位，进入本状态。

具体表达式为SET（MM3）=MM2∗p3XK

MM3复位：本状态为1，其他状态均为0。从图2-50可知，经p2OFF作用，进入状态4，应复位。

具体表达式为RSET（MM3）=（MM3）∗p2OFF

MM4置位：在状态4时为1。从图2-50可知，在状态3时，经p2OFF作用，应置位，进入本状态。

具体表达式为SET（MM3）=MM3∗p2FF

MM4复位：本状态为1，其他状态均为0。从图2-50可知，经p3XK作用，进入状态5，应复位。

具体表达式为RSET（MM4）=（MM4）∗p3XK

MM5置位：在本状态时为1。从图2-50可知，在状态4时，经p4XK作用，应置位，进入本状态。

具体表达式为SET（MM5）=MM4∗p3XK

MM5复位：本状态为1，其他状态均为0。从图2-50可知，经p4XK作用，进入状态6，应复位。

具体表达式为RSET（MM5）=（MM5）∗p4XK

MM6置位：在本状态时为1。从图2-50可知，在状态5时，经p4XK作用，应置位，进入本状态。

具体表达式为SET（MM6）=MM5∗p4XK

MM6复位：本状态为1，其他状态均为0。从图2-50可知，经p1XK作用，进入状态0，应复位。

具体表达式为RSET（MM6）=（MM6）∗p1XK

（6）画梯形图：依化简后的逻辑表达式画出梯形图。

根据所列表达式，画出的梯形图程序如图2-51所示。图2-51a、d用符号地址，M6为MM6、M5为MM5……图2-51b用直接地址，M6为辅助继电器M0.6、M5为M0.5……图2-51c也用直接地址，M6为辅助继电器M6、M5为M5……

图2-51 动力头运动控制梯形图程序

图2-51a、d的微分处理过程未画出。但图2-51b、c已画出。图2-51b用指令P，而图2-51c用向上箭头。同时，图2-51b、c的脉冲输入也用了直接地址。其对应关系是：

图2-51b中，I0.0常开触点加指令P，表示pQ；I0.1常开触点加指令P，表示p2XK；I0.2常开触点加指令P，表示p2XK；I0.3常开触点加指令P，表示p3XK；I0.4常开触点加指令P，表示p4XK。用I0.2加指令NOT、再加指令P，表示p2OFF。

图2-51c中，X000常开触点加向上箭头，表示pQ，X001常开触点加向上箭头，表示p2XK；X002常开触点加向上箭头，表示p2XK；X003常开触点加向上箭头，表示p3XK；X004常开触点加向上箭头，表示p4XK。用X002常开触点加向下箭头，表示p2OFF。