外观
FBD 与 SFC：从“全网络扫描”到“活动步状态机”
在 IEC 61131-3 PLC 编程体系中，FBD（Function Block Diagram，功能块图）和 SFC（Sequential Function Chart，顺序功能图）都可以完成设备控制，但它们擅长表达的问题并不相同。IEC将FBD定义为图形化编程语言，并将SFC定义为组织程序和功能块内部结构的一组图形及等价文本元素。¹
一句话概括：
- FBD擅长表达“信号经过哪些逻辑得到输出”；
- SFC擅长表达“设备现在处于哪一步，满足什么条件后进入下一步”。
为了把这种差别看得更直观，可以打开配套的 PLC执行演示页面。页面使用同一条灌装线，同时展示两种程序的内部执行过程。
一、先认识这个灌装线案例
这是一个经过简化的单工位瓶装液体灌装线。空瓶由输送带送入加工位置，设备把瓶子固定后完成灌装和封盖，最后再把成品瓶送走。
整条生产过程就是：空瓶进入、固定瓶子、注入液体、安装瓶盖，最后成品离开。
案例的重点不是模拟一台完整的工业灌装机，而是用一个容易理解、具有明显先后顺序的工艺，说明PLC如何记住“当前做到哪一步”，以及如何根据现场信号进入下一步。
灌装生产线交互动画
下面的动画展示一只空瓶从进入生产线到成为成品瓶的完整过程。可以选择“自动演示”连续观看，也可以选择“单步执行”，逐次观察现场输入、PLC当前工序和输出请求的变化。
流程很简单：输送带把空瓶送到加工工位，入口光电检测到瓶后，输送带停止、夹具闭合；夹紧到位后开始灌装，液位达到目标值后执行封盖；封盖完成后夹具松开，输送带把成品瓶送出，出口光电确认瓶子离开，系统再回到等待下一只空瓶的状态。
二、两者都运行在PLC的周期任务中
理解FBD和SFC之前，首先要明确：它们通常都不是只运行一次的脚本，而是被PLC周期性执行。
一个典型PLC周期可以简化为以下过程；不同控制器可能采用同步或异步I/O更新机制，因此这里展示的是便于理解的通用模型。²
- 读取输入映像，例如“到瓶”“夹紧到位”“液位满”；
- 执行用户程序；
- 更新输出映像，例如输送带、夹具、灌装阀和封盖机请求；
- 下一个周期重新开始。
演示页面中的按钮代表现场信号到来。例如单击“发送‘到瓶’并扫描”，相当于在某次PLC扫描中让“到瓶”从 FALSE 变为 TRUE。
因此，FBD和SFC真正的区别并不是“一个循环执行、另一个不循环执行”，而是：在同一个周期任务里，程序员如何组织状态、转换条件和动作。
三、FBD如何表达这条灌装线
下面的演示同时给出完整代码、逐行扫描过程、状态BOOL和输出变化。点击按钮后，可以看到PLC即使只收到一个现场信号，仍会扫描全部网络。
PLC如何执行FBD
每个PLC扫描周期都会先读取输入，然后按照程序确定的顺序执行全部FBD网络：先计算 T0～T4，再执行五组状态切换，最后重新计算全部输出。即使本周期只有 T2=TRUE，其他转换、状态切换和输出代码也会被逐行扫描。程序执行结束后，新的状态BOOL和输出值被保存，供下一个扫描周期继续使用。实际FBD工具通常根据功能块连线和数据依赖确定执行顺序，而不是简单依据屏幕位置；例如Logix Designer会在验证项目时确定功能块执行顺序。³
四、SFC如何表达同一条灌装线
下面使用与FBD相同的一组现场信号和按钮。左侧展示完整SFC程序及本周期实际处理的代码，右侧同步展示PLC维护的活动步、动作输出和四阶段执行过程。
PLC如何执行SFC
SFC运行时会维护活动步信息。演示页面用 X0.X 到 X4.X 表示五个步的活动状态，其中 .X 表示该步当前是否活动，.T 通常表示该步已经活动的时间。例如，X2.X=TRUE、X2.T=650 ms 表示“灌装步当前活动，并已持续约650毫秒”。Rockwell的IEC语言文档也使用 StepName.x 表示活动状态、StepName.t 表示激活时长。⁴ 这些名称和具体可用属性可能因开发环境而有差异，但“运行时保存活动步集合”是理解SFC的关键。
一次简化的SFC周期执行可以分为四个阶段：
- 读取当前活动步集合；
- 执行活动步关联的动作；
- 检查从活动步出发、当前已使能的转换；
- 若转换条件成立，停用前置步并激活后继步，然后保存新的活动步集合。
例如当前活动步是 X2_灌装，PLC先执行夹具和灌装阀动作，再检查“液位满”：条件不成立就保持X2，条件成立则停用X2并激活X3。SFC转换条件本质上必须产生布尔结果；条件为TRUE时，后继步才具备激活条件。⁵
后继步 X3 被激活，并不一定表示它的ACTION已经在同一瞬间执行。动作何时首次执行、转换能否在同一扫描中连续跨越多个步，取决于具体PLC厂商的SFC执行语义和任务配置。演示页采用便于教学的模型：本周期末激活后继步，然后自动展示下一扫描起点执行新步ACTION的结果，使最终停留画面中的活动步与输出保持一致。
还要注意，SFC并不一定“每次只执行一个步”。顺序流程通常只有一个活动步，但在并行分支中可以同时存在多个活动步；Rockwell将这种结构称为 simultaneous branch，并说明其中的路径会同时执行。⁶ 更准确的说法是：SFC每个周期处理当前活动步集合，而不是由程序员手写一组互斥BOOL位。
五、状态表达是关键区别，但不是唯一差别
SFC直接表达状态机，确实是它和FBD最重要的差别。不过两者还存在几项关键区别。
| 比较项 | FBD | SFC |
|---|---|---|
| 主要表达对象 | 数据流、布尔逻辑、功能块关系 | 步骤、动作、转换和分支 |
| 状态保存 | 通常由程序员使用BOOL、锁存器或功能块显式实现 | 由SFC运行时维护活动步集合 |
| 顺序切换 | 显式计算条件，再RESET/SET状态 | 前置步、条件、后继步直接组成转换 |
| 周期执行观感 | 网络通常按确定顺序被扫描 | 围绕活动步执行动作并检查已使能转换 |
| 并行流程 | 需要自行组织状态位与互锁 | 可用选择分支、并行分支和汇合结构表达 |
| 调试观察 | 观察信号线、功能块和内部变量 | 直接观察活动步、转换条件和步持续时间 |
| 典型用途 | 联锁、模拟量处理、PID、设备功能逻辑 | 批处理、装配、输送、启停顺序、工艺流程 |
| 维护风险 | 顺序复杂时状态位和SET/RESET关系容易膨胀 | 流程直观，但步动作中的复杂算法仍需其他语言 |
六、为什么复杂顺序中SFC通常更简洁
在只有两三个状态时，FBD的BOOL状态机并不难理解。但随着工序增加，FBD通常还要增加：
- 每个状态的保存位；
- 每条转换的布尔逻辑；
- 旧状态RESET和新状态SET；
- 异常、暂停、复位和跳转逻辑；
- 防止多个状态同时为TRUE的互锁；
- 并行分支的同步条件。
如果流程有20个步骤，程序员不仅要画20个状态，还要维护状态之间的切换关系。SFC则把“步—转换—步”作为一等结构，程序图本身就是流程拓扑。在线调试时，活动步直接高亮，维护人员更容易看出现在在哪一步、动作为什么执行，以及还在等待哪个转换条件。
这正是演示页中橙色活动步、相邻转换条件和PLC内部状态存储区想表达的内容。
七、如何选择FBD还是SFC
可以使用一个简单判断方法：
更适合FBD的场景
- 逻辑重点是输入、联锁、运算和输出之间的关系；
- 需要组合定时器、计数器、PID或设备功能块；
- 顺序状态很少，或者状态机不是主要复杂度来源；
- 团队已有成熟的FBD功能块库。
更适合SFC的场景
- 工艺天然可以描述为“先做A，条件满足后做B”；
- 步骤多，并且存在暂停、分支、并行或汇合；
- 调试时需要快速定位“流程卡在哪一步”；
- 工艺人员需要直接参与程序审查。
实际工程中，两者往往不是二选一。常见做法是由SFC负责上层工艺顺序，再由FBD功能块负责每台设备的联锁与控制，最终生成物理输出。
例如，SFC的“灌装”步发出 灌装请求，FBD中的灌装阀功能块再综合安全门、气压、手自动模式和故障状态，决定是否真正打开物理阀门。这样既保留了流程的可读性，也保留了设备控制的模块化和安全联锁。
结语
FBD和SFC都在解决PLC控制问题，但它们提供了不同的观察角度：FBD关注信号如何经过逻辑得到结果，SFC关注现在处于哪一步以及何时进入下一步。
在配套演示中，可以先观察FBD蓝色扫描指针如何走完整张网络，再观察SFC如何读取活动步、执行动作、检查相邻转换并保存新状态。两段动画控制的是同一台机器，却把“状态”放在了完全不同的位置：FBD由程序员显式搭建，SFC由语言结构和运行时共同维护。
这就是两者最本质、也最实用的区别。
参考文献
- IEC, IEC 61131-3:2025 — Programmable controllers, Part 3: Programming languages，第4版，2025。
- Schneider Electric, Machine Expert — Scan，PLC输入读取、程序执行与输出更新的扫描模型。
- Rockwell Automation, Logix Designer — Function Block Order of Execution，FBD连线、数据依赖和反馈回路的执行顺序。
- Rockwell Automation, AADvance Trusted SIS Workstation — SFC Steps，SFC初始步、活动步以及
.x、.t属性。 - CODESYS, SFC Elements: Step and Transition，步动作、转换条件与后继步激活规则。
- Rockwell Automation, Logix 5000 Controllers — Sequential Function Charts，选择分支、并行分支与SFC执行设置。