基于SFC編程方法在維修電工技能鑒定PLC項(xiàng)目中的應(yīng)用

王雪琴

（宜興高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，江蘇無錫，214200）

現(xiàn)如今，職業(yè)學(xué)校學(xué)生畢業(yè)時要求同時擁有畢業(yè)證和職業(yè)資格證。作為中職機(jī)電類專業(yè)的學(xué)生，就必須取得維修電工中級工證。以我們學(xué)校為例，在組織學(xué)生參加維修電工考證前，一般會安排三周時間對學(xué)生進(jìn)行集中培訓(xùn)。但三周時間內(nèi)需要展開三個項(xiàng)目的培訓(xùn)，分別是PLC程序設(shè)計(jì)與調(diào)試、機(jī)床排故和電子焊接。因此，每個項(xiàng)目平均分配到的時間也僅僅是一周。對于PLC這一項(xiàng)目要求學(xué)生在一周時間內(nèi)熟練掌握，必須采取簡單有效的方法。近些年來，我每年都接受學(xué)校安排的維修電工考工培訓(xùn)這一任務(wù)，發(fā)現(xiàn)采用SFC編程方法進(jìn)行教學(xué)，可讓學(xué)生在短時間內(nèi)快速接受并掌握PLC的程序設(shè)計(jì)，從而極大程度地提高了培訓(xùn)效果。

1 順序功能圖（SFC）概述

順序功能圖的另一種叫法叫狀態(tài)流程圖或狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，主要用于工業(yè)順序控制程序的設(shè)計(jì)，它是描述控制系統(tǒng)的控制過程、功能和特性的一種圖形，對分析、設(shè)計(jì)和修改電氣控制系統(tǒng)控制程序起著非常重要的作用。這種功能圖主要包含以下幾個要素：步、轉(zhuǎn)換、轉(zhuǎn)換條件、有向線段和動作(如圖1、圖2所示)。

圖2

步—將系統(tǒng)的一個完整的控制過程，按照輸出量的狀態(tài)變化分為若干個階段，每個階段把它稱之為“步”?！安健痹谌釬X-PLC中，用狀態(tài)元件S表示?！安健庇谢顒硬胶头腔顒硬街?，當(dāng)系統(tǒng)剛好工作于某一步時，該步處于激活狀態(tài)，成為活動步，否則就是非活動步?？刂七^程剛開始的階段，一般是系統(tǒng)等待啟動命令相對靜止的狀態(tài)，我們把與系統(tǒng)的初始狀態(tài)相對應(yīng)的步稱為“初始步”?！俺跏疾健笔窍到y(tǒng)運(yùn)行的起始位置，用雙線方框表示，其余一般步用單線方框表示。

動作—是指某步活動時，PLC向控制系統(tǒng)發(fā)出的命令，或被控系統(tǒng)應(yīng)該執(zhí)行的動作。一個步可以執(zhí)行一個動作，也可以執(zhí)行多個動作。動作可以用文字或符號在矩形框中表達(dá)出來，并且該矩形框應(yīng)與相應(yīng)步的矩形框相連接。

有向線段和轉(zhuǎn)換條件—步與步之間連接時用一個有向線段，表示從一個步跳轉(zhuǎn)到另一個步。若表示方向的箭頭是由上指向下，此箭頭可以忽略。系統(tǒng)當(dāng)前活動步切換到下一步，所需要滿足的信號條件，稱之為轉(zhuǎn)換條件。系統(tǒng)中的行程開關(guān)、按鈕、計(jì)時器和計(jì)數(shù)器觸點(diǎn)的動作等是常見的轉(zhuǎn)換條件。

2 電動機(jī)星-三角降壓啟動

本文以中級維修電工PLC項(xiàng)目題庫中的試題—電動機(jī)星-三角降壓啟動為例，具體分析SFC的編程方法?？刂埔笕缦拢喊聪聠影粹oSB1，電動機(jī)接觸器KM1、KM2得電，即實(shí)現(xiàn)星型降壓啟動，延時5秒后，接觸器KM2失電，KM3得電，即將定子繞組接成三角形運(yùn)行。任何時候按下停止按鈕SB2，電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.1 分析控制要求，畫出工作流程圖

畫流程圖的基本步驟如下：

(1)分析工作流程和控制要求；

(2)按控制要求將控制系統(tǒng)分成若干個時間段，每一時間段表示一個穩(wěn)定狀態(tài)；

(3)明確每個時間段之間的轉(zhuǎn)移條件及它們之間的聯(lián)系；

(4)確定初始狀態(tài)；

(5)解決循環(huán)及正常停車問題。

按照上述步驟，電動機(jī)工作流程圖如圖3所示。

圖3 工作流程圖

2.2 確定輸入/輸出設(shè)備，列出I/O分配表

根據(jù)上述分析，系統(tǒng)有2個輸入設(shè)備：啟動按鈕和停止按鈕，PLC需用2個輸入點(diǎn)與之連接。另外，系統(tǒng)有3個輸出設(shè)備，分別是電動機(jī)主觸點(diǎn)KM1，星型觸點(diǎn)KM2和三角形觸點(diǎn)KM3，PLC需用3個輸出點(diǎn)分別驅(qū)動它們。其I/O分配如表1所示。

表1 I/O分配表

2.3 畫出系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

圖3清晰地描述了電動機(jī)的整個工作流程，接下來利用狀態(tài)元件S、I/O分配表及計(jì)時器、計(jì)數(shù)器等PLC對應(yīng)的各個軟元件符號，將圖3顯示的工作流程圖演變成圖4所示的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖。

圖4 狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

在圖4中，M8002是PLC內(nèi)部的一個特殊繼電器，能夠在PLC上電的瞬間ON一次，從而產(chǎn)生一個掃描周期的脈沖，用來激活初始步。初始步用初始狀態(tài)元件S0-S9表示，默認(rèn)為S0。這一步可能沒有輸出，只是做好預(yù)備狀態(tài)。其它各步用S20開始的一般狀態(tài)元件表示。步與步之間實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換應(yīng)同時具備兩個條件：①前級步必須是“活動步”；②對應(yīng)的轉(zhuǎn)換條件成立。只有當(dāng)以上兩個條件同時滿足時，才能實(shí)現(xiàn)步的轉(zhuǎn)換。

自動控制系統(tǒng)一般都要求能多次重復(fù)執(zhí)行同一工藝過程，因此在順序功能圖中要設(shè)計(jì)成一個閉環(huán)，目的是在完成一次工藝過程的全部操作后，能從最后一步返回到初始步，以實(shí)現(xiàn)下一次的循環(huán)操作。例題中假如S21步是當(dāng)前活動步，則在按下停止按鈕之后(即轉(zhuǎn)移條件滿足)，下一個目標(biāo)步必須是初始步S0，也就是要再次激活初始步，以便等待下一次再啟動。

2.4 在電腦軟件上編輯完整的梯形圖程序并導(dǎo)入PLC

在圖4的基礎(chǔ)上，在電腦軟件上編輯完整的梯形圖程序。需要說明的是，一個完整的SFC程序包含兩塊內(nèi)容，一個是用來激活初始步的梯形圖塊（一般在SFC塊前面），另一個就是表示控制系統(tǒng)整個工藝流程的SFC塊。在三菱FX系列中，對SFC塊進(jìn)行編輯時，只要點(diǎn)擊每個狀態(tài)元件或轉(zhuǎn)移條件，在打開的空白編輯區(qū)域，編寫對應(yīng)的梯形圖即可，所有程序編寫完成并編譯，即可直接導(dǎo)入PLC進(jìn)行運(yùn)行調(diào)試。圖4對應(yīng)的完整程序如圖5所示。

圖5 PLC梯形圖

通過這個實(shí)例的介紹，我們發(fā)現(xiàn)，SFC編程方法在應(yīng)用時，程序不是編出來的，而是畫出來的。只要分清“步”，就可以繪制出流程圖，然后按照流程圖編寫程序也就變得十分簡單。這種方法遵循一定的規(guī)律，掌握了這種方法，學(xué)生輕輕松松就學(xué)會了編程。

3 順序功能圖（SFC）的基本結(jié)構(gòu)

以上實(shí)例是順序控制中最常見的單序列流程結(jié)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是程序比較簡單，并且按照一定的順序一步步向后執(zhí)行，中間不存在其它分支。這種單序列是順序功能圖的基本結(jié)構(gòu)之一，還有另外兩種常用的基本結(jié)構(gòu)分別是選擇序列和并行序列。

圖6(a)為選擇序列的分支結(jié)構(gòu)，當(dāng)由單流程向分支轉(zhuǎn)移時，根據(jù)轉(zhuǎn)移條件成立與否只能向其中一個流程進(jìn)行轉(zhuǎn)移。假設(shè)步5為活動步，如果轉(zhuǎn)換條件e成立，則步5向步9轉(zhuǎn)換。圖6(b)為選擇序列的合并結(jié)構(gòu)，當(dāng)分支流程向單一流程合并時，只有一個符合轉(zhuǎn)移條件的分支轉(zhuǎn)換到單流程的狀態(tài)。假設(shè)步11為活動步，如果轉(zhuǎn)換條件p成立，則步11向步5轉(zhuǎn)換。

圖6

圖7(a)是并行序列的分支結(jié)構(gòu)，單流程向多個分支流程轉(zhuǎn)移時，多個分支的轉(zhuǎn)移條件均相同。一旦轉(zhuǎn)移條件成立，則同時激活各個分支流程。假設(shè)步5為活動步，且轉(zhuǎn)換條件e也成立，則6、9、11同時變?yōu)榛顒硬剑?變?yōu)榉腔顒硬?。圖7(b)為并行序列的合并結(jié)構(gòu)，它是指并行性分支的各個分支流程向單流程合并。當(dāng)每個分支流程6、9、11都完成后并且轉(zhuǎn)移條件d成立時，單流程狀態(tài)5才被激活。

圖7

下面以流水燈為例來簡單說明這兩種序列分支結(jié)構(gòu)的應(yīng)用：有A、B兩組彩燈，A組燈為T1~T4，B組燈為T5~T8，A組燈依次運(yùn)行時速率為1秒1步，B組燈依次運(yùn)行時速率為2秒1步?？刂埔螈伲喝暨x擇開關(guān)SA1接通時，A組燈循環(huán)運(yùn)行；若選擇開關(guān)SA1斷開時，B組燈循環(huán)運(yùn)行；控制要求②：若按下啟動按鈕SB1，A、B兩組燈同時循環(huán)運(yùn)行。I/O分配表如表2所示，兩種控制要求的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖分別如圖8(a)和圖8(b)所示。

表2

圖8

中級維修電工PLC項(xiàng)目的程序控制要求相對簡單，但不管是單序列還是多序列結(jié)構(gòu)題型，根據(jù)題目要求清晰地畫出系統(tǒng)的工作流程圖是至關(guān)重要的一步。這一步的技巧在于首先要找全題目中的轉(zhuǎn)移條件，因?yàn)椤稗D(zhuǎn)移條件”與“步”是緊密相連的，只要找到一個轉(zhuǎn)移條件，就能緊跟著找出接下來系統(tǒng)的某個動作輸出，也就是一個工序步。按照這種方法，很容易將工作流程圖用文字和圖形給表達(dá)出來。如果學(xué)生對SFC這種編程方法掌握比較熟練，可以省略畫工作流程圖這一步，直接畫出系統(tǒng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖即可（如圖8a和8b所示），在狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖的基礎(chǔ)上，程序編寫也就水到渠成了。

4 小結(jié)

順序功能圖法(SFC)就是依據(jù)順序功能圖設(shè)計(jì)PLC順序控制程序的方法。其基本的設(shè)計(jì)思路是：將系統(tǒng)的一個工作周期分解成若干個順序相連的階段，即“步”，每一步之間通過一定的條件實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換。學(xué)生在設(shè)計(jì)程序時，關(guān)鍵是要按照工序流程將每一步劃分清楚，弄清實(shí)現(xiàn)每一步工序的條件，每一步工序的動作輸出，然后將工作流程圖（如圖3）準(zhǔn)確無誤地畫出來，隨即將工作流程圖按照I/O分配表轉(zhuǎn)換成更加直觀的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖（如圖4），最后根據(jù)狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖在電腦上編輯PLC梯形圖（如圖5）。這種編程方法簡單易學(xué)，并且有規(guī)律可循，程序的調(diào)試、修改及閱讀也很容易，大部分學(xué)生都能在較短時間內(nèi)熟練掌握這種方法。因此，在維修電工PLC項(xiàng)目教學(xué)中，優(yōu)選這種先進(jìn)高效的程序設(shè)計(jì)方法，收到了非常好的培訓(xùn)效果。