PLC順序功能圖的梯形圖編程模塊化規范研究

車健生 吳雪霏

（沈陽現代制造服務學校 遼寧省沈陽市 110148）

隨著順序功能圖在PLC梯形圖中的廣泛應用，“以經驗法為主的設計方法存在設計周期長，不易掌握，程序可讀性差”[1]等問題有了很大緩解。但對于一個中大型PLC編程設計，順序功能圖的梯形圖編程也暴露出一些問題。如與經驗法比較上手容易，但程序代碼數量大多超過后者。轉換條件與輸出狀態混在一個SCR—SCRE嵌套中，條理不夠清楚；步的轉換條件、輸出狀態語句數量隨著步的復雜程度而變化，引起程序個別點處臃腫，整體不均勻。這些都會造成順序功能圖結構不清晰，直觀性、可讀性受到嚴重影響。把一個程序分解為若干個子程序，是解決這個問題的一個重要途徑，“運用函數”或子程序“是程序的首要組織手段”，它給程序“帶來更好的可讀性、可維護性和可重用性”[2]。將一個大程序按照一定的規范分解為若干小程序模塊，稱之為模塊化設計，顯然，這個規范的合理性、可操作性是重中之重。

1 順序功能圖的三種基本結構

在計算機科學發展史上，結構化程序設計的出現是一個里程碑的事件，結構化程序設計最基本原則是：任何程序都可以由三種基本流程結構構成，即順序結構、分支結構和循環結構。在PLC編程發展史，順序功能圖（SFC）能夠脫穎而出、備受關注，也在于它關注程序的結構。順序功能圖主要由步、有向連線、轉換、轉換條件和輸出狀態組成。將系統工作過程劃分成若干順序相連的、由被控對象工作狀態變化所決定的步；步的活動狀態的轉換由轉換條件來實現。這是順序功能圖的“形”，它的“神”是PLC程序設計由此實現了把所有程序看作是由單序列、選擇序列和并列序列三種基本結構組成的，如圖1、圖2和圖3所示。一定程度上有效地避免經驗設計法中的試探性和隨意性，提高程序的可讀性和可維護性。

如果一個梯形圖編程模塊化規范能夠涵蓋這三種基本結構，那么這個規范就是完備的。以下模塊化規范的構建均是在討論這三種基本結構的基礎上，此外，規范仍然要保持梯形圖編程直觀性的特點。

2 順序功能圖的梯形圖實現的主程序規范

順序功能圖用梯形圖編程實現一般有三種方法，一是使用啟保停電路的順序控制設計方法；二是使用SCR指令的順序控制設計方法；三是使用計數變量的順序控制設計方法[3]。其中，方法一在一個網絡中描述一個步，當某個轉換條件或狀態輸出繁多時，這個網絡就會臃腫復雜；方法二由于有些PLC沒有專用的SCR順序控制繼電器而有所受限，同時SCR、SCRE對于每一“步”都要占用兩個網絡的開銷；方法三對于表達并列順序功能圖，通過一個計數變量描述所有步，計數變量某一時刻的值對應活動步編號，這對并列順序功能圖同時存在兩個以上活動步的編程是有欠缺的，如果強行合并并列步為一步，會破壞順序功能圖的條理性。

在總結上述三種方法優點基礎上，本規范主程序，用Mx.y位存儲器依次表示順序步，Mx.y位存儲器值為1時，對應的步為活動步。每一步占用一個網絡，均由調用轉換條件子程序SBR_i和調用輸出狀態子程序Output_State兩條指令組成（以上x,y分別為字節與位編號，i為子程序序號），圖2選擇序列順序功能圖的主程序如圖4。

圖1：單序列

圖2：選擇序列

圖3：并列序列

圖4：選擇序列主程序片段

圖5：分支點步轉換條件子程序SBR_0

圖6：并列步轉換條件子程序SBR_0

圖7：接收狀態位組數據子程序片段

圖8：數字字符串轉數組部分梯形圖

調用轉換條件子程序指令有著相同的結構，以SBR_0為例，左邊輸入端Current聯結當前步M0.0，右邊輸出端Forward聯結去向步M0.1 和步M0.4，指令盒清楚地表明順序功能圖中步轉換的來龍去脈。主程序注重的是程序主體流程脈絡，不去關注子程序具體的實現過程。本規范對順序功能圖的梯形圖編程模塊化處理具有主次清楚、層次分明的特點。

3 順序功能圖的梯形圖實現的條件轉換子程序規范

規范中，每個條件轉換子程序都由條件邏輯觸發目標步狀態寄存器，接著復位當前活動步狀態寄存器兩部分指令構成。轉換條件滿足時，對目標步狀態位置1，并且對當前步狀態位清0，從而完成當前步到目標步活動狀態的轉變。圖2選擇序列分支點與圖3并列序列并列節點對應的轉換條件子程序SBR_0 分別如圖5和圖6所示。

在條件轉換子程序中Current變量類型設置為IN_OUT，Forward變量類型設置為OUT，這樣子程序能接收主程序調用時傳遞的步狀態位值，也能在轉換條件結束時傳達出當前活動狀態停止的信息。子程序與主程序只在這兩個通道上發生數據交換，實現了子程序與主程序的完全隔離。子程序可隨意使用局部變量，而不用顧及與主程序中變量重名、沖突等問題。如果條件相同，條件轉換子程序可以通用，被不同步所調用，例如圖1的順序功能圖的梯形圖中SBR_0與SBR_2是相同的，可只保留一個，從而提高了條件轉換子程序模塊的復用性。

圖9

4 順序功能圖的梯形圖實現的狀態輸出通用子程序

順序功能圖每步輸出狀態雖然無外乎Q位寄存器串并聯的組合，每步均有，個別處數量龐大且無序，影響順序功能圖結構性和可讀性。這個看似錯綜復雜的問題可以用一個描寫每步輸出狀態的數組，加上一個數組上運行的通用程序予以處理。

順序功能圖畫出之前，一般先列出系統輸入輸出狀態表，狀態表用來確定順序功能圖的每一步，以及每一步的輸出狀態。狀態表中的輸出狀態可在程序初始化時存入一個二維數組，數組是以步編號為行號，將步狀態中位對應數組元素，每步狀態全部位對應數組的一行。活動步輸出狀態時，以當前步編號為行號，在數組中提取一行數組數據，輸出給Q字節、字或雙字寄存器。程序由下面幾個部分組成。

4.1 步狀態數字字符串初始化

本程序以每一步輸出狀態為步序號的ASCII二進制數為例，如圖7所示。數組初始化程序以直觀、常規方法接收狀態數據，先是利用STR_CPY指令接收第一串數字字符串，然后再通過STR_CAT附加第二行、第三行、……字符串。不失一般性地約定：數據之間用逗號加空格隔開，第二行開始，追加數據以逗號開頭。習慣上一行數據表示一個步狀態，但也可由多個指令完成。程序假定占用VB2000開始的單元（建議使用高端不常用地址），用于以數字字符串形式保存這批狀態位數據。

4.2 步狀態數字字符串轉存二維數組及數組基本管理

數字字符串轉存數組，主要過程是在循環控制指令FOR，利用字符串轉換整數指令S_I，對數字字符串進行整數轉換操作；通過字符搜索指令CHR_FIND，依次推進搜索逗號，把逗號位置賦給AC0，從下一位置開始字符串轉換整數操作，結果保存在AC1中，然后存入指定的數組元素中。主要程序片段如圖8。

對于無數組體系的PLC，如S7-200系列等可按下面方式進行數組的訪問。本研究約定二維數組是以行優先的一維數組方式進行的存儲，二維下標[i, j]對應的一維下標[ (i-1)*列總數+j ]，對于元素以字節單元存儲，某個一維下標也就是這個元素的相對地址（相對數組第1個元素前的位置），從而實現對二維數組元素的訪問。下文中涉及的二維數組元素讀取子程序ARRARY2D_B_out就可以按照這樣原理進行設計。

4.3 步狀態二維數組中活動步狀態輸出程序

每個步諸多Q位存儲器的值占用1行數組元素，Q位的低位到高位排列對應數組列號的低到高。步狀態二維數組中活動步狀態提取程序Output_State把每行數組元素組合一個字節、字或雙字，作為函數值返回。本文以輸出字節為例，對于指定步狀態編號State_num，程序中循環從起始列號到終止列號，也就是從左到右，依次讀取數組元素ARRAY[State_num, Column_int]，對元素值與1進行比較，等于1時，使用左移位SHL_B指令生成1個以元素列號對應位為1，其它位為0的字節QB_bit；通過邏輯或WOR_B指令把上面的QB_bit累計到輸出狀態字節Output_B中。行號為State_num的一行元素依次處理完畢后，字節Output_B就已存放了這步的輸出狀態，以其作為本子程序的返回值。程序核心部分清單如圖9。

5 結束語

程序基于早期S7-200系列PLC，全部通過上機驗證。上述順序功能圖的梯形圖實現模塊化規范，無論是整體，還是主程序和子程序都保持梯形圖的立身之本——直觀性，延續了順序功能圖成功之基——結構化設計。一個大中型項目往往需要多人合作完成，規范化、模塊化的設計有助于分工協作開發程序。模塊化后，程序斷點容易確定，使得調試程序更為方便，提高了程序可靠性。模塊化的設計，對于相關相似的不同項目，使得開發者只需關注修改不同點的模塊，提高了程序開發的復用性。在PLC順序功能圖設計思想廣泛應用的今天，實現順序功能圖設計的梯形圖編程模塊化規范，對順序功能設計的深入發展具有一定的積極作用。