李 鎧 ，雷 蔓 ，尹宗明 ，王 洋 ，劉修福 ，張文昊 ，李 珊

（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)刻只有一個(gè)步處于活動(dòng)狀態(tài)[3]。

抓中藥時(shí)，往往一次要抓取幾十副中藥，每一副中藥里面一般又有幾十種成分，采用人工稱量的方法抓藥的效率較低。針對(duì)該問(wèn)題，課題組研制了一種中藥自動(dòng)稱量抓藥機(jī)，該樣機(jī)以四個(gè)中藥存放斗為例，結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。如果中藥成分多，只需要增加中藥存放斗即可，設(shè)計(jì)及編程方法也通用。

圖1 中藥自動(dòng)稱量抓藥機(jī)結(jié)構(gòu)

其控制系統(tǒng)采用觸摸屏及PLC控制，取藥時(shí)，先把每種成分的中藥放入對(duì)應(yīng)的中藥存放斗里面，在觸摸屏上輸入需要的中藥成分的重量（不需要的成分重量設(shè)為0即可），按下啟動(dòng)按鈕，減速直流電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)絲杠螺母副，帶動(dòng)取藥斗向右運(yùn)動(dòng)，達(dá)到最右邊的中藥存放斗對(duì)應(yīng)位置后停止，開始取藥。取藥時(shí)中藥螺旋推動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)螺旋傳送器把中藥推出，落在取藥斗里面，重力傳感器檢測(cè)到該成分的藥達(dá)到設(shè)定值時(shí)，中藥螺旋推動(dòng)電動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，減速直流電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，取藥斗向左移動(dòng)到下一個(gè)中藥存放斗的位置，按此原理取下一成分的中藥。

1 控制要求

根據(jù)中藥自動(dòng)稱量抓藥機(jī)的工作原理分析，其控制方式就是控制減速直流電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)，以及控制功率較小的中藥螺旋推動(dòng)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)。

該控制系統(tǒng)有觸摸屏輸入（啟動(dòng)、停止、四種中藥成分對(duì)應(yīng)的重量）、四個(gè)中藥存放斗對(duì)應(yīng)的行程開關(guān)和重力傳感器的模擬量信號(hào)輸入，PLC的資源分配如表1所示，該控制系統(tǒng)的輸入輸出安裝位置如圖2所示。

表1 PLC的資源分配表

圖2 輸入輸出安裝位置

2 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程

2.1 控制系統(tǒng)主電路圖

該控制系統(tǒng)的控制對(duì)象是減速直流電動(dòng)機(jī)和中藥螺旋推動(dòng)電動(dòng)機(jī)，減速直流電動(dòng)機(jī)采用的是24 V直流供電，中藥螺旋推動(dòng)電動(dòng)機(jī)采用的是5 V直流供電，所以該控制系統(tǒng)需要采用一個(gè)220 V交流電轉(zhuǎn)24 V和5 V的電源。減速直流電動(dòng)機(jī)功率大，需要正反轉(zhuǎn)，所以采用兩個(gè)交流接觸器轉(zhuǎn)換控制其正反轉(zhuǎn)，KM1對(duì)應(yīng)正轉(zhuǎn)，即中藥存放斗右行；KM2對(duì)應(yīng)反轉(zhuǎn)，即中藥存放斗左行。中藥螺旋推動(dòng)電動(dòng)機(jī)只需要一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，且功率小，直接用PLC輸出回路控制即可。該中藥自動(dòng)稱量抓藥機(jī)控制系統(tǒng)的主電路圖如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)的主電路圖

2.2 系統(tǒng)的控制電路圖

根據(jù)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24 V直流電源，輸出回路是220 V交流電源及5 V直流電源。

圖4 控制電路圖

2.3 順序功能圖

針對(duì)該控制系統(tǒng)，其控制順序如下：開機(jī)等待→觸摸屏輸入中藥成分的重量→啟動(dòng)→正轉(zhuǎn)，中藥存放斗右行→中藥存放斗到達(dá)行程開關(guān)D→中藥螺旋推動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，取行程開關(guān)D處中藥成分→D處中藥成分等于設(shè)定重量→反轉(zhuǎn)，中藥存放斗左行→按照上述過(guò)程取下一成分的中藥→……→一副藥取完后左行一段距離→停止取藥進(jìn)入初始等待步。

用SFC編程最為重要的是根據(jù)控制要求畫出順序功能圖[4]，該控制系統(tǒng)的順序功能圖如圖5所示。首先要啟用M1.0的特殊功能（PLC運(yùn)行首次掃描接通）[5]，使得PLC一運(yùn)行就讓系統(tǒng)處于M2.0步（起始步，雙框線表示），M2.0為等待的步，什么都不做。然后就是回答轉(zhuǎn)移到下一步的條件是什么，下一步是做什么，下一步轉(zhuǎn)向哪等問(wèn)題[6-7]。

圖5 順序功能圖

比如給M2.0的下一步一個(gè)編號(hào)M2.1（編號(hào)名稱可以隨意給，不影響執(zhí)行順序[8]），那么M2.0怎么轉(zhuǎn)移到M2.1呢？那就需要按下啟動(dòng)按鈕（觸摸屏上，控制M10.0），即轉(zhuǎn)移條件是M10.0。M2.1是做什么呢？那就是要向右走，即輸出線圈Q0.0。如此往下分析，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，就能得出該順序功能圖。

2.4 梯形圖程序設(shè)計(jì)

在編寫梯形圖程序時(shí)，由于有模擬量的采集和運(yùn)算，所以首先要對(duì)模擬量進(jìn)行處理。所采用的重力傳感器量程是0～1 kg，對(duì)應(yīng)0～10 V。在S7-1214C PLC中，0～10 V DC對(duì)應(yīng)0～27 648?？紤]到中藥存放斗的自重及傳感器安裝時(shí)的原始誤差，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，中藥存放斗里面為空（克重為0）時(shí)，PLC采集的數(shù)值是1 498；中藥存放斗里面放置190 g重物時(shí)，PLC采集的數(shù)值是6 860，其對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖6所示。

圖6 重量與PLC模數(shù)轉(zhuǎn)換后的對(duì)應(yīng)關(guān)系

PLC上電后，需要讀取空的中藥存放斗的值并進(jìn)行儲(chǔ)存，以便減去初始值，計(jì)算中藥的凈重。PLC也要實(shí)時(shí)讀取中藥存放斗的當(dāng)前值，與設(shè)定值比較，判斷各個(gè)成分是否達(dá)到設(shè)定值。本程序比較運(yùn)算采用長(zhǎng)整型的形式，所以模擬量的轉(zhuǎn)換數(shù)值及觸摸屏輸入的數(shù)值都需要轉(zhuǎn)換成長(zhǎng)整型。因此還需要把觸摸屏輸入的、以克為單位的數(shù)值轉(zhuǎn)換成圖6中關(guān)系對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)整型數(shù)值。模擬量處理及轉(zhuǎn)換程序如圖7所示。

圖7 模擬量的讀取轉(zhuǎn)換及觸摸屏輸入的轉(zhuǎn)換程序

此程序中，第一行是PLC上電讀取空的中藥存放斗的重量對(duì)應(yīng)的數(shù)值，只讀取一次。第二行是每個(gè)周期都讀取中藥存放斗的重量對(duì)應(yīng)的數(shù)值，用于與設(shè)定值比較判斷。第三行的全部程序是按下啟動(dòng)按鈕（M10.0），執(zhí)行一次把觸摸屏輸入的各種中藥成分的克數(shù)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)整型數(shù)值，用于比較判斷。MD122里面存儲(chǔ)的是含中藥存放斗的重量及設(shè)定的中藥成分的重量，對(duì)應(yīng)最右邊D處的中藥存放斗，MD118、MD114、MD110分別對(duì)應(yīng)C、B、A處在觸摸屏中設(shè)定中藥成分的重量。由于取藥時(shí)中藥存放斗的重量是逐漸增加的，也就是累加的，因此還需要把MD122、MD118、MD114、MD110里面存儲(chǔ)的數(shù)值累加起來(lái)，才能用于和實(shí)時(shí)讀取值MD48比較，累加程序如圖8所示。

圖8 累加程序

剩下的梯形圖編程就是對(duì)如圖5所示的順序功能圖編程。順序功能圖編程的步驟是先搭建框架，再編寫每一步做什么。對(duì)于具體的每一步，就是回答誰(shuí)能讓這一步通（一個(gè)或者多個(gè)條件），通了要保持，誰(shuí)能讓這一步斷（一個(gè)或者多個(gè)條件）。例如M2.0這一步，需要PLC一運(yùn)行就進(jìn)入這一初始等待步，最后一步完成后也要進(jìn)入這一初始等待步，這一步通了要保持得住，而這一步斷開的條件是它的下一步通，M2.0步對(duì)應(yīng)的梯形圖程序如圖9所示。

又例如M2.1這一步，其梯形圖程序更加簡(jiǎn)單，M2.1步通的條件是M2.0是活動(dòng)步，且按下了啟動(dòng)鍵（M10.0），這一步通了要保持得住，這一步斷開的條件是它的下一步（M2.2）通，M2.1步對(duì)應(yīng)的梯形圖程序如圖10所示。

圖10 M2.1步對(duì)應(yīng)的梯形圖程序

按照該方法就能把順序功能圖的框架搭建完成，然后就只差編寫每一步的動(dòng)作了，這里要注意避免出現(xiàn)雙線圈問(wèn)題，該合并的要合并。雙線圈的合并如圖11所示，M2.3、M2.5、M2.7、M3.2步都是輸出Q0.1線圈，這里合并輸出，避免出現(xiàn)雙線圈。

圖11 雙線圈的合并

M2.2、M2.4步的內(nèi)容對(duì)應(yīng)的梯形圖如圖12所示，M2.2步中設(shè)有300 ms的定時(shí)器，起到抗干擾作用，能夠避免中藥掉入中藥存放斗的瞬間重力跳動(dòng)帶來(lái)的誤判，按照此方法即可完成梯形圖程序的編寫。

圖12 部分步的內(nèi)容對(duì)應(yīng)的梯形圖程序

由于觸摸屏上面還有一個(gè)停止按鈕，對(duì)應(yīng)的點(diǎn)為M10.1，停止功能可以在順序功能圖中的每一步添加跳轉(zhuǎn)分支，也可以采用復(fù)位所有步的方法。在順序功能圖中的每一步添加跳轉(zhuǎn)分支的方法會(huì)使得SFC順序功能圖和梯形圖程序更加復(fù)雜。為了使程序簡(jiǎn)單，這里采用復(fù)位所有步的方法，但是要注意，復(fù)位后要使起始步處于活動(dòng)狀態(tài)，對(duì)應(yīng)的梯形圖程序如圖13所示。

圖13 停止按鈕對(duì)應(yīng)的梯形圖程序

本設(shè)計(jì)采用的觸摸屏是西門子的7寸HMI，觸摸屏里面有兩個(gè)按鈕和四個(gè)輸入框[9-11]，如圖14所示，對(duì)應(yīng)的PLC資源如表1所示，圖中標(biāo)注的A、B、C、D與文章所述的行程開關(guān)A、B、C、D對(duì)應(yīng)。

圖14 觸摸屏

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

該控制系統(tǒng)是在天煌教儀THPFSM-2型網(wǎng)絡(luò)型可編程控制器綜合實(shí)驗(yàn)裝置上驗(yàn)證的，經(jīng)過(guò)樣機(jī)設(shè)計(jì)制作、接線調(diào)試、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，采用SFC方法設(shè)計(jì)的中藥自動(dòng)稱量抓藥機(jī)的控制系統(tǒng)具備可行性、正確性和可推廣的價(jià)值。該實(shí)驗(yàn)的過(guò)程圖如圖15所示。

圖15 實(shí)驗(yàn)照片

4 總結(jié)

課題組研制了一款中藥自動(dòng)稱量抓藥機(jī)，以其控制系統(tǒng)為研究對(duì)象，在機(jī)器控制要求的分析、控制系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì)與控制電路設(shè)計(jì)、順序功能圖（SFC）的繪制、模擬量的采集轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換處理比較、順序功能圖轉(zhuǎn)換為梯形圖程序、觸摸屏的應(yīng)用等方面進(jìn)行了詳細(xì)的分析研究，并開展實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了采用SFC方法設(shè)計(jì)的中藥自動(dòng)稱量抓藥機(jī)控制系統(tǒng)的正確性，該方法具有推廣借鑒的價(jià)值。