雷 蔓

（貴州工程應(yīng)用技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，貴州 畢節(jié) 551700）

0 引言

順序功能圖（Sequential Function Chart, SFC）是解決復(fù)雜流程控制系統(tǒng)最為有效的編程方法[1]。順序功能圖編程有三種程序結(jié)構(gòu)，分別是順序結(jié)構(gòu)、選擇結(jié)構(gòu)和并行結(jié)構(gòu)，基本上所有的控制系統(tǒng)都可以由這三種結(jié)構(gòu)組合完成[2]。畫(huà)順序功能圖，只需要搞清楚步（具體做什么）、轉(zhuǎn)移條件和轉(zhuǎn)移方向，其中，任意一個(gè)時(shí)刻只能有一個(gè)步處于活動(dòng)狀態(tài)[3-6]。

本研究的對(duì)象是自動(dòng)蓋章機(jī)的控制系統(tǒng)，該機(jī)器結(jié)構(gòu)如圖1所示?？刂茖?duì)象有驅(qū)動(dòng)絲杠螺母左右運(yùn)動(dòng)的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、控制雙桿氣缸伸縮上下運(yùn)動(dòng)的氣動(dòng)電磁換向閥。其輸入信號(hào)有用于紙張檢測(cè)的光電傳感器、檢測(cè)滾珠絲杠原點(diǎn)的行程開(kāi)關(guān)。

圖1 自動(dòng)蓋章機(jī)結(jié)構(gòu)

該控制系統(tǒng)采用三菱FX1s-10MT型PLC作為控制核心，氣缸的驅(qū)動(dòng)氣泵采用小型穩(wěn)壓氣泵，均置于機(jī)器內(nèi)部。

1 工作原理及控制要求

該自動(dòng)蓋章機(jī)工作原理如下：先控制印章下行蘸取印泥，然后上行、右行，再下行蓋章，最后上行、左行回到原點(diǎn)。運(yùn)動(dòng)步驟如圖2所示。

圖2 自動(dòng)蓋章機(jī)運(yùn)動(dòng)步驟及I/O點(diǎn)布置

該控制系統(tǒng)的輸入信號(hào)有紙張傳感器、絲杠原點(diǎn)行程開(kāi)關(guān)，輸出信號(hào)有步進(jìn)電動(dòng)機(jī)脈沖、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)方向控制、雙桿氣缸換向電磁閥。雙桿氣缸換向電磁閥得電會(huì)伸長(zhǎng)，失電則會(huì)在彈簧作用力下回原位，氣缸縮回，控制得電與失電只需要一個(gè)點(diǎn)，氣動(dòng)回路如圖3所示。PLC的I/O資源分配如表1所示。

表1 PLC的I/O資源分配表

圖3 氣動(dòng)回路

2 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程

2.1 系統(tǒng)的控制電路圖

根據(jù)工作原理、控制要求及I/O點(diǎn)的分配，該系統(tǒng)的控制電路圖如圖4所示，其輸入回路是PLC內(nèi)部24 V直流電源，輸出回路是外部24 V直流電源。紙張傳感器采用的是NPN型漫反射常開(kāi)式紅外光電傳感器E3F-DS10C4，絲杠原點(diǎn)行程開(kāi)關(guān)采用微動(dòng)式行程開(kāi)關(guān)。

圖4 控制電路圖

2.2 順序功能圖

針對(duì)該控制系統(tǒng)，步進(jìn)電機(jī)和絲杠螺母負(fù)責(zé)左右運(yùn)動(dòng)，雙桿氣缸負(fù)責(zé)上下運(yùn)動(dòng)。其控制順序就是開(kāi)機(jī)回原點(diǎn)→紙張傳感器有信號(hào)（上升沿）→下行→上行→右行→下行→上行→左行（回原點(diǎn)），完成一次蓋章。

使用SFC編程，最為重要的就是根據(jù)控制要求畫(huà)出順序功能圖[7]，該控制系統(tǒng)的順序功能圖如圖5所示。首先要使用M8002的特殊功能（PLC運(yùn)行首次掃描接通）[8]，使PLC一運(yùn)行就讓系統(tǒng)處于S0步（起始步，雙框線表示），S0為等待的步，需要讓滾珠絲杠回原點(diǎn)。然后就需要回答轉(zhuǎn)移到下一步的條件是什么，下一步做什么，下一步轉(zhuǎn)向哪三個(gè)問(wèn)題。

圖5 順序功能圖

三菱FX系列PLC中，有專門(mén)的順序功能圖編程元件和編程模塊[9]。S0至S9為起始步，S10至S19有特殊作用，一般不用，S20以上就是普通的順序功能圖的步。

比如，給S0的下一步一個(gè)編號(hào)為S20（編號(hào)名稱可以隨意給，不影響執(zhí)行順序[8]），那么S0如何轉(zhuǎn)移到S20呢，那就需要滾珠絲杠回到原點(diǎn)并且紙張傳感器有信號(hào)（上升沿），即轉(zhuǎn)移條件是X1通，并且有X0上升沿。

S20是做什么呢？是控制印章向下運(yùn)動(dòng)，即輸出線圈Y2，由于氣缸下行和蘸取印泥需要時(shí)間，所以輸出Y2需要保持一定的時(shí)間，這里用（T0 K20）保持2 s，S20這一步的轉(zhuǎn)移條件就是T0時(shí)間到。

S21是做什么呢？是控制印章向上運(yùn)動(dòng)，即不輸出線圈Y2（順序功能圖任意一個(gè)時(shí)間點(diǎn)只有一個(gè)步處于活動(dòng)狀態(tài)，S20跳到S21后，由于S21沒(méi)有Y2線圈輸出，所以Y2線圈不會(huì)有輸出），由于氣缸上行需要時(shí)間，所以需要停留一定的時(shí)間，這里用（T1 K20）保持2 s，S21這一步的轉(zhuǎn)移條件就是T1時(shí)間到。

根據(jù)機(jī)器的工作原理向下分析，搞清楚每一步是做什么，轉(zhuǎn)移條件是什么，轉(zhuǎn)移方向是哪，就能得出如圖5所示的順序功能圖。

3 梯形圖程序設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在三菱FX系列PLC編程軟件GX Developer中，可以采用直接編寫(xiě)SFC圖的形式完成控制程序的編寫(xiě)，編寫(xiě)完的SFC圖可以直接轉(zhuǎn)換成梯形圖的形式[10]。在新建工程時(shí)，點(diǎn)擊SFC，就進(jìn)入了GX Developer的SFC編程模塊，SFC編程模塊是按照程序塊的形式來(lái)組織程序的。一般第一個(gè)程序塊要設(shè)置成梯形圖的編程方法，便于用M8002置位S0，使PLC一運(yùn)行就進(jìn)入SFC程序的起始步，后面的塊則根據(jù)需要設(shè)置為SFC塊或者梯形圖塊。

在SFC塊之前的梯形圖塊程序如圖6所示。此程序的功能就是使得PLC一運(yùn)行就把S0步激活，并且把相應(yīng)的定時(shí)器、輔助繼電器和順序繼電器復(fù)位。因?yàn)橛械脑骷赑LC掉電后再來(lái)電會(huì)保持不變，有可能導(dǎo)致順序功能圖有兩個(gè)及以上的步處于活動(dòng)狀態(tài)，使程序錯(cuò)亂，所以需要全部復(fù)位。

圖6 部分梯形圖程序

根據(jù)繪制的順序功能圖，在三菱FX系列PLC編程軟件GX Developer中，也可以使用指令的形式直接編寫(xiě)SFC程序。每一步都用STL開(kāi)始，緊接著編寫(xiě)這一步的動(dòng)作，然后編寫(xiě)這一步的轉(zhuǎn)移條件。如果是從上到下轉(zhuǎn)移，就用SET指令；如果是跳轉(zhuǎn)，就用線圈輸出。每個(gè)順序功能圖編寫(xiě)完后，需要用RET指令表示結(jié)束。

樣機(jī)（圖1）制作后，進(jìn)行控制系統(tǒng)接線調(diào)試試驗(yàn)，該程序能夠完成機(jī)器的預(yù)訂功能，驗(yàn)證了SFC編程方法的正確性。

4 小結(jié)

該控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以本團(tuán)隊(duì)研制的自動(dòng)蓋章機(jī)的控制系統(tǒng)為研究對(duì)象，對(duì)機(jī)器控制要求的分析、氣壓驅(qū)動(dòng)回路設(shè)計(jì)、控制電路設(shè)計(jì)、順序功能圖（SFC）繪制、順序功能圖轉(zhuǎn)換為梯形圖程序等方面進(jìn)行了分析研究，并用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方法證明了采用SFC方法設(shè)計(jì)自動(dòng)蓋章機(jī)控制系統(tǒng)的正確性，該方法具有推廣借鑒的價(jià)值。