顺序控制的基本概述及状态转移图

1.PLC状态元件及单一流向的步进设计法

（1）步进顺序概述。FX系列PLC有两条专用于编制步进顺控程序的指令，即步进触点驱动指令STL和步进返回指令RET。

一个控制过程可以分为若干个阶段，这些阶段称为状态或者步。状态与状态之间由转换条件分隔。当相邻两状态之间的转换条件得到满足时就实现状态转换。状态转移只有一种流向的称为单分支流程顺控结构。

（2）FX2N系列PLC的步进顺控指令。步进顺控编程的思路是依据状态转移图，从初始步开始，首先编制各步的动作，再编制转换条件和转换目标。这样逐步地将整个控制程序编制完毕。

①STL：STL指令含义是取步状态元件的常开触点与母线连接，如图5－55所示。使用STL指令的触点称为步进触点。STL指令有主控含义，即STL指令后面的触点要用LD指令或LDI指令。STL指令有自动将前级步复位的功能（在状态转换成功的第二个扫描周期时自动将前级步复位），因此使用STL指令编程时不考虑前级步的复位设置。

图5－55　STL指令用法

②RET：系列STL指令的后面，在步进程序的结尾处必须使用RET指令，表示步进顺序控制功能（主控功能）结束，如图5－56所示。

图5－56　步进梯形图和指令表程序编制

（a）状态转移图；（b）步进梯形图；（c）指令表

根据状态转移图，应用步进STL、RET指令编制的梯形图程序和指令表程序如图5－56，需要考虑以下几个方面。

①先进行驱动动作处理，然后进行状态转移处理，不能颠倒顺序。

②驱动步进触点用STL指令，驱动动作用OUT输出指令。若某一动作在连续的几步中都需要被驱动，则用SET/RST（置位/复位）指令。

③接在STL指令后面的触点用LD/LDI指令，连续向下的状态转换用SET指令，否则用OUT指令。

④CPU只执行活动步对应的电路块，因此，步进梯形图允许双线圈输出。

⑤相邻两步的动作若不能同时被驱动，则需要安排相互制约的联锁环节。

⑥步进顺控的结尾必须使用RET指令。

2.状态转移图（SFC）的绘制规则

状态转移图也称为功能表图，用于描述控制系统的控制过程，具有简单、直观的特点，是设计PLC顺控程序的一种有力工具。状态转移图中的状态有驱动动作、指定转移目标和指定转移条件3个要素。其中，转移目标和转移条件是必不可少的，驱动动作则视具体情况而定，也可能没有实际的动作。如图5－57，初始步S0没有驱动动作，S20为其转移目标，X000、X001为串联的转移条件；在S20步，Y001为其驱动动作，S21为其转移目标，X002为转移条件。

图5－57　状态转移图的画法

步与步之间有向线段表明流程方向，其中向下和向右方向箭头可以省略。图5－57中流程方向始终向下，因而省略了方向箭头。

3.状态转换的实现

步与步之间的状态转换需满足两个条件：一是前级步必须是活动步；二是对应的转换条件要成立。满足上述两个条件就可以实现步与步之间的转换。值得注意的是，一旦后续步转换成为活动步，前级步就要复位成为非活动步。

状态转移图的分析条理十分清晰，无须考虑状态之间繁杂的联锁关系，可以理解为：“只干自己需要干的事，无须考虑其他”。另外，也方便了程序的阅读理解，使程序试运行、调试、故障检查与排除变得非常容易，这就是步进顺控设计法的优点。

4.并行分支的步进设计法

（1）并行分支结构：并行分支结构是指同时处理多个程序流程，如图5－58所示。图5－58中当S21步被激活成为活动步后，若转换条件X001成立就同时执行左、右2分支程序。

S26为汇合状态，由S23、S25 2个状态共同驱动，当2个状态都成为活动步且转换条件X004成立时，汇合转换成S26步。

（2）并行性分支、汇合的编程：并行性分支、汇合的编程原则是先集中处理分支转移情况，然后依顺序进行各分支程序处理，最后集中处理汇合状态，如图5－59的步进梯形图。根据步进梯形图可以写出指令表程序。

（3）并行性分支结构编程的注意事项。

①并行性分支结构最多能实现8个分支汇合。

②在并行性分支、汇合处不允许有图5－60（a）的转移条件，而必须将其转化为图5－60（b）的结构后再进行编程。

5.并行性分支结构编程应用举例

人行横道交通灯按钮控制。

图5－58　并行分支的状态转移图

图5－59　并行分支的步进梯形图程序

图5－60　并行分支、汇合处的编程

（a）不正确；（b）正确

（1）举例分析：在只需要纵向行驶的交通系统中，也需要考虑人行横道的控制。这种情况下人行横道通常用按钮进行启动，交通情况如图5－61。由图5－61可知，东西方向是车道，南北方向是人行横道。正常情况下，车道上有车辆行驶，如果有行人要通过交通路口，先要按动按钮，等到绿灯亮时方可通过，此时东西方向车道上红灯亮。延时一段时间后，人行横道的红灯亮，车道上的绿灯亮。各段时序如图5－62所示。车道和人行横道同时要进行控制，该结构称为并行分支结构。

图5－61　交通情况

图5－62　各段时序

（2）选择I/O设备，分配I/O地址，画出I/O接线图。

要求I/O设备比较简单。输入设备是两个按钮，X000接SB1（人行横道南按钮），X001接SB2（人行横道北按钮）；输出设备是彩色信号灯，Y000接LD0（车道红灯），Y001接LD1（车道黄灯），Y002接LD2（车道绿灯），Y003接LD3（人行横道红灯），Y004接LD4（人行横道绿灯）。根据分配的I/O地址，绘制I/O接线图，如图5－63所示。

图5－63　按钮人行横道控制系统I/O接线图

（3）设计按钮人行横道控制系统的状态转移图。

根据控制要求，绘制的状态转移图如图5－64所示。初始状态是车道绿灯、人行横道红灯。按下人行横道按钮（X000或X001）后系统进入并行运行状态，车道绿灯、人行横道红灯，并且开始延时。30 s后车道变为黄灯，再经10 s变为红灯。5 s后人行横道变为绿灯，15 s后人行横道绿灯开始闪烁，5 s后人行横道变为红灯，再过5 s返回初始状态。

红绿灯

（4）设计按钮人行横道控制系统的PLC程序。(www.xing528.com)

根据上述状态转移图，编制的步进梯形图程序和指令表程序分别如图5－65和图5－66所示。程序中“人行横道绿灯闪烁5 s”用T004定时器串联特殊辅助继电器M8013完成。也可以采用定时器闪烁电路完成亮和灭灯控制和计数器计数组合，共同完成绿灯的闪烁任务。如图5－67所示，绿灯每次亮0.5 s、灭0.5 s，计数器计数一次，记录5次时其触点动作，状态转移，人行横道变为红灯。

（5）程序调试。

按照I/O接线图接好外部各线，输入程序，运行调试，观察结果。

6.选择分支步进设计法

图5－64　按钮人行横道交通信号灯控制的状态转移图

图5－65　按钮人行横道交通信号灯控制的步进梯形图

（1）选择性分支结构：从多个分支流程中选择执行某一个单支流程，称为选择性分支结构，如图5－68所示。图5－68中S20为分支状态，该状态转移图在S20步以后分成了3个分支，供选择执行。

图5－66　按钮人行横道交通信号灯控制的指令表程序

图5－67　按钮人行横道闪烁5次的状态转移图和步进梯形图（部分）

（a）状态转移图；（b）步进梯形图（部分）

图5－68　选择性分支的状态转移图

当S20步被激活成为活动步后，若转换条件X000成立就执行左边的程序，若X010成立就执行中间的程序，若X020成立则执行右边的程序，转换条件X000、X010及X020不能同时成立。

S50为汇合状态，可由S22、S32、S42中任意状态驱动。

（2）选择性分支的编程：选择性分支结构的编程原则是先集中处理分支转移情况，然后依顺序进行各分支程序处理和汇合状态，如图5－69所示。

图5－69　选择分支的步进梯形图编程和指令表编程

（a）选择顺序STL功能图；（b）STL梯形图；（c）语句表

（3）选择性分支的编程：物料分拣机构的自动控制。

①举例分析。

如图5－70为使用传送机将大、小球分类后分别传送的系统示意图。左上为原点，动作顺序是：向下→吸住球→向上→向右运行→向下→释放→向上→向左运行至左上点（原点），抓球和释放球的时间均为1 s。

当机械臂下降时，若电磁铁吸着的是大球，下限位开关SQ2断开，若吸着小球则SQ2接通（以此判断是大球还是小球）。这是选择分支的流程结构。

②选择I/O设备，分配I/O地址，画出接线图。

本控制任务的I/O设备及I/O地址中已有确定，如图5－70所示。

输入：X001：左限位开关；

X002：下限位开关（小球动作、大球不动作）；

X003：上限位开关；

X004：释放小球的左限位开关；

X005：释放大球的右限位开关；

X000：系统的启动开关；

X006：机械臂手动回原点开关。

图5－70　大小球分拣系统示意图

输出：Y000：机械臂下降；

Y002：机械臂上升；

Y001：吸球电磁铁；

Y003：机械臂右移；

Y004：机械臂左移；

Y005：机械臂在原点的指示灯。

根据上述地址分配，绘制I/O接线图，如图5－71所示。

图5－71　大、小球分拣系统的I/O接线图

③设计大、小球分拣系统的状态转移图。

图5－72　大、小球分拣系统状态转移图

自动化生产线在PLC中应用

根据控制要求画出大、小球分拣系统的状态转移图，如图5－72所示。从机械臂下降吸住球（状态S21）时开始进入选择分支，若吸着的是大球（下限位开关SQ2断开），执行右边的分支程序；若吸着小球（SQ2接通），执行左边的分支程序。在状态S28（机械臂碰着右限位开关）结束分支进行汇合，以后就进入单序列流程结构。需要注意的是，只有机械臂在原点才能开始自动工作循环。状态转移图中在初始步S0设置了回原点操作。若开始的时候机械臂不在原点，可以用X006手动将其回到原点（Y005指示灯亮）。

④设计大、小球分拣系统的步进梯形图程序和指令表程序。

根据图5－72的状态转移图，可以很容易地画出大、小球分拣系统的步进梯形图程序，如图5－73所示，写出其指令表程序，如图5－74所示。接好各信号线，输入程序，调试并观察运行结果。

图5－73　大、小球分拣系统的步进梯形图