基于FluidSIM 和串級法的多缸純氣動與電氣動程序控制系統設計與仿真

張明軍

（江蘇師范大學科文學院，221132，江蘇徐州）

氣動程序控制系統是指按照給定的生產工藝（程序），使各控制閥之間的信號按照一定的規律連接起來，實現執行元件（氣缸）協調動作的自動控制系統[1]。其設計難點在于如何消除障礙信號，常用的消障方法有脈沖信號法、輔助閥法、氣控延時閥消障法、氣動節拍器消障法及串級法[2]。雖然每種方法都能可靠消除障礙，但其中脈沖信號法不能精確定位，輔助閥法需額外增加元件，使回路的復雜性增加，氣控延時閥消障法延時時間不精確，氣動節拍器消障法成本較高，而串級法設計程序控制回路安全可靠，設計思路條理清晰，有規律可循，同時適用于純氣動和電氣動程序控制系統，特別是對于較為復雜的多缸控制回路，應用較為方便快捷。在FluidSIM 軟件中采用串級法可快速方便地搭建程序控制回路并進行模擬仿真，以驗證其正確性，故本文將以一個三缸順序動作回路為例來介紹多缸程序控制系統的純氣動和電氣動回路設計與仿真，從而為復雜多缸氣動回路設計提供一種快速可靠的設計思路。

1 FluidSIM 軟件及串級法

1.1 FluidSIM 軟件

FluidSIM 軟件由德國FESTO 公司開發，用于液壓、氣壓傳動及其電氣控制系統設計與模擬仿真[3]。FluidSIM 軟件能夠方便地繪制出液壓與氣動回路圖并能夠檢驗其正確性。它主要包括FluidSIM-H 和FluidSIM-P 兩個軟件，分別用于液壓與氣動系統設計[4]。FluidSIM 軟件能快速地進行回路搭建、修改、驗證與模擬，具有功能強大、界面直觀的特點。

1.2 串級法

串級法是利用雙氣控換向閥作為信號轉接，以階梯方式按順序供氣，實現在任一時間內僅輸出一組信號，其余各組處于排氣狀態，從而避免主控閥兩側同時出現控制信號[5]，是一種有規則可依的氣動回路設計法。圖1 所示即為三級串級轉換氣路，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ表示管路線號，Ⅰ-Ⅱ、Ⅱ-Ⅲ、Ⅰ-Ⅲ表示各級中任意兩組之間的切換控制。

圖1 三級串級法轉換氣路圖

串級法的設計原則在于按氣缸動作順序進行分組，分組的原則是同一組內每個英文字母只能出現一次，分組的組數即輸出管路數，如A+B+B-A-（其中，A、B 表示氣缸，+表示氣缸伸出，-表示氣缸縮回）可分為兩組，即A+B+/B-A-（Ⅰ/Ⅱ），A+B+B-A-C+C-可分三組，即A+B+/B-A-C+/C-（Ⅰ/Ⅱ/Ⅲ）。

2 設計任務實例

設計任務選用較為典型的三級回路。圖2 為打標機示意圖，工件在料倉里靠重力落下，A 缸先夾緊，接著B 缸打印標志，打印完畢后由C 缸將工件推出。其動作程序為A+B+B-A-C+C-。具體工作功能限制條件如下：

圖2 打標機示意圖

（1）一般動作功能：啟動信號由啟動按鈕輸入，各動作必須自動進行，一個動作循環結束，準備下一個動作循環，氣缸縮回由裝在氣缸極限位置的氣控行程閥或行程開關控制。

（2）互鎖保護功能：氣缸A 伸出受到氣缸C 限制，即氣缸C 處在伸出位置時，氣缸A 將無法伸出。

（3）速度調節功能：氣缸A、B、C 伸出速度采用回氣調節方式，可以設定節流口開度為50%時為中等運行速度。

（4）快退功能：要求氣缸A、B、C 在返回時，具有快速退回功能。

（5）控制方式：采用純氣動和電氣動程序控制系統分別進行設計與仿真，以驗證其正確性。

3 純氣動程序控制系統設計與仿真

3.1 氣動回路設計

根據動作程序，首先對氣缸A、B、C 動作順序進行分組，得出A+B+/B-A-C+/C-，三組即三級。定義+表示氣缸伸出、-表示氣缸縮回，即A+表示A 氣缸伸出，A-表示A氣缸縮回,依此類推，并用A1、A0、B1、B0、C1、C0 分別表示與動作A+、A-、B+、B-、C+、C-相對應的行程閥信號。根據任務要求和串級法設計方法及原則進行純氣動回路設計，如圖3 所示，其具體設計方法和步驟如下。

圖3 打標機純氣動回路設計圖

（1）根據互鎖保護功能要求，氣缸A 伸出受到氣缸C 限制，即氣缸C 處在伸出位置時，氣缸A 將無法伸出，故將行程控制閥C0 串接在啟動閥S1 后，從而確保只有氣缸C 處于縮回狀態壓下行程閥C0，回路才能啟動。

（2）為便于說明，將5 個二位五通雙氣控閥自左至右、自上而下定義其編號依次為1～5。按下啟動閥S1，A 缸前進，故輸出信號啟動控制閥和行程閥C0 后要有一條支路接到二位五通雙氣控閥1 的左控制線上，實現A+，同時接到二位五通雙氣控閥5 的右控制線上，實現對A1 行程閥的一級供氣。

（3）A 缸前進后，壓下行程閥A1,B 缸伸出，故A1控制信號應接在二位五通雙氣控閥2 的左控制線上。

（4）B 缸前進后，壓下行程閥B1,B 缸縮回，因B+仍有控制信號，故將B1 信號接在二位五通雙氣控閥4的左控制線上實現二級轉換，并將二級控制信號接在二位五通雙氣控閥2 的右控制線上。

（5）B 缸縮回后，壓下行程閥B0,A 缸縮回，故行程閥B0 的進氣接在二級輸氣管上，控制信號接在二位五通雙氣控閥1 的右控制線上。同理，A 缸縮回后，C缸伸出，故將行程閥A0 的進氣接在二級輸氣管上，控制信號接在二位五通雙氣控閥3 的左控制線上。

（6）C 缸伸出后，壓下行程閥C1,C 缸縮回，因C+仍有控制信號，故將C1 信號接在二位五通雙氣控閥5的左控制線上，實現三級轉換，并將三級輸入信號接在二位五通雙氣控閥3 的右控制線上，實現C 缸縮回，另一條支路則接在二位五通雙氣控閥4 的右控制線上，為一級轉換做好準備。

（7）C 缸縮回后，壓下行程閥C0，為下一次程序動作做好準備，再次按下啟動按鈕后，進行新一輪的程序動作循環。

（8）在氣缸A、B、C 的回氣管上設置單向節流調速閥，節流口開度調整為50%，實現中等速度運行，在三個氣缸的進氣管上設置快速排氣閥，實現快速退回功能。

3.2 氣動回路的虛擬仿真

將FluidSIM 軟件切換到仿真模式，點擊“啟動”，即可觀察模擬仿真過程，還可添加整個工作循環回路中各元器件的狀態[5-6]，如圖4 所示。仿真結果狀態圖中，雙作用氣缸自上而下依次為氣缸A、B、C。根據仿真結果分析，程序動作達到了任務要求，符合設計要求。

圖4 氣缸運動仿真結果狀態圖

4 電氣動程序控制系統設計與仿真

電氣動程序控制系統的重點在于電路設計，故串級法設計的應用也主要體現在電路控制上。但在氣動控制上根據控制閥的特點不同，也有兩種形式，一種是單電控換向閥，另一種是雙電控換向閥，兩種不同換向閥的使用，在電路上的設計上也是有很大不同的。由于雙電控換向閥有記憶功能，不需要像單電控換向閥那樣進行自保電路設計，故電路會相對簡單一些。特別對于多缸程序控制系統，采用雙電控換向閥會使回路設計方便得多，故本文將選用雙電控換向閥控制的程序控制回路進行串級法設計。

4.1 氣動回路搭建

因邏輯控制均在電氣線路中進行設計，故氣動回路只需完成電磁閥控制氣缸伸縮的設計及慢進與快退的設計，其回路圖如圖5 所示。

圖5 氣動回路設計圖

4.2 電氣回路設計

同純氣動控制回路一樣，首先對氣缸A、B、C 動作順序進行分組，即A+B+/B-A-C+/C-，三組即三級。加減號的定義也相同，所不同的是，A1、A0、B1、B0、C1、C0 分別表示與動作A＋、A－、B＋、B－、C＋、C－相對應的行程開關信號，而不是行程閥信號。根據任務要求和串級法設計方法及原則，并結合氣動回路圖進行電氣回路設計，如圖6 所示，其具體設計方法和步驟如下。

圖6 電氣回路設計圖

（1）三組回路分別由繼電器K1、K2、K3 控制。

（2）建立啟動回路，將啟動按鈕PB1 和繼電器K1置于1 號線上，實現第1 組啟動，將行程開關C0 的常開觸點也放在1 號線上與PB1 串聯實現互鎖保護功能，將K1（與其串聯的K2 作用是一級與二級之間的互鎖）的常開觸點置于2 號線上與PB1、C0 并聯,實現啟動后的自鎖。

（3）將K1 的常開觸點與電磁線圈YA1 串聯置于3號線上，當按下PB1 后，YA1 得電，氣缸A 伸出，伸出后壓下行程開關A1,YB1 得電，氣缸B 伸出，故將A1 的常開觸點和電磁線圈YB1 串聯置于4 號線上,并與K1 串聯。

（4）氣缸B 伸出后壓下行程開關B1,氣缸B 縮回，要求電磁線圈YB0 得電，由于YB1 依然有電，故需要用K2 繼電器實現二級轉換，故將K1、B1、K2 串聯置于5號線上，K2 置于6 號線上并與K1（與其串聯的K3 作用是二級與三級之間的互鎖）、B1 并聯實現K2 的自鎖，將K2 與YB0 串聯置于7 號線上實現氣缸B 縮回。

（5）氣缸B 縮回碰到行程開關B0,YA0 得電，氣缸A 縮回，碰到行程開關A0,YC1 得電，氣缸C 伸出，故將B0 與YA0 串聯置于8 號線上，將A0 與YC1 串聯置于9 號線上，且都與K2 串聯。

（6）氣缸C 伸出后要求氣缸C 縮回，由于YC1 依然有電，故需要用K3 繼電器實現三級轉換，故將K2、C1、K3 串聯置于10 號線上，K3（與其串聯的C0 常閉觸點實現氣缸C 縮回后使K3 與YC0 斷電）置于11號線上并與K2、C1 并聯實現K3 的自鎖，將YC0 置于12 號線上與K3 串聯實現氣缸C 縮回。

4.3 電氣回路的虛擬仿真

同純氣動回路仿真一樣，將FluidSIM 軟件切換到仿真模式，點擊“啟動”即可觀察模擬仿真過程，仿真結果狀態圖同純氣動控制回路，如圖4 所示。根據仿真結果分析，程序動作也達到了任務要求，符合設計要求。

5 結論

（1）串級法是設計程序控制系統較為便捷的方法，不僅穩定可靠，而且有規律可循，簡化了復雜多缸程序控制系統的設計流程和方法，提高了程序控制系統的設計質量和工作效率。

（2）純氣動程序控制系統的設計思路可以遷移到電氣動程序控制系統中，設計者可根據系統需要及元件配置靈活選擇合適的程序控制系統。

（3）FluidSIM 軟件不僅能夠方便高效地設計出簡單或復雜純氣動回路和電氣動回路，而且能夠通過仿真模擬檢測回路設計的正確性與可靠性，省去了實際線路連接進行驗證的繁瑣步驟，大大提高了工作效率。

（4）將串級法、FluidSIM 軟件的使用與多缸純氣動、電氣動回路的設計進行融合，為復雜程序控制系統的設計提供了新的思路，有效促進設計者的設計理念創新，提高回路設計效率和質量。