plc如何编写sfc

本文将系统阐述可编程逻辑控制器顺序功能图（Sequential Function Chart， SFC）的编写方法。内容涵盖SFC的基本概念、核心要素（步、转换、有向连线）、主流编程软件（如西门子、三菱）中的具体实现步骤、从单序列到并行与选择分支的进阶设计、常见错误排查与优化技巧，并结合实际应用案例进行深度解析，旨在为工程师提供一套从入门到精通的完整实用指南。

       在工业自动化领域，可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller， PLC）是控制系统的核心大脑。而要让这个“大脑”清晰、高效地指挥复杂的顺序控制过程，顺序功能图（Sequential Function Chart， SFC）无疑是一种极为强大的编程语言与设计工具。它不同于传统的梯形图（Ladder Diagram， LD）或指令表（Instruction List， IL），后者更侧重于逻辑关系的直接描述，而SFC则擅长描绘控制流程的步进与转换，将复杂的顺序过程分解为一系列清晰的步骤，使得程序结构一目了然，极大地提升了程序的可读性、可维护性与可扩展性。那么，究竟如何为PLC编写SFC程序呢？本文将深入浅出，为您揭开其神秘面纱。

一、 理解顺序功能图的基石：核心三要素

       编写顺序功能图，首先必须透彻理解其构成的基本元素，即步、转换和有向连线。这三者构成了SFC描述任何顺序过程的骨架。

       步，代表控制流程中的一个相对稳定状态。在此状态下，执行相应的动作或命令，并且系统的输出状态保持不变。步分为初始步和活动步。初始步是系统启动时的起点，通常用双线框表示；活动步则是当前正在执行的步。每个步都有一个唯一的编号或名称，并且可以关联一个或多个动作。

       转换，是连接两步之间的条件。它表示从一个活动步切换到下一个步所需要满足的逻辑条件。只有当转换条件为“真”时，控制流程才能从前驱步转移到后续步。转换通常用一条短横线表示，旁边标注转换条件，该条件可以是单个触点、复杂的逻辑组合，甚至是定时器或计数器的状态。

       有向连线，则指明了控制流程的方向，即步与步之间、步与转换之间、转换与步之间的连接关系。它决定了流程的推进路径，确保控制过程按照既定的顺序执行。

二、 主流编程软件中的SFC实现环境

       不同品牌的PLC，其编程软件对顺序功能图的支持方式和命名可能略有不同，但核心理念相通。例如，在西门子（Siemens）的TIA博途（Totally Integrated Automation Portal）软件中，SFC通常通过“GRAPH”或“S7-Graph”语言来实现；在三菱（Mitsubishi）的GX Works系列软件中，则直接称为“SFC”语言；而罗克韦尔自动化（Rockwell Automation）的Studio 5000软件中，对应的概念是“顺序功能图”或通过“阶段”（Phase）和“步骤”（Step）来构建。无论界面如何，其编辑环境通常都提供了直观的图形化工具，允许用户通过拖拽步、转换等元素来构建流程图。

三、 编写SFC的基本步骤与流程

       开始编写一个顺序功能图程序，可以遵循以下系统性的步骤：

       第一步，明确控制任务。这是所有编程工作的起点。需要详细分析被控对象的工艺过程，将其分解为若干个连续的阶段或步骤，明确每个步骤需要执行哪些动作（如电机启动、阀门打开、定时等待等），以及步骤之间转换的条件（如限位开关触发、温度达到设定值、定时时间到等）。最好能绘制出工艺流程图。

       第二步，绘制SFC草图。根据工艺分析，在纸上或利用软件工具，画出初步的顺序功能图。从初始步开始，按照工艺顺序，依次放置步和转换，并用有向连线连接起来，形成一个单序列结构。这一步重点是理清逻辑主干。

       第三步，在编程软件中创建项目与程序块。打开对应的PLC编程软件，新建项目，选择正确的PLC型号。然后，在程序组织单元中，创建一个新的块，并选择“SFC”、“GRAPH”或相应的顺序控制语言作为编程语言。

       第四步，图形化编辑。在打开的编辑界面中，利用工具栏提供的步、转换等图标，将第二步绘制的草图转化为软件中的图形元素。通常，软件会自动插入初始步。然后，逐步添加后续的步和转换。

       第五步，定义步的动作与转换条件。这是赋予SFC灵魂的关键。单击每个步，在其属性或关联的编辑区中，定义该步需要执行的动作。动作可以是置位/复位某个输出点，启动一个定时器，调用一个子程序等。同时，单击每个转换，在其条件编辑区中，输入使能该转换的逻辑表达式，如“I0.0 AND M10.1”。

       第六步，处理分支与汇合。对于复杂的、存在并行或选择路径的工艺，需要在SFC中引入分支结构。这涉及到选择分支、并行分支以及它们的汇合。选择分支指在多个可能路径中选择一条执行；并行分支指同时执行多个路径。软件通常提供专门的符号或工具来绘制这些分支结构。

       第七步，编译与调试。完成图形编辑后，对程序进行编译，检查语法错误。无误后，将程序下载到PLC中。利用软件的在线监控和调试功能，观察SFC的运行状态（如活动步的跳转），检查各步动作和转换条件是否符合预期，并进行必要的修改和优化。

四、 单序列结构的编写详解

       单序列是最基本、最常用的顺序功能图结构，其特点是步与步之间仅有一条路径，顺序执行。以一个简单的物料输送带启停控制为例：按下启动按钮后，电机运行（步1），当物料到达末端传感器时（转换条件），电机停止（步2），同时启动一个5秒的卸料定时器，定时时间到（转换条件），流程返回初始步等待下一次启动。

       在软件中编写时，首先放置初始步S0。然后添加一个转换T1，其条件为“启动按钮I0.0”。转换后添加步S1，在S1的动作中置位“电机输出Q0.0”。接着为S1添加转换T2，条件为“末端传感器I0.1”。T2之后是步S2，在S2的动作中复位“电机输出Q0.0”并启动定时器T。最后，为S2添加转换T3，条件为“定时器T完成位”，T3之后通过有向连线跳转回初始步S0，形成一个循环。通过这个简单例子，可以清晰掌握步、动作、转换的关联方法。

五、 选择分支结构的构建与应用

       当控制流程需要在多个互斥的路径中选择其一时，就需要使用选择分支。其图形特征是在一个转换之后，引出多条水平方向的有向连线，每条连线连接一个后续步，并且每个分支路径的起始处都有一个转换。但需要注意的是，这些分支起始转换是直接跟在分支前的公共转换之后的，它们之间没有步。

       例如，在一个检测工位，产品经过传感器检测后，根据检测结果（合格/不合格）被送入不同的流水线。在SFC中，检测完成（转换条件满足）后，会出现一个选择分支：一条路径的转换条件是“合格信号M1.0”，后续步是“送往合格线”；另一条路径的转换条件是“不合格信号M1.1”，后续步是“送往返修线”。系统在同一时刻只会根据实际条件激活其中一条路径。选择分支的结束称为选择汇合，它将多条路径重新合并到一条公共路径上，在汇合点之前，各分支路径的最后一步之后，各有一个转换，这些转换之后才汇合到同一个后续步。

六、 并行分支结构的构建与应用

       当需要同时执行多个独立的控制流程时，则使用并行分支。其图形特征是在一个转换之后，用一条双水平线引出多条有向连线，分别指向不同的后续步。这些分支路径将同时被激活，并行执行。

       一个典型的例子是启动一个多电机系统：按下总启动按钮后，需要同时启动主电机、冷却风机和润滑油泵。在SFC中，总启动条件满足（转换）后，进入一个并行分支，三个分支分别对应启动三个设备的步。并行分支的结束称为并行汇合，用双水平线表示。并行汇合要求所有并行分支都执行到其最后一步，并且每个分支的最后一步之后的转换条件都满足时，流程才会同步汇合到同一个后续步。这确保了所有并行任务完成后，系统才进入下一个共同阶段。

七、 步的动作类型与详细设置

       步所执行的动作并非简单的输出，而是有丰富的类型，以适应不同控制需求。常见的动作类型包括：

       非存储型动作：也称为脉冲型动作。当步被激活时，动作执行；当步变为非活动时，动作自动停止。例如，步激活时让一个指示灯闪烁。

       存储型动作：当步被激活时，动作执行并保持，即使该步变为非活动，动作仍持续，直到在其他步中被明确复位。例如，启动一个主电机后，需要其一直运行，直到停机步中将其复位。

       延迟动作与限时动作：动作可以与步的激活状态有一定的时间关系。延迟动作是在步激活后延迟一段时间才执行；限时动作是在步激活后执行，但只持续一段设定的时间。这通常通过关联定时器来实现。

       在编程软件中设置动作时，需要指定动作所控制的变量（如输出Q、存储器M）、动作类型（置位S、复位R、脉冲N等），以及可能的关联时间参数。合理的动作类型设置是程序可靠运行的基础。

八、 转换条件的灵活定义

       转换条件是流程推进的“发令枪”。其定义必须准确无误。条件可以是：

       单一信号条件：如一个按钮按下（I0.0）、一个传感器触发（I0.5）、一个内部标志位（M10.0）为真等。

       逻辑组合条件：使用“与”（AND）、“或”（OR）、“非”（NOT）等逻辑运算符将多个信号组合起来，例如“I0.0 AND NOT I0.1”，表示按钮I0.0按下且急停信号I0.1未动作。

       定时器/计数器条件：利用定时器的“时间到”位（如T1.DN）或计数器的“计数值到达”位（如C1.DN）作为转换条件。

       比较运算条件：当步的动作或系统状态需要满足某个数值条件时，如“当前温度值AIW0 >= 100.0”。

       在软件中，通常在转换的属性对话框中有一个专门的区域用于输入条件逻辑。正确使用括号可以明确运算优先级，避免歧义。

九、 跳转与循环的程序设计

       顺序功能图并非只能严格地顺序执行。通过跳转指令，可以实现流程的灵活转移，例如跳过某些步骤，或者返回到之前的步骤形成循环。在SFC图形中，跳转通常用一个指向目标步的箭头和步编号标签来表示。

       例如，在故障处理流程中，当任何一步检测到故障信号，都可以通过一个跳转直接转移到“故障处理步”，而无需经过中间的正常步骤。又如，在需要重复加工多个工件时，可以在完成一个工件的加工序列后，通过一个跳转指令返回到序列的开始步，条件是“已加工数量未达到设定值”。循环是自动化生产中非常常见的模式，SFC通过跳转可以非常清晰地表达这种结构。

十、 SFC程序的调试与监控技巧

       编写完成的顺序功能图程序，必须经过充分的调试。现代PLC编程软件提供了强大的在线监控功能。在监控模式下，当前的活动步通常会高亮显示（如变为蓝色或绿色），可以直观地看到程序的执行流停留在哪一步。同时，可以监视每一步关联的动作输出状态，以及每一个转换条件的当前逻辑值（真或假）。

       调试时，常见的排查点包括：检查初始步是否被正确激活；观察流程是否在预期的转换处停滞，并检查该转换条件是否满足；验证并行分支是否按预期同时激活和同步汇合；检查跳转逻辑是否正确触发。利用软件的单步执行或断点功能，可以更精确地控制流程执行，便于定位问题。

十一、 常见错误与避坑指南

       初学者在编写顺序功能图时容易遇到一些典型问题：

       一是“双线圈”输出问题。即同一个输出变量在多个活动步中被驱动，可能导致不可预料的输出状态。解决方法是确保一个输出最好只在一个步中被置位，在另一个明确的步中被复位，或者使用存储型动作并统一管理。

       二是转换条件设置不当。条件过于苛刻导致流程无法推进，或条件过于宽松导致误转换。需要仔细分析工艺，确保条件准确反映实际状态变化。

       三是分支与汇合结构绘制错误。例如，在选择分支中，错误地在分支起始处先放了步再放转换；在并行汇合时，未等到所有分支完成就提前汇合。必须严格遵循SFC的图形语法规则。

       四是忽略了初始化和复位。系统上电或从停止状态恢复时，必须确保SFC回到确定的初始状态，通常需要在启动组织块或初始化步中，将所有非初始步复位，并激活初始步。

十二、 高级应用：与其它编程语言的混合使用

       顺序功能图并非孤岛，它完全可以与梯形图、结构化文本等其它IEC编程语言协同工作，发挥各自优势。通常，SFC作为主程序，负责总体流程调度。而在每一个步所执行的动作中，或者某个转换条件的判断中，如果逻辑非常复杂，可以调用一个由梯形图或结构化文本编写的功能块或子程序。同样，SFC的转换条件也可以来自这些子程序的计算结果。

       这种混合编程模式，既能利用SFC流程清晰的优点，又能借助梯形图处理复杂逻辑联锁、结构化文本处理复杂计算和数据管理的长处，使得程序结构更加优化，维护性更强。

十三、 程序结构化与模块化设计

       对于大型复杂的控制系统，一个庞大的顺序功能图会变得难以管理。此时，需要进行模块化设计。可以将整个工艺流程划分为若干相对独立的子过程，每个子过程用一个独立的SFC程序块来实现。然后，在主SFC中，通过特定的步来调用这些子SFC块，子过程执行完毕后再返回主流程。

       这类似于高级编程语言中的函数调用。模块化设计使得程序层次分明，不同工程师可以分工负责不同模块，调试和修改时影响范围小，极大地提升了开发效率和代码质量。

十四、 实际工程案例剖析

       以一个简单的自动灌装生产线为例。流程包括：空瓶到位（初始步）-> 启动灌装阀（步1， 定时5秒）-> 关闭灌装阀，启动传送带（步2）-> 瓶子到达压盖工位（转换）-> 启动压盖机（步3）-> 压盖完成，传送带将成品送出（步4）-> 回到初始步。

       如果增加需求：灌装前需要检测瓶内是否有残留，有则启动清洗分支；压盖后需要抽检，不合格则进入返工分支。这个系统就包含了选择分支。通过这个案例，可以将前述的单序列、选择分支、动作与转换条件设置等知识点串联起来，形成一个完整的编程实践。

十五、 设计模式与最佳实践总结

       优秀的顺序功能图设计遵循一些共通的最佳实践：始终保持图形整洁，步与转换的命名要有意义（如“Step1_灌装”而非“S1”）；为复杂的转换条件添加注释；在程序开头或独立的初始化步中进行全面的状态复位；为异常和故障处理设计独立的跳转路径；在关键步骤或转换处添加诊断和状态指示输出，便于现场维护；定期进行程序备份和版本管理。

十六、 未来发展趋势

       随着工业互联网和智能制造的推进，顺序功能图也在不断发展。其与上位监控系统、制造执行系统的集成更加紧密，SFC的运行状态可以实时上传，用于生产监控与调度。一些先进软件还支持SFC的仿真运行，无需连接实际PLC即可验证逻辑的正确性。此外，基于模型的设计方法也逐渐兴起，允许在更高抽象层次上设计SFC，然后自动生成代码，进一步提高开发效率与可靠性。

       总而言之，掌握顺序功能图的编写，是每一位从事顺序控制领域的PLC工程师必备的核心技能。它不仅仅是一种编程语言，更是一种结构化、图形化的设计思想。从理解三要素开始，通过单序列练手，逐步掌握分支、跳转等复杂结构，深入理解动作与转换的内涵，并辅以严格的调试和良好的设计习惯，您将能够驾驭从简单到复杂的各类顺序控制任务，编写出清晰、健壮、易于维护的自动化控制程序，让机器的运行如行云流水般顺畅可控。