2.4　順序控制設(shè)計法與順序功能圖

2.4.1　順序控制設(shè)計法

（1）順序控制設(shè)計法簡介

采用經(jīng)驗設(shè)計法設(shè)計梯形圖程序時，由于經(jīng)驗設(shè)計法本身沒有一套固定的方法可循，且在設(shè)計過程中又存在著較大的試探性和隨意性，給一些復(fù)雜程序的設(shè)計帶來了很大的困難。即使勉強設(shè)計出來了，對于程序的可讀性、時間的花費和設(shè)計結(jié)果來說，也不盡人意。鑒于此，本章將介紹一種有規(guī)律且比較通用的方法——順序控制設(shè)計法。

順序控制設(shè)計法是指按照生產(chǎn)工藝預(yù)先規(guī)定順序，在各輸入信號作用下，根據(jù)內(nèi)部狀態(tài)和時間順序，使生產(chǎn)過程各個執(zhí)行機構(gòu)自動有序進(jìn)行操作的一種方法。該方法是一種比較簡單且先進(jìn)的方法，很容易被初學(xué)者接受，對于有經(jīng)驗的工程師來說，也會提高設(shè)計效率，對于程序的調(diào)試和修改來說也非常方便，可讀性很高。

（2）順序控制設(shè)計法基本步驟

使用順序控制設(shè)計法時的基本步驟是：首先進(jìn)行I/O分配；接著根據(jù)控制系統(tǒng)的工藝要求，繪制順序功能圖；最后，根據(jù)順序功能圖設(shè)計梯形圖。其中在順序功能圖的繪制中，往往是根據(jù)控制系統(tǒng)的工藝要求，將生產(chǎn)過程的一個周期劃分為若干個順序相連的階段，每個階段都對應(yīng)順序功能圖一步。

（3）順序控制設(shè)計法分類

順序控制設(shè)計法大致可分為：啟保停電路編程法、置位復(fù)位指令編程法、順序控制繼電器指令編程法和移位寄存器指令編程法。本章將根據(jù)順序功能圖基本結(jié)構(gòu)的不同，對以上4種方法進(jìn)行詳細(xì)講解。

使用順序控制設(shè)計法時，繪制順序功能圖是關(guān)鍵，因此下面要對順序功能圖進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2.4.2　順序功能圖簡介

（1）順序功能圖的組成要素

順序功能圖是一種圖形語言，用來編制順序控制程序。在IEC的PLC編程語言標(biāo)準(zhǔn)（IEC61131-3）中，順序功能圖被確定為PLC首選編程語言。在編寫程序的時候，往往根據(jù)控制系統(tǒng)的工藝過程，先畫出順序功能圖，然后再根據(jù)順序功能圖寫出梯形圖。順序功能圖主要由步、有向連線、轉(zhuǎn)換、轉(zhuǎn)換條件和動作（或命令）這5大要素組成，如圖2-29所示。

① 步：步就是將系統(tǒng)的一個周期劃分為若干個順序相連的階段，這些階段就叫步。步是根據(jù)輸出量的狀態(tài)變化來劃分的，通常用編程元件代表，編程元件是指輔助繼電器M和狀態(tài)繼電器S。步通常涉及以下幾個概念。

◆ 初始步：一般在順序功能圖的最頂端，與系統(tǒng)的初始化有關(guān)，通常用雙方框表示。注意每一個順序功能圖中至少有一個初始步，初始步一般由初始化脈沖SM0.1激活。

◆ 活動步：系統(tǒng)所處的當(dāng)前步為活動狀態(tài)，就稱該步為活動步。當(dāng)步處于活動狀態(tài)時，相應(yīng)的動作被執(zhí)行，步處于不活動狀態(tài)，相應(yīng)的非記憶性動作被停止。

◆ 前級步和后續(xù)步：前級步和后續(xù)步是相對的，如圖2-30所示。對于M0.2步來說，M0.1是它的前級步，M0.3步是它的后續(xù)步；對于M0.1步來說，M0.2是它的后續(xù)步，M0.0步是它的前級步；需要指出，一個順序功能圖中可能存在多個前級步和多個后續(xù)步，如M0.0就有兩個后續(xù)步，分別為M0.1和M0.4；M0.7也有兩個前級步，分別為M0.3和M0.6。

② 有向連線：即連接步與步之間的連線，有向連線規(guī)定了活動步的進(jìn)展路徑與方向。通常規(guī)定有向連線的方向從左到右或從上到下箭頭可省，從右到左或從下到上箭頭一定不可省，如圖2-30所示。

③ 轉(zhuǎn)換：轉(zhuǎn)換用一條與有向連線垂直的短劃線表示，轉(zhuǎn)換將相鄰的兩步分隔開。步的活動狀態(tài)的進(jìn)展由轉(zhuǎn)換的實現(xiàn)來完成，并與控制過程的發(fā)展相對應(yīng)。

④ 轉(zhuǎn)換條件：轉(zhuǎn)換條件就是系統(tǒng)從上一步跳到下一步的信號。轉(zhuǎn)換條件可以由外部信號提供，也可由內(nèi)部信號提供。外部信號如按鈕、傳感器、接近開關(guān)、光電開關(guān)等的通斷信號；內(nèi)部信號如定時器和計數(shù)器常開觸點的通斷信號等。轉(zhuǎn)換條件可以用文字語言、布爾代數(shù)表達(dá)式或圖形符號標(biāo)注在表示轉(zhuǎn)換的短劃線旁，使用較多的是布爾代數(shù)表達(dá)式，如圖2-31所示。

⑤ 動作：被控系統(tǒng)每一個需要執(zhí)行的任務(wù)或者是施控系統(tǒng)每一個要發(fā)出的命令都叫動作。注意動作是指最終的執(zhí)行線圈或定時器計數(shù)器等，一步中可能有一個動作或幾個動作。通常動作用矩形框表示，矩形框內(nèi)標(biāo)有文字或符號，矩形框用相應(yīng)的步符號相連。需要指出，涉及多個動作時，處理方案如圖2-32所示。

（2）順序功能圖的基本結(jié)構(gòu)

① 單序列：所謂的單序列就是指沒有分支和合并，步與步之間只有一個轉(zhuǎn)換，每個轉(zhuǎn)換兩端僅有一個步，如圖2-33（a）所示。

② 選擇序列：選擇序列既有分支又有合并，選擇序列的開始叫分支，選擇序列的結(jié)束叫合并，如圖2-33（b）所示。在選擇序列的開始，轉(zhuǎn)換符號只能標(biāo)在水平連線之下，如I0.0、I0.3對應(yīng)的轉(zhuǎn)換就標(biāo)在水平連線之下；選擇序列的結(jié)束，轉(zhuǎn)換符號只能標(biāo)在水平連線之上，如T37、I0.5對應(yīng)的轉(zhuǎn)換就標(biāo)在水平連線之上；當(dāng)M0.0為活動步，并且轉(zhuǎn)換條件I0.0=1，則發(fā)生由步M0.0→步M0.1的跳轉(zhuǎn)；當(dāng)M0.0為活動步，并且轉(zhuǎn)換條件I0.3=1，則發(fā)生由步M0.0→步M0.4的跳轉(zhuǎn)；當(dāng)M0.2為活動步，并且轉(zhuǎn)換條件T37=1，則發(fā)生由步M0.2→步M0.3的跳轉(zhuǎn)；當(dāng)M0.5為活動步，并且轉(zhuǎn)換條件I0.5=1，則發(fā)生由步M0.5→步M0.3的跳轉(zhuǎn)。

需要指出，在選擇程序中，某一步可能存在多個前級步或后續(xù)步，如M0.0就有兩個后續(xù)步M0.1、M0.4，M0.3就有兩個前級步M0.2、M0.5。

③ 并行序列：并行序列用來表示系統(tǒng)幾個同時工作的獨立部分的工作情況，如圖2-33（c）所示。并行序列的開始叫分支，當(dāng)轉(zhuǎn)換滿足的情況下，導(dǎo)致幾個序列同時被激活，為了強調(diào)轉(zhuǎn)換的同步實現(xiàn)，水平連線用雙線表示，且水平雙線之上只有一個轉(zhuǎn)換條件，如步M0.0為活動步，并且轉(zhuǎn)換條件I0.0=1時，步M0.1、M0.4同時變?yōu)榛顒硬剑組0.0變?yōu)椴换顒硬剑诫p線之上只有轉(zhuǎn)換條件I0.0；并行序列的結(jié)束叫合并，當(dāng)直接連在雙線上的所有前級步M0.2、M0.5為活動步，并且轉(zhuǎn)換條件I0.3=1，才會發(fā)生步M0.2、M0.5→M0.3的跳轉(zhuǎn)，即M0.2、M0.5為不活動步，M0.3為活動步，在同步雙水平線之下只有一個轉(zhuǎn)換條件I0.3。

（3）梯形圖中轉(zhuǎn)換實現(xiàn)的基本原則

① 轉(zhuǎn)換實現(xiàn)的基本條件

在順序功能圖中，步的活動狀態(tài)的進(jìn)展是由轉(zhuǎn)換的實現(xiàn)來完成的。轉(zhuǎn)換的實現(xiàn)必須同時滿足兩個條件：

◆ 該轉(zhuǎn)換的所有前級步都為活動步；

◆ 相應(yīng)的轉(zhuǎn)換條件得到滿足。

以上兩個條件缺一不可，若轉(zhuǎn)換的前級步或后續(xù)步不止一個時，轉(zhuǎn)換的實現(xiàn)稱為同時實現(xiàn)，為了強調(diào)同時實現(xiàn)，有向連線的水平部分用雙線表示。

② 轉(zhuǎn)換實現(xiàn)完成的操作

◆ 使所有由有向連線與相應(yīng)轉(zhuǎn)換符號連接的后續(xù)步都變?yōu)榛顒硬剑?/p>

◆ 使所有由有向連線與相應(yīng)轉(zhuǎn)換符號連接的前級步都變?yōu)椴换顒硬健?/p>

（4）繪制順序功能圖時的注意事項

① 兩步絕對不能直接相連，必須用一個轉(zhuǎn)換將其隔開；

② 兩個轉(zhuǎn)換也不能直接相連，必須用一個步將其隔開；

以上兩條是判斷順序功能圖繪制正確與否的依據(jù)。

③ 順序功能圖中初始步必不可少，它一般對應(yīng)于系統(tǒng)等待啟動的初始狀態(tài)，這一步可能沒有什么動作執(zhí)行，因此很容易被遺忘。但若無此步，則無法進(jìn)入初始狀態(tài)，系統(tǒng)也無法返回停止?fàn)顟B(tài)；

④ 自動控制系統(tǒng)應(yīng)能多次重復(fù)執(zhí)行同一工藝過程，因此在順序功能圖中一般應(yīng)有由步和有向連線組成的閉環(huán)，即在完成一次工藝過程的全部操作后，應(yīng)從最后一步返回到初始步，系統(tǒng)停留在初始步（單周期操作）；在執(zhí)行連續(xù)循環(huán)工作方式時，應(yīng)從最后一步返回下一周期開始運行的第一步。