顺序控制设计法剖析

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1、青岛大学-西门子先进自动化技术联合实验室 顺序控制设计法 刘华波 青岛大学-西门子先进自动化技术联合实验室 8.2 顺顺序功能图图 所谓谓顺顺序控制，就是按照生产产工艺预艺预 先规规定 的顺顺序，在各个输输入信号的作用下，根据内部状 态态和时间时间 的顺顺序，在生产过产过 程中各个执执行机构自 动动地有秩序地进进行操作。 例如电镀电镀 自动动生产线产线 就是一个典型的顺顺序控 制过过程。 青岛大学-西门子先进自动化技术联合实验室 顺序控制的典型事例：电镀自动生产线 青岛大学-西门子先进自动化技术联合实验室 电镀流程概述 在上主产线前要求毛坯无严重缺陷，并经过滚磨或 磨光前处理。经吹尘后，上线用

2、弱碱性溶液，采用 阴极电解除油。时间控制在1015S，电流密度为3 5Adm2，清洗后，用氢氟酸溶液浸蚀5s，提高镀 层附着力。预镀是关键一环，采用预镀氰化铜的方 法，在零件表面形成一层完全覆盖，致密区附着良 好的镀层。水洗后，镀镍5min。其中，除油，预镀 铜，镀镍的槽温控制在5060，镀铜和镀镍要求 初始用高密度电流冲击2min，之后镀镍再用涓流镀 3min，同时阴极移动，用于搅拌电镀溶液，以保证 镀层均匀，致密，不起皮。为了节能，必须是镀件 进入镀槽后，才能接通电流排。 青岛大学-西门子先进自动化技术联合实验室 电镀线上的输入输出设备 方式转换开关：设手动、单步、单周期、自动四个 方式。

3、 对手动方式，还配有上下，进退，抓放三种 运动选择开关，供操作人员控制天车的运动。 另设有起动，停止，急停和复位四个按钮。 位置检侧元件：有上限，下限，左限，右限及2位 8位限。分别用限位开关俭测。 控制检测元件有：除油，预镀，电镀槽位的温度检 测。 青岛大学-西门子先进自动化技术联合实验室 输出设备： 上升/下降继电器。前进/后退继电器。抓紧继电器 。喷淋，加热，吹尘继电器。阴极移动继电器。电 流排通断接触器及原点指示灯和声光报警器。 电镀线上的输入输出设备 青岛大学-西门子先进自动化技术联合实验室 对于此类顺序控制的PLC实例，可以采用顺序 控制设计法来进行PLC程序的设计。 有的可编程序

4、控制器则提供了顺序功能图编程 语言，用户在编程软件中生成顺序功能图后便完成 了编程工作，如西门子S7-300/400 PLC中的S7 Graph编程语言。 顺序控制设计法是一种先进的设计方法， 很容易被初学者接受，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。 青岛大学-西门子先进自动化技术联合实验室 什么是顺序功能图？ 顺序功能图是描述控制系统的控制过程、功能 和特性的一种图形，是设计PLC顺序控制程序的有 力工具。 顺序功能图并不涉及所描述的控制功能的具体 技术，它是一种通用的技术语言，可以供进一步设 计和不同专业的人员之间进行技术交流之用。 青岛大学-西门子

5、先进自动化技术联合实验室 顺序功能图主要由步 、有向连线、转换、转换 条件和动作（命令）组成 。 下面我们以组合机床的 动力头进给运动为例来 绘制其顺序功能图。 青岛大学-西门子先进自动化技术联合实验室 组合机床的动力头进给运动 初始位置停在左边 （由限位开关I0.3指示) 按下启动按钮，向右快进（Q0.0和Q0.1控制） 到限位开关I0.1后，转入工作进给 （Q0.1控制） 到限位开关I0.2后，快速返回（Q0.2控制)至初始 位置（I0.3）停下 I0.3I0.1I0.2 青岛大学-西门子先进自动化技术联合实验室 组合机床的动力头进给运动的顺序功能图 步 青岛大学-西门子先进自动化技术联合

6、实验室 （1）矩形单线方框代表步（双线方框代表初始步 ） 框内可用编号代表步序，也可用位存储单元作为 程序进入该步的标志。 步是根据输出量的状态变化来划分的，在任何 一步之内，各输出量的ONOFF状态不变，但是相 邻两步输出量的状态是不同的。 青岛大学-西门子先进自动化技术联合实验室 顺序控制步的划分（动力头的进给过程为例） 阶段（步序） 转换条件 输出状态变化 黑线红线（初始段）SM0.1 ON Q0.0 OF Q0.1 OF Q0.2 OF 红线蓝线（快进段） I0.0 ON Q0.0 ON Q0.1 ON Q0.2 OF 蓝线绿线（工进段） I0.1 ON Q0.0 OF Q0.1 ON

7、 Q0.2 OF 绿线粉红（快退段） I0.2 ON Q0.0 OF Q0.1 OF Q0.2 ON 步序节拍 青岛大学-西门子先进自动化技术联合实验室 与系统统的初始状态态 相对应对应 的步称为为初始 步，初始状态态一般是系 统统等待起动动命令的相 对对静止的状态态。 青岛大学-西门子先进自动化技术联合实验室 当系统统正处处于某一步所在的阶阶段时时， 该该步处处于活动动状态态，称该该步为为“活动动步” 。步处处于活动动状态时态时 ，相应应的动动作被执执行 ；处处于不活动动状态时态时 ，相应应的非存储储型动动 作被停止执执行。 青岛大学-西门子先进自动化技术联合实验室 （2）步间的连接线称为有

8、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。 青岛大学-西门子先进自动化技术联合实验室 步的活动状态习惯 的进展方向是从上到下或 从左至右，在这两个方向 有向连线上的箭头可以省 略。如果不是上述的方向 ，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。 青岛大学-西门子先进自动化技术联合实验室 （3）步间的短横线表示转换 转换用有向 连线上与有向连线

9、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。 M0.0 M0.1 M0.2 M0.3 Q0.0Q0.1 Q0.1 Q0.2 SM0.1 I0.0 I0.1 I0.2 I0.3 青岛大学-西门子先进自动化技术联合实验室 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，如按钮、指 令开关、限位开关的接通 断开等；也可以是可编 程序控制器内部产生的信 号，如定时器、计数器常 开触点的接通等。转换条 件还可能是若干个信号的 与、或、非逻辑组合。 （4）步间的短横线旁边的逻辑条件表示转换条件 M

10、0.0 M0.1 M0.2 M0.3 Q0.0Q0.1 Q0.1 Q0.2 SM0.1 I0.0 I0.1 I0.2 I0.3 青岛大学-西门子先进自动化技术联合实验室 转换条件是与转 换相关的逻辑命题， 转换条件可以用文字 语言、布尔代数表达 式或图形符号标注在 表示转换的短线的旁 边，使用得最多的是 布尔代数表达式。 M0.0 M0.1 M0.2 M0.3 Q0.0Q0.1 Q0.1 Q0.2 SM0.1 I0.0 I0.1 I0.2 I0.3 青岛大学-西门子先进自动化技术联合实验室 （5）与步并排连接的方框表示该步执行的动作， 多个动作可并列。 根据需要，指令与对 象的动作响应之间可能

11、有 多种情况。有的动作仅在 指令存续的时间内有响应 ，指令结束动作终止（如 常见点动控制）。有的一 旦发出指令，动作就将一 直继续，除非再发出停止 或撤消指令（如开车、急 停、左转、右转等）。 M0.0 M0.1 M0.2 M0.3 Q0.0Q0.1 Q0.1 Q0.2 SM0.1 I0.0 I0.1 I0.2 I0.3 青岛大学-西门子先进自动化技术联合实验室 1.两个步绝对不能直接相连必须用一个转换将它们 隔开； 2.两个转换也不能直接相连必须用一个步将它们隔 开； 3.顺序功能图中的初始步一般对应于系统等待起动 的初始状态，这一步可能没有什么输出处于ON状 态，因此有的初学者在画顺序功能

12、图时很容易遗 漏这一步。初始步是必不可少的，一方面因为该 步与它的相邻步相比，从总体上说输出变量的状 态各不相同；另一方面如果没有该步，无法表示 初始状态，系统也无法返回停止状态。 绘制顺序功能图时的注意事项 青岛大学-西门子先进自动化技术联合实验室 4.自动控制系统应能多次重复执行同一工艺过程， 因此在顺序功能图中一般应有由步和有向连线组 成的闭环，即在完成一次工艺过程的全部操作之 后，应从最后一步返回初始步，系统停留在初始 状态。 青岛大学-西门子先进自动化技术联合实验室 5.在顺序功能图中，只有当某一步的前级步是活动 步时，该步才有可能变成活动步。如果用没有断电 保持功能的编程元件代表各

13、步，进入RUN工作方式 时，它们均处于OFF状态，必须用初始化脉冲SM0 1的常开触点作为转换条件，将初始步预置为活 动步，否则因顺序功能图中没有活动步，系统将无 法工作。如果系统有自动、手动两种工作方式，顺 序功能图是用来描述自动工作过程的，这时还应在 系统由手动工作方式进入自动工作方式时，用一个 适当的信号将初始步置为活动步。 青岛大学-西门子先进自动化技术联合实验室 练习1 I0.2I0.0I0.1I0.3 Q0.0 Q0.1 Q0.2 画出图示波形对应的顺序功能图。 青岛大学-西门子先进自动化技术联合实验室 练习2 I0.0 Q0.0 Q0.1 6s 画出图示交通灯波形对应的顺序功能图

14、。 红灯 绿灯 黄灯 5s4s Q0.2 青岛大学-西门子先进自动化技术联合实验室 练习3 I0.1I0.2I0.3 快进工进 快退 设动力头初始状态停在左边，按下启动按钮I0.0后 ，Q0.0和Q0.2为1，动力头向右快速进给，碰到 I0.2后，变为工作进给Q0.0为1，碰到限位I0.3后， 暂停5s；5s后Q0.2和Q0.1为1，工作台快速退回， 返回初始位置停止运动。画出顺序功能图。 青岛大学-西门子先进自动化技术联合实验室 M0.0 M0.1 M0.2 M0.3 Q0.0Q0.2 Q0.0 T37(5s) SM0.1 I0.0 I0.2 I0.3 T37 M0.4Q0.1 I0.1 Q

15、0.2 青岛大学-西门子先进自动化技术联合实验室 1、单序列 规则 转换与步骤交互连 接。每一步的后面 仅有一个转换，每 一个转换后面仅有 一步。 2 3 4 例 顺序功能图（SFC）的其他形式 青岛大学-西门子先进自动化技术联合实验室 2、选择序列 规则 用水平线下连接多个转 换，表示步骤选择开始 ，称分支。 转换上的数字1、2表示 转换同时成立时的优先 度，无数字左先。 多数个转换被连接在下 面的水平线上，表示选 择结束，称合并。 S5 S8 S9 S6 S10 S11 h k nj 例 1 2 青岛大学-西门子先进自动化技术联合实验室 3、并列序列 规则 二重水平线上有唯一 一个转换，表

16、示并列 顺序的最初步骤同步 开始，称同步。 以下步骤独立进行。 二重水平线上的并列 顺序的最后步骤全部 激活后，二重水平线 下的唯一的转换条件 满足时，并行步骤结 束，称汇合。 5 7 8 9 10 12 A EF K 青岛大学-西门子先进自动化技术联合实验室 顺序控制的基本思想 步序发生器 1类对象 操作动作 2类对象 转换条件 步序 引入两类对象的概念使转换条件与操作动作在逻辑关 系上进行分离。 步序发生器根据转换条件发出步序标志，要求步序标 志不能重叠（当下步有效时，应同时撤消上步标志） 。 步序标志直接相应控制操作动作；步序标志类似令牌 ，只有取得令牌，才能操作相应的动作。 因果关系分层次表述，使因果传递清楚，避免含混模 糊 青岛大学-西门子先进自动化技术联合实验室 顺序控制的实质是面对两类对象：步序标志和操作 动作。 这类似接力赛，参赛人一定要取得接力棒才能进入 比赛，任何时刻只能一人参赛，交棒后，前一个 参赛人要及时退出比赛。交棒就是步序发生过程。