摘要：氣動(dòng)程序控制在那些有特殊要求的食品加工、化工、化纖以及軍工等行業(yè)當(dāng)中具有尤為突出的應(yīng)用價(jià)值，其不僅兼顧了PLC控制的優(yōu)勢(shì)，而且還獨(dú)具系統(tǒng)控制簡(jiǎn)捷快速、介質(zhì)工作清爽干凈、系統(tǒng)造價(jià)經(jīng)濟(jì)、設(shè)備便于維護(hù)保養(yǎng)等特點(diǎn);尤其難能可貴的是，氣動(dòng)程序控制對(duì)于那些在粉塵污染嚴(yán)重以及易燃、易爆等惡劣生產(chǎn)環(huán)境中工作的設(shè)備而言，也是特別地適用;另外，氣動(dòng)程序控制還有一個(gè)關(guān)鍵的特性，那就是安全、可靠性極高。本文針對(duì)氣動(dòng)程序控制在工業(yè)自動(dòng)化中的應(yīng)用要求以及應(yīng)用設(shè)計(jì)進(jìn)行了淺要的分析和探討，同時(shí)著重介紹了一種簡(jiǎn)單直接、易學(xué)可行的氣動(dòng)程序控制回路的設(shè)計(jì)方法——圓環(huán)法，并結(jié)合實(shí)例闡述了圓環(huán)法在工業(yè)自動(dòng)化中氣動(dòng)程序控制上的應(yīng)用。

　　關(guān)鍵詞：氣動(dòng)程序控制;工業(yè)自動(dòng)化;應(yīng)用

　　一、引言

　　氣動(dòng)程序控制在工業(yè)自動(dòng)化的應(yīng)用當(dāng)中，屬于自動(dòng)控制的典型方式之一， 其不僅兼顧了PLC控制的優(yōu)勢(shì)， 而且還獨(dú)具系統(tǒng)控制簡(jiǎn)捷快速、介質(zhì)工作清爽干凈、系統(tǒng)造價(jià)經(jīng)濟(jì)、設(shè)備便于維護(hù)保養(yǎng)等特點(diǎn)。尤其難能可貴的是，氣動(dòng)程序控制對(duì)于那些在粉塵污染嚴(yán)重以及易燃、易爆等惡劣生產(chǎn)環(huán)境中工作的設(shè)備而言，也是特別地適用。另外，氣動(dòng)程序控制還有一個(gè)關(guān)鍵的特性，那就是安全、可靠性極高。與此同時(shí)，對(duì)于氣動(dòng)程序控制在工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的應(yīng)用當(dāng)中來(lái)說(shuō)，在全氣動(dòng)性質(zhì)的多缸行程程序所控制的回路設(shè)計(jì)中，通常遇到的最為普遍而又困難的問(wèn)題就是對(duì)于障礙信號(hào)的排查和消除。在過(guò)去針對(duì)此類(lèi)問(wèn)題，通常采用的氣動(dòng)程序控制回路的設(shè)計(jì)方法一般有兩種，一是根據(jù)信號(hào)——操作(即X—D)的狀態(tài)圖來(lái)找出障礙信號(hào)并將其排除，二是根據(jù)卡諾圖來(lái)進(jìn)行障礙信號(hào)的排查和消除。然而這兩種障礙信號(hào)排除方法都比較復(fù)雜，因而不易為人學(xué)習(xí)、掌握。本文針對(duì)氣動(dòng)程序控制在工業(yè)自動(dòng)化中的應(yīng)用要求以及應(yīng)用設(shè)計(jì)進(jìn)行了淺要的分析和探討，同時(shí)著重介紹了一種簡(jiǎn)單直接、易學(xué)可行的氣動(dòng)程序控制回路的設(shè)計(jì)方法——圓環(huán)法，并結(jié)合實(shí)例闡述了圓環(huán)法在工業(yè)自動(dòng)化中氣動(dòng)程序控制上的應(yīng)用。

　　二、氣動(dòng)程序控制在工業(yè)自動(dòng)化中的應(yīng)用要求

　　氣動(dòng)程序控制在工業(yè)自動(dòng)化的應(yīng)用中，被控設(shè)備是用于給彈體自動(dòng)填裝高能炸藥的。設(shè)備具有儲(chǔ)料裝置、定量送料裝置、定位裝置、夾緊裝置和振動(dòng)裝置等部分組成，上述裝置均由雙作用氣缸驅(qū)動(dòng)，設(shè)備位于自動(dòng)輸送線上。當(dāng)輸送線運(yùn)送的彈體到達(dá)裝藥位置時(shí)，其操作程序分為以下幾步：第一，夾緊裝置手爪操作， 夾緊彈體;第二定位裝置下降，送藥漏斗對(duì)準(zhǔn)彈口;第三定量送料裝置投料;第四振動(dòng)裝置振動(dòng)，敲擊送藥漏斗側(cè)壁，以使藥粉不粘積在漏斗內(nèi)壁。投料完畢， 振動(dòng)停止，定位裝置上升，夾緊裝置手爪松開(kāi)，彈體隨輸送線運(yùn)走，一個(gè)工作程序完畢(詳見(jiàn)圖1：步進(jìn)模塊結(jié)構(gòu)示意圖)。具體操作流程是：彈到裝藥位→夾爪夾緊→定位缸降→投料 (振動(dòng)) →停料(停振)→定位缸升→夾爪松開(kāi)→彈走(與之相對(duì)應(yīng)的氣動(dòng)原理圖詳見(jiàn)圖2：氣動(dòng)原理圖，其經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化的操作流程表示為：A0A1B1C1(D1)C0(D0)B0A0)。因?yàn)樵O(shè)備是用于填裝高能炸藥，對(duì)系統(tǒng)的安全性要求特別高。以往相關(guān)設(shè)備的控制系統(tǒng)采用電控方式，雖然所有的電器元件都采用防爆式的，達(dá)到防爆等級(jí)，但由于工作環(huán)境的惡劣，炸藥粉塵中的金屬粉末散落在電用接近開(kāi)關(guān)表面，經(jīng)一定時(shí)間的積聚，開(kāi)關(guān)表面被覆蓋，如沒(méi)有及時(shí)清理，接近開(kāi)關(guān)就會(huì)在沒(méi)有感應(yīng)到被測(cè)物體時(shí)發(fā)出被測(cè)信號(hào)，從而造成系統(tǒng)誤操作，存在不安全隱患。生產(chǎn)車(chē)間為了安全，已經(jīng)把定時(shí)檫試接近開(kāi)關(guān)感應(yīng)面作為生產(chǎn)操作的必備步驟。為了解決這個(gè)問(wèn)題，經(jīng)調(diào)研認(rèn)定可行后，在該設(shè)備的設(shè)計(jì)過(guò)程中，其控制系統(tǒng)采用了全氣動(dòng)控制方式。檢測(cè)信號(hào)的采集是由氣動(dòng)行程開(kāi)關(guān)完成，它的特點(diǎn)是只有通過(guò)外力壓下它的滾輪才發(fā)出信號(hào);換向閥均采用氣控式的;系統(tǒng)的控制方式采用氣動(dòng)程序控制。因?yàn)闅鈩?dòng)元件的工作介質(zhì)是壓力氣體，氣動(dòng)元件本身具有抗污染性，適于各種工作環(huán)境，因此系統(tǒng)具有高度的安全性。

　　

 

　　圖1 步進(jìn)模塊結(jié)構(gòu)示意圖

　　

 

　　圖2 氣動(dòng)原理圖

　　三、氣動(dòng)程序控制在工業(yè)自動(dòng)化中的應(yīng)用設(shè)計(jì)

　　氣動(dòng)程序控制在工業(yè)自動(dòng)化的應(yīng)用極為廣泛，下面簡(jiǎn)單地介紹一種氣動(dòng)程序控制系統(tǒng)的應(yīng)用設(shè)計(jì)方案。按照設(shè)備的操作程序，其整個(gè)氣動(dòng)程序控制系統(tǒng)其實(shí)就是通過(guò)四個(gè)氣缸的順序操作來(lái)實(shí)現(xiàn)的。此時(shí)我們?cè)O(shè)計(jì)采用四支雙氣控?fù)Q向閥來(lái)作為上述氣缸的主控閥，與此同時(shí)，為了控制好四個(gè)氣缸的每步操作的速度，又在每條氣路都設(shè)計(jì)配備了單向可調(diào)節(jié)流閥來(lái)對(duì)其進(jìn)行有效的調(diào)速。因?yàn)樵谶@種氣動(dòng)程序控制系統(tǒng)當(dāng)中需要其四個(gè)雙作用氣缸來(lái)進(jìn)行次序操作，換而言之就是需要對(duì)八個(gè)工位進(jìn)行嚴(yán)密的控制，因而在進(jìn)行自動(dòng)控制的過(guò)程中需要通過(guò)依次進(jìn)行八個(gè)控制信號(hào)的輸出工作來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)該四個(gè)雙氣控閥的控制，又因?yàn)槠湓O(shè)備振動(dòng)要和投料進(jìn)行同步，且設(shè)備停振也要和停料進(jìn)行同步，所以最終決定選用六個(gè)步進(jìn)模塊來(lái)組合成為一個(gè)特別的程序控制器，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)全部操作的順利完成。其中，該步進(jìn)模塊是通過(guò)一個(gè)單輸出性質(zhì)的記憶元件以及一個(gè)與門(mén)和一個(gè)或門(mén)來(lái)共同組成。即將該單輸出性質(zhì)的記憶元件當(dāng)中的一個(gè)接口和前一級(jí)與門(mén)當(dāng)中的輸出端相連接，另一個(gè)接口和一個(gè)或門(mén)輸出端相連接，還要一個(gè)接口來(lái)和一個(gè)與門(mén)輸入端相連接，從而實(shí)現(xiàn)該步進(jìn)模塊的整體構(gòu)成。而將若干個(gè)這種類(lèi)型的步進(jìn)模塊進(jìn)行串聯(lián)，而就實(shí)現(xiàn)了氣動(dòng)程序控制器的構(gòu)成(其程序控制器的簡(jiǎn)化符號(hào)表示詳見(jiàn)圖3：程序控制器符號(hào))。這里我們將氣動(dòng)程序控制器設(shè)計(jì)為由六個(gè)氣動(dòng)步進(jìn)模塊來(lái)共同組成，并將其自動(dòng)控制過(guò)程中閥控制端所發(fā)出的控制信號(hào)的一個(gè)運(yùn)算因子來(lái)作為輸出信號(hào)，而將其被控操作在達(dá)到了檢測(cè)位并接近了開(kāi)關(guān)時(shí)所發(fā)出的反饋信號(hào)來(lái)作為輸入信號(hào)，這樣就可以保證前面的操作沒(méi)有到位的話，后面的操作就無(wú)法執(zhí)行，從而確保其不會(huì)發(fā)生誤操作。而這也正是氣動(dòng)程序控制器的一項(xiàng)重要的優(yōu)點(diǎn)。另外應(yīng)當(dāng)注意的是，在設(shè)備的調(diào)試過(guò)程中， 有時(shí)需要進(jìn)行手動(dòng)操作，所以在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮設(shè)備包含有自動(dòng)與手動(dòng)兩套操作執(zhí)行方案。而讓設(shè)備執(zhí)行操作的綜合閥控信號(hào)，則應(yīng)當(dāng)經(jīng)由在自動(dòng)操作時(shí)的閥控信號(hào)和手動(dòng)操作時(shí)的閥控信號(hào)進(jìn)行一系列的邏輯運(yùn)算后才能最終得出。

　　

 

　　圖3 程序控制器符號(hào)

　　四、圓環(huán)法在工業(yè)自動(dòng)化中氣動(dòng)程序控制上的應(yīng)用

　　對(duì)于氣動(dòng)程序控制在工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的應(yīng)用當(dāng)中來(lái)說(shuō)，在全氣動(dòng)性質(zhì)的多缸行程程序所控制的回路設(shè)計(jì)中，通常遇到的最為普遍而又困難的問(wèn)題就是對(duì)于障礙信號(hào)的排查和消除。在過(guò)去針對(duì)此類(lèi)問(wèn)題，通常采用的氣動(dòng)程序控制回路的設(shè)計(jì)方法一般有兩種，一是根據(jù)信號(hào)——操作(即X—D)的狀態(tài)圖來(lái)找出障礙信號(hào)并將其排除，二是根據(jù)卡諾圖來(lái)進(jìn)行障礙信號(hào)的排查和消除。然而這兩種障礙信號(hào)排除方法都比較復(fù)雜，因而不易為人學(xué)習(xí)、掌握。下面結(jié)合實(shí)例闡述了一種簡(jiǎn)單直接、易學(xué)可行的氣動(dòng)程序控制回路的設(shè)計(jì)方法——圓環(huán)法在工業(yè)自動(dòng)化中氣動(dòng)程序控制上的應(yīng)用。

　　以常用于工業(yè)裝配線上兩缸A、B以“L”循環(huán)順序操作為例。根據(jù)操作循環(huán)程序(詳見(jiàn)圖4：“L”循環(huán)工作程序)，做直徑為任意值的圓，由于本程序有四個(gè)操作步驟，因此從圓的上方開(kāi)始，按照操作順序順時(shí)針畫(huà)出正四邊形，四邊形的每一個(gè)邊均為氣缸的一個(gè)操作，同樣用箭頭表示操作順序，四邊形的四個(gè)角處標(biāo)出氣缸所到位置發(fā)出的行程信號(hào)(詳見(jiàn)圖5：“L”循環(huán)工作程序所對(duì)應(yīng)的圓環(huán)圖)。將圓環(huán)按氣缸的操作進(jìn)行分區(qū)，分區(qū)原則為要使得每個(gè)區(qū)中的各氣缸操作只出現(xiàn)一次。顯然，a0b1為分區(qū)信號(hào)，過(guò)a0b1兩點(diǎn)作對(duì)角線，將圓環(huán)分成兩個(gè)區(qū)，從起始位置開(kāi)始編分區(qū)號(hào)1和2。則在相應(yīng)的氣動(dòng)程序控制回路當(dāng)中需要增加帶記憶的兩位五通換向閥來(lái)將主控閥兩側(cè)的原始信號(hào)進(jìn)行分隔，從而就避免了障礙信號(hào)的產(chǎn)生。記憶閥的數(shù)量比分區(qū)數(shù)量少一。本例中，記憶閥的數(shù)量=2(分區(qū)數(shù)量)-1=1，需要增加一個(gè)兩位五通閥V1。在設(shè)計(jì)氣動(dòng)程序控制回路時(shí)，使記憶閥V1輸出的兩個(gè)控制信號(hào)y1、y2分別負(fù)責(zé)1區(qū)和2區(qū)的行程閥輸入信號(hào)。從圓環(huán)圖中可以看出q、a1、b1屬于1區(qū)，b0、a0屬于2區(qū)(則其L循環(huán)的氣動(dòng)控制回路詳見(jiàn)圖6：“L”循環(huán)氣動(dòng)控制回路圖)。用同樣的方法可以做出三缸六個(gè)操作步驟為A+A-B+B-C+C-的程序圖和圓環(huán)圖，按氣缸操作將圓環(huán)分為三個(gè)區(qū)域(詳見(jiàn)圖7：三缸程序A+A-B+B-C+C-及圓環(huán)圖)。所增加記憶閥的數(shù)量即為兩個(gè)，用記憶閥V1、V2隔離信號(hào)y1、y2、y3的接法(詳見(jiàn)圖8：用兩個(gè)記憶閥隔離三組信號(hào))。應(yīng)注意，用圓環(huán)法設(shè)計(jì)全氣動(dòng)程序控制回路，最多增加三個(gè)記憶閥(圓環(huán)分成四個(gè)區(qū))。如果回路用到多于三個(gè)記憶閥，則應(yīng)使用氣動(dòng)順序器(步進(jìn)器)，否則氣動(dòng)程序控制回路將過(guò)于復(fù)雜，反而不實(shí)用。

　　

 

 

　　圖4 “L”循環(huán)工作程序

　　

 

 

　　圖5 “L”循環(huán)工作程序所對(duì)應(yīng)的圓環(huán)圖

　　

 

 

　　圖6 “L”循環(huán)氣動(dòng)控制回路圖

　　

 

 

　　圖7 三缸程序A+A-B+B-C+C-及圓環(huán)圖

　　

 

 

　　圖8 用兩個(gè)記憶閥隔離三組信號(hào)

　　某氣動(dòng)程序控制系統(tǒng)要求實(shí)現(xiàn)的三缸自動(dòng)程序?yàn)锳+B+B-C+C-A-。首先，畫(huà)出工作循環(huán)程序及圓環(huán)圖，按照程序的六個(gè)操作在圓環(huán)上順時(shí)針按操作順序作外接六邊形，六邊形的六個(gè)角三個(gè)區(qū)，13區(qū)的分區(qū)信號(hào)分別為b1、c1、a0(詳見(jiàn)圖9：三缸程序A+B+B-C+C-A-及圓環(huán)圖)。然后由分區(qū)數(shù)可知，必須增加兩個(gè)記憶閥，將障礙信號(hào)隔離，記憶閥V1和V2輸出的三組信號(hào)y1、y2、y3分管主控閥VA、VB、VC兩端的控制信號(hào)輸入口(則其氣動(dòng)回路圖詳見(jiàn)圖10：實(shí)現(xiàn)程序?yàn)锳+B+B-C+C-A-的氣動(dòng)控制回路圖)。

　　

 

 

　　圖9 三缸程序A+B+B-C+C-A-及圓環(huán)圖

　　

 

 

　　圖10 實(shí)現(xiàn)程序?yàn)锳+B+B-C+C-A-的氣動(dòng)控制回路圖

　　五、結(jié)語(yǔ)

　　實(shí)踐證明，氣動(dòng)程序控制在工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中的運(yùn)行使用，完全能夠保證其性能的安全、可靠性，同時(shí)其還具有操作簡(jiǎn)捷快速、便于維修保養(yǎng)等優(yōu)點(diǎn)。因此，這種控制方式在那些有特殊要求的食品加工、化工、化纖以及軍工等行業(yè)當(dāng)中具有尤為突出的應(yīng)用價(jià)值，相信其會(huì)有光輝的前景，非常值得推廣。

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