【暢學技術】PCS 7 SFC 使順序控制

公司新聞

發布時間： 2024-05-31 17:13 更新時間： 2024-12-04 08:00

SFC 概述

順序控制簡介 – 概念和應用場景“科普中國”對“順序控制”這一術語的解釋是：指按照生產工藝預先規定的順序，各個執行機構自動地有秩序地進行操作，在工業生產和日常生活中應用十分廣泛，例如：搬運機械手的運動控制、包裝生產線的控制、交通信號燈的控制等。
顧名思義，順序控制的核心是將工廠中的各個設備按照一定的順序（時間、邏輯、條件），通過工作任務（步 – 控制執行機構動作）和轉移條件（任務執行結果判斷）實現順序控制的目的。
簡單點理解：一個自動化項目中通常包含電機、閥、模擬量和數字量監視等，這些設備可以在手動模式下單一進行控制，但是多數情況下我們需要一鍵自動啟動，并且根據需要自動停止。一鍵啟動通常是按一定的順序而不是同時啟動，這種場景的需求就是順序控制的功能。
例如反應釜的進料過程就是一個常見的順序控制。首先將流程中的設備切換到自動狀態并且對流量累計進行復位，然后打開原料罐的出口閥和反應釜的入口閥門，待管道打通后啟動電機開始打料，打料過程中根據設定進料量以及反應釜液位，按照與啟動順序相反的步驟自動停止對應設備。再比如皮帶的逆啟順停同樣是順序控制的典型代表。

SFC簡介SFC （Sequential Function Chart，順序功能圖）為用戶提供了一種圖形化的方式組態和調試順序控制系統。SFC 符合 IEC61131-3 標準編程語言，也是 PCS 7 應對順序控制的主要編程方式。順控程序的基本元素由步和轉移條件組成，步用于控制（例如啟停設備，設定值修改），轉移則用于從一個步到另一個步的轉換。順控程序的執行基于狀態或事件驅動，通過操作和狀態變化，控制 CFC（Continuous Function Chart，連續功能圖）創建的基本自動化功能（可以理解為單體設備）。

圖1 SFC 和 CFC 的關系
PCS 7 中的 SFC 提供了兩類獨立的用于不同應用場合的順序控制系統變型：SFC 圖表SFC 類型及 SFC 實例
SFC 圖表和 SFC 類型的主要區別在于是否重復使用。對于單次使用的順序控制系統通常使用 SFC 圖表，而需要多次使用的順序控制系統則建議使用 SFC 類型以簡化重復工作，提高效率。本文主要介紹 SFC 圖表的使用，但大部分功能也同樣適用于 SFC 類型。
順序控制系統多用于非連續的過程和設備，按照一定的順序逐步執行（例如：定量給料過程）。當然順序控制系統也可應用于連續過程和設備中（例如：逼近和往復運動，操作點變更以及由故障導致的狀態變化）。順序控制系統可在不同的工廠層級使用：設備控制級（例如：啟停電機，開關閥）組控制級（例如：定量給料、攪拌、加熱冷卻、灌裝）單元層級（例如：罐、攪拌器、測量裝置、反應器）工廠層級（各單元和公用資源的同步）
SFC 帶來的益處結合順序控制以及 SFC 的概念，采用 SFC 或 SFC Type 來進行自動部分程序編寫能夠帶來如下益處：圖形化方式實現順控程序的編寫，極大簡化了順控程序的實現SFC 可視化可以非常方便的實現在上位機監視順控程序執行過程對于類似的順控程序可以通過 SFC Type 類型和實例的方式實現復用
當然，SFC 所帶來的便攜遠不止上述內容，更多精彩功能等你親自體驗。接下來我們就 SFC 的部分功能進行一個簡單的介紹。

SFC 操作狀態邏輯 – 狀態機

SFC 操作狀態指 SFC 當前的執行狀態和運行行為，例如：是否需要操作員干預，用何種命令將順控系統切換到另一種狀態。操作狀態受操作模式的影響：手動模式，通過命令更改操作狀態，如下圖所示自動模式，通過 SFC 的外部視圖更改操作狀態

圖 2 SFC 編輯器處于測試模式下

如圖2所示，SFC 包含9個控制命令，分別為：啟動、中止、重新啟動、暫停、完成、復位、繼續運行、停止和出錯。執行這些動作可導致 SFC 轉入如下的16種操作狀態：空閑、正在啟動、運行、出錯（正在完成）、已完成、正在暫停、已暫停、正在恢復、出錯、已暫停（出錯）、正在恢復（出錯）、正在中止、已中止、正在停止、已停止。

SFC 的操作狀態邏輯（SFC OSL）可用如下圖所示的狀態機表示，圖中列出了SFC 圖表的可能狀態、可能在特定狀態下進行的轉移以及引起狀態變化的事件。通過 SFC OSL 可以很容易理解 SFC 的執行過程及相應的命令或操作等。

圖3 SFC 狀態機

16種操作狀態可分為兩類：

穩態：OSL 中需要通過事件退出的狀態（即圓形表示的狀態），例如：空閑、已暫停、已中止、已停止等狀態。

暫態：OSL 中隱式退出的狀態（即矩形框表示的狀態），例如：正在啟動、正在完成、正在暫停、正在中止、正在停止等狀態。

其中運行狀態比較特殊，自結束時由運行到正在完成可以看作暫態，但是非自結束和連續模式時可以看作穩態。

9種控制命令對應 SFC OSL 圖中的黑色粗箭頭所指示的命令，可以是手動模式下來自 SFC 面板的對應按鈕，也可以是自動模式下的 SFC 外部視圖中自動命令。

SFC 庫中提供了基于 SFC 操作狀態的模板（如圖4所示），可以直接復制使用。實際編程過程中可能不需要這么多順控程序，或者多個狀態下執行相同的順控程序，可根據實際需求調整。

圖4 SFC 庫提供的基于 SFC 狀態的 SFC 圖表模板

SFC 步和轉移條件

SFC 步

步用于執行所組態的動作 – 比如：控制 CFC 中所組態設備的模式切換、啟停、外部設定值等，也可以控制其他 SFC 的模式切換和自動啟停。每個步Zui多可組態三種動作即：初始化、處理和中止。每種動作Zui多可組態50行命令。如果三種動作均進行了組態，則意味著每一步至少執行三個周期：

初始化 - 在步激活后執行第一個周期

處理 - 在執行完初始化的第二個周期開始執行，只要后繼轉移條件不滿足，則每個周期都執行處理中的動作

終止 – 當后繼轉移條件滿足后執行一個周期的終止動作，在執行終止動作同時執行下一步的初始化

SFC 中的每個順控程序包含1個啟動步、1-253個常規步、1個結束步。啟動步在順控程序啟動時激活，根據后繼轉移條件執行開始步的初始化、處理和終止。結束步不包含后繼轉移條件，因此只執行一次。

SFC 轉移條件

顧名思義，轉移條件是 SFC 從一個步向下一個步轉移時需要滿足的邏輯條件。邏輯條件Zui多可包含16條，16個條件可按照如下方式組合邏輯關系。

圖5 轉移條件

步和轉移條件的執行方式

以下圖為例說明步和轉移條件的執行方式，步S4激活后，首先執行一個周期的初始化動作（圖中1所示）；然后先執行一個周期的處理動作，并判斷轉移條件T4是否滿足，若不滿足則每個周期均執行處理中的動作（圖中2所示）；Zui后，當轉移條件 T4 滿足時，同時執行步4的終止動作和步5的初始化動作（圖中3所示）。

圖6 步和轉移條件的執行過程

SFC 分支結構

如開篇所述，SFC 圖表由一個或多個順控程序構成，使用順控程序可以在 SFC中執行狀態相關和事件驅動的程序。而每個順控程序則是由其基本元素步、轉移條件以及文本（僅顯示，不對功能起作用）組合而成。這些基本元素的組合可以構成順控程序的如下分支結構：

順序

并行分支

選擇分支

循環

跳轉

順序

Zui簡單的結構即順序，由一系列的步和轉移構成。在 SFC 中，整個順序稱為順控程序（從啟動步到結束步）。

圖7 順序和順控程序

并行分支

并行分支指多個分支（兩個或以上的分支）在一個周期內同時執行。并行分支結構始終位于轉移或后文要介紹的選擇分支之后，結束于步或選擇分支之前。并且僅當所有并行分支執行完成才判斷下一步的轉移條件，若所有分支執行完成且轉移條件滿足，則執行所有分支的Zui后步的終止以及下一步的初始化動作。以反應釜進料為例，如果多個物料具有獨立的管道，SFC 中則可以使用并行分支同時進料。

如下圖所示，T001 條件滿足時同時執行并行分支1到分支4，且需要所有分支執行完成后才判斷并行分支后的后繼轉移條件T022是否滿足。

圖8 并行分支結構

選擇分支

選擇分支與并行分支恰恰相反，只執行多個分支（兩個或以上分支）中的一個分支。選擇分支僅執行首先滿足條件的分支，如果多個分支同時滿足則優先執行Zui左側的分支。選擇分支起始于步之后，結束于步之前。應用場景同樣適用于反應釜進料。如果多個物料具有公用管道，此時只能同時進一種物料則可使用選擇分支。

如下圖所示，順控程序執行到 S012 之后，根據選擇分支1到分支3的轉移條件T023到T025判斷，哪個轉移條件首先滿足則執行其對應的分支。當 T023 首先滿足時，則執行分支1，分支2和3則不會執行。當 T023 到 T025 同時滿足條件時，則優先執行Zui左側的分支1。

圖9 選擇分支結構

循環

循環適用于順控程序某部分根據轉移條件可能需要再次執行，包括一個順序和一個返回路徑。如下圖所示，循環位于步之后（如圖中S018），返回路徑返回到步之前（如圖中S017）。按照時間順序先判斷后繼轉移，然后才判斷返回轉移，即同時滿足后繼轉移和返回路徑的轉移條件時執行后繼轉移之后的步。對于循環的返回路徑，不可位于并行分支和選擇分支內。