状态转移图及编程方法

第6章状态转移图及编程方法

教学目的及要求：通过教学，使学生明确状态的功能和状态转移图所表示的顺序控制过程，熟练掌握选择性分支与汇合、并行性分支与汇合的应用，掌握顺控系统设计的方法和技能。

教学方式：理论讲解、例题讲解。

演示操作：利用FX2N-64MR PLC实现对自动送料小车的控制。

重点难点：掌握单流程状态图的编程、选择性及并行性分支与汇合的编程。

问题的提出：状态转移图是使用什么语言编程，它与梯形图语言有什么区别。

6.1 状态转移图及状态的功能

6.1.1 状态转移图

用梯形图或指令表方式编程固然广为电气技术人员接受，但对于一个复杂的控制系统，尤其是顺序控制系统，由于内部的联锁、互动关系极其复杂，其梯形图往往长达数百行。另外，在梯形图上如果不加注释，这种梯形图的可读性也会大大降低。

为了解决这个问题，近年来，许多新生产的PLC在梯形图语言之外加上了符合IEC1131—3标准的SFC（Sequential Function Chart）语言，用于编制复杂的顺控程序。IEC1131—3中定义的SFC语言是一种通用的流程图语言。三菱的小型PLC在基本逻辑指令之外增加了两条简单的步进顺控指令（STL，意为Step Ladder；RET，意为返回），同时辅之以大量状态元件，就可以使用状态转移图方式编程。

称为“状态”的软元件是构成状态转移图的基本元素。FX2N共有1000个状态元件，其分类、编号、数量及用途如表6-1所示。

表6-1 FX2N的状态元件

类别元件编号个数用途及特点

初始状态S0～S9 10 用作状态转移图的起始状态

返回状态S10～S19 10 用IST指令时，用作返回原点的状态

通用状态S20～S499 480 用作SFC的中间状态

掉电保持状态S500～S899 400 具有停电保持功能，停电恢复后需继续执行的

场合，可用这些状态元件

信号报警状态S900～S999 100 用作故障诊断或报警元的状态

a状态的编号必须在指定范围选择。

b各状态元件的触点，在PLC内部可自由使用，次数不限。

c在不用步进顺控指令时，状态元件可作为辅助继电器在程序中使用。

d通过参数设置，可改变一般状态元件和掉电保持状态元件的地址分配。

6.1.2 FX2N系列PLC的步进顺控指令

FX2N系列PLC的步进指令有两条：步进接点指令STL和步进返回指令RET。

1、STL：步进接点指令（梯形图符号为）

STL指令的意义为激活某个状态。在梯形图上体现为从母线上引出的状态接点。STL指令有建立子母线的功能，以使该状态的所有操作均在子母线上进行。步进接点指令在梯形图中的情况见图6-2所示。

图6-2 步进接点指令STL的符号及含义

2、步进返回指令（梯形图为）

RET指令用于返回主母线。使步进顺控程序执行完毕时，非状态程序的操作在主母线上完成，防止出现逻辑错误。状态转移程序的结尾必须使用RET指令。

6.1.3 运用状态编程思想解决顺控问题的方法步骤

为了说明状态编程思想，我们先看一个实例：某自动台车在启动前位于导轨的中部，如图6-3所示。某一个工作周期的控制工艺要求如下：

a 按下启动按钮SB，台车电机M正转，台车前进，碰到限位开关SQ1后，台车电机反转，台车后退。

b 台车后退碰到限位开关SQ2后，台车电机M停转，台车停车，停5s，第二次前进，碰到限位开关SQ3，再次后退。

c 当后退再次碰到限位开关SQ2时，台车停止。

图6-3 自动台车示意图

为设计本控制系统的梯形图，先安排输入、输出口及机内器件。台车由电机M驱动，正转（前进）由PLC的输出点Y1控制，反转（后退）由Y2控制。为了解决延时5s，选用定时器T0。将起动按钮SB及限位开关SQ1、SQ2、SQ3分别接于X0、X1、X2、X3。

下面我们以台车往返控制为例，说明运用状态编程思想设计状态转移图（SFC）的方法和步骤：

1、将整个过程按任务要求分解，其中的每个工序均对应一个状态，并分配状态元件如下。

a 初始状态S0 d 延时5s S22

b 前进S20 e 再前进S23

c 后退S21 f 再后退S24

注意：虽然S20与S23，S21与S24，功能相同，但它们是状态转移图中的不同工序，也就是不同状态，故编号也不同。

2、弄清每个状态的功能、作用。

S0 PLC上电作好工作准备

S20 前进（输出Y1，驱动电动机M正转）

S21 后退（输出Y2，驱动电动机M反转）

S22 延时5s（定时器T0，设定为5s，延时到T0动作）

S23 同S20

S24 同S21

各状态的功能是通过PLC驱动其各种负载来完成的。负载可由状态元件直接驱动，也可由其他软元件触点的逻辑组合驱动，如图6-4。

（a）直接驱动（b）软元件组合驱动

图6-4 负载的驱动

3、找出每个状态的转移条件，即在什么条件将下将某个状态“激活”。状态转移图就是状态和状态转移条件及转移方向构成的流程图，弄清转移条件当然是必要的。

经分析可知，本例中各状态的转移条件如下。

S20 转移条件SB

S21 转移条件SQ1

S22 转移条件SQ2

S23 转移条件T0

S24 转移条件SQ3

状态的转移条件可以是单一的，也可以有多个元件的串、并联组合。如图6-5所示。

（a）单一条件（b）转移的组合条件

图6-5 状态的转移条件

经过以上三步，可得到台车往返控制的顺序状态转移图如图6-6所示。

图6-6 台车自动往返系统状态转移流程图

6.2 单流程状态转移图的编程

6.2.1 什么是流程

所谓单流程，是指状态转移只可能有一种顺序。上个模块介绍的台车自动往返的控制过程只有一种顺序：S0→S20→S21→S22→S23→S24→S0，没有其他可能，所以叫单流程。当然，现实当中并非所有的顺序控制均为一种顺序。含多种路径的叫分支流程。本模块即为并联分支流程。

6.2.2 单流程状态转移图的编程方法

1状态转移图的编程方法

a 状态的三要素：对状态转移图进行编程，不仅是使用STL，RET指令的问题，还要搞清楚状态的特性及要素。

状态转移图的三要素有负载驱动、指定转移方向和指定转移条件。其中指定转移方向和指定转移条件是必不可少，而驱动负载则视具体情况，也可能不进行实际的负载驱动。图6-7及图6-8说明了状态转移图和梯形图的对应关系。其中Y5为其驱动的负载，S21为其转移目标，X3为其转移条件。

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