1、第七讲：顺序控制设计法与顺序功能图一、使用起保停电路的编程方法根据顺序功能图来设计梯形图时，可以用辅助继电器 M 来代表步。某一步为活动步时，对应的辅助继电器为 ON，某一转换实现时，该转换的后续步变为活动步，前级步变为不活动步。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活动步的时间短，因此应使用有记忆（或称保持）功能的电路（如起保停电路和置位复位指令组成的电路）来控制代表的辅助继电器。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。二、顺序控制设计法用经验设计法设计梯形图时，没有一套固定
2、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，用大量的中间单元来完成记忆、联锁和互锁等功能，由于需要考虑的因素很多，它们往往又交织在一起，分析起来非常困难，并且很容易遗漏一些应该考虑的问题。修改某一局部电路时，可能对系统的其他部分产生意想不到的影响，因此梯形图的修改也很麻烦，花了很长的时间还得不到一个满意的结果。用经验法设计出的梯形图往往很难阅读，给系统的维修和改进带来了很大的困难。所谓顺序控制，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，在生产过程中各个执行机构自动地有秩序
3、地进行操作。使用顺序控制设计法首先根据系统的工艺过程，画出顺序功能图，然后根据顺序功能图画出梯形图。有的 PLC 编程软件为用户提供了顺序功能图（SFC）语言，在编程软件中生成顺序功能图后便完成了编程工作。顺序控制设计法是一种先进的设计方法，很容易被初学者接受，对于有经验的工程师，也会提高设计的效率，程序的调试、修改和阅读也很方便，某厂有经验的电气工程师用经验设计法设计某控制系统的梯形图，花了两周的时间，同一系统改用顺序控制设计法，只用了不到半天时间，就完成了梯形图的设计和模拟调试，现场试车一次成功。使系统由当前步进入下一步的信号弹称为转换条件，转换条件可以是外部的输入信号，如按钮、指令开关、
4、限位开关的接通/断开等；也可以是 PLC 内部产生的信号，如定时器、计数器常开触点的接通等，转换条件还可能是若干个信号的与、或、非逻辑组合。顺序控制设计法用转换条件控制代表各步的编程元件，让它们的状态按一定的顺序变化，然后用代表各步的编程元件去控制 PLC 的各输出继电器。顺序功能图（Sequential function chart,简称为 SFC）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，它是一通用的技术语言，可以进一步设计和不同专业的人员之间进行技术交流之用。1993 年 5 月公布的 IEC
5、 PLC 标准（IEC1131）中，顺序功能图被定为 PLC 位居首位的编程语言，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。步与动作步顺序控制设计法最基本的思想是将系统的一个工作周期的划分为若干个顺序相连的阶段，这些阶段称为步（Step）,可以用编程元件， （例如辅助继电器 M 和顺序控制继电器 S）来代表各步。步是根据输出量的状态变化来划分的，在任何一步之内，各输出量的 ON/OFF状态不变，但是相邻两步输出量总的状态是不同的，步的这种划分方法使代表各步的编程元件的状态与各输出量的状态是之间有着极为简单的逻辑关系。送料小车开始停在左测限们开关 X2 处（见下图） ，按
6、下起动按钮 X0，X2 变为 ON，打开贮料斗的闸门，开始装料，同时用定时器 T0 定时，10s 后关闭贮料斗的闸门，Y0 变为ON，开始右行，碰到限位开关 X1 后停下来卸料（Y3 为 ON） ，同时用定时器 T1 定时；5s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。根据 Y0Y3的 ON/OFF 状态的变化，显然一个工作周期可以分为装料，右行、卸料和左行这 4 步，另外还应设置等待起动的初始步，分别用 M0M4 来代表这 5 步，图中左上部是小车运动的空间示意图，左下部是是有关编程元件的波形图（时序图） ，右边是描述该系统的顺序功能图，图中用矩形方框表示
7、步，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较为方便。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少应该有一个初始步。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：处于不活动状态时，相应的非存储型动作被停止执行。与步对应的动作或命令可以将一个控制系统划分为被控系统和施控系统，例如在数控车床系统中，数控装置是施控系统，而车床是被控系统。对于被控系统，在某一
8、步中要完成某些“动作” （action）; 对于施控系统，在某一步中则要向被控系统发出某些“命令”（command） 。为了叙述方便，下面将命令或动作统称为动作，并用矩形框中的文字或符号表示，该矩形框应与相应的符号相连。如果某一步有几个动作，可以用左图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。说明命令的语句应清楚地表明该命令是存储型的还是非存储型的。例如某步的存储型命令“打开 1 号阀并保持” ，是指该步为活动步时打开，该步为不活动时继续打开；非存储型命令“打开 1 号阀” ，是指该步为活动步时打开，为不活动步时关闭。除了以上的基本结构之外，使用动作的修饰词（见表 7-1）可以在
9、一步中完成不同的动作。修饰词允许在不增加逻辑的情况下控制动作。例如，可以使用修饰词 L 来限制配料阀打开的时间。表 7-1 动作的修饰词N 非存储型 当步变为不活动步时动作终止S 置位(存储) 当步变为不活动步时动作继续,直到动作被复位R 复位 被修饰词 S,SD,SL,或 DS 起动的动作被终止L 时间限制 步变为活动步时动作被起动,直到步变为不活动步或设定时间到D 时间延迟 步变为活动步时延迟定时器被起动,如果延迟之后步仍然是活动的,动作被起动和继续,直到步变不活动步P 脉冲 当步变为活动步,动作被起动并且只执行一次SD 存储与时间延迟 在时间延迟之后动作被起动,一直到动作被复位DS 延迟
10、与存储 在延迟之后如果步仍然是活动的,动作被起动直到被复位SL 存储与时间限制 步变为活动步时动作被起动,一直到设定的时间到或动作被复位在上例中，定时器 T0 的线圈应在 M1 为活动步时“通电” ，M1 为不活动步时断电，从这个意义上来说，T0 的线圈相当于步 M1 的一个动作，所以将 T0 作为步 M1 的动作来处理。步 M1 下面的转换条件 T0 由在指定时时间到时闭合的 T0 的常开触点提供。因此动作框中的 T0 对应的是 T0 的线圈，转换条件 T0 对应的是 T0 的常开触点。有向连线与转换条件有向连线在顺序功能图中，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
11、进展按有向连线规定的路线和方向进行。在画顺序功能图时，将代表各步的方框按它们成为活动步的后次序顺序排列，并用有向连接起来。步的活动状态习惯的进展方向是从上到下或从左到右，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的方向。在可以省略箭头的有向连线上，为了更易于理解也可以加箭头。如果在画图时有向连线必须中断（例如在复杂的图中，或用几个图来表示一个顺序功能图时） ，应在有向连线中断之处标明下一步的标号和所在的页数，如步 83、12页。转换转换用有向连线上与有向连线垂直的短划线来表示，转换将相邻两步分隔开。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
12、程的发展相对应。转换条件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的旁边，使用得最多的是布尔代数表达式。转换条件 X0 和 0XX0 分别表示当输入信号 X0 为 ON和 OFF 时转换实现。X0 和X0 分别表示当 X0 从01 状态和从 10 状态时转换实现。图 b 中用高电平表示步 12 为活动步，反之则用低电平表示。转换条件X0C表示 X0 的常开触点与 C0 的常闭触点同时闭合，在梯形图中则用两个触点串联来表示这样一个“与”转换条件。为了便于将顺序功能图转换为梯形图，最好用代表各步的编程元件的元件号作为步的代号，并且编程元件的元
13、件号来标注转换条件和各步的动作或命令。二、顺序功能图的基本结构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。选择序列选择序列的开始称为分支（见上图 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 h=1，将发生由步 5步 8 的进展。如果步 5 是活动步，并且 k=1，将发生由步 5步 10 的进展。如果将优先选择 h 对应的序列，一般只允许同时选择一个序列，即选择序列中的各序列是互相排斥的，其中的任何两个序列都不会同时执行。选择序列的结束称为合并（见 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
14、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 活动步，并且转换条件 j=1，将发生由步 9步 12 的进展。如果步 11 是活动步，并且 n=1，将发生由步 11步 12 的进展。并行序列并行序列的开始称为分支（见上图 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 是活动步，并且转换条件 e=1，4 和 6 这两步同时变为活动步，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 4，6 被同时激活后，每个序列中活动步的进展将是独立的。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。并行序列的结束称为合并（见图 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 5，7）都处于活动状态，并且转换条件 i=1 时，才会发生步 5，7 到步 10 的进展，即步 5，7 同时变为不活动步，而步 10 变为活动步。在每一个分支点，最多允许 8 条支路，每条支路的步数不受限制。
