徐鋒， 林海波

(浙江臺(tái)州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 自動(dòng)化研究所，浙江 臺(tái)州 318000)

0 引 言

順序控制也稱為步進(jìn)控制，它是工業(yè)自動(dòng)化裝備使用最多的一種控制方式。所謂順序控制是指生產(chǎn)裝備工作機(jī)構(gòu)按事先規(guī)定的動(dòng)作依次進(jìn)行控制的一種控制方式[1]140。

通常用圖形來描述順序控制的特點(diǎn)。其中，狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖是使用最多的一種方法，它能全面反映工作機(jī)構(gòu)的各種控制信息，而且容易閱讀理解。根據(jù)狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖結(jié)構(gòu)的不同，順序控制有多種形式，如串聯(lián)型、并聯(lián)型、選擇型、跳轉(zhuǎn)型等[1]193。

傳統(tǒng)的順序控制手段是采用繼電—接觸器控制系統(tǒng)，但這種控制方法對(duì)選擇結(jié)型順序控制并不適合，特別是當(dāng)選擇分支較多或工藝流程較長(zhǎng)時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)變得十分復(fù)雜，從而造成控制系統(tǒng)故障率升高、性能不穩(wěn)定和能量損耗大等諸多缺陷[2]18。

近年來可編程序控制器(Programmable Logic Controller，PLC)廣泛應(yīng)用于選擇型順序控制，彌補(bǔ)了繼電控制系統(tǒng)的不足，但也增加了控制系統(tǒng)的成本，這在一定程度上制約了企業(yè)對(duì)自動(dòng)化裝備技術(shù)改造或技術(shù)升級(jí)的積極性。

提出的選擇型二分支新型步進(jìn)控制器，具有安裝方便、連接簡(jiǎn)單、體積小、能耗低和免編程等優(yōu)點(diǎn)。該控制器的可靠性遠(yuǎn)優(yōu)于繼電控制系統(tǒng)，可與PLC系統(tǒng)媲美，在價(jià)格上又遠(yuǎn)低于繼電控制和PLC控制系統(tǒng)。因此這種控新型制器具有一定的市場(chǎng)潛力[2]22。

1 選擇型狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

圖1 二分支選擇結(jié)構(gòu)狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

當(dāng)生產(chǎn)裝備工作機(jī)構(gòu)在不同的條件下執(zhí)行不同的工藝流程，即有多種工藝可供選擇。此時(shí)裝備的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖可繪制成選擇結(jié)構(gòu)[3]。

圖1為具有兩個(gè)選擇分支A和B的選擇結(jié)構(gòu)狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖。

圖1中，S、I、Q分別表示狀態(tài)、轉(zhuǎn)移條件和輸出[1]20。S(a+1)～S(a+m)為A分支各狀態(tài)，I(a+1)～I(xiàn)(a+m)為A分支各轉(zhuǎn)移條件，Q(a+1)～Q(a+m)為A分支的各輸出。同理，S(b+1)～S(b+n)、I(b+1)～I(xiàn)(b+n)、Q(b+1)～Q(b+n)表示B分支的各狀態(tài)、轉(zhuǎn)移條件和輸出；I(a+0)和I(b+0)為對(duì)應(yīng)分支結(jié)束時(shí)的轉(zhuǎn)移條件。

當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入某一狀態(tài)工作時(shí)稱之為該狀態(tài)被激活，表現(xiàn)為該狀態(tài)的值為“1”。例如，當(dāng)S(a+1)=1時(shí)，表示系統(tǒng)進(jìn)入A分支的第一狀態(tài)，其輸出Q(a+1)=1，此時(shí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)將實(shí)現(xiàn)該狀態(tài)對(duì)應(yīng)的動(dòng)作。

S0為初始狀態(tài)，在設(shè)備初次投入工作時(shí)，S0由設(shè)備的電源開關(guān)或初始脈沖激活；當(dāng)設(shè)備投入工作后，S0則由各分支結(jié)束時(shí)再次被激活。當(dāng)分支狀態(tài)S(a+1)或S(b+1)激活時(shí)，S0將自動(dòng)關(guān)斷。初始狀態(tài)S0的邏輯關(guān)系如式(1)所示：

S0=[I0+S(a+m)×I(a+0)+S(b+n)×I(b+0)+S0]×Takeback[S(a+1)+S(b+1)]

(1)

當(dāng)初始狀態(tài)被激活(S0=1)后，在按下啟動(dòng)按鈕SB1(I1=1)瞬間，系統(tǒng)將根據(jù)分支選擇信號(hào)I(a+1)和I(b+1)的情況，分別進(jìn)入A分支的S(a+1)狀態(tài)或B分支的S(b+1)狀態(tài)。

選擇開始、選擇結(jié)束以及各分支狀態(tài)的邏輯關(guān)系可用式(2)～式(5)表示。

A分支開始狀態(tài)的邏輯關(guān)系：

S(a+1)= [S0×I1×I(a+1)+S(a+1)]×TakebackS(a+2)

(2)

B分支開始狀態(tài)的邏輯關(guān)系：

S(b+1)=[S0×I1×I(b+1)+S(b+1)]×TakebackS(b+2)

(3)

在作出選擇后，各分支中狀態(tài)轉(zhuǎn)移的邏輯關(guān)系與文獻(xiàn)[2]的串聯(lián)型步進(jìn)控制器相同。

A分支選擇結(jié)束狀態(tài)的邏輯關(guān)系：

S(a+m)=[S(a+m-1)×I(1+m)+S(1+m)]×TakebackS0

(4)

式(4)中，S(a+m-1)是S(a+m)的前一狀態(tài)。

B分支結(jié)束狀態(tài)的邏輯關(guān)系：

S(b+n)=[S(b+n-1)×I(b+n)+S(b+n)]×TakebackS0

(5)

式(5)中，S(b+n-1)是S(b+n)的前一狀態(tài)。

式(1)～式(5)中，×為“與”關(guān)系，+為“或”關(guān)系，Takeback表示取反運(yùn)算關(guān)系。

2 控制器的設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)思想

從二分支選擇結(jié)構(gòu)狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖可以看出，符合選擇型控制要求的控制器可以用二組環(huán)型移位器來描述。

下面僅以由二分支選擇型基本順序控制器為例闡述設(shè)計(jì)思路。

圖1中，系統(tǒng)初始狀態(tài)S0由裝備開機(jī)上電時(shí)自動(dòng)激活，或者系統(tǒng)工作循環(huán)結(jié)束時(shí)由分支結(jié)束步于對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)移信號(hào)出現(xiàn)的瞬間激活，其邏輯關(guān)系須滿足式(1)。

由初始狀態(tài)進(jìn)入分支狀態(tài)S(a+1)或S(b+1)則是由選擇條件I(a+1)和I(b+1)的有無決定，并在I1出現(xiàn)瞬間發(fā)生轉(zhuǎn)移，邏輯關(guān)系必須滿足式(2)和式(3)。

生產(chǎn)裝備開始工作后，其狀態(tài)隨著轉(zhuǎn)移信號(hào)的出現(xiàn)依次向后一狀態(tài)轉(zhuǎn)移。當(dāng)裝備完成一次工作循環(huán)后，系統(tǒng)的初始狀態(tài)再次被激活以便能完成下次工作循環(huán)。因此，狀態(tài)的轉(zhuǎn)移過程可以用一個(gè)環(huán)形移位器來描述[4]189。

可見，符合選擇型順序控制要求的型環(huán)形移位器具有以下工作特點(diǎn)：系統(tǒng)上機(jī)瞬間激活初始狀態(tài)使S0=1，當(dāng)分支選擇條件I(a+1)或I(b+1)出現(xiàn)并按下啟動(dòng)按鈕SB1(I1=1)時(shí)，系統(tǒng)由初始狀態(tài)轉(zhuǎn)入相應(yīng)的的分支第一狀態(tài)，隨后將隨轉(zhuǎn)移條件的出現(xiàn)依次向下轉(zhuǎn)移直至再次激活初始狀態(tài)。

從以上分析可知，這是一種基于移位原理的控制器。這種選擇型順序控制與串聯(lián)型順序控制有很多相似之處。但采用硬件來實(shí)現(xiàn)上述選擇型二分支或多分支移位規(guī)律時(shí)必定會(huì)造成電路結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化，降低電路工作時(shí)的可靠性。反之，用軟件實(shí)現(xiàn)則顯得容易得多。

2.2 控制器硬件設(shè)計(jì)

下面僅以二分支(A、B兩條分支)選擇型基本順序控制器設(shè)計(jì)為例說明。

順序控制器的輸入信號(hào)一般可分為兩類：一類為正常的轉(zhuǎn)移條件信號(hào)，另一類則是人工干預(yù)信號(hào)或由傳感器等提供的保護(hù)信號(hào)，如啟動(dòng)/停止和過電流、過載、超限位等信號(hào)[4]190。

此外，不同的被控裝備或同一裝備在不同的工藝下，各分支狀態(tài)的數(shù)量也不相同?？紤]到控制器通用性問題，需要設(shè)置分支狀態(tài)數(shù)量選擇開關(guān)以滿足分支狀態(tài)數(shù)量不同的要求。

二分支選擇型基本順序控制器采用了二片STC89C52串聯(lián)方式；其中STC89C52-1用于處理正常情況下順序控制的輸入/輸出信號(hào)(下稱基本模塊)；STC89C52-2則用于分支選擇、分支狀態(tài)數(shù)量確定以及啟動(dòng)/停止、過載、超限位等信號(hào)的處理(下稱輔助模塊)。

STC89C52輸入/輸出端口數(shù)為32腳，這些端口通過控制器輸入/輸出(I/O)電路與裝備的輸入信號(hào)和執(zhí)行電器連接。STC89C52-1可用的I/O端口最多為32-2=30個(gè)。由狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖1可知，分支的狀態(tài)數(shù)量與轉(zhuǎn)移條件數(shù)量是相等的，這樣基本模塊的每一分支最多占用14個(gè)端口?？梢?，一片STC89C52芯片最多只能構(gòu)成一個(gè)二分支七狀態(tài)的選擇型基本順序控制器。

綜合上述分析，可設(shè)計(jì)出選擇型二分支七狀態(tài)順序控制器電路整體電路，如圖2所示。

圖2(a)所示為基本模塊框圖，每一選擇分支均有獨(dú)立的輸入/輸出端口，輸入電路①和輸出電路③用于A分支的轉(zhuǎn)移信號(hào)和輸出，②和④用于B分支的轉(zhuǎn)移信號(hào)和輸出。

圖2(b)所示為輔助模塊框圖，分支選擇開關(guān)K(用于產(chǎn)生分支選擇信號(hào))接入STC89C52-2的P2.2/A10腳，分支狀態(tài)數(shù)量選擇按鈕K1、K2(用于確定各分支狀態(tài)的實(shí)際數(shù)量)接入STC89C52-2的P2.0/A8、P2.1/A9腳，并采用脈沖計(jì)數(shù)并用數(shù)碼管1和2顯示分支A和B的狀態(tài)數(shù)量。停止、過載等非正常停車信號(hào)并聯(lián)并經(jīng)輸入電路處理后接入端口P2.3/A11腳[5]。

應(yīng)當(dāng)指出的是，基本控制器無法解決二條以上分支或每條分支在七個(gè)以上狀態(tài)的選擇型控制問題。當(dāng)分支數(shù)量(超過兩條)或每條分支狀態(tài)數(shù)量(超過七個(gè))較多時(shí)，可以采用多個(gè)STC89C52串聯(lián)的方法加以解決。

上述的這種設(shè)計(jì)思路可應(yīng)用于任意數(shù)量分支和任意數(shù)量狀態(tài)的選擇型順序控制器，因此，它比較容易形成系列化產(chǎn)品[4]191。

圖2 選擇型二分支七狀態(tài)順序控制器電路圖

2.3 控制器的軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)的核心工作就是設(shè)計(jì)一個(gè)滿足圖1所示、符合轉(zhuǎn)移的要求的兩組可選擇的移位器。根據(jù)圖2所示的端口分配，可得到軟件設(shè)計(jì)的流程，如圖3所示。

圖3 控制器軟件設(shè)計(jì)流程

圖2中，控制器使用時(shí)，先由按鈕K1、K2確定各分支實(shí)際的狀態(tài)數(shù)量(m、n≤7)。

當(dāng)I0=1時(shí)啟動(dòng)系統(tǒng)，且在選擇開關(guān)K=1時(shí)激活A(yù)分支的S(a+1)狀態(tài)，即S(a+1)=1。反之，在開關(guān)K=0時(shí)激活B分支的S(b+1)狀態(tài)，即S(b+1)=1。

2.4 輸入/輸出電路設(shè)計(jì)

工業(yè)自動(dòng)化裝備的控制信號(hào)主要由各種主令電器、保護(hù)電器或傳感器等發(fā)出，這些信號(hào)相比單片機(jī)的輸入信號(hào)，一般為高電壓、大電流信號(hào)，因此必須通過輸入電路轉(zhuǎn)換成STC89C52可以處理的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。

為提高控制器工作可靠性和穩(wěn)定性，輸入/輸出信號(hào)與單片機(jī)之間采用光電隔離措施[6]。

圖4為控制器內(nèi)部輸入電路。

圖4 控制器輸入電路

圖4中，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)(Ix閉合)出現(xiàn)時(shí)，輸入電路開始工作，通過光電隔離器將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)電平供STC89C52處理[7]。

控制器每個(gè)輸入端口均連接一個(gè)輸入電路，各輸入電路共用COM1端。

由于非正常停車(停止、過載、超限位等)信號(hào)的作用相同，因此這些信號(hào)并聯(lián)后可由同一輸入電路處理[2]22。

圖5 控制器內(nèi)部輸出電路

同樣，STC89C52輸出的信號(hào)必須經(jīng)過輸出電路進(jìn)行功率放大后才能驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作。圖5為控制器內(nèi)部輸出電路。

控制器每個(gè)輸出端均需連接一個(gè)內(nèi)部的輸出電路，各輸出電路共用COM2端。

圖5中，J為小型繼電器，其觸點(diǎn)(220 V/5 A)通過動(dòng)力電源驅(qū)動(dòng)裝備的執(zhí)行電器。

圖4、圖5中，光電隔離器采用摩托羅拉公司生產(chǎn)的4N26光耦合器，它是一種非線性光電耦合器，適宜傳輸數(shù)字信號(hào)，目前在國(guó)內(nèi)應(yīng)用十分普遍。

3 實(shí)際實(shí)用

組合深孔鉆床是一種精密裝備，它由液壓動(dòng)力滑臺(tái)和機(jī)械動(dòng)力頭組成。動(dòng)力滑臺(tái)和動(dòng)力頭可自由組合和拆卸，既有專用機(jī)床的高效率，也有較好的通用性[8]54。

深孔鉆在工作時(shí)，為將鐵銷帶出孔洞以保證鉆銷過程順利，通常要求工作臺(tái)作“進(jìn)給→后退→進(jìn)給→后退”等多次循環(huán)運(yùn)動(dòng)[9]?？自缴顒t要求的循環(huán)次數(shù)就越多。

圖6為試驗(yàn)用組合深孔鉆床結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6 組合深孔鉆床結(jié)構(gòu)示意圖

動(dòng)力頭(鉆頭)僅作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，工件安裝在工作臺(tái)的卡盤上并由液壓滑臺(tái)實(shí)現(xiàn)前進(jìn)與后退。

該組合深孔鉆根據(jù)孔深度的不同，要求工作臺(tái)的循環(huán)次數(shù)在2次或3次之間選擇，因此它是一個(gè)典型的選擇型順序控制系統(tǒng)。

圖7為鉆床液壓滑臺(tái)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖。

圖7 液壓滑臺(tái)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

圖7中，CT1、CT2為液壓系統(tǒng)電磁閥，CT1得電時(shí)滑臺(tái)作進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，CT2得電時(shí)滑臺(tái)則作后退運(yùn)動(dòng)。SA為工藝選擇開關(guān)，當(dāng)SA=1(閉合)時(shí)執(zhí)行工藝A，SA=0(斷開)時(shí)則執(zhí)行工藝B。SQ0為鉆頭原始位置開關(guān)，也是每次后退后轉(zhuǎn)進(jìn)給的開關(guān)；SQ1為第一次進(jìn)給后轉(zhuǎn)后退的行程開關(guān)；SQ2為第二次進(jìn)給后轉(zhuǎn)后退的行程開關(guān)；SQ3為第三次進(jìn)給后轉(zhuǎn)后退的行程開關(guān)。

必須指出的是，同一生產(chǎn)裝備的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖具有多樣性。本例液壓滑臺(tái)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖既可繪制成選擇結(jié)構(gòu)，也可繪制成跳轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，但使用該控制器時(shí)，其狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖必須繪制成選擇結(jié)構(gòu)。

圖8為控制器外部連接示意圖。

圖8 控制器外部連接示意圖

實(shí)際應(yīng)用時(shí)，分支選擇開關(guān)SA根據(jù)工藝要求置于合適的位置，狀態(tài)數(shù)量選擇鍵K1、K2分別將狀態(tài)數(shù)量設(shè)置為四(A分支)和六(B分支)。

行程開關(guān)SQ0、SQ1、SQ2是各分支公共的轉(zhuǎn)移條件，SQ3為分支B的轉(zhuǎn)移條件；連接時(shí)只需將轉(zhuǎn)移條件信號(hào)依次接入對(duì)應(yīng)的輸入端即可。裝備的停車SB2、過載信號(hào)FR以及其他停止信號(hào)并聯(lián)后接入Stop端，并經(jīng)內(nèi)部輸入電路轉(zhuǎn)換后接入STC89C52的P2.3/A11端口。

控制器外部連接十分方便且有規(guī)律，只需將各分支轉(zhuǎn)移條件依次接入對(duì)應(yīng)輸入端，各分支狀態(tài)的執(zhí)行電器依次接入對(duì)應(yīng)輸出端即可。使用者無需豐富的專業(yè)知識(shí)，經(jīng)過簡(jiǎn)單學(xué)習(xí)就可掌握。

應(yīng)用表明，該控制器性能穩(wěn)定、安裝簡(jiǎn)單。它在單機(jī)自動(dòng)化設(shè)備的選擇型順序控制中具有一定的應(yīng)用前景[8]55。

4 結(jié)束語(yǔ)

選擇型順序制器是一種建立在移位原理上的控制器。它在輸入/輸出電路設(shè)計(jì)中采用光電耦合器將外部強(qiáng)電信號(hào)與內(nèi)部弱電信號(hào)隔離，從而提高了控制器的可靠性和穩(wěn)定性；在設(shè)計(jì)上借鑒了文獻(xiàn)[2]和文獻(xiàn)[4]的串聯(lián)型和并聯(lián)型步進(jìn)控制器設(shè)計(jì)思路，采用STC89C52替代CMOS-CC4015，進(jìn)一步簡(jiǎn)化了硬件電路的結(jié)構(gòu)，縮小了體積、降低了能耗，同時(shí)也提升了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

選擇型順序控制器本質(zhì)上是一種串聯(lián)型順序控制器，它不僅僅用于選擇結(jié)構(gòu)順序控制，也可用于串聯(lián)結(jié)構(gòu)順序控制。