2.4　順序控制設計法與順序功能圖

2.4.1　順序控制設計法

（1）順序控制設計法簡介

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

順序控制設計法是指按照生產工藝預先規定順序，在各輸入信號作用下，根據內部狀態和時間順序，使生產過程各個執行機構自動有序進行操作的一種方法。該方法是一種比較簡單且先進的方法，很容易被初學者接受，對于有經驗的工程師來說，也會提高設計效率，對于程序的調試和修改來說也非常方便，可讀性很高。

（2）順序控制設計法基本步驟

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

（3）順序控制設計法分類

順序控制設計法大致可分為：啟保停電路編程法、置位復位指令編程法、順序控制繼電器指令編程法和移位寄存器指令編程法。本章將根據順序功能圖基本結構的不同，對以上4種方法進行詳細講解。

使用順序控制設計法時，繪制順序功能圖是關鍵，因此下面要對順序功能圖進行詳細介紹。

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編程語言標準（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，往往根據控制系統的工藝過程，先畫出順序功能圖，然后再根據順序功能圖寫出梯形圖。順序功能圖主要由步、有向連線、轉換、轉換條件和動作（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。步是根據輸出量的狀態變化來劃分的，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，與系統的初始化有關，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：系統所處的當前步為活動狀態，就稱該步為活動步。當步處于活動狀態時，相應的動作被執行，步處于不活動狀態，相應的非記憶性動作被停止。

◆ 前級步和后續步：前級步和后續步是相對的，如圖2-30所示。對于M0.2步來說，M0.1是它的前級步，M0.3步是它的后續步；對于M0.1步來說，M0.2是它的后續步，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步，如M0.0就有兩個后續步，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，有向連線規定了活動步的進展路徑與方向。通常規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 轉換：轉換用一條與有向連線垂直的短劃線表示，轉換將相鄰的兩步分隔開。步的活動狀態的進展由轉換的實現來完成，并與控制過程的發展相對應。

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

⑤ 動作：被控系統每一個需要執行的任務或者是施控系統每一個要發出的命令都叫動作。注意動作是指最終的執行線圈或定時器計數器等，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，矩形框內標有文字或符號，矩形框用相應的步符號相連。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構

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換，每個轉換兩端僅有一個步，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，選擇序列的結束叫合并，如圖2-33（b）所示。在選擇序列的開始，轉換符號只能標在水平連線之下，如I0.0、I0.3對應的轉換就標在水平連線之下；選擇序列的結束，轉換符號只能標在水平連線之上，如T37、I0.5對應的轉換就標在水平連線之上；當M0.0為活動步，并且轉換條件I0.0=1，則發生由步M0.0→步M0.1的跳轉；當M0.0為活動步，并且轉換條件I0.3=1，則發生由步M0.0→步M0.4的跳轉；當M0.2為活動步，并且轉換條件T37=1，則發生由步M0.2→步M0.3的跳轉；當M0.5為活動步，并且轉換條件I0.5=1，則發生由步M0.5→步M0.3的跳轉。

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步，如M0.0就有兩個后續步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，當轉換滿足的情況下，導致幾個序列同時被激活，為了強調轉換的同步實現，水平連線用雙線表示，且水平雙線之上只有一個轉換條件，如步M0.0為活動步，并且轉換條件I0.0=1時，步M0.1、M0.4同時變為活動步，步M0.0變為不活動步，水平雙線之上只有轉換條件I0.0；并行序列的結束叫合并，當直接連在雙線上的所有前級步M0.2、M0.5為活動步，并且轉換條件I0.3=1，才會發生步M0.2、M0.5→M0.3的跳轉，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換條件I0.3。

（3）梯形圖中轉換實現的基本原則

① 轉換實現的基本條件

在順序功能圖中，步的活動狀態的進展是由轉換的實現來完成的。轉換的實現必須同時滿足兩個條件：

◆ 該轉換的所有前級步都為活動步；

◆ 相應的轉換條件得到滿足。

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

② 轉換實現完成的操作

◆ 使所有由有向連線與相應轉換符號連接的后續步都變為活動步；

◆ 使所有由有向連線與相應轉換符號連接的前級步都變為不活動步。

（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，必須用一個轉換將其隔開；

② 兩個轉換也不能直接相連，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。

③ 順序功能圖中初始步必不可少，它一般對應于系統等待啟動的初始狀態，這一步可能沒有什么動作執行，因此很容易被遺忘。但若無此步，則無法進入初始狀態，系統也無法返回停止狀態；

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