基于SFC的电梯PLC模块化程序设计

PLC是以微处理器为核心的工业计算机控制装置，用PLC构成的控制系统与传统的继电器控制系统相比，具有可靠性高、安全性能高的特点，而且控制线路简单，大大地减少了线路故障特点，因而，在工业控制中得到广泛的应用。但是，由于PLC是一种智能化产品，是用一种软元件的逻辑运算来代替硬接线逻辑功能，在应用中要根据控制要求通过编写程序的方法来实现控制的目的。在PLC编程中常有以基本逻辑指令为基础的梯形图编程方法和以步进指令为代表的SFC流程图设计方法，以基本逻辑指令为基础的梯形图编程方法通常有替代设计法和逻辑设计法两种。替代设计法就是把传统继电器-接触器控制系统的控制原理、控制思路通过PLC所给的特定软元件绘制出来的具有相同功能图形，这种编程方法与设计者的经验有关，要求设计者有丰富的设计经验、熟悉比较多的控制线路等。这种设计方法在联锁比较复杂的情况下，出现设计漏洞，不能保证设计的完整性 。逻辑代数设计方法是根据数字电子技术中的逻辑设计方法进行PLC梯形图程序设计。主要思路是：使用逻辑表达式描述实际问题，在得出逻辑表达式后，根据逻辑表达式画出梯形图。逻辑设计法比较复杂，一般设计人员难以掌握。
SFC流程图编程方法是在工序图的基础上利用PLC特定的状态继电器来描述顺序控制功能的图形，SFC状态流程图主要由状态继电器、控制对象、有向连线和转移条件组成。用SFC进行编程，编程者不用考虑各工序步之间的逻辑关系，而只需要对各个工序步骤进行简单的处理设计就能保证机械正确动作。因而具有结构直观、编程简单、逻辑性不强、稳定性高等特点而得到广泛应用。本文以四层智能多功能电梯控制过程为例，介绍了基于SFC 的电梯PLC 编程方法，供大家参考。
1 智能多功能教学电梯简介
电梯是一种特殊的起重运输设备，智能多功能教学电梯由电梯门系统、轿厢悬挂及配重系统、曳引系统、电梯井道信号系统、电梯控制系统等组成，是实际电梯缩小版。在电梯电气控制上，与目前电梯行业主流控制系统相一致，采用PLC与变频器开关量控制模式，能够实现全集成电梯的基本功能，包括层楼记忆功能、层楼校正功能、须向截车功能、远反方向截车功能、锁梯功能、检修功能、满载功能、防粘连保护功能、电梯端站保护功能、连续运行时间保护功能、自检平层功能、本层呼梯重开门功能、远运行时间保护功能、检修恢复正常开门功能。
2 智能多功能教学电梯的控制要求
（1） 开始时，电梯处于任意一层。
（2） 电梯应能按照逻辑要求正确地响应各种内选、外呼信号。
（3） 输入按钮带有指示灯。当按外呼按钮时，指示灯亮，到达外呼楼层后，外呼信号解除，指示灯灭。对同时有多个外呼信号，响应原则为“先按定向，同向响应，顺向截梯，远端反向截梯”。
（4） 电梯到达响应楼层后，电梯门应能自动打开，5秒后，电梯门应能自动关闭。
（5） 电梯超载时，电梯开门等待。
（6） 电梯在本层处于关门状态，外呼按钮能开门。
（7） 电梯具有终端限位保护功能。
（8） 打开电梯锁（梯锁有信号） 时电梯（从其他楼层返回） 停在一楼，并开门10秒后自动关门，此时不响应所有内呼和外呼信号，等关闭电梯锁时电梯恢复正常工作。
（9） 电梯运行过程中如因停电等原因停在非平层区域情况下，再次上电时电梯轿厢应先自动回到1楼平层位置，之后电梯正常工作。
（10） 电梯具有检修功能，检修状态下能点动控制电梯以检修速度慢上或慢下运行。
3 基于SFC的PLC编程方法
下面以智能教学电梯控制为例，介绍利用SFC 图编写PLC程序的方法。
（1） 明确控制对象和控制要求
由电梯工作原理可知电梯的控制对象主要为信号控制和动力拖动系统两部分，信号控制主要有楼层显示、呼梯信号指示、运行方向指示等，动力拖动系统则有开关门控制、曳引机控制。而为了实现电梯的智能控制，必须具有像内呼、外呼、平层检测、开关门检测、安全检测等输入信号，采用PLC为核心的电梯控制系统框图如图1所示。

图1 PLC为核心的电梯控制系统框图
（2） I/O 地址分配
根据电梯的控制要求，选用三菱FX3U－80MR PLC，此PLC输入40点，输出40点，继电器输出，I/O 地址分配表如表1所示。

表1 智能电梯PLC控制I/O 地址分配表
（3） SFC 编程设计
SFC是英文Sequential Function Chart（顺序功能图） 的缩写，是PLC的一种编程语言。在PLC编程中，是用PLC特定的软元件在工序图的基础上来描述顺序控制功能的图形，是一种图形编程语言，它克服了指令表理论性强、梯形图编程逻辑性强的缺点，具有直观、条理清楚等特点。
SFC图主要由步、有向连线、转换条件和控制对象组成，有顺序结构、选择分支(选择)结构和并行分支结构三种基本结构类型[4]。通过三种结构的有机组合，可实现任意复杂的工艺控制要求。根据图1所示的智能电梯控制要求，电梯要完成外呼内行登记、上下行登记、开关门控制、上下行控制、指示控制和功能选择等。因此在用SFC图编程时可根据控制要求建立6个功能模块，如图2所示。其中0#和5#模块采用传统的梯形图编程，1#~4#为SFC图编程。
在SFC图的类型上根据控制的逻辑性，外呼内选只用了一个初始步图1 PLC为核心的电梯控制系统框图 ，完成1、2、3、4层的外呼登记和内选登记功能，如图3所示。开门关门控制状态流程图如图4所示，通过分支实现重开门的功能。上下行登记是电梯控制的核心，关系到电梯的稳定性问题，本程序运用SFC图选择分支流程结构，一条分支为上行登记，另一条分支为下行登记，如图5所示。锁梯控制则采用单流程结构，如图6所示，当PLC收到锁梯信号时，发出电梯下行信号，让电梯下行，到达一层后锁梯完成，任何楼层外呼不起作用，达到锁梯的目的。

图2 智能教学电梯PLC控制SFC功能模块

图3 外呼登记和内选登记SFC图

图4 开门关门控制状态流程图SFC图

图5 上下行登记控制SFC图

图6 锁梯控制SFC图

4 总结
该SFC电梯程序经在现场教学电梯模型中反复调试运行，所有功能都能实现、运行平稳、性能稳定。使用SFC流程图语言来设计PLC 控制程序，与传统的梯形图编程方法相比，编程者不用考虑各工序步之间的逻辑关系，而只需要对各个工序步骤进行简单的处理设计就能保证机械正确动作，具有结构直观、编程简单、逻辑性不强、稳定性高等特点。SFC状态流程图编程方法应是所有PLC编程者在编程时方法。