順序功能圖設計

1、.順序功能圖設計 SFC設計規則與要點1. 順序功能圖的基本特點 順序功能圖(Sequential Function Chart，簡稱SFC)是一種新穎的、按照工藝流程圖進行編程的圖型編程語言。這是一種IEC標準推薦的首選編程語言，近年來在PLC編程中已經得到了普及與推廣。 SFC的基本設計思想是：設計者按照生產工藝的要求，將機械動作的一個工作週期劃分成為若干個工作階段(簡稱為“步”)，並明確每一 “步” 所要執行的輸出；“步”與“步”之間通過指定的條件進行轉換；在過程中，只要通過正確連接進行“步”與“步”之間的轉換，便可以完成機械的全部動作。 SFC程序與其他PLC程序在執行過程中最大區別在

2、於：SFC程序在執行過程中始終只有處於工作狀態的“步”(稱為“有效狀態”或“活動步”)，才能進行邏輯處理與狀態輸出，其餘部工作的“步”(稱為“無效狀態”或“非活動步”)的全部邏輯指令與輸出狀態均無效。 正因為如此，SFC程序設計的最大優點在於：設計者在設計程序時，只需要分別考慮每一“步”所需要確定的輸出，以及“步” 與“步”之間的轉換條件，只需要通過最簡單的邏輯運算指令(如讀入、與、或、輸出等)，即可完成全部程序的編制，而無須像階梯圖編成那樣，考慮信號之間複雜的“互鎖”條件。 作為SFC程序的設計者，原則上只需要熟悉實際機械的動作要求，以及掌握最簡單的編程指令，即可以完成程序的設計，對設計人員

3、的要求相對較低，便於普及與推廣。 SFC編程是一種基於機械控制流程的編程方法。為了保持傳統的階梯圖風格，且又能夠與SFC程序有簡單的對應與轉換關係，三菱公司FX系列採用一種利用步進指令(STL)表示的編程方法。採用這種編程方法的特點與SFC程序相同，程序的執行過程都是根據系統的“條件”按機械控制要求的“步進階梯圖。2. SFC程序的基本組成要素 PLC執行SFC程序的基本程序是：根據轉換條件選擇工作“步”，進行工作“步”的邏輯處理。構成SFC程序的基本要素是狀態、轉換條件與有向連線，如圖6-2.1所示。(1) 狀態與狀態元件 前述的“步”在SFC程序中稱為“狀態”，它是指控制對象的某一特定的工

4、作情況。為了在程序中區分不同的狀態，同時使得PLC能夠控制這些狀態，需要對每一個狀態賦予一定的標記，這一標記被稱為“狀態元件”。 “狀態元件”一般可以由通用的編程元件(如內部繼電器等)來進行代表，但是三菱PLC中可以利用專門狀態元件S*進行標誌。程序執行時，PLC將根據狀態元件的值(“0”或“1”)，決定是否使這一狀態成為當前執行的狀態(有效狀態)。程序設計時，只需對不同的狀態進行“置位”或“復位”，即可選擇PLC的實際執行狀態，參見圖6-2.2。(2) 轉換條件 所謂“轉換條件”，是只用於改變PLC狀態的控制信號。不同的狀態間的“轉換條件”可以不同也可以相同，當“轉換條件”各不相同時，SFC

5、程序每次只能選擇其中一種工作狀態(稱為選擇分支，見後述的圖6-2.11)；當若干個狀態的“轉換條件”完全相同時，SFC程序一次可以選擇多個狀態同時工作(稱為進行分支，見圖6-2.3)。只有滿足條件的狀態，才能進行邏輯處理與輸出，因此“轉換條件”是SFC程序選擇工作狀態的“開關”圖6-2.1 狀態、轉換條件與有向連線 (a) (b)圖6-2.2 PLC執行狀態條件圖6-2.3 並行分支的狀態同時有效(3) 有向連線所謂“有向連線”，就是狀態間的連接線。“有向連線”決定了狀態的轉換方向與轉換途徑。SFC程序的狀態一般都需要2條以上的“有向連線”進行連接，其中一條為輸入線，它表示轉換到本狀態的上一級

6、“源狀態”；1條輸出線，表示本狀態執行轉換時的下一級“目標狀態”。在SFC程序的設計中對於自上而下的正常轉換方向，在SFC程序中的連線一般不標記箭頭，但是，對於自下向上的轉換或者是詳其他的轉換，必須以箭頭的標明轉換方向(見圖6-2.1)。 3. SFC程序設計的一般規則 與梯形圖設計一樣，SFC程序的製作也有一定的要求，這些要求根據PL生產廠家的不同而略有區別，具體應根據PLC類型參照說明書進行，對於三菱公司FX系列PLC產品般至SFC程序的一般規則如下。(1) 狀態元件及其表示在三零FX系列PLC中，狀態元件採用的內部編程元件S*進行表示。對於不同類型的PLC允許使用的狀態數量與性質有所不同

7、，下表6-2.1為三菱公司FX系列PLC的狀態元件一覽表。FX系列PLC的狀態元件一覽表PLC型號初始化用ITS指令用一般用報警用停電保持用FXISS0S9S10S19S20S127-S0S127FX1N/2NCS0S9S10S19S20S127S900S999S10S127FX2N/2NCS0S9S10S19S20S127S900S999S500S899FX3U/3UCS0S9S10S19S20S127S500S4095 表中，S0S9規定為初始狀態元件，S10S19規定為回參考點專用狀態元件(應用指令ITS用)，此外還有部分為警報專用狀態元件，其他均可作為一般的狀態元件用。狀態元件像內部繼

8、電器一樣，可以分為斷電清除與斷電保持2種類型。在FXIS系列PLC中，所有狀態元件均為斷電保持型：在其他PLC中可以有2種型式，斷電保持區的範圍可以通過PLC的參數設定進行改變，表中為通常的設定情況。 狀態的使用特性與內部繼電器一樣，計可以使用其“常開”、“常閉”處點進行邏輯控制或參數與邏輯運算，也可以通過輸出指令、“置位”/“復歸”等指令改變邏輯輸出值(建圖6-+2.4)。在不使用SFC編程時，狀態元件S完全可以在梯型圖中做為內部繼電器使用。 (a)狀態做為觸點使用 (b)狀態輸出的控制圖6-2.4 狀態的使用特性(2) 初始狀態及其表示 為了保證PLC的循環工作，SFC程序設計必須有PLC

9、啟動後即能生效的基本狀態，這些基本狀態在SFC程序稱為“初始狀態”或“初始步”。在FX系列PLC中，初始狀態的編制有如下要求：1. 初始狀態的狀態元件編號必須為S0S9，否則PLC無法進入初始狀態。2. 初始狀態在SFC程序中可以帶雙線框的圖形表示(如圖6-2.1中的S0)；其他狀態用單線框圖型表示(如圖6-2.1中的S20、S21、S30、S31等)。3. 每一個SFC程序至少應有一個初始狀態，且初始狀態必須位於SFC程序的最前面。4. 當初始狀態需要轉換條件進行控制(也稱做“驅動”)時，初始狀態的轉換條件需要在PLC運行後立即於以選擇。5. 初始狀態需要轉換條件(驅動)應使用來自SFC程序

10、以外的觸點，並且在SFC程序的最前面編制初始狀態的轉換條件。有關SFC的初始狀態使用、連接方法可以參照下述的“步進梯型圖”部分的內容。(3) 一般狀態及其表示在SFC程序中，除初始狀態以外的其他狀態都是一般狀態。一般狀態用單線框的圖形表示，用的狀態元件編號見表6-2.1，在同一PLC的SFC程序中，狀態元件的編號不可以重複使用。(4) 邏輯處理的表示在SFC程序中，雖然每一狀態內部的處理都非常簡單，但是還是需要編制相應的程序。狀態中邏輯運算一般仍然使用階梯圖進行編程，這些階梯圖程序標示在對應狀態的右側，並且直接與狀態相連，如圖6-2.1圖6-2.3所示。(5) 轉換條件及其表示用來改變PLC工

11、作狀態的控制信號稱為“轉換條件”。在SFC程序中，轉換條件通過於有向連線垂直的“短橫線”進行標記，並且“短橫線”旁邊標上相應的控制信號地址，如圖6-2.5所示。(a) 觸點作為轉換條件 (b) 邏輯運算結果作為轉換條件圖6-2.5 轉換條件的表示“轉換條件”可以是單獨的觸點，如輸入X、輸出Y、內部繼電器M、時間繼電器T的“常開”或“常閉”觸點，如圖6-2.5(a)所示；也可以是若干邏輯信號的簡單邏輯運算的結果，如圖6-2.5(b)所示，但“轉換條件”的邏輯運算中不能有堆疊指令ANB、ORB、MPS、MRD、MPP等。 在實際編程時，“轉換條件”一般不宜過多，當“轉換條件”較複雜或者是必須複雜邏

12、輯運算結果時，應通過內部繼電器對條件進行必要的簡化處理，如圖6-2.6所示。4. SFC程序設計注意點 在實際設計SFC程序時，除需要遵守以上SFC程序設計的一般規則外，還要注意以下幾點。(1) 狀態間連接與要求 在SFC程序中，狀態與狀態間可以採用串聯與並聯的連接方式進行連接(稱為單流程結構與多流程結構，詳見下述)。但是，不論採用何種連接形式，狀態間不可以直接連接，如圖6-2.7(a)所示，必須通過轉換條件將其隔開，如圖6-2.7(b)所示。(2) 轉換條件間的連接與要求 當SFC程序中採用了並聯方式(稱為分支結構，詳見下述)時，在分支的轉換位置與分支的匯合位置，可能需要使用不同的轉換條件。

13、在這種情況下，應注意轉換條件與轉換條件間不可以直接相連，如圖6-2.8(a)、圖6-2.9(a)所示，必須通過狀態將其隔開。在實際設計時，為了保證以上要求，可以採用兩種方式對轉換條件進行處理。第一是進行轉換條件的合理處理，即將原來相互連接的轉換條件便為邏輯運算式轉換條件，如圖6-2.8 (b)所示。第二試編入一個在實際控制中無作用的狀態(稱為”空狀態”)，人為地將轉換條件用狀態進行隔離，如圖6-2.8 (b)所示。 (a) (b) 圖6-2.6 轉換條件簡化 (a) (b)圖6-2.7 狀態與狀態間的連線 (a) (b)圖6-2.8 合併轉換條件的連接圖6-2.9 加入空狀態連接(3) 流程的

14、重複、跳轉、分離與復位在SFC程序中，習慣上將直接向上的流程轉換稱為”重複”，如圖6-2.10 (a)所示；將直接向下的流程轉換稱為”跳轉”，如圖6-2.10 (b)所示，向本流程以外的流程轉換稱為”分離”，如圖6-2.10 (c)所示；進行本狀態的重複稱為”復位”，如圖6-2.10 (d)所示。圖6-2.10 狀態的重複、跳轉、分離與復位在SFC程序中，在轉換處應用帶箭頭的有向連線標明需要進行轉換，並且在有向連線上標明轉換的目標狀態號。在三菱PLC中還規定，對於重複、跳轉與分離，採用實心箭頭，對於復位採用空心箭頭。同樣，在目標狀態的旁邊也要用有向連線標明狀態有來自外部的轉換(見圖6-2.10

15、)，圖6-2.10中的虛線在實際設計時一般不會畫出。一般而言，在步進階梯圖編程中，重複、跳轉與分離的狀態元件利用OUT(輸出)指令進行控制，而其他轉換則用SET指令進行控制。6.2.2 SFC程序結構在SFC程序中，由於控制要求或設計思路的不同，使得狀態與狀態間的連接形是有所不同，從而形成了SFC程序的不同結構形式。SFC程序的基本結構形式，可以分為單流程串聯結構與多流程並聯結構兩大類。在多流程並聯結構的SFC程序中，由單流程向並聯多流程進行的分離稱為”分支”，由並聯多流程向單流程進行的合併稱為”匯合”。“分支”與”匯合”根據分離與合併的不同方式，又可以分為”選擇性分支”與”並行分支”及”選擇

16、性匯合”與”並行匯合”。根據不同的轉換條件，在並聯流程中選擇其中的某一流程進行工作的分離方式，稱為”選擇性分支”；所有並聯流程的轉換條件相同，全部併聯流程同時工作的分離方式，稱為”並行分支”。不同的並聯流程，根據不同的轉換條件，統一向單流程進行的有條件合併稱為”選擇性匯合”；轉換條件相同，所有的並聯流程統一向單流程進行的合併稱為”並行匯合”。在SFC程序中，為了對以上分支與匯合加以區別，一般規定，”選擇性分支”的分離處與”選擇性匯合”的合併處，並聯連接橫線採用單線；”並行分支”的分離處與”並行匯合”的合併處，並聯連接橫線採用雙線，如圖6-2.11所示。圖6-2.11 分支與匯合的種類除十分簡單

17、的控制系統外，一般而言，實際的SFC程序通常需要將以上各種基本結構進行不同的組合，才能組成一個完整的SFC程序。1. 單流程結構所謂單流程結構是指狀態與狀態間只有一個工作通道SFC程序，如圖6-2.12所示。單流程結構的SFC程序具有如下特點：(1) 狀態與狀態間的連接方式，採用的是自上而下的串聯連接。(2) 狀態的轉換方向始終是自上而下、固定不變的(起始狀態與結束狀態除外)。(3) 除轉換瞬間外，通常只可能有一個狀態處於工作狀態，即始終只有一個”有效狀態”。(4) 由於單流程結構的SFC程序只有一個”有效狀態”，可以使用”重複線圈”(如輸出、內部繼電器等)。(5) 在狀態轉換的瞬間，存在一個

18、PLC循環週期時間的相鄰兩狀態同時工作的情況，因此，對於需要進行”互鎖”的動作，應在程序中加入”互鎖”觸點(如圖6-2.12中的Y21與Y22，Y41與Y42)。(6) 在單流程結構的SFC程序中，原則上定時器也可以重複使用，但不能在相鄰兩狀態裡使用同一定時器(參見圖6-2.13)。(7) 單流程結構的程序只能有一個初始狀態。圖6-2.12 單流程SFC程序示例 圖6-2.13 定時器的重複使用2. 多流程結構多流程結構是指狀態與狀態有多個工作流程的SFC程序，多個工作流程間是通過並聯方式進行連接的。並聯連接的流程可以有選擇性分支、並行分支、選擇性匯合、並行匯合等幾種連接方式。(1) 選擇性分

19、支選擇性分支結構的SFC程序如圖6-2.11(a)所示。這種結構的SFC程序具有如下特點：(a) 選擇性分支是由單流程向數個並聯的流程通道進行選擇性分離的連接，他通過不同的轉換條件，選擇其中一個流程通道工作。(b) 選擇性分支的並聯迴路總數有一定的的限制，在三菱FX系列PLC中，最大並聯之路數為8條；在SFC程序中同時使用選擇性分支與並行分支時，並聯迴路總數也有一定的限制，在三菱FX系列PLC中，最大並聯之路數為16條。(c) 選擇性分支分離的轉換條件必須位於分離連接橫線之後。(d) 選擇性分之中所並聯連接的單流程，其轉換條件不能相同，也不能引起歧義，必要時應對轉換條件進行變換(見圖6-2.1

20、4)。(e) 選擇性分支與匯合在SFC程序中不能交叉，當必須交叉時，應使用”跳轉”進行編程(見圖6-2.15)。(f) 選擇性分支在實際工作時，所連接的並聯之路事實上只有一個流程通道在工作，因此，工作時性質與單流程完全相同，即可以使用重複線圈、定時器等。(g) 分支分離處的轉換條件連接，應遵守SFC程序設計中”轉換條件間的連接與要求”的一般規定；需要時，應進行必要的處理(參見前述及圖6-2.8、圖6-2.9)。圖6-2.14 選擇性分支轉換條件不能引起歧異圖6-2.15 分支與匯合不能交叉(2)並行分支並行分支結構的SFC程序如圖6-2.11(b)所示。這種結構的SFC程序具有下列選擇性分支相

21、類似的特點：(a) 並行分支由單流程向數個並聯流程通道進行分離的連接形式，相關聯的流程轉換條件相同，所有並聯的流程通道同時進入工作狀態。(b) 並行分支的並聯回路數有一定的限制，在三菱FX系列PLC中，最大並聯之路數為8條；在SFC程序中同時使用並行分支與選擇性分支時，並聯迴路總數也有一定的限制，在三菱FX系列PLC中，最大並聯之路數為16條。(c) 並行分支中所並聯連接的單流程，其轉換條件必須相同，且必須位於分離連線橫線之前(見圖6-2.16)。(d) 並行分支與匯合在SFC程序中不能交叉(參見選擇分支的說明)。(e) 並行分之在實際工作時，所連接的並聯之路同時工作，為了防止程序中出現錯誤，原則上不可以使用重複線圈、定時器等。(f) 分支分離處的轉換條件連接，應遵守SFC程序設計中”轉換條件間的連接與要求”的一般規定。需要時，應進行必要的處理(參見前述及圖6-2.8、圖6-2.9)。圖6-2.16 轉換條件不能加在並行連接線後(3)選擇性匯合選擇性匯合結構的SFC程序如圖6-2.11(c)所示。這種結構的SFC程序具有如下特點：(a) 選擇性匯合是由數個單流程通道，通過不同的轉換條件，向統一的單流程進行的合併連接；(b) 應遵守SFC程序設計中”轉換條件間的連接與要求”的一般規定，分支選擇性匯合連接線後必須緊接著連接狀態，需要時，應進行