李 铠 ，雷 蔓 ，尹宗明 ，王 洋 ，刘修福 ，张文昊 ，李 珊

（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有一个步处于活动状态[3]。

抓中药时，往往一次要抓取几十副中药，每一副中药里面一般又有几十种成分，采用人工称量的方法抓药的效率较低。针对该问题，课题组研制了一种中药自动称量抓药机，该样机以四个中药存放斗为例，结构组成如图1所示。如果中药成分多，只需要增加中药存放斗即可，设计及编程方法也通用。

图1 中药自动称量抓药机结构

其控制系统采用触摸屏及PLC控制，取药时，先把每种成分的中药放入对应的中药存放斗里面，在触摸屏上输入需要的中药成分的重量（不需要的成分重量设为0即可），按下启动按钮，减速直流电动机正转，驱动丝杠螺母副，带动取药斗向右运动，达到最右边的中药存放斗对应位置后停止，开始取药。取药时中药螺旋推动电动机转动，带动螺旋传送器把中药推出，落在取药斗里面，重力传感器检测到该成分的药达到设定值时，中药螺旋推动电动机停止转动，减速直流电动机反转，取药斗向左移动到下一个中药存放斗的位置，按此原理取下一成分的中药。

1 控制要求

根据中药自动称量抓药机的工作原理分析，其控制方式就是控制减速直流电动机正反转，以及控制功率较小的中药螺旋推动电动机旋转。

该控制系统有触摸屏输入（启动、停止、四种中药成分对应的重量）、四个中药存放斗对应的行程开关和重力传感器的模拟量信号输入，PLC的资源分配如表1所示，该控制系统的输入输出安装位置如图2所示。

表1 PLC的资源分配表

图2 输入输出安装位置

2 控制系统的设计过程

2.1 控制系统主电路图

该控制系统的控制对象是减速直流电动机和中药螺旋推动电动机，减速直流电动机采用的是24 V直流供电，中药螺旋推动电动机采用的是5 V直流供电，所以该控制系统需要采用一个220 V交流电转24 V和5 V的电源。减速直流电动机功率大，需要正反转，所以采用两个交流接触器转换控制其正反转，KM1对应正转，即中药存放斗右行；KM2对应反转，即中药存放斗左行。中药螺旋推动电动机只需要一个方向转动，且功率小，直接用PLC输出回路控制即可。该中药自动称量抓药机控制系统的主电路图如图3所示。

图3 控制系统的主电路图

2.2 系统的控制电路图

根据控制要求及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24 V直流电源，输出回路是220 V交流电源及5 V直流电源。

图4 控制电路图

2.3 顺序功能图

针对该控制系统，其控制顺序如下：开机等待→触摸屏输入中药成分的重量→启动→正转，中药存放斗右行→中药存放斗到达行程开关D→中药螺旋推动电动机转动，取行程开关D处中药成分→D处中药成分等于设定重量→反转，中药存放斗左行→按照上述过程取下一成分的中药→……→一副药取完后左行一段距离→停止取药进入初始等待步。

用SFC编程最为重要的是根据控制要求画出顺序功能图[4]，该控制系统的顺序功能图如图5所示。首先要启用M1.0的特殊功能（PLC运行首次扫描接通）[5]，使得PLC一运行就让系统处于M2.0步（起始步，双框线表示），M2.0为等待的步，什么都不做。然后就是回答转移到下一步的条件是什么，下一步是做什么，下一步转向哪等问题[6-7]。

图5 顺序功能图

比如给M2.0的下一步一个编号M2.1（编号名称可以随意给，不影响执行顺序[8]），那么M2.0怎么转移到M2.1呢？那就需要按下启动按钮（触摸屏上，控制M10.0），即转移条件是M10.0。M2.1是做什么呢？那就是要向右走，即输出线圈Q0.0。如此往下分析，搞清楚每一步是做什么，转移条件是什么，转移方向是哪，就能得出该顺序功能图。

2.4 梯形图程序设计

在编写梯形图程序时，由于有模拟量的采集和运算，所以首先要对模拟量进行处理。所采用的重力传感器量程是0～1 kg，对应0～10 V。在S7-1214C PLC中，0～10 V DC对应0～27 648。考虑到中药存放斗的自重及传感器安装时的原始误差，经过试验，中药存放斗里面为空（克重为0）时，PLC采集的数值是1 498；中药存放斗里面放置190 g重物时，PLC采集的数值是6 860，其对应关系如图6所示。

图6 重量与PLC模数转换后的对应关系

PLC上电后，需要读取空的中药存放斗的值并进行储存，以便减去初始值，计算中药的净重。PLC也要实时读取中药存放斗的当前值，与设定值比较，判断各个成分是否达到设定值。本程序比较运算采用长整型的形式，所以模拟量的转换数值及触摸屏输入的数值都需要转换成长整型。因此还需要把触摸屏输入的、以克为单位的数值转换成图6中关系对应的长整型数值。模拟量处理及转换程序如图7所示。

图7 模拟量的读取转换及触摸屏输入的转换程序

此程序中，第一行是PLC上电读取空的中药存放斗的重量对应的数值，只读取一次。第二行是每个周期都读取中药存放斗的重量对应的数值，用于与设定值比较判断。第三行的全部程序是按下启动按钮（M10.0），执行一次把触摸屏输入的各种中药成分的克数转换成对应的长整型数值，用于比较判断。MD122里面存储的是含中药存放斗的重量及设定的中药成分的重量，对应最右边D处的中药存放斗，MD118、MD114、MD110分别对应C、B、A处在触摸屏中设定中药成分的重量。由于取药时中药存放斗的重量是逐渐增加的，也就是累加的，因此还需要把MD122、MD118、MD114、MD110里面存储的数值累加起来，才能用于和实时读取值MD48比较，累加程序如图8所示。

图8 累加程序

剩下的梯形图编程就是对如图5所示的顺序功能图编程。顺序功能图编程的步骤是先搭建框架，再编写每一步做什么。对于具体的每一步，就是回答谁能让这一步通（一个或者多个条件），通了要保持，谁能让这一步断（一个或者多个条件）。例如M2.0这一步，需要PLC一运行就进入这一初始等待步，最后一步完成后也要进入这一初始等待步，这一步通了要保持得住，而这一步断开的条件是它的下一步通，M2.0步对应的梯形图程序如图9所示。

又例如M2.1这一步，其梯形图程序更加简单，M2.1步通的条件是M2.0是活动步，且按下了启动键（M10.0），这一步通了要保持得住，这一步断开的条件是它的下一步（M2.2）通，M2.1步对应的梯形图程序如图10所示。

图10 M2.1步对应的梯形图程序

按照该方法就能把顺序功能图的框架搭建完成，然后就只差编写每一步的动作了，这里要注意避免出现双线圈问题，该合并的要合并。双线圈的合并如图11所示，M2.3、M2.5、M2.7、M3.2步都是输出Q0.1线圈，这里合并输出，避免出现双线圈。

图11 双线圈的合并

M2.2、M2.4步的内容对应的梯形图如图12所示，M2.2步中设有300 ms的定时器，起到抗干扰作用，能够避免中药掉入中药存放斗的瞬间重力跳动带来的误判，按照此方法即可完成梯形图程序的编写。

图12 部分步的内容对应的梯形图程序

由于触摸屏上面还有一个停止按钮，对应的点为M10.1，停止功能可以在顺序功能图中的每一步添加跳转分支，也可以采用复位所有步的方法。在顺序功能图中的每一步添加跳转分支的方法会使得SFC顺序功能图和梯形图程序更加复杂。为了使程序简单，这里采用复位所有步的方法，但是要注意，复位后要使起始步处于活动状态，对应的梯形图程序如图13所示。

图13 停止按钮对应的梯形图程序

本设计采用的触摸屏是西门子的7寸HMI，触摸屏里面有两个按钮和四个输入框[9-11]，如图14所示，对应的PLC资源如表1所示，图中标注的A、B、C、D与文章所述的行程开关A、B、C、D对应。

图14 触摸屏

3 实验验证

该控制系统是在天煌教仪THPFSM-2型网络型可编程控制器综合实验装置上验证的，经过样机设计制作、接线调试、实验验证，采用SFC方法设计的中药自动称量抓药机的控制系统具备可行性、正确性和可推广的价值。该实验的过程图如图15所示。

图15 实验照片

4 总结

课题组研制了一款中药自动称量抓药机，以其控制系统为研究对象，在机器控制要求的分析、控制系统主电路设计与控制电路设计、顺序功能图（SFC）的绘制、模拟量的采集转换、数据的转换处理比较、顺序功能图转换为梯形图程序、触摸屏的应用等方面进行了详细的分析研究，并开展实验，验证了采用SFC方法设计的中药自动称量抓药机控制系统的正确性，该方法具有推广借鉴的价值。