基于SFC編程的自動蓋章機控制系統(tǒng)設計*

雷 蔓

（貴州工程應用技術學院機械工程學院，貴州 畢節(jié) 551700）

0 引言

順序功能圖（Sequential Function Chart, SFC）是解決復雜流程控制系統(tǒng)最為有效的編程方法[1]。順序功能圖編程有三種程序結構，分別是順序結構、選擇結構和并行結構，基本上所有的控制系統(tǒng)都可以由這三種結構組合完成[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，任意一個時刻只能有一個步處于活動狀態(tài)[3-6]。

本研究的對象是自動蓋章機的控制系統(tǒng)，該機器結構如圖1所示。控制對象有驅(qū)動絲杠螺母左右運動的步進電動機、控制雙桿氣缸伸縮上下運動的氣動電磁換向閥。其輸入信號有用于紙張檢測的光電傳感器、檢測滾珠絲杠原點的行程開關。

圖1 自動蓋章機結構

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)動氣泵采用小型穩(wěn)壓氣泵，均置于機器內(nèi)部。

1 工作原理及控制要求

該自動蓋章機工作原理如下：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。運動步驟如圖2所示。

圖2 自動蓋章機運動步驟及I/O點布置

該控制系統(tǒng)的輸入信號有紙張傳感器、絲杠原點行程開關，輸出信號有步進電動機脈沖、步進電動機方向控制、雙桿氣缸換向電磁閥。雙桿氣缸換向電磁閥得電會伸長，失電則會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點，氣動回路如圖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 氣動回路

2 控制系統(tǒng)的設計過程

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型漫反射常開式紅外光電傳感器E3F-DS10C4，絲杠原點行程開關采用微動式行程開關。

圖4 控制電路圖

2.2 順序功能圖

針對該控制系統(tǒng)，步進電機和絲杠螺母負責左右運動，雙桿氣缸負責上下運動。其控制順序就是開機回原點→紙張傳感器有信號（上升沿）→下行→上行→右行→下行→上行→左行（回原點），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運行首次掃描接通）[8]，使PLC一運行就讓系統(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。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)向哪三個問題。

圖5 順序功能圖

三菱FX系列PLC中，有專門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的下一步一個編號為S20（編號名稱可以隨意給，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并且紙張傳感器有信號（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？是控制印章向下運動，即輸出線圈Y2，由于氣缸下行和蘸取印泥需要時間，所以輸出Y2需要保持一定的時間，這里用（T0 K20）保持2 s，S20這一步的轉(zhuǎn)移條件就是T0時間到。

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

根據(jù)機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 梯形圖程序設計及實驗驗證

在三菱FX系列PLC編程軟件GX Developer中，可以采用直接編寫SFC圖的形式完成控制程序的編寫，編寫完的SFC圖可以直接轉(zhuǎn)換成梯形圖的形式[10]。在新建工程時，點擊SFC，就進入了GX Developer的SFC編程模塊，SFC編程模塊是按照程序塊的形式來組織程序的。一般第一個程序塊要設置成梯形圖的編程方法，便于用M8002置位S0，使PLC一運行就進入SFC程序的起始步，后面的塊則根據(jù)需要設置為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一運行就把S0步激活，并且把相應的定時器、輔助繼電器和順序繼電器復位。因為有的元器件在PLC掉電后再來電會保持不變，有可能導致順序功能圖有兩個及以上的步處于活動狀態(tài)，使程序錯亂，所以需要全部復位。

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SFC程序。每一步都用STL開始，緊接著編寫這一步的動作，然后編寫這一步的轉(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。每個順序功能圖編寫完后，需要用RET指令表示結束。

樣機（圖1）制作后，進行控制系統(tǒng)接線調(diào)試試驗，該程序能夠完成機器的預訂功能，驗證了SFC編程方法的正確性。

4 小結

該控制系統(tǒng)的設計以本團隊研制的自動蓋章機的控制系統(tǒng)為研究對象，對機器控制要求的分析、氣壓驅(qū)動回路設計、控制電路設計、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行了分析研究，并用實驗驗證的方法證明了采用SFC方法設計自動蓋章機控制系統(tǒng)的正確性，該方法具有推廣借鑒的價值。