PCS 7 SFC 使顺序控制如鱼得水

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SFC 概述

• 顺序控制简介 – 概念和应用场景

“科普中国”对“顺序控制”这一术语的解释是：指按照生产工艺预先规定的顺序，各个执行机构自动地有秩序地进行操作，在工业生产和日常生活中应用十分广泛，例如：搬运机械手的运动控制、包装生产线的控制、交通信号灯的控制等。

顾名思义，顺序控制的核心是将工厂中的各个设备按照一定的顺序（时间、逻辑、条件），通过工作任务（步 – 控制执行机构动作）和转移条件（任务执行结果判断）实现顺序控制的目的。

简单点理解：一个自动化项目中通常包含电机、阀、模拟量和数字量监视等，这些设备可以在手动模式下单一进行控制，但是多数情况下我们需要一键自动启动，并且根据需要自动停止。一键启动通常是按一定的顺序而不是同时启动，这种场景的需求就是顺序控制的功能。

例如反应釜的进料过程就是一个常见的顺序控制。首先将流程中的设备切换到自动状态并且对流量累计进行复位，然后打开原料罐的出口阀和反应釜的入口阀门，待管道打通后启动电机开始打料，打料过程中根据设定进料量以及反应釜液位，按照与启动顺序相反的步骤自动停止对应设备。再比如皮带的逆启顺停同样是顺序控制的典型代表。

• SFC简介

SFC （Sequential Function Chart，顺序功能图）为用户提供了一种图形化的方式组态和调试顺序控制系统。SFC 符合 IEC61131-3 标准编程语言，也是 PCS 7 应对顺序控制的主要编程方式。顺控程序的基本元素由步和转移条件组成，步用于控制（例如启停设备，设定值修改），转移则用于从一个步到另一个步的转换。顺控程序的执行基于状态或事件驱动，通过操作和状态变化，控制 CFC（Continuous Function Chart，连续功能图）创建的基本自动化功能（可以理解为单体设备）。

图1 SFC 和 CFC 的关系

PCS 7 中的 SFC 提供了两类独立的用于不同应用场合的顺序控制系统变型：

1. SFC 图表
2. SFC 类型及 SFC 实例

SFC 图表和 SFC 类型的主要区别在于是否重复使用。对于单次使用的顺序控制系统通常使用 SFC 图表，而需要多次使用的顺序控制系统则建议使用 SFC 类型以简化重复工作，提高效率。本文主要介绍 SFC 图表的使用，但大部分功能也同样适用于 SFC 类型。

顺序控制系统多用于非连续的过程和设备，按照一定的顺序逐步执行（例如：定量给料过程）。当然顺序控制系统也可应用于连续过程和设备中（例如：逼近和往复运动，操作点变更以及由故障导致的状态变化）。

顺序控制系统可在不同的工厂层级使用：

1. 设备控制级（例如：启停电机，开关阀）
2. 组控制级（例如：定量给料、搅拌、加热冷却、灌装）
3. 单元层级（例如：罐、搅拌器、测量装置、反应器）
4. 工厂层级（各单元和公用资源的同步）

• SFC 带来的益处

结合顺序控制以及 SFC 的概念，采用 SFC 或 SFC Type 来进行自动部分程序编写能够带来如下益处：

1. 图形化方式实现顺控程序的编写，极大简化了顺控程序的实现
2. SFC 可视化可以非常方便的实现在上位机监视顺控程序执行过程
3. 对于类似的顺控程序可以通过 SFC Type 类型和实例的方式实现复用

当然，SFC 所带来的便携远不止上述内容，更多精彩功能等你亲自体验。接下来我们就 SFC 的部分功能进行一个简单的介绍。

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SFC 操作状态逻辑 – 状态机  

SFC 操作状态指 SFC 当前的执行状态和运行行为，例如：是否需要操作员干预，用何种命令将顺控系统切换到另一种状态。操作状态受操作模式的影响：

• 手动模式，通过命令更改操作状态，如下图所示
• 自动模式，通过 SFC 的外部视图更改操作状态

图 2 SFC 编辑器处于测试模式下

如图2所示，SFC 包含9个控制命令，分别为：启动、中止、重新启动、暂停、完成、复位、继续运行、停止和出错。执行这些动作可导致 SFC 转入如下的16种操作状态：空闲、正在启动、运行、出错（正在完成）、已完成、正在暂停、已暂停、正在恢复、出错、已暂停（出错）、正在恢复（出错）、正在中止、已中止、正在停止、已停止。

SFC 的操作状态逻辑（SFC OSL）可用如下图所示的状态机表示，图中列出了SFC 图表的可能状态、可能在特定状态下进行的转移以及引起状态变化的事件。通过 SFC OSL 可以很容易理解 SFC 的执行过程及相应的命令或操作等。  

 

图3 SFC 状态机

16种操作状态可分为两类：

• 稳态：OSL 中需要通过事件退出的状态（即圆形表示的状态），例如：空闲、已暂停、已中止、已停止等状态。

• 暂态：OSL 中隐式退出的状态（即矩形框表示的状态），例如：正在启动、正在完成、正在暂停、正在中止、正在停止等状态。

其中运行状态比较特殊，自结束时由运行到正在完成可以看作暂态，但是非自结束和连续模式时可以看作稳态。

9种控制命令对应 SFC OSL 图中的黑色粗箭头所指示的命令，可以是手动模式下来自 SFC 面板的对应按钮，也可以是自动模式下的 SFC 外部视图中自动命令。

SFC 库中提供了基于 SFC 操作状态的模板（如图4所示），可以直接复制使用。实际编程过程中可能不需要这么多顺控程序，或者多个状态下执行相同的顺控程序，可根据实际需求调整。

                                    

图4 SFC 库提供的基于 SFC 状态的 SFC 图表模板

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SFC 步和转移条件

• SFC 步  

步用于执行所组态的动作 – 比如：控制 CFC 中所组态设备的模式切换、启停、外部设定值等，也可以控制其他 SFC 的模式切换和自动启停。每个步最多可组态三种动作即：初始化、处理和中止。每种动作最多可组态50行命令。如果三种动作均进行了组态，则意味着每一步至少执行三个周期：

1. 初始化 - 在步激活后执行第一个周期

2. 处理 - 在执行完初始化的第二个周期开始执行，只要后继转移条件不满足，则每个周期都执行处理中的动作

3. 终止 – 当后继转移条件满足后执行一个周期的终止动作，在执行终止动作同时执行下一步的初始化

SFC 中的每个顺控程序包含1个启动步、1-253个常规步、1个结束步。启动步在顺控程序启动时激活，根据后继转移条件执行开始步的初始化、处理和终止。结束步不包含后继转移条件，因此只执行一次。

• SFC 转移条件  

顾名思义，转移条件是 SFC 从一个步向下一个步转移时需要满足的逻辑条件。逻辑条件最多可包含16条，16个条件可按照如下方式组合逻辑关系。

图5 转移条件    

• 步和转移条件的执行方式  

以下图为例说明步和转移条件的执行方式，步S4激活后，首先执行一个周期的初始化动作（图中1所示）；然后先执行一个周期的处理动作，并判断转移条件T4是否满足，若不满足则每个周期均执行处理中的动作（图中2所示）；最后，当转移条件 T4 满足时，同时执行步4的终止动作和步5的初始化动作（图中3所示）。

图6 步和转移条件的执行过程    

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SFC 分支结构

如开篇所述，SFC 图表由一个或多个顺控程序构成，使用顺控程序可以在 SFC中执行状态相关和事件驱动的程序。而每个顺控程序则是由其基本元素步、转移条件以及文本（仅显示，不对功能起作用）组合而成。这些基本元素的组合可以构成顺控程序的如下分支结构：

• 顺序

• 并行分支

• 选择分支

• 循环

• 跳转

• 顺序  

最简单的结构即顺序，由一系列的步和转移构成。在 SFC 中，整个顺序称为顺控程序（从启动步到结束步）。

图7 顺序和顺控程序

• 并行分支  

并行分支指多个分支（两个或以上的分支）在一个周期内同时执行。并行分支结构始终位于转移或后文要介绍的选择分支之后，结束于步或选择分支之前。并且仅当所有并行分支执行完成才判断下一步的转移条件，若所有分支执行完成且转移条件满足，则执行所有分支的最后步的终止以及下一步的初始化动作。以反应釜进料为例，如果多个物料具有独立的管道，SFC 中则可以使用并行分支同时进料。    

如下图所示，T001 条件满足时同时执行并行分支1到分支4，且需要所有分支执行完成后才判断并行分支后的后继转移条件T022是否满足。

图8 并行分支结构

• 选择分支  

选择分支与并行分支恰恰相反，只执行多个分支（两个或以上分支）中的一个分支。选择分支仅执行首先满足条件的分支，如果多个分支同时满足则优先执行最左侧的分支。选择分支起始于步之后，结束于步之前。应用场景同样适用于反应釜进料。如果多个物料具有公用管道，此时只能同时进一种物料则可使用选择分支。

如下图所示，顺控程序执行到 S012 之后，根据选择分支1到分支3的转移条件T023到T025判断，哪个转移条件首先满足则执行其对应的分支。当 T023 首先满足时，则执行分支1，分支2和3则不会执行。当 T023 到 T025 同时满足条件时，则优先执行最左侧的分支1。    

图9 选择分支结构

• 循环  

循环适用于顺控程序某部分根据转移条件可能需要再次执行，包括一个顺序和一个返回路径。如下图所示，循环位于步之后（如图中S018），返回路径返回到步之前（如图中S017）。按照时间顺序先判断后继转移，然后才判断返回转移，即同时满足后继转移和返回路径的转移条件时执行后继转移之后的步。对于循环的返回路径，不可位于并行分支和选择分支内。

                                    

图10 循环

• 跳转  

跳转相对于循环则更加灵活，可以跳转到同一顺控程序的任一位置。跳转包括一个转移条件和带跳转目标信息的箭头。当后继转移和一个或多个跳转的跳转转移条件同时满足时执行后继转移之后的步。

图11 跳转    

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SFC 和 SFC 类型系列视频介绍

以上内容只是对 SFC 的一个简单总结。为了方便更多的工程师快速掌握 PCS 7 中顺控程序的编程方式，以便应用到实际项目。西门子 1847 工业学习平台推出了《SFC 和 SFC 类型系列视频》配套课程，期望能让工程师学习顺控程序的过程中少走弯路，全面了解 SFC 相关的功能。

SFC 和 SFC 类型系列视频

如图12所示，该系列视频以《PCS 7 入门指南》的 Demo 项目为案例，结合 SFC 的手册进行总结和概括，基本覆盖了顺控编程的常见内容。每集视频中结合讲解内容和应用场景进行实操演示，力求跟着视频可以轻松掌握SFC和SFC Type的编程方式。

图12 SFC / SFC Type 系列视频    

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