PLC顺序控制法编程应用

◆宋国杰

PLC顺序控制法编程应用

◆宋国杰

随着自动控制技术的发展，PLC的应用也越来越广泛，顺序控制法是进行PLC编程时最常用、最有效的编程方法。以三菱PLC为模型，通过实例来说明顺序控制法的编程思路和操作步骤。

三菱PLC；步；步转移；顺序功能图

10.3969/j.issn.1671-489X.2015.24.042

1 引言

PLC（可编程控制器）自从1969年诞生以来，经过近50年的发展，以可靠性高、编程方便、控制功能强的特点成为现代工业技术不可缺少和替代的部分，是目前最重要的、应用最多的工业控制微型计算机。其主要编程方法有对照法、经验设计法、顺序控制法。

对照法对于电机控制类程序编写比较简单，根据控制电路的连接关系，原照原将电气符合转换为梯形图对应符合即可，但对于其他的控制过程实现起来就比较困难。

经验设计法是在一些典型梯形图的基础上，通过增加或减少一些元件，反复修改和调试，最终实现控制功能要求，对于简单的控制功能可以用此方法实现，但一旦控制功能复杂，实现起来就比较麻烦，随机性太强。对于没有经验或经验较少的初学者，尤其是学情比较复杂的高职院校的在校学生来说，这种方法是很难掌握的。

顺序控制法，也称为功能表图设计法，是用比较直观的图形直接反映控制功能关系。该方法编程简单、容易理解，是目前在教学过程中最常用的方法。

本文以液体混合控制和十字路口交通灯控制为例，采用三菱FX3U系列PLC作为控制单元，以顺序控制法编写功能表图、梯形图，来说明此种方法的特点和优势。

2 顺序控制法

顺序控制法，就是按照生产工艺规定顺序，根据控制要求发生的顺序，把一个生产周期分为若干个顺序相连的阶段，每一阶段称为一步，相邻各步的状态不同，步与步之间通过条件相连接，再将各步及其条件用内部编程元件代替，最终形成SFC图（顺序功能图或状态转移图）和梯形图，通过输出控制各执行机构工作。

顺序控制法的基本步骤是“一划步、二转换、三动作、四结束、五分配”。

“一划步”就是按项目控制功能要求，将整个项目分为几步，通过这几步完成一个完整的控制周期。也就是完成控制功能需要做几个动作。

“二转换”就是根据控制功能要求，找出已划好的步与步之间的转换条件。也就是前一步需要什么条件才能够转到下一步，执行下一步的操作。

“三动作”就是根据控制功能要求，写出每步要完成的动作。也就是PLC中各个继电器的状态。

“四结束”就是根据控制功能要求，设计一个周期的结束步，这一步骤直接决定了所做的SFC图能否正常结束或循环执行。

“五分配”就是为所划步的动作分配一个PLC中的对应的内部元件编号，也就是常说的I/O分配。这五步做完后，将对应的操作填写到SFC图中对应的位置，就可以绘制出控制功能对应的SFC图了。

SFC图主要由步、步转移、动作三部分组成，如图1所示。在执行过程中从初始步开始，初始步由双框线的方框组成，代表系统启动的初始状态，这一步的内容都是固定的，用M8002来进行控制。其他步由单线方框表示，代表要完成一个具体的动作，对应是步骤三中的内容。步间的有向线段表示整个图执行顺序，也由它来决定图的走向。有向线段上的短线是步的转换条件，当步的转换条件成立时，由当前步转移到下一步，执行下一步的动作，同时将当前步所有操作复位。这也就是第二个步骤完成的操作，只要将第二个步骤中内容填写到短线旁即可。在遇到END时结束所有步操作，对应第四步骤中的操作。

图1 SFC图基本组成

图2 SFC图结构

SFC图主要有顺序分支、并行分支、选择分支三个结构，如图2所示。顺序分支是最简单的一种分支结构，每步后只有一个转换条件，条件满足继续向下执行，只有一个分支，没有其他支路，主要完成顺序系统的控制。并行分支结构是在同一状态下的同一个转换条件下，同时启动若干个顺序分支状态。完成各自相应的动作后，转移到结束汇合的状态，继续执行后续的操作步的动作。选择分支结构是在同一状态下有两个或多个转换条件，当哪个转换条件满足要求，就执行其对应的顺序分支结构的程序，完成相应动作后，再根据转换条件汇合执行后续操作。在控制系统比较复杂，同时有多个选择状态时，分支结构使用比较多。但无论是哪种结构，无论是多么复杂的控制任务，只要按上面提到的五大步骤进行操作，都可以完成其程序编写，通过硬件连接完成控制任务要求。

在编程过程中使用SFC图，其优势就是在程序中可以直观地看到整个系统的动作顺序，程序的规律性强，容易读懂，具有可视性。一旦发生故障，能通过软件的监视功能比较容易地找出故障所在位置，及时修改。同时在程序设计中不需要复杂的互锁电路，对学习者来说，越简单的程序结构越容易理解、修改、实现功能，继电器只在执行当前步时接通，需要通时就在步中加入该继电器即可。

3 顺序控制法编程应用

顺序分支结构 以液体混合控制为例，说明顺序分支结构的操作。某瓶装饮料生产线中混合液体功能控制，需要完成两种液体的进料、混合、卸料的功能，控制要求如下：

图3 液体混合装置

如图3所示，按动启动按钮SB1后，电磁阀YV1通电打开，液体A流入容器；当液位高度达到M时，液位传感器1接通，此时电磁阀YV1断电关闭，而电磁阀YV2通电接通，液体B流入容器；液位达到H时液位传感器2接通，这时电磁阀YV2断电关闭，同时启动电机M搅拌；1分钟后电动机M停止搅拌，这时电磁阀YV3通电打开，放出混合液体去下道工序；当液位下降到L后，再延时2秒使电磁阀YV3断电关闭，并自动开始新的周期。

1）SFC图绘制。按照顺序控制法的步骤，首先对整个控制过程进行划步。通过控制功能要求，可以看出这里整个过程中一共要进行五个操作：打开YV1注入A→打开YV2注入B→搅拌→打开YV3放出混合液体→关闭YV3重新打开YV1，以此循环。

第二就是找出各步间的转换条件，初始状态由M8002控制，其他各步的转换条件分别为液位高度达到M、液位达到H、1分钟时间到、液位下降到L后再延时2秒。

第三是找出各步动作，这里的五步完成的功能依次为打开YV1、打开YV2、电机搅拌、打开YV3、关闭YV3并打开YV1。

第四是找出结束步，本控制功能要求一个周期后自动开始新周期，所以结束步的动作就是返回第一步。

第五是对各动作和步进行I/O分配，本例中一共有三个电磁阀、一个电机、三个液位高度传感器和一个启动按钮。需要对些元件进行地址分配，如表1所示。

将这五步按照SFC图顺序分支结构，填入对应的位置，得到初始图，如图4所示。再将图中的操作，按照I/O分配的结果，将所用步、动作、转换条件用PLC中的内部继电器代替，就得到液体混合控制的SFC图，如图5所示。需要注意的是在这里由于传感器M和H是在液位上涨过程中接通的传感器，因此这两个转换条件一定是X2和X3的上升沿；同样传感器L是在液位下降过程中才需要用到的，因此这个转换条件一定是用X1的下降沿。

表1 I/O分配表

图4 顺序分支初始图

图5 液体混合系统SFC图

图6 初始步操作

图7 SFC结构

图8 仿真时序图

SFC图绘制成功后，并没有完成控制任务，紧接着要做的就是将SFC图输入到编程软件，下载到PLC，软硬件系统联合调试，通过不断调试最终实现控制任务。

2）SFC图的输入。启动GX Develop三菱PLC编程软件，新建工程，在弹出的对话框中选择PLC系列为FX，PLC类型为FX2N，程序类型为SFC，工程设置中设置工程名和保存路径。单击确定。在弹出的表窗口中，双击第0块，设置块名称和本块程序类型。第0块是初始块，本部分内容主要是利用M8002使初始步接通，所以在程序类型一定要选择梯形图块。单击执行。在右侧梯形图区输入初始步置位操作，如图6所示。按F4进行梯形图的变换，这样就完成了第0块初始步的操作。

双击左侧MAIN主程序，双击第1块，开始SFC图的输入操作。首先设置本块的名称，程序类型选为SFC图，单击确定。此时可以进行SFC图输入，系统自动将第0步及其第0个转换条件添加到SFC图编程区中，只要将鼠标移动到方向线段下，重复按快捷键F5和回车确定，就会不断增加步和转换条件。当出现如图5所示的步结构后，在最后一步按下F5后，在图标号位置选择JUMP，其右侧的步号转换为10，完成最后一步的转移操作。这样整个SFC图结构即完成，如图7所示。

其余的操作就是在右侧输入各步对应动作的转换条件，未进行操作时每步和每个转换条件后都有一个“？”，输入结束后这个符号就自动消失了。输入各步动作时，先双击步号，这时其右侧输入变为白色，可以按图5中所示进行输入即可。当输入转换条件时，双击后只要在条件后输入TRAN即可。无论是步还是转换条件，在输入结束后都要进行程序的变换，否则不允许进行下一步操作。

经过以上的操作，就完成了液体混合控制系统的SFC图的输入操作，将编制成功的SFC图直接下载，进行仿真调试，其仿真时序图如图8所示。由时序图可以看出，编写的SFC图能够完全符合液体混合控制要求，下一步只需将液体混合实验模块与PLC的输入输出连接，利用模块上的按钮对程序做进一步的验证。事实证明在模块上的执行结果与控制要求完全符合。

并行和选择分支结构 十字路口交通灯的控制主要有车行道控制和人行道控制，且两个控制同时动作。主要动作是：车行道绿灯亮35 s——绿灯闪烁5次，每次1 s——黄灯亮3 s——红灯亮43 s，以此循环。东西向绿灯和黄灯亮时，南北向的红灯亮，东西向和南北向的红绿灯始终是相反的；人行道绿灯亮35 s——绿灯闪烁8次，每次1 s——红灯亮43 s，以此循环。人行道也分为东西、南北两个方向。当按下启动后系统运行，按下停止后系统停止。

十字路口交通灯的控制是在教学中常常用到的例子，其编程过程中动作变化多，尤其是灯之间的切换，学生用经验法编写过程中极易出现问题，不是红灯和绿灯一起亮，就是东西向和南北向同一颜色灯同时亮……如果使用顺序控制法，就可以很容易地解决这个问题。人行和车行两个道是同时动作的，用SFC图来编程的话，显然这是一个并行分支和选择分支都有的结构。按照顺序控制法的五步骤法，可以很快得到该控制任务SFC图。

首先是对整个控制进行划步。在整个控制中车行道每个方向都有绿灯亮、绿灯闪烁、黄灯闪烁、红灯亮四步，两个方向初看是有八步，但由于东西向和南北向的灯亮是同时进行，将两个方向的步骤进行合并，车行道一共有六步。同样的方法，人行道每个方向都有绿灯亮、绿灯闪烁、红灯亮三步，两个方向初看有六步，出于和车行道一样的原因，将六步进行合并，最后人行道一共有四步。

接着要做的就是找到各步之间的转换条件。交通灯车行道的转换由时间决定，分别是35 s、5 s、3 s。人行道的动作转换也是由时间决定，分别是35 s、8 s。这里的43 s是红灯亮的时间，在红灯亮时相对方向的绿灯和黄灯是亮的，可以由它们来决定转换，所以转换条件可以把43 s去除。

前两个步骤做完后，紧接着进行各步动作的划分，车行道的六步动作是南北红东西绿——南北红东西绿闪烁——南北红东西黄——东西红南北绿——东西红南北闪烁——东西红南北黄。人行道的四步动作是南北红东西绿——南北红东西绿闪烁——东西红南北绿——东西红南北闪烁。

第四个步骤是结束步的设计，在整个控制中除非按下停止按钮，否则系统一直在循环动作。因此，结束动作就是在任何一步按下停止后结束所有动作，等待再次按下启动，重新启动，这恰与初始步的动作一致。结束动作就是跳转到初始步。

第五步进行I/O分配。根据控制任务要求，这里车行道有两个方向红、绿、黄六个灯，人行道有两个方向红、绿四个灯，一共有10个灯，也就是从Y0到Y7，再加上Y10、Y11，需要10个输出继电器；输入继电器主要有启动X0、停止X1两个，如表2所示。利用这五个步骤将十字路口交通灯的控制任务进行分析后，就可得到该控制的SFC图（如图9所示）。

在三菱编程软件GX Develop按上面介绍的步骤，将图9中所示的SFC图输入，编译下载，与交通灯模块连线，运行调试后能够完全实现控制任务的要求。

由以上两个实例可以看出，利用顺序控制法完成控制任务程序的编写十分简单，不需要考虑过多的通断控制，只要按照“一划步、二转换、三动作、四结束、五分配”的步骤，将任务控制过程分析清楚，就可以编写出需要的控制程序。

4 结束语

图9 十字路口交通灯SFC图

表2 十字路口交通灯I/O分配表

PLC是现代工业中应用最广泛的控制器，高职院校的学生在企业一线都会与之打交道，那么掌握PLC编程、调试方法就显得尤为重要。针对高职学校特殊的学情，显然传统的经验法不适合，顺序控制法正好解决了这一问题。■

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Application of PLC Sequence Control Method

SONG Guojie

With the development of automatic control technology，the application of PLC is becoming more and more widely. The sequential control method is the most common and effective programming method for PLC programming. In this paper， based on MITSUBISHI PLC， through an example to illustrate the programming ideas and operation steps of sequential control method.

MITSUBISHI PLC； step； step transfer； SFC

TP311.11

B

1671-489X（2015）24-0042-04

作者：宋国杰，四平职业大学副教授，从事PLC、Protel、电路分析、电子技术基础等课程的教学与研究（136002）。