气动程序控制在工业自动化中的应用探究

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　　摘要：气动程序控制在那些有特殊要求的食品加工、化工、化纤以及军工等行业当中具有尤为突出的应用价值，其不仅兼顾了PLC控制的优势，而且还独具系统控制简捷快速、介质工作清爽干净、系统造价经济、设备便于维护保养等特点；尤其难能可贵的是，气动程序控制对于那些在粉尘污染严重以及易燃、易爆等恶劣生产环境中工作的设备而言，也是特别地适用；另外，气动程序控制还有一个关键的特性，那就是安全、可靠性极高。本文针对气动程序控制在工业自动化中的应用要求以及应用设计进行了浅要的分析和探讨，同时着重介绍了一种简单直接、易学可行的气动程序控制回路的设计方法――圆环法，并结合实例阐述了圆环法在工业自动化中气动程序控制上的应用。
　　关键词：气动程序控制；工业自动化；应用
　　一、引言
　　气动程序控制在工业自动化的应用当中，属于自动控制的典型方式之一， 其不仅兼顾了PLC控制的优势， 而且还独具系统控制简捷快速、介质工作清爽干净、系统造价经济、设备便于维护保养等特点。尤其难能可贵的是，气动程序控制对于那些在粉尘污染严重以及易燃、易爆等恶劣生产环境中工作的设备而言，也是特别地适用。另外，气动程序控制还有一个关键的特性，那就是安全、可靠性极高。与此同时，对于气动程序控制在工业自动化系统的应用当中来说，在全气动性质的多缸行程程序所控制的回路设计中，通常遇到的最为普遍而又困难的问题就是对于障碍信号的排查和消除。在过去针对此类问题，通常采用的气动程序控制回路的设计方法一般有两种，一是根据信号――操作(即X―D)的状态图来找出障碍信号并将其排除，二是根据卡诺图来进行障碍信号的排查和消除。然而这两种障碍信号排除方法都比较复杂，因而不易为人学习、掌握。本文针对气动程序控制在工业自动化中的应用要求以及应用设计进行了浅要的分析和探讨，同时着重介绍了一种简单直接、易学可行的气动程序控制回路的设计方法――圆环法，并结合实例阐述了圆环法在工业自动化中气动程序控制上的应用。
　　二、气动程序控制在工业自动化中的应用要求
　　气动程序控制在工业自动化的应用中，被控设备是用于给弹体自动填装高能炸药的。设备具有储料装置、定量送料装置、定位装置、夹紧装置和振动装置等部分组成，上述装置均由双作用气缸驱动，设备位于自动输送线上。当输送线运送的弹体到达装药位置时，其操作程序分为以下几步：第一，夹紧装置手爪操作， 夹紧弹体；第二定位装置下降，送药漏斗对准弹口；第三定量送料装置投料；第四振动装置振动，敲击送药漏斗侧壁，以使药粉不粘积在漏斗内壁。投料完毕， 振动停止，定位装置上升，夹紧装置手爪松开，弹体随输送线运走，一个工作程序完毕（详见图1：步进模块结构示意图）。具体操作流程是：弹到装药位→夹爪夹紧→定位缸降→投料 (振动) →停料(停振)→定位缸升→夹爪松开→弹走（与之相对应的气动原理图详见图2：气动原理图，其经过简化的操作流程表示为：A0A1B1C1(D1)C0(D0)B0A0）。因为设备是用于填装高能炸药，对系统的安全性要求特别高。以往相关设备的控制系统采用电控方式，虽然所有的电器元件都采用防爆式的，达到防爆等级，但由于工作环境的恶劣，炸药粉尘中的金属粉末散落在电用接近开关表面，经一定时间的积聚，开关表面被覆盖，如没有及时清理，接近开关就会在没有感应到被测物体时发出被测信号，从而造成系统误操作，存在不安全隐患。生产车间为了安全，已经把定时檫试接近开关感应面作为生产操作的必备步骤。为了解决这个问题，经调研认定可行后，在该设备的设计过程中，其控制系统采用了全气动控制方式。检测信号的采集是由气动行程开关完成，它的特点是只有通过外力压下它的滚轮才发出信号；换向阀均采用气控式的；系统的控制方式采用气动程序控制。因为气动元件的工作介质是压力气体，气动元件本身具有抗污染性，适于各种工作环境，因此系统具有高度的安全性。
　　
　　图1步进模块结构示意图
　　
　　图2气动原理图
　　三、气动程序控制在工业自动化中的应用设计
　　气动程序控制在工业自动化的应用极为广泛，下面简单地介绍一种气动程序控制系统的应用设计方案。按照设备的操作程序，其整个气动程序控制系统其实就是通过四个气缸的顺序操作来实现的。此时我们设计采用四支双气控换向阀来作为上述气缸的主控阀，与此同时，为了控制好四个气缸的每步操作的速度，又在每条气路都设计配备了单向可调节流阀来对其进行有效的调速。因为在这种气动程序控制系统当中需要其四个双作用气缸来进行次序操作，换而言之就是需要对八个工位进行严密的控制，因而在进行自动控制的过程中需要通过依次进行八个控制信号的输出工作来实现对该四个双气控阀的控制，又因为其设备振动要和投料进行同步，且设备停振也要和停料进行同步，所以最终决定选用六个步进模块来组合成为一个特别的程序控制器，以此来实现整个系统全部操作的顺利完成。其中，该步进模块是通过一个单输出性质的记忆元件以及一个与门和一个或门来共同组成。即将该单输出性质的记忆元件当中的一个接口和前一级与门当中的输出端相连接，另一个接口和一个或门输出端相连接，还要一个接口来和一个与门输入端相连接，从而实现该步进模块的整体构成。而将若干个这种类型的步进模块进行串联，而就实现了气动程序控制器的构成（其程序控制器的简化符号表示详见图3：程序控制器符号）。这里我们将气动程序控制器设计为由六个气动步进模块来共同组成，并将其自动控制过程中阀控制端所发出的控制信号的一个运算因子来作为输出信号，而将其被控操作在达到了检测位并接近了开关时所发出的反馈信号来作为输入信号，这样就可以保证前面的操作没有到位的话，后面的操作就无法执行，从而确保其不会发生误操作。而这也正是气动程序控制器的一项重要的优点。另外应当注意的是，在设备的调试过程中， 有时需要进行手动操作，所以在设计时应考虑设备包含有自动与手动两套操作执行方案。而让设备执行操作的综合阀控信号，则应当经由在自动操作时的阀控信号和手动操作时的阀控信号进行一系列的逻辑运算后才能最终得出。
　　
　　图3程序控制器符号
　　四、圆环法在工业自动化中气动程序控制上的应用
　　对于气动程序控制在工业自动化系统的应用当中来说，在全气动性质的多缸行程程序所控制的回路设计中，通常遇到的最为普遍而又困难的问题就是对于障碍信号的排查和消除。在过去针对此类问题，通常采用的气动程序控制回路的设计方法一般有两种，一是根据信号――操作(即X―D)的状态图来找出障碍信号并将其排除，二是根据卡诺图来进行障碍信号的排查和消除。然而这两种障碍信号排除方法都比较复杂，因而不易为人学习、掌握。下面结合实例阐述了一种简单直接、易学可行的气动程序控制回路的设计方法――圆环法在工业自动化中气动程序控制上的应用。
　　以常用于工业装配线上两缸A、B以“L”循环顺序操作为例。根据操作循环程序（详见图4：“L”循环工作程序），做直径为任意值的圆，由于本程序有四个操作步骤，因此从圆的上方开始，按照操作顺序顺时针画出正四边形，四边形的每一个边均为气缸的一个操作，同样用箭头表示操作顺序，四边形的四个角处标出气缸所到位置发出的行程信号（详见图5：“L”循环工作程序所对应的圆环图）。将圆环按气缸的操作进行分区，分区原则为要使得每个区中的各气缸操作只出现一次。显然，a0b1为分区信号，过a0b1两点作对角线，将圆环分成两个区，从起始位置开始编分区号1和2。则在相应的气动程序控制回路当中需要增加带记忆的两位五通换向阀来将主控阀两侧的原始信号进行分隔，从而就避免了障碍信号的产生。记忆阀的数量比分区数量少一。本例中，记忆阀的数量=2（分区数量）-1=1，需要增加一个两位五通阀V1。在设计气动程序控制回路时，使记忆阀V1输出的两个控制信号y1、y2分别负责1区和2区的行程阀输入信号。从圆环图中可以看出q、a1、b1属于1区，b0、a0属于2区（则其L循环的气动控制回路详见图6：“L”循环气动控制回路图）。用同样的方法可以做出三缸六个操作步骤为A+A-B+B-C+C-的程序图和圆环图，按气缸操作将圆环分为三个区域（详见图7：三缸程序A+A-B+B-C+C-及圆环图）。所增加记忆阀的数量即为两个，用记忆阀V1、V2隔离信号y1、y2、y3的接法（详见图8：用两个记忆阀隔离三组信号）。应注意，用圆环法设计全气动程序控制回路，最多增加三个记忆阀(圆环分成四个区)。如果回路用到多于三个记忆阀，则应使用气动顺序器(步进器)，否则气动程序控制回路将过于复杂，反而不实用。

　　
　　图4“L”循环工作程序
　　
　　图5“L”循环工作程序所对应的圆环图
　　
　　图6“L”循环气动控制回路图
　　
　　图7三缸程序A+A-B+B-C+C-及圆环图
　　
　　图8用两个记忆阀隔离三组信号
　　某气动程序控制系统要求实现的三缸自动程序为A+B+B-C+C-A-。首先，画出工作循环程序及圆环图，按照程序的六个操作在圆环上顺时针按操作顺序作外接六边形，六边形的六个角三个区，13区的分区信号分别为b1、c1、a0（详见图9：三缸程序A+B+B-C+C-A-及圆环图）。然后由分区数可知，必须增加两个记忆阀，将障碍信号隔离，记忆阀V1和V2输出的三组信号y1、y2、y3分管主控阀VA、VB、VC两端的控制信号输入口（则其气动回路图详见图10：实现程序为A+B+B-C+C-A-的气动控制回路图）。
　　
　　图9三缸程序A+B+B-C+C-A-及圆环图
　　
　　图10实现程序为A+B+B-C+C-A-的气动控制回路图
　　五、结语
　　实践证明，气动程序控制在工业自动化系统中的运行使用，完全能够保证其性能的安全、可靠性，同时其还具有操作简捷快速、便于维修保养等优点。因此，这种控制方式在那些有特殊要求的食品加工、化工、化纤以及军工等行业当中具有尤为突出的应用价值，相信其会有光辉的前景，非常值得推广。
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