2.3 顺序控制设计法与顺序功能图
2.3.1 顺序控制设计法
1.顺序控制设计法简介
采用经验设计法设计梯形图程序时，由于没有一套固定的方法可循，且在设计过程中又存在着较大的试探性和随意性，给一些复杂程序的设计带来了很大的困难。即使勉强设计出来了，对于程序的可读性、时间的花费和设计结果来说，也往往不尽人意。鉴于此，本节将介绍一种有规律且比较通用的方法——顺序控制设计法。
顺序控制设计法是指按照生产工艺预先规定顺序，在各输入信号作用下，根据内部状态和时间顺序，使生产过程各个执行机构自动有秩序地进行操作的一种方法。该方法是一种比较简单且先进的方法，很容易被初学者接受，对于有经验的工程师来说，也会提高设计效率。同时，这种方法对于程序的调试和修改来说也非常方便，使编写的程序可读性很高。
2.顺序控制设计法基本步骤
使用顺序顺序控制设计法时，基本步骤为：首先进行I/O分配；然后根据控制系统的工艺要求，绘制顺序功能图；最后，根据顺序功能图设计梯形图。在顺序功能图的绘制中，往往是根据控制系统的工艺要求，将生产过程的一个周期划分为若干个顺序相连的阶段，每个阶段都对应顺序功能图的一步。
3.顺序控制设计法分类
顺序控制设计法大致可分为：起保停电路编程法、置位复位指令编程法、顺序控制继电器指令编程法和移位寄存器指令编程法，如图2-21所示。本章将根据顺序功能图的基本结构的不同，对以上4种方法进行详细讲解。
图2-21 顺序控制设计法分类
使用顺序控制设计法时，绘制顺序功能图是关键，因此下面要对顺序功能图详细介绍。
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顺序控制设计法的基本步骤和方法分类是重点，读者需熟记。
2.3.2 顺序功能图简介
1.顺序功能图的组成要素
顺序功能图是一种图形语言，用来编制顺序控制程序。在IEC的PLC编程语言标准（IEC61131-3）中，顺序功能图被确定为PLC位居首位的编程语言。在编写程序时，往往根据控制系统的工艺过程，先画出顺序功能图，然后再根据顺序功能图写出梯形图。顺序功能图主要由步、有向连线、转换、转换条件和动作（或命令）五大要素组成，如图2-22所示。
（1）步
步就是将系统的一个周期划分为若干个顺序相连的阶段，这些阶段就叫步。步是根据输出量的状态变化来划分的，通常用编程元件代表。编程元件是指辅助继电器M和状态继电器S。步通常涉及以下几个概念：
1）初始步：一般在顺序功能图的最顶端，与系统的初始化有关，通常用双方框表示。注意每一个顺序功能图中至少有一个初始步，初始步一般由初始化脉冲SM0.1激活。
图2-22 顺序功能图
2）活动步：系统所处的当前步为活动状态，就称该步为活动步。当步处于活动状态时，相应的动作被执行，步处于不活动状态，相应的非记忆性动作被停止。
3）前级步和后续步：前级步和后续步是相对的，如图2-23所示。对于S0.2步来说，S0.1是它的前级步，S0.3步是它的后续步；对于S0.1步来说，S0.2是它的后续步，S0.0步是它的前级步。需要指出的是，一个顺序功能图中可能存在多个前级步和多个后续步，如S0.0就有两个后续步，分别为S0.1和S0.4；S0.7也有两个前级步，分别为S0.3和S0.6。
图2-23 前级步、后续步与有向连线
（2）有向连线
有向连线是连接步与步之间的连线，其规定了活动步的进展路径与方向。通常规定有向连线的方向从左到右或从上到下箭头可省，从右到左或从下到上箭头一定不可省，如图2-23所示。
（3）转换
转换用一条与有向连线垂直的短画线表示，转换将相邻的两步分隔开。步的活动状态的进展是由转换的实现来完成，并与控制过程的发展相对应。
（4）转换条件
转换条件就是系统从上一步跳到下一步的信号。转换条件可以由外部信号提供，也可由内部信号提供。外部信号如按钮、传感器、接近开关、光电开关等的通断信号；内部信号如定时器和计数器常开触点的通断信号等。转换条件可以用文字语言、布尔代数表达式或图形符号等标注在表示转换的短画线旁。使用较多的是布尔代数表达式，如图2-24所示。
图2-24 转换条件
（5）动作
被控系统每一个需要执行的任务或者是施控系统每一个要发出的命令都叫动作。注意，动作是指最终的执行线圈或定时器计数器等，一步中可能有一个动作或几个动作。通常动作用矩形框表示，矩形框内标有文字或符号，矩形框用相应的步符号相连。需要指出的是，涉及多个动作时，处理方案如图2-25所示。
图2-25 多个动作的处理方案
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对顺序功能图组成的五大要素进行梳理：
1.步的划分是绘制顺序功能图的关键，划分标准是根据输出量状态的变化。如小车开始右行，当碰到右限位转为左行，由此可见输出量状态有明显变化，因此画顺序功能图时，一定要分为两步，即左行步和右行步。
2.一个顺序功能图至少有一个初始步，初始步在顺序功能图的最顶端，用双方框表示，一般用SM0.1激活。
3.动作是最终的执行线圈Q、定时器T和计数器C，辅助继电器M和顺序控制继电器S只是中间变量不是最终输出，这点一定要注意。
2.顺序功能图的基本结构
（1）单序列
所谓的单序列就是指没有分支和合并，步与步之间只有一个转换，每个转换两端仅有一个步，如图2-26 a所示。
（2）选择序列
选择序列既有分支又有合并，选择序列的开始叫分支，选择序列的结束叫合并，如图2-26 b所示。在选择序列的开始，转换符号只能标在水平连线之下，如I0.0、I0.3对应的转换就标在水平连线之下；选择序列的结束，转换符号只能标在水平连线之上，如T37、I0.5对应的转换就标在水平连线之上。当S0.0为活动步，并且转换条件I0.0=1，则发生由步S0.0→步S0.1的跳转；当S0.0为活动步，并且转换条件I0.3=1，则发生由步S0.0→步S0.4的跳转；当S0.2为活动步，并且转换条件T37=1，则发生由步S0.2→步S0.3的跳转；当S0.5为活动步，并且转换条件I0.5=1，则发生由步S0.5→步S0.3的跳转；
图2-26 顺序功能图的基本结构
需要指出的是，在选择程序中，某一步可能存在多个前级步或后续步，如S0.0就有两个后续步S0.1、S0.4、S0.3就有两个前级步S0.2、S0.5。
（3）并行序列
并行序列用来表示系统的几个同时工作的独立部分的工作情况，如图2-26 c所示。并行序列的开始叫分支，当转换满足的情况下，导致几个序列同时被激活，为了强调转换的同步实现，水平连线用双线表示，且水平双线之上只有一个转换条件，如步S0.0为活动步，并且转换条件I0.0=1时，步S0.1、S0.4同时变为活动步，步S0.0变为不活动步，水平双线之上只有转换条件I0.0；并行序列的结束叫合并，当直接连在双线上的所有前级步S0.2、S0.5为活动步，并且转换条件I0.3=1，才会发生步S0.2、S0.5→S0.3的跳转，即S0.2、S0.5为不活动步，S0.3为活动步，在同步双水平线之下只有一个转换条件I0.3。
3.梯形图中转换实现的基本原则
（1）转换实现的基本条件
在顺序功能图中，步的活动状态的进展是由转换的实现来完成的。转换的实现必须同时满足以下两个条件：
1）该转换的所有前级步都为活动步。
2）相应的转换条件得到满足。
以上两个条件缺一不可，若转换的前级步或后续步不只一个时，转换的实现称为同时实现，为了强调同时实现，有向连线的水平部分用双线表示。
（2）转换实现完成的操作
1）使所有由有向连线与相应转换符号连接的后续步都变为活动步。
2）使所有由有向连线与相应转换符号连接的前级步都变为不活动步。
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1.转换实现的基本原则。转换实现的基本条件和转换完成的基本操作，可简要的概括为：当前级步为活动步，满足转换条件，程序立即跳转到下一步；当后续步为活动步时，前级步停止。
2.转换实现的基本原则是根据顺序功能图设计梯形图的基础，它适用于顺序功能图中的各种结构和各种顺序控制梯形图的编程方法。
4.绘制顺序功能图时的注意事项
两步绝对不能直接相连，必须用一个转换将其隔开；两个转换也不能直接相连，必须用一个步将其隔开。
这两条是判断顺序功能图绘制正确与否的依据。
顺序功能图中初始步必不可少，它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动作执行，因此很容易被遗忘。若无此步，则无法进入初始状态，系统也无法返回停止状态。
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后，应从最后一步返回到初始步，系统停留在初始步（单周期操作）；在执行连续循环工作方式时，应从最后一步返回下一周期开始运行的第一步。