顺序功能图基本元件介绍

1.顺序控制设计法

继电器电路图和简单的梯形图程序一般采用经验设计法来设计，这种设计方法具有很大的试探性和随意性，很难掌握。设计的质量和速度与设计者的经验有很大的关系。

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地进行操作。

顺序控制设计法是一种先进的很容易掌握的设计方法，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。只要正确地画出描述系统工作过程的顺序功能图，顺序控制程序一般都可以做到在试车时能一次成功。

顺序功能图（Sequential Function Chart，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PLC的编程语言标准IEC 61131-3位居首位的编程语言。S7-300/400的S7-Graph就是一种顺序功能图语言。

可以用顺序功能图来描述系统的功能，根据它来设计梯形图程序。本章首先介绍顺序功能图的画法，然后介绍用置位复位指令设计顺序控制程序的方法。

2.步的基本概念

顺序功能图主要由步、动作、有向连线、转换和转换条件组成。

顺序控制设计法最基本的思想是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（Step），并用位地址（例如位存储器M）来代表各步。步是根据输出量的0、1状态的变化来划分的，一般在任何一步之内，各输出量的状态不变，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位地址的状态与各输出量的状态之间有着极为简单的逻辑关系。

顺序控制设计法用转换条件控制代表各步的位地址，让它们的状态按规定的顺序变化，然后用代表各步的位地址去控制PLC的各输出位。

图5-1中的两条运输带启动时应先启动1号运输带，延时10s后自动启动2号运输带。按了停止按钮后，先停2号运输带，10s后再停1号运输带。图5-1给出了输入输出信号的波形图和顺序功能图。

图5-1 波形图与顺序功能图

根据Q4.0～Q4.1的ON/OFF状态的变化，显然可以将上述工作过程分为3步，分别用M0.1～M0.3来代表这3步，另外还设置了一个等待启动的初始步M0.0。图5-1的右边是描述该系统的顺序功能图，图中用矩形方框表示步，方框中是代表该步的位元件的地址，例如M0.0等。

初始状态一般是系统等待启动命令的相对静止的状态。系统在开始进行自动控制之前，首先应进入规定的初始状态。与系统的初始状态相对应的步称为初始步，初始步用双线方框来表示，每一个顺序功能图至少应该有一个初始步。

当系统正处于某一步所在的阶段时，称该步处于活动状态，该步为“活动步”。步处于活动状态时，执行相应的非存储型动作；处于不活动状态时，则停止执行非存储型动作。

3.与步对应的动作

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来表示动作，该矩形框与相应的步的方框用水平短线相连。如果某一步有几个动作，可以用图5-2中的两种画法来表示，但是并不隐含这些动作之间有先后顺序。

图5-2 动作

应清楚地表明动作是存储型的还是非存储型的。非存储型动作与它所在的步是“同生共死”的。例如图5-1中的Q4.1为非存储型动作，M0.2与Q4.1的波形完全相同。在步M0.2为活动步时，M0.2和Q4.1为1状态；步M0.2为不活动步时，M0.2和Q4.1为0状态。(www.xing528.com)

图5-1中Q4.0在M0.1～M0.3这连续的3步都应为1状态，在顺序功能图中，可以用动作的修饰词“S”将它在应为1状态的第一步（步M0.1）置位（见图5-3），用动作的修饰词“R”将它在应为1状态的最后一步的下一步（步M0.0）复位为0状态。这种动作是存储型动作。在程序中用置位、复位指令来实现上述操作。

图5-3 顺序功能图

在图5-1的步M0.1中，接通延时定时器T0用来给该步延时，在该步T0的线圈应一直通电，转换到下一步后，T0的线圈断电。从这个意义上说，T0的线圈相当于该步的一个非存储型动作，因此将这种为某一步定时的接通延时定时器放在与该步相连的动作框内，它表示定时器的线圈在该步内“通电”。

4.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先后次序顺序排列，并用有向连线将它们连接起来。有向连线的方向用箭头表示，步的活动状态默认的进展方向是从上到下和从左至右，在这两个方向可以省略有向连线上的箭头。如果不是上述的方向，则应在有向连线上用箭头注明进展方向。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。

5.转换与转换条件

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，并与控制过程的发展相对应。

使系统由当前步进入下一步的信号称为转换条件，转换条件可以是外部的输入信号，例如按钮、指令开关、限位开关的接通或断开等；也可以是PLC内部产生的信号，例如定时器、计数器触点的通断等，转换条件还可以是若干个信号的与、或、非逻辑组合。

图5-1中步M0.1下面的转换条件T0对应于接通延时定时器T0的常开触点，在T0的定时时间到时，其常开触点闭合，该转换条件满足。

S7-Graph中的转换条件用梯形图或功能块图来表示（见图5-4），如果没有使用S7-Graph语言，一般用布尔代数表达式来表示转换条件。

图5-4 转换与转换条件

图5-4的右图用高电平表示步M2.1为活动步，反之则用低电平来表示。转换条件I3.5表示I3.5为1状态时转换实现，转换条件 表示I3.5为0状态时转换实现。转换条件 表示I0.0的常开触点和I2.1的常闭触点同时闭合时转换实现，在梯形图中则用两个触点的串联来表示这样的“与”逻辑关系。

符号↑I2.3和↓I2.3分别表示当I2.3从0状态变为1状态和从1状态变为0状态时转换实现。一般情况下转换条件↑I2.3和I2.3是等效的，前级步为活动步时，一旦I2.3由0状态变为1状态（即在I2.3的上升沿），转换条件I2.3也会马上起作用。

图5-5 冲床机械手示意图

6.绘制顺序功能图的练习

冲床的运动示意图如图5-5所示。初始状态时机械手在最左边，I0.4为1状态；冲头在最上面，I0.3为1状态；机械手松开，Q0.0为0状态。按下启动按钮I0.0，Q0.0变为1状态，工件被夹紧并保持，2s后Q0.1变为1状态，机械手右行，直到碰到I0.1。以后将顺序完成以下动作：冲头下行，冲头上行，机械手左行，机械手松开（Q0.0被复位），系统返回初始状态。各限位开关和定时器提供的信号是相应步之间的转换条件。画出控制系统的顺序功能图。