基于SFC編程方法在維修電工技能鑒定PLC項目中的應用

王雪琴

（宜興高等職業技術學校，江蘇無錫，214200）

現如今，職業學校學生畢業時要求同時擁有畢業證和職業資格證。作為中職機電類專業的學生，就必須取得維修電工中級工證。以我們學校為例，在組織學生參加維修電工考證前，一般會安排三周時間對學生進行集中培訓。但三周時間內需要展開三個項目的培訓，分別是PLC程序設計與調試、機床排故和電子焊接。因此，每個項目平均分配到的時間也僅僅是一周。對于PLC這一項目要求學生在一周時間內熟練掌握，必須采取簡單有效的方法。近些年來，我每年都接受學校安排的維修電工考工培訓這一任務，發現采用SFC編程方法進行教學，可讓學生在短時間內快速接受并掌握PLC的程序設計，從而極大程度地提高了培訓效果。

1 順序功能圖（SFC）概述

順序功能圖的另一種叫法叫狀態流程圖或狀態轉移圖，主要用于工業順序控制程序的設計，它是描述控制系統的控制過程、功能和特性的一種圖形，對分析、設計和修改電氣控制系統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、轉換、轉換條件、有向線段和動作(如圖1、圖2所示)。

圖2

步—將系統的一個完整的控制過程，按照輸出量的狀態變化分為若干個階段，每個階段把它稱之為“步”。“步”在三菱FX-PLC中，用狀態元件S表示。“步”有活動步和非活動步之分，當系統剛好工作于某一步時，該步處于激活狀態，成為活動步，否則就是非活動步。控制過程剛開始的階段，一般是系統等待啟動命令相對靜止的狀態，我們把與系統的初始狀態相對應的步稱為“初始步”。“初始步”是系統運行的起始位置，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向控制系統發出的命令，或被控系統應該執行的動作。一個步可以執行一個動作，也可以執行多個動作。動作可以用文字或符號在矩形框中表達出來，并且該矩形框應與相應步的矩形框相連接。

有向線段和轉換條件—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。系統當前活動步切換到下一步，所需要滿足的信號條件，稱之為轉換條件。系統中的行程開關、按鈕、計時器和計數器觸點的動作等是常見的轉換條件。

2 電動機星-三角降壓啟動

本文以中級維修電工PLC項目題庫中的試題—電動機星-三角降壓啟動為例，具體分析SFC的編程方法。控制要求如下：按下啟動按鈕SB1，電動機接觸器KM1、KM2得電，即實現星型降壓啟動，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行。任何時候按下停止按鈕SB2，電機停止運轉。

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分成若干個時間段，每一時間段表示一個穩定狀態；

(3)明確每個時間段之間的轉移條件及它們之間的聯系；

(4)確定初始狀態；

(5)解決循環及正常停車問題。

按照上述步驟，電動機工作流程圖如圖3所示。

圖3 工作流程圖

2.2 確定輸入/輸出設備，列出I/O分配表

根據上述分析，系統有2個輸入設備：啟動按鈕和停止按鈕，PLC需用2個輸入點與之連接。另外，系統有3個輸出設備，分別是電動機主觸點KM1，星型觸點KM2和三角形觸點KM3，PLC需用3個輸出點分別驅動它們。其I/O分配如表1所示。

表1 I/O分配表

2.3 畫出系統狀態轉移圖

圖3清晰地描述了電動機的整個工作流程，接下來利用狀態元件S、I/O分配表及計時器、計數器等PLC對應的各個軟元件符號，將圖3顯示的工作流程圖演變成圖4所示的狀態轉移圖。

圖4 狀態轉移圖

在圖4中，M8002是PLC內部的一個特殊繼電器，能夠在PLC上電的瞬間ON一次，從而產生一個掃描周期的脈沖，用來激活初始步。初始步用初始狀態元件S0-S9表示，默認為S0。這一步可能沒有輸出，只是做好預備狀態。其它各步用S20開始的一般狀態元件表示。步與步之間實現轉換應同時具備兩個條件：①前級步必須是“活動步”；②對應的轉換條件成立。只有當以上兩個條件同時滿足時，才能實現步的轉換。

自動控制系統一般都要求能多次重復執行同一工藝過程，因此在順序功能圖中要設計成一個閉環，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，以實現下一次的循環操作。例題中假如S21步是當前活動步，則在按下停止按鈕之后(即轉移條件滿足)，下一個目標步必須是初始步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入PLC

在圖4的基礎上，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整個工藝流程的SFC塊。在三菱FX系列中，對SFC塊進行編輯時，只要點擊每個狀態元件或轉移條件，在打開的空白編輯區域，編寫對應的梯形圖即可，所有程序編寫完成并編譯，即可直接導入PLC進行運行調試。圖4對應的完整程序如圖5所示。

圖5 PLC梯形圖

通過這個實例的介紹，我們發現，SFC編程方法在應用時，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律，掌握了這種方法，學生輕輕松松就學會了編程。

3 順序功能圖（SFC）的基本結構

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

圖6(a)為選擇序列的分支結構，當由單流程向分支轉移時，根據轉移條件成立與否只能向其中一個流程進行轉移。假設步5為活動步，如果轉換條件e成立，則步5向步9轉換。圖6(b)為選擇序列的合并結構，當分支流程向單一流程合并時，只有一個符合轉移條件的分支轉換到單流程的狀態。假設步11為活動步，如果轉換條件p成立，則步11向步5轉換。

圖6

圖7(a)是并行序列的分支結構，單流程向多個分支流程轉移時，多個分支的轉移條件均相同。一旦轉移條件成立，則同時激活各個分支流程。假設步5為活動步，且轉換條件e也成立，則6、9、11同時變為活動步，而步5變為非活動步。圖7(b)為并行序列的合并結構，它是指并行性分支的各個分支流程向單流程合并。當每個分支流程6、9、11都完成后并且轉移條件d成立時，單流程狀態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構的應用：有A、B兩組彩燈，A組燈為T1~T4，B組燈為T5~T8，A組燈依次運行時速率為1秒1步，B組燈依次運行時速率為2秒1步。控制要求①：若選擇開關SA1接通時，A組燈循環運行；若選擇開關SA1斷開時，B組燈循環運行；控制要求②：若按下啟動按鈕SB1，A、B兩組燈同時循環運行。I/O分配表如表2所示，兩種控制要求的狀態轉移圖分別如圖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構題型，根據題目要求清晰地畫出系統的工作流程圖是至關重要的一步。這一步的技巧在于首先要找全題目中的轉移條件，因為“轉移條件”與“步”是緊密相連的，只要找到一個轉移條件，就能緊跟著找出接下來系統的某個動作輸出，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出來。如果學生對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，直接畫出系統的狀態轉移圖即可（如圖8a和8b所示），在狀態轉移圖的基礎上，程序編寫也就水到渠成了。

4 小結

順序功能圖法(SFC)就是依據順序功能圖設計PLC順序控制程序的方法。其基本的設計思路是：將系統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現轉換。學生在設計程序時，關鍵是要按照工序流程將每一步劃分清楚，弄清實現每一步工序的條件，每一步工序的動作輸出，然后將工作流程圖（如圖3）準確無誤地畫出來，隨即將工作流程圖按照I/O分配表轉換成更加直觀的狀態轉移圖（如圖4），最后根據狀態轉移圖在電腦上編輯PLC梯形圖（如圖5）。這種編程方法簡單易學，并且有規律可循，程序的調試、修改及閱讀也很容易，大部分學生都能在較短時間內熟練掌握這種方法。因此，在維修電工PLC項目教學中，優選這種先進高效的程序設計方法，收到了非常好的培訓效果。