基于SFC编程的自动盖章机控制系统设计*

2023-11-03雷蔓

南方农机 2023年22期

雷蔓

（贵州工程应用技术学院机械工程学院，贵州毕节 551700）

0 引言

顺序功能图（Sequential Function Chart, SFC）是解决复杂流程控制系统最为有效的编程方法[1]。顺序功能图编程有三种程序结构，分别是顺序结构、选择结构和并行结构，基本上所有的控制系统都可以由这三种结构组合完成[2]。画顺序功能图，只需要搞清楚步（具体做什么）、转移条件和转移方向，其中，任意一个时刻只能有一个步处于活动状态[3-6]。

本研究的对象是自动盖章机的控制系统，该机器结构如图1所示。控制对象有驱动丝杠螺母左右运动的步进电动机、控制双杆气缸伸缩上下运动的气动电磁换向阀。其输入信号有用于纸张检测的光电传感器、检测滚珠丝杠原点的行程开关。

图1 自动盖章机结构

该控制系统采用三菱FX1s-10MT型PLC作为控制核心，气缸的驱动气泵采用小型稳压气泵，均置于机器内部。

1 工作原理及控制要求

该自动盖章机工作原理如下：先控制印章下行蘸取印泥，然后上行、右行，再下行盖章，最后上行、左行回到原点。运动步骤如图2所示。

图2 自动盖章机运动步骤及I/O点布置

该控制系统的输入信号有纸张传感器、丝杠原点行程开关，输出信号有步进电动机脉冲、步进电动机方向控制、双杆气缸换向电磁阀。双杆气缸换向电磁阀得电会伸长，失电则会在弹簧作用力下回原位，气缸缩回，控制得电与失电只需要一个点，气动回路如图3所示。PLC的I/O资源分配如表1所示。

表1 PLC的I/O资源分配表

图3 气动回路

2 控制系统的设计过程

2.1 系统的控制电路图

根据工作原理、控制要求及I/O点的分配，该系统的控制电路图如图4所示，其输入回路是PLC内部24 V直流电源，输出回路是外部24 V直流电源。纸张传感器采用的是NPN型漫反射常开式红外光电传感器E3F-DS10C4，丝杠原点行程开关采用微动式行程开关。

图4 控制电路图

2.2 顺序功能图

针对该控制系统，步进电机和丝杠螺母负责左右运动，双杆气缸负责上下运动。其控制顺序就是开机回原点→纸张传感器有信号（上升沿）→下行→上行→右行→下行→上行→左行（回原点），完成一次盖章。

使用SFC编程，最为重要的就是根据控制要求画出顺序功能图[7]，该控制系统的顺序功能图如图5所示。首先要使用M8002的特殊功能（PLC运行首次扫描接通）[8]，使PLC一运行就让系统处于S0步（起始步，双框线表示），S0为等待的步，需要让滚珠丝杠回原点。然后就需要回答转移到下一步的条件是什么，下一步做什么，下一步转向哪三个问题。

图5 顺序功能图

三菱FX系列PLC中，有专门的顺序功能图编程元件和编程模块[9]。S0至S9为起始步，S10至S19有特殊作用，一般不用，S20以上就是普通的顺序功能图的步。

比如，给S0的下一步一个编号为S20（编号名称可以随意给，不影响执行顺序[8]），那么S0如何转移到S20呢，那就需要滚珠丝杠回到原点并且纸张传感器有信号（上升沿），即转移条件是X1通，并且有X0上升沿。

S20是做什么呢？是控制印章向下运动，即输出线圈Y2，由于气缸下行和蘸取印泥需要时间，所以输出Y2需要保持一定的时间，这里用（T0 K20）保持2 s，S20这一步的转移条件就是T0时间到。

S21是做什么呢？是控制印章向上运动，即不输出线圈Y2（顺序功能图任意一个时间点只有一个步处于活动状态，S20跳到S21后，由于S21没有Y2线圈输出，所以Y2线圈不会有输出），由于气缸上行需要时间，所以需要停留一定的时间，这里用（T1 K20）保持2 s，S21这一步的转移条件就是T1时间到。

根据机器的工作原理向下分析，搞清楚每一步是做什么，转移条件是什么，转移方向是哪，就能得出如图5所示的顺序功能图。

3 梯形图程序设计及实验验证

在三菱FX系列PLC编程软件GX Developer中，可以采用直接编写SFC图的形式完成控制程序的编写，编写完的SFC图可以直接转换成梯形图的形式[10]。在新建工程时，点击SFC，就进入了GX Developer的SFC编程模块，SFC编程模块是按照程序块的形式来组织程序的。一般第一个程序块要设置成梯形图的编程方法，便于用M8002置位S0，使PLC一运行就进入SFC程序的起始步，后面的块则根据需要设置为SFC块或者梯形图块。

在SFC块之前的梯形图块程序如图6所示。此程序的功能就是使得PLC一运行就把S0步激活，并且把相应的定时器、辅助继电器和顺序继电器复位。因为有的元器件在PLC掉电后再来电会保持不变，有可能导致顺序功能图有两个及以上的步处于活动状态，使程序错乱，所以需要全部复位。

图6 部分梯形图程序

根据绘制的顺序功能图，在三菱FX系列PLC编程软件GX Developer中，也可以使用指令的形式直接编写SFC程序。每一步都用STL开始，紧接着编写这一步的动作，然后编写这一步的转移条件。如果是从上到下转移，就用SET指令；如果是跳转，就用线圈输出。每个顺序功能图编写完后，需要用RET指令表示结束。

样机（图1）制作后，进行控制系统接线调试试验，该程序能够完成机器的预订功能，验证了SFC编程方法的正确性。