电气控制与PLC技术9

模块九顺序控制系统程序设计法•任务一顺序功能图程序设计法及其应用•任务二顺控指令的应用任务一顺序功能图程序设计法及其应用•提出任务•项目1变频器、传送带、机械手系统的PLC控制。•变频器、传送带、机械手系统如图9-1所示，输入/输出设备如表9-1所示。控制要求如下：•(1)启动操作：按下启动按钮，变频器启动，传送带开始运行，延时5s后，若储料塔中的传感器检测到塔中有货，则送料柱启动，将料块推到传送带上。•(2)送料柱推到位，延时2s后，送料柱复位。•(3)货物经传送带送至机械手的下方，当机械手下方的光电开关PS检测到货物时，机械手启动(下降)。下一页返回任务一顺序功能图程序设计法及其应用•(4)机械手启动后的连续工作流程为：•(5)返回到位，延时2s后，若塔中有货，再次启动送料柱，开始新一轮的工作。•(6)停止操作：按下停止按钮，变频器停止运行，而机械手则在一个连续过程结束后，回到初始状态(原位)。•新知识储备上一页下一页返回任务一顺序功能图程序设计法及其应用•一、功能图的产生及基本概念•1.功能图的产生•20世纪80年代初，法国科技人员根据PetriNet理论，提出了PLC设计的Grafacet法。Grafacet法是专用于工业顺序控制程序设计的一种功能性说明语言，即顺序功能图(SequentialFunctionChart，SFC)语言，现在已成为法国国家标准。•顺序功能图是一种真正的图形化的编程语言，对于一个顺序控制问题，不管有多复杂，都可以用图形的方式把问题表达或叙述清楚。现在大部分PLC都支持SFC，即可以使用SFC直接编程。也有许多PLC厂家为此专门开发了一种功能指令，称为顺控指令或步进指令，如西门子公司S7-200系列PLC的SCR指令。•2.功能图的基本概念•功能图又称为顺序功能图、功能流程图或状态转移图，它是一种描述上一页下一页返回任务一顺序功能图程序设计法及其应用•顺序控制系统的图形表示方法，是专用于工业顺序控制程序设计的一种功能性说明语言。它能够完整地描述系统的工作过程、功能和特性，是分析、设计电气控制系统控制程序的重要工具。•功能图主要由“步”、“转移”及“有向连线”等元素组成。•(1)步(状态)。•步也称为状态，用来说明控制系统的一个稳定状态(稳定阶段)。步用矩形框表示，方框中的数字是该步的编号。步可分为初始步和工作步两种。•①初始步(初始状态)。初始步表示控制系统的初始状态，是顺序控制的起点，也是功能图运行的起点，一个控制系统至少要有一个初始步。规定初始步用双线的矩形框表示，如图9-2所示。•②工作步(工作状态)。工作步是控制系统正常运行时的状态(也即除初始状态以外的各个稳定阶段)。规定工作步用单线矩形框表示，如图9-3所示。上一页下一页返回任务一顺序功能图程序设计法及其应用•③活动步与非活动步。根据控制系统是否运行，步又可分为活动步和非活动步两种。•当系统正运行于某个阶段(步)时，该阶段(步)处于活动状态，则称该阶段(步)为活动步。其前一步称为“前级步”，后一步称为“后续步”，除“活动步”以外的其他各步则称为“非活动步”。•④与状态(步)对应的动作：在每个稳定的阶段(步)下要进行的动作。在图中用该步右边的一个带文字或符号说明的矩形框表示，如图9-4所示。•与步对应的动作又分为存储型动作和非存储型动作。存储型动作是指某步变为非活动步时，与这一步对应的动作继续保持。可在顺序功能图中使用置位和复位指令控制存储型动作的保持和结束。非存储型动作是指某步变为非活动步时，与这一步对应的动作停止执行。即“步”与它的“非存储型动作”是“同生共死”的。上一页下一页返回任务一顺序功能图程序设计法及其应用•(2)有向连线。•在画顺序功能图时，将代表各步的矩形框按它们成为活动步的先后顺序排列，并用带有箭头的有向连线将它们连接起来。带有箭头的有向连线则表示状态转移的路线，该路线表明了步转移的方向。从上到下，从左向右转移时，通常可省略有向线段的箭头。•(3)转移。•在有向连线上且与有向连线垂直的短划线称为转移。转移是用来表示从一个状态(步)到另一个状态(步)的转换条件(即结束某一步动作而启动下一步动作的条件)，如图9-5所示。转移是指使系统从一个状态向另一个状态转换的必要条件。•3.顺序功能图中转换实现基本规则•要实现步与步之间的转换，必须同时满足两个条件：•(1)该转换的前级步必须都为活动步。上一页下一页返回任务一顺序功能图程序设计法及其应用•(2)相应的转换条件得到满足。•步与步的转换实现后将完成以下两个操作：•(1)使后续步变为活动步。•(2)使前级步变为非活动步。•很显然，在顺序功能图中，当某一步的前级步是活动步时，该步才有可能变为活动步。如果用没有断电保持功能的编程元件来代表各步，则在PLC进入RUN模式时，它们均处于OFF状态，必须用SM0.1的常开触点作为转换条件，将初始步预置为活动步，以保证顺序功能图的正常运行。•4.顺序功能图程序设计法的基本思想和设计思路•顺序功能图程序设计法的最基本思想：将控制系统的一个工作周期划分为若干个顺序相连的阶段，这些阶段称为步(Step)，并用编程元件(如内部标志位存储器M或顺控继电器S)来代表各步。上一页下一页返回任务一顺序功能图程序设计法及其应用•顺序功能图程序设计法的设计思路：用“转移”控制代表各步的“编程元件”，再用代表各步的“编程元件”去控制“输出继电器”。•5.绘制功能图的注意事项•控制系统功能图的绘制需要注意以下几点：•(1)步与步不能直接相连，必须用转移分开。•(2)转移与转移不能相连，必须用步分开。•(3)步与转移、转移与步之间必须采用有向连线。当有向连线从下向上画时，不能省略箭头。•(4)一个功能图至少要有一个初始步。这一步可能没有输出，仅表示系统的初始状态。•(5)顺序功能图中一般应有由步和有向连线组成的闭环。对于单周期操作，即在完成一次工艺过程的全部操作之后，应从最后一步返回到初始步。对于循环工作方式，应从最后一步返回到下一个工作周期开上一页下一页返回任务一顺序功能图程序设计法及其应用•始运行的第一步。即顺序功能图中不能有“到此为止”的死胡同。•(6)程序若要从初始步开始运行，需使用SM0.1的常开触点作为转换条件，将初始步预置为活动步；否则会因顺序功能图中没有活动步而导致系统无法工作。•二、功能图的基本结构形式•功能图描述顺序控制的基本结构形式有3种，即单序列、选择序列和并行序列。•1.单序列•这是最简单的功能图结构，单序列是由一系列相继激活的步构成，其动作是一个接一个地完成。每个步后仅连接一个转移，每个转移也仅连接一个步。其特点是“一步一转移”，如图9-5所示。图中各步的状态可用逻辑表达式来表示。上一页下一页返回任务一顺序功能图程序设计法及其应用•编号3的步的状态可表示为：X3=(X2a+X3)。•2.选择序列•在实际生产中，对具有多流程的工作要进行流程选择或者分支选择，即在一个步后边可能有多个单序列的步等待选择，并且一次只能选择其中的某一个序列。哪条序列的转移条件最先满足，这条序列就被选中。程序将按这条序列向下执行。所以，选择序列的逻辑关系是“逻辑或”，选择序列的特点是“多选一转移”。选择序列的分支开始与合并用单横线表示，且水平线下，不允许有“无转移”的直接连接。选择序列的流程图如图9-6所示。•图9-6中各步的状态可用逻辑表达式来表示。•编号3的步的状态可表示为：X3=(X2a+X3)。•编号4的步的状态可表示为：。•编号9的步的状态可表示为：。上一页下一页返回4X457XXX4349()XXbXX9468910()XXcXfXiXX任务一顺序功能图程序设计法及其应用•其余步的逻辑关系表达式读者可自行分析。•3.并行序列•并行序列是指在同一个转移条件下，有若干个并列的单序列，当转移条件成立时，所有的单序列必须同时激活。当多个单序列产生的结果相同时，可以把这些单序列合并成一个控制流，即并行序列的连接。在合并时，所有的单序列必须都是完成了的。这样，在转移条件满足时才能转移到下一个步。所以，并行序列中各单序列之间的逻辑关系是“逻辑与”，并行序列的特点是“一步转移同时激活”。并行序列的开始和结束一般用双水平线表示。并行序列的流程图如图9-7所示。在图中，步4、步6和步8是并列关系，当实现转移的条件满足时，则步4、步6和步8同时被激活。•图9-7中各步的状态可用逻辑表达式来表示。•编号3的步可表示为：。上一页下一页返回323468()()XXdXXXX任务一顺序功能图程序设计法及其应用•编号4的步可表示为：。•编号5的步可表示为：。•编号6的步可表示为：。•编号8的步可表示为：。•编号9的步可表示为：。•在图9-7所示的并行序列结束处，只有各单序列的最后一步均为活动步且转移条件为真时才能激活下一步。例如：图中只有X9和X10均为活动步且转移条件为真时，才能激活X11并关断X9和X10。其对应的逻辑关系表达式如下：•编号11的步可表示为：。•编号12的步可表示为：。上一页下一页返回4345()XXeXX54512()XXfXX6367()XXeXX838910()()XXeXXX98911()XXhXX119101112()XXXkXX1257111213()XXXXmXX任务一顺序功能图程序设计法及其应用•三、跳转和循环•单序列、选择序列和并行序列是功能图的基本形式。但多数情况下这些形式是混合出现的，甚至有时在程序的执行过程中，会因为某种情况的需要，出现跳转和循环。所谓跳转是指在顺序控制过程中可能会因为某个转移条件的满足跳过其中的一些步，而转去执行其他后续步。循环则是指重复执行某一流程的动作(即多周期循环)，利用流程图很容易实现流程的循环重复操作。跳转和循环结构均属于选择序列。•跳转与循环的功能图如图9-8至图9-10所示。•图9-8所示为跳转结构，图中的步3为活动步时，若转移条件h先为真，则跳过步4、步5和步6而转入步7继续执行。由此可知，步3下边有步4和步7两个选择分支，而步7是步3和步6的合并。图9-8中各步的状态可用逻辑表达式来表示。•编号3的步的状态可表示：。上一页下一页返回32347()XXaXXX任务一顺序功能图程序设计法及其应用•编号4的步的状态可表示：。•编号7的步的状态可表示：等。•图9-9为重复结构，若步7为活动步时，如果转移条件f=0，且h=1，则返回到步5，再重复执行5、6、7步，如果f=1，则进入步8。图中的各步的状态可用逻辑表达式来表示。•编号4的步的状态可表示为。•编号5的步的状态可表示为。•编号7的步的状态可表示为。•图9-10所示为循环结构，从图中可以看出，初始步是由该循环的最后一步完成后激活的，图9-10中，只要h=1，则转入新的循环。但是需要注意，第一个循环中的初始步的激活，一般采用另加短脉冲的方式实现，如使用PLC的特殊标志位寄存器SM0.1。上一页下一页返回4345()XXbXX76378()XXeXhXX4345()XXbXX54756()XXcXhXX76758()XXeXXX任务一顺序功能图程序设计法及其应用•四、应用举例•1.单序列应用举例•【例9-1】3台电动机顺序运行控制系统，若启动按钮I0.0为ON，则电动机M1启动，延时数秒，M1停止运行，M2启动，再延时数秒，M2停止运行，M3启动，若停止按钮I0.0为ON，3台电动机同时停止工作。其功能流程图如图9-11所示。参考程序如图9-12所示。该系统控制任务也可以由S7-200系列PLC提供的顺控指令来完成。•2.并行序列应用举例•【例9-2】剪板机的PLC控制。•某剪板机示意图如图9-13所示。开始时压钳和剪刀在上限位置，限位开关I0.0和I0.1为ON。按下启动按钮I1.0，工作过程如下：首先板料右行(Q0.0为ON)至限位开关I0.3动作，然后压钳下行上一页下一页返回任务一顺序功能图程序设计法及其应用•(Q0.1为ON)，压紧板料后，压力继电器I0.4为