顺序功能图的转换条件是什么

时间：2022-10-21 百科知识版权反馈

【摘要】：在工业控制领域，顺序控制系统应用很广。所谓顺序控制设计法就是针对顺序控制系统的一种专门的设计方法。采用顺序控制设计法进行程序设计的基本步骤及内容包括划分“步”、确定转换条件、绘制顺序功能图、编写梯形图程序四个部分。顺序控制设计法设计PLC程序时，应根据系统输出状态的变化，将系统的工作过程划分成若干个状态不同的阶段，这些阶段称为“步”，可以用编程元件来代表各步。

5.3.4　顺序控制设计法

1）概述

在工业控制领域，顺序控制（步进控制）系统应用很广。顺序控制就是按照生产工艺预先规定的顺序，在各个输入信号的作用下，根据内部状态和时间的顺序，使生产过程中各个执行机构自动而有序地进行工作。

所谓顺序控制设计法就是针对顺序控制系统的一种专门的设计方法。这种设计方法亦称步进控制设计法，同时作为一种先进的设计方法，易被初学者接受，对于有经验的工程师，也会提高设计效率，方便程序的调试、修改和阅读。

采用顺序控制设计法进行程序设计的基本步骤及内容包括划分“步”、确定转换条件、绘制顺序功能图、编写梯形图程序四个部分。

2）顺序功能图的绘制

使用顺序控制设计法时，首先要根据系统的工艺过程画出顺序功能图。

1993年IEC正式颁布了PLC的国际标准IEC 1131-3（后改称IEC 61131-3），规范了PLC的编程语言及其基本元素，我国于1995年11月发布实施。其中顺序功能图（SFC图）被确定为PLC位居首位的编程语言。

顺序功能图又叫做状态转移图或功能表图，它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。顺序功能图并不涉及所描述的控制功能的具体技术，它是一种通用的技术语言，可以供进一步设计或不同专业人员之间进行技术交流之用。

某些厂家的PLC允许直接用顺序功能图语言编写用户程序，但是需要高级图形编程器的支持。对于中小型PLC，一般是将顺序功能图作为一种设计工具，先根据系统对控制的要求，画出顺序功能图，然后根据顺序功能图画出梯形图，将梯形图写入PLC，或者将梯形图转换成指令表后，再写入PLC。

（1）基本组成

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）等要素组成。

①步与动作

顺序控制设计法设计PLC程序时，应根据系统输出状态的变化，将系统的工作过程划分成若干个状态不同的阶段，这些阶段称为“步”，可以用编程元件（如辅助继电器M或状态继电器S）来代表各步。如图5-12所示，送料小车开始停在左侧限位开关X2处，按下启动按钮X0，Y2变为ON，打开储料斗的闸门，开始装料，同时用定时器T0定时，定时时间到后关闭储料斗的闸门，Y0变为ON，开始右行，碰到限位开关X1后Y3为ON，开始停车卸料，同时用定时器T1定时，定时时间到后Y1变为ON，开始左行，碰到限位开关X2后返回初始状态，停止运行。

图5-12　顺序功能图的表示

根据Y0～Y3的ON/OFF状态的变化，显然一个工作周期可以分为装料、右行、卸料和左行4步，另应设置等待启动的初始步，分别用M0～M4来代表这5步。图（b）为该系统的顺序功能图。步在顺序功能图中用矩形框表示，方框中可以用数字表示该步的编号，一般用代表该步的编程元件的元件号作为步的编号，如M0等，这样在根据顺序功能图设计梯形图时较为方便。

当系统正工作于某一步时，该步处于活动状态，称为“活动步”。步处于活动状态时，相应的动作被执行；处于不活动状态时，相应的非保持型动作被停止执行。

控制过程刚开始阶段的活动步与系统初始状态相对应，称为“初始步”，一般是系统等待启动命令的相对静止的状态。在顺序功能图中初始步用双线框表示，每个顺序功能图中至少应有一个初始步。

所谓“动作”是指某步活动时，PLC向被控系统发出的命令，或被控系统应执行的动作。动作用矩形框中的文字或符号表示，该矩形框应与相应步的矩形框相连接。如果某一步有几个动作，可以用图5-13中的两种画法来表示，但是并不隐含这些动作之间的任何顺序。

图5-13　多个动作的表示

当步处于活动状态时，相应的动作被执行。但是应注意标明动作是保持型还是非保持型。保持型的动作是指该步活动时执行该动作，该步变为不活动后继续执行该动作。非保持型动作是指该步活动时执行该动作，该步变为不活动后停止执行该动作。一般保持型的动作在顺序功能图中应该用文字或指令助记符标注，而非保持型动作不要标注。

②有向连线、转换和转换条件

如图5-12中，步与步之间用有向连线连接，并且用转换将步分隔开。步的活动状态进展是按有向连线规定的路线进行。有向连线上无箭头标注时，其进展方向是从上到下、从左到右。如果不是上述方向，应在有向连线上用箭头注明方向。

步的活动状态进展是由转换来完成的。转换是用与有向连线垂直的短划线来表示，步与步之间不允许直接相连，必须用转换隔开，而转换与转换之间也同样不能直接相连，必须用步隔开。

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划线旁边。

使用得最多的转换条件表示方法是布尔代数表达式，用“与”、“或”、“非”表达式表示转换条件，例如，（X1＋M2）·表示X1和M2的常开触点并联后再与Y0的常闭触点串联来表示这个转换条件。

（2）基本规则

步与步之间实现转换应同时具备两个条件：

①前级步必须是活动步；

②对应的转换条件成立。

当同时具备上述两个条件时，才能实现步的转换。如图5-12中M2步为活动步的情况下若转换条件X1成立，则转换实现，即M3步变为活动步，而M2步变为非活动步。如果转换的前级步或后续步不止一个，则同步实现转换。

（3）基本结构

顺序功能图的基本结构可分为如图5-14所示的单序列、选择序列和并行序列三种形式。有时为了增强描述问题的层次性，图中的某一步可包括若干子步和转换。

（a）单序列

单序列由一系列相继激活的步组成，每一步的后面仅接有一个转换，每一个转换的后面只有一个步［见图5-14（a）］。

图5-14　顺序功能图的基本结构

（b）选择序列

选择序列的开始称为分支［见图5-14（b）］，转换符号只能标在水平连线之下。如果步07是活动步，并且转换条件h＝1，则发生由步07→步08的转换；如果步07是活动步，并且k＝1，则发生由步07→步10的转换。

选择序列的结束称为合并，几个选择序列合并到一个公共序列时，用和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。如步09是活动步，并且转换条件j＝1，则发生由步09→步12的转换。如果步11是活动步，并且m＝1，则发生由步11→步12的转换。

（c）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。并行序列的开始亦称为分支，结束亦称为合并［见图5-14（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15是活动步，并且转换条件p＝1时，步16和步18同变为活动步，同时步15变为非活动步。步16和步18被同时激活后，每个序列中活动步的进展是独立的。为了强调转换的同步实现，水平连线用双线表示。在水平双线之上或之下，只允许有一个转换符号。

当直接连在双线上的所有前级步（如步17、19）都处于活动状态，且转换条件s＝1时，才会发生步17、步19到步20的转换，即步17、步19同时变为非活动步，步20变为活动步。

（4）绘制功能图举例

某组合机床液压滑台进给运动示意图如图5-15所示，其工作过程分成原位、快进、工进、快退四步，相应的转换条件为SB、SQ₁、SQ₂、SQ₃，快进由Y0输出驱动电磁阀YV1执行，工进由Y0和Y2分别输出驱动YV1、YV3执行，快退由Y1输出驱动YV2执行。根据上述顺序功能图的绘制方法，液压滑台系统的顺序功能图如图5-16（a）所示。

图5-15　某液压滑台的工步划分

如果PLC已经确定为FX系列，可用编程元件M0～M3来代表这四步，设I/O设备与PLC的I/O点对应关系如表5-2所示，则可直接画出如图5-16（b）所示的顺序功能图接线图，图中M8002为FX系列PLC的产生初始化脉冲的特殊辅助继电器。

图5-16　液压滑台系统的顺序功能图

表5-2　PLCI/O设备与I/O点对应关系

3）顺序控制设计法中梯形图的编程方法

根据控制系统的顺序功能图设计梯形图的方法，称为顺序控制梯形图的编程方法。下面分别介绍使用启保停电路的编程方法、以转换为中心的编程方法、使用STL指令的编程方法。

为便于分析，设刚开始执行用户程序时，系统已处于初始步（用初始化脉冲M8002将初始步置位），代表其余各步的编程元件均为OFF，为转换的实现做好准备。

（1）使用启保停电路的编程方法

根据顺序功能图设计梯形图时，可用辅助继电器M来代表各步。某一步为活动步时，对应的M为ON，某一转换实现时，该转换的后续步变为活动步，前级步变为非活动步。很多转换条件都是短信号，即它存在的时间比它激活的后续步为活动步的时间短，因此应使用有记忆（或称保持）功能的电路来控制代表步的辅助继电器。常用的有启保停电路和置位、复位指令组成的电路。

启保停电路仅仅使用与触点和线圈有关的通用逻辑指令，各种型号PLC都有这一类指令，故这是一种通用的编程方式，适用于各种型号的PLC。

如图5-17所示，采用了启动、保持、停止电路进行顺序控制梯形图编程。图中M1、M2和M3是顺序功能图中顺序相连的3步，M2转变为活动步的前提条件是它的前级步M1为活动步且转换条件X1＝1。所以在梯形图中，应将M1和X1对应的常开触点串联，作为控制M2的启动电路。

当M2和X2均为ON时，步M3变为活动步，这时步M2应变为非活动步，因此可以将M3＝1作为使M2变为OFF的条件，即将后续步M3的常闭触点与M2的线圈串联，作为控制M2的停止电路。用M2的常开触点与M1和X1的串联电路并联，作为控制M2的保持电路。

图5-17　使用启保停控制步

图5-18是某小车运动的示意图、顺序功能图和用启保停电路设计的梯形图。设小车在初始位置时停在右边，限位开关X2为ON。按下启动按钮X3后，小车向左运动，碰到限位开关X1时，变为右行；返回限位开关X2处变为左行，碰到限位开关X0时，变为右行，返回起始位置X2后停止运动。

图5-18　小车运动控制示例图

1个工作周期可以分为1个初始步和4个运动步，分别用M0～M4来代表这5步。启动按钮X3、限位开关X0～X2的常开触点是各步之间的转换条件。该系统的顺序功能图为图5-18（b）。

根据上述的编程方法和顺序功能图，易画出图5-18（c）的梯形图。图（c）中步M1的前级步为M0，该步前面的转换条件为X3，所以M1的启动电路由M0和X3的常开触点串联而成，启动电路还并联了M1的自保持触点。步M1的后续步是M2，所以应将M2的常闭触点与M1的线圈串联，控制M1的停止。

PLC开始运行时应将M0置为ON，否则系统无法工作，所以将执行特殊功能的M8002的常开触点与M0的启动电路（M4和X2的常开触点串联，当小车最后到达终点时再将M0置1，以备再次启动）并联。

设计梯形图的输出电路部分时，应注意以下问题：

①如果某一输出量仅在某一步中为ON，可以将其线圈与对应的M的常开触点串联（或与对应的M线圈并联）。

②如果某一输出继电器Y在几步中都应为ON，应将代表各有关步的M的常开触点并联后，驱动该Y的线圈。如图5-18，Y0在步M1和M3中都应为ON，所以将M1和M3的常开触点并联后，来控制Y0的线圈。

（2）以转换为中心的编程方法

图5-19给出了以转换为中心的梯形图与顺序功能图的对照关系。实现与图中X1对应的转换需要同时满足两个条件：该转换的前级步是活动步（M1＝1）和转换条件满足（X1＝1）。在梯形图中可以用M1和X1的常开触点组成的串联电路来表示上述条件。该电路接通时，两个条件同时满足，此时应完成两个操作：将该转换的后续步变为活动步（用SET M2指令将M2置位）和将该转换的前级步变为非活动步（用RST M1指令将M1复位），这种编程方法与转换实现的基本规则之间有着严格的对应关系，用它编制复杂的顺序功能图的梯形图时，更能显示出其优越性（SIMENS S7-200系列采用S、R指令）。

图5-19　以转换为中心的梯形图与顺序功能图的对照关系

图5-20是对应于图5-18控制系统的以转换为中心的梯形图。

图5-20　以转换为中心的梯形图

在顺序功能图中，如果某一转换所有的前级步都是活动步并且相应的转换条件满足，则转换可以实现。在以转换为中心的编程方法中，用该转换所有前级步对应的辅助继电器的常开触点与转换对应的触点或电路串联，作为使所有后续步对应的辅助继电器置位（使用SET指令）和使所有前级步对应的辅助继电器复位（使用RST指令）的条件。在任何情况下，代表步的辅助继电器的控制电路都可以用这一原则来设计，每一个转换对应一个这样的控制置位和复位的电路块，有多少个转换就有多少个这样的电路块。这种设计方法很有规律，在设计复杂的顺序功能图的梯形图时，既容易掌握，又不容易出错。

使用这种编程方法时，不能将输出继电器的线圈与SET和RST指令并联。应根据顺序功能图，用代表步的辅助继电器的常开触点或它们的并联电路来驱动输出继电器的线圈。

对选择序列的分支与合并的编程方法与对上述单序列的编程方法完全相同。以转换为中心并行序列的编程可采用多个SET或RST指令并联连接方式实现。

（3）使用步进梯形指令STL的编程方法

许多PLC都有专门用于编制顺序控制程序的步进梯形指令及编程元件。步进梯形指令，简称STL（Step Ladder Instruction）指令，FX系列PLC有一条STL指令及使一条STL复位的RET指令。利用这两条指令，可以很方便地编制顺序控制梯形图程序。

步进梯形指令STL只有与状态继电器S配合才具有步进功能。S0～S9用于初始步，S10～S19用于自动返回原点。使用STL指令的状态继电器的常开触点（无常闭STL触点）称为STL触点。

如图5-18所示，小车运动系统1个周期由5步组成。它们可分别对应初始步S0、S20～S23，其顺序功能图和梯形图如图5-21所示。

PLC上电进入RUN状态，刚执行第一行程序时，初始化脉冲M8002通过SET指令将初始步S0置为活动步。

在梯形图的第二行中，S0的STL触点和X3的常开触点组成的串联电路代表转换实现的两个条件。当初始步S0为活动步，且按下启动按钮X3时，转换实现的两个条件同时满足，置位指令SET S20被执行，后续步S20变为活动步，同时S0自动复位为非活动步。