摘要：氣動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當中具有尤為突出的應用價值，其不僅兼顧了PLC控制的優勢，而且還獨具系統控制簡捷快速、介質工作清爽干凈、系統造價經濟、設備便于維護保養等特點;尤其難能可貴的是，氣動程序控制對于那些在粉塵污染嚴重以及易燃、易爆等惡劣生產環境中工作的設備而言，也是特別地適用;另外，氣動程序控制還有一個關鍵的特性，那就是安全、可靠性極高。本文針對氣動程序控制在工業自動化中的應用要求以及應用設計進行了淺要的分析和探討，同時著重介紹了一種簡單直接、易學可行的氣動程序控制回路的設計方法——圓環法，并結合實例闡述了圓環法在工業自動化中氣動程序控制上的應用。
關鍵詞：氣動程序控制;工業自動化;應用
一、引言
氣動程序控制在工業自動化的應用當中，屬于自動控制的典型方式之一， 其不僅兼顧了PLC控制的優勢， 而且還獨具系統控制簡捷快速、介質工作清爽干凈、系統造價經濟、設備便于維護保養等特點。尤其難能可貴的是，氣動程序控制對于那些在粉塵污染嚴重以及易燃、易爆等惡劣生產環境中工作的設備而言，也是特別地適用。另外，氣動程序控制還有一個關鍵的特性，那就是安全、可靠性極高。與此同時，對于氣動程序控制在工業自動化系統的應用當中來說，在全氣動性質的多缸行程程序所控制的回路設計中，通常遇到的最為普遍而又困難的問題就是對于障礙信號的排查和消除。在過去針對此類問題，通常采用的氣動程序控制回路的設計方法一般有兩種，一是根據信號——操作(即X—D)的狀態圖來找出障礙信號并將其排除，二是根據卡諾圖來進行障礙信號的排查和消除。然而這兩種障礙信號排除方法都比較復雜，因而不易為人學習、掌握。本文針對氣動程序控制在工業自動化中的應用要求以及應用設計進行了淺要的分析和探討，同時著重介紹了一種簡單直接、易學可行的氣動程序控制回路的設計方法——圓環法，并結合實例闡述了圓環法在工業自動化中氣動程序控制上的應用。
二、氣動程序控制在工業自動化中的應用要求
氣動程序控制在工業自動化的應用中，被控設備是用于給彈體自動填裝高能炸藥的。設備具有儲料裝置、定量送料裝置、定位裝置、夾緊裝置和振動裝置等部分組成，上述裝置均由雙作用氣缸驅動，設備位于自動輸送線上。當輸送線運送的彈體到達裝藥位置時，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，送藥漏斗對準彈口;第三定量送料裝置投料;第四振動裝置振動，敲擊送藥漏斗側壁，以使藥粉不粘積在漏斗內壁。投料完畢， 振動停止，定位裝置上升，夾緊裝置手爪松開，彈體隨輸送線運走，一個工作程序完畢(詳見圖1：步進模塊結構示意圖)。具體操作流程是：彈到裝藥位→夾爪夾緊→定位缸降→投料 (振動) →停料(停振)→定位缸升→夾爪松開→彈走(與之相對應的氣動原理圖詳見圖2：氣動原理圖，其經過簡化的操作流程表示為：A0A1B1C1(D1)C0(D0)B0A0)。因為設備是用于填裝高能炸藥，對系統的安全性要求特別高。以往相關設備的控制系統采用電控方式，雖然所有的電器元件都采用防爆式的，達到防爆等級，但由于工作環境的惡劣，炸藥粉塵中的金屬粉末散落在電用接近開關表面，經一定時間的積聚，開關表面被覆蓋，如沒有及時清理，接近開關就會在沒有感應到被測物體時發出被測信號，從而造成系統誤操作，存在不安全隱患。生產車間為了安全，已經把定時檫試接近開關感應面作為生產操作的必備步驟。為了解決這個問題，經調研認定可行后，在該設備的設計過程中，其控制系統采用了全氣動控制方式。檢測信號的采集是由氣動行程開關完成，它的特點是只有通過外力壓下它的滾輪才發出信號;換向閥均采用氣控式的;系統的控制方式采用氣動程序控制。因為氣動元件的工作介質是壓力氣體，氣動元件本身具有抗污染性，適于各種工作環境，因此系統具有高度的安全性。
圖1 步進模塊結構示意圖
圖2 氣動原理圖
三、氣動程序控制在工業自動化中的應用設計
氣動程序控制在工業自動化的應用極為廣泛，下面簡單地介紹一種氣動程序控制系統的應用設計方案。按照設備的操作程序，其整個氣動程序控制系統其實就是通過四個氣缸的順序操作來實現的。此時我們設計采用四支雙氣控換向閥來作為上述氣缸的主控閥，與此同時，為了控制好四個氣缸的每步操作的速度，又在每條氣路都設計配備了單向可調節流閥來對其進行有效的調速。因為在這種氣動程序控制系統當中需要其四個雙作用氣缸來進行次序操作，換而言之就是需要對八個工位進行嚴密的控制，因而在進行自動控制的過程中需要通過依次進行八個控制信號的輸出工作來實現對該四個雙氣控閥的控制，又因為其設備振動要和投料進行同步，且設備停振也要和停料進行同步，所以最終決定選用六個步進模塊來組合成為一個特別的程序控制器，以此來實現整個系統全部操作的順利完成。其中，該步進模塊是通過一個單輸出性質的記憶元件以及一個與門和一個或門來共同組成。即將該單輸出性質的記憶元件當中的一個接口和前一級與門當中的輸出端相連接，另一個接口和一個或門輸出端相連接，還要一個接口來和一個與門輸入端相連接，從而實現該步進模塊的整體構成。而將若干個這種類型的步進模塊進行串聯，而就實現了氣動程序控制器的構成(其程序控制器的簡化符號表示詳見圖3：程序控制器符號)。這里我們將氣動程序控制器設計為由六個氣動步進模塊來共同組成，并將其自動控制過程中閥控制端所發出的控制信號的一個運算因子來作為輸出信號，而將其被控操作在達到了檢測位并接近了開關時所發出的反饋信號來作為輸入信號，這樣就可以保證前面的操作沒有到位的話，后面的操作就無法執行，從而確保其不會發生誤操作。而這也正是氣動程序控制器的一項重要的優點。另外應當注意的是，在設備的調試過程中， 有時需要進行手動操作，所以在設計時應考慮設備包含有自動與手動兩套操作執行方案。而讓設備執行操作的綜合閥控信號，則應當經由在自動操作時的閥控信號和手動操作時的閥控信號進行一系列的邏輯運算后才能最終得出。
圖3 程序控制器符號
四、圓環法在工業自動化中氣動程序控制上的應用
對于氣動程序控制在工業自動化系統的應用當中來說，在全氣動性質的多缸行程程序所控制的回路設計中，通常遇到的最為普遍而又困難的問題就是對于障礙信號的排查和消除。在過去針對此類問題，通常采用的氣動程序控制回路的設計方法一般有兩種，一是根據信號——操作(即X—D)的狀態圖來找出障礙信號并將其排除，二是根據卡諾圖來進行障礙信號的排查和消除。然而這兩種障礙信號排除方法都比較復雜，因而不易為人學習、掌握。下面結合實例闡述了一種簡單直接、易學可行的氣動程序控制回路的設計方法——圓環法在工業自動化中氣動程序控制上的應用。
以常用于工業裝配線上兩缸A、B以“L”循環順序操作為例。根據操作循環程序(詳見圖4：“L”循環工作程序)，做直徑為任意值的圓，由于本程序有四個操作步驟，因此從圓的上方開始，按照操作順序順時針畫出正四邊形，四邊形的每一個邊均為氣缸的一個操作，同樣用箭頭表示操作順序，四邊形的四個角處標出氣缸所到位置發出的行程信號(詳見圖5：“L”循環工作程序所對應的圓環圖)。將圓環按氣缸的操作進行分區，分區原則為要使得每個區中的各氣缸操作只出現一次。顯然，a0b1為分區信號，過a0b1兩點作對角線，將圓環分成兩個區，從起始位置開始編分區號1和2。則在相應的氣動程序控制回路當中需要增加帶記憶的兩位五通換向閥來將主控閥兩側的原始信號進行分隔，從而就避免了障礙信號的產生。記憶閥的數量比分區數量少一。本例中，記憶閥的數量=2(分區數量)-1=1，需要增加一個兩位五通閥V1。在設計氣動程序控制回路時，使記憶閥V1輸出的兩個控制信號y1、y2分別負責1區和2區的行程閥輸入信號。從圓環圖中可以看出q、a1、b1屬于1區，b0、a0屬于2區(則其L循環的氣動控制回路詳見圖6：“L”循環氣動控制回路圖)。用同樣的方法可以做出三缸六個操作步驟為A+A-B+B-C+C-的程序圖和圓環圖，按氣缸操作將圓環分為三個區域(詳見圖7：三缸程序A+A-B+B-C+C-及圓環圖)。所增加記憶閥的數量即為兩個，用記憶閥V1、V2隔離信號y1、y2、y3的接法(詳見圖8：用兩個記憶閥隔離三組信號)。應注意，用圓環法設計全氣動程序控制回路，最多增加三個記憶閥(圓環分成四個區)。如果回路用到多于三個記憶閥，則應使用氣動順序器(步進器)，否則氣動程序控制回路將過于復雜，反而不實用。
圖4 “L”循環工作程序
圖5 “L”循環工作程序所對應的圓環圖
圖6 “L”循環氣動控制回路圖
圖7 三缸程序A+A-B+B-C+C-及圓環圖
圖8 用兩個記憶閥隔離三組信號
某氣動程序控制系統要求實現的三缸自動程序為A+B+B-C+C-A-。首先，畫出工作循環程序及圓環圖，按照程序的六個操作在圓環上順時針按操作順序作外接六邊形，六邊形的六個角三個區，13區的分區信號分別為b1、c1、a0(詳見圖9：三缸程序A+B+B-C+C-A-及圓環圖)。然后由分區數可知，必須增加兩個記憶閥，將障礙信號隔離，記憶閥V1和V2輸出的三組信號y1、y2、y3分管主控閥VA、VB、VC兩端的控制信號輸入口(則其氣動回路圖詳見圖10：實現程序為A+B+B-C+C-A-的氣動控制回路圖)。
圖9 三缸程序A+B+B-C+C-A-及圓環圖
圖10 實現程序為A+B+B-C+C-A-的氣動控制回路圖
五、結語
實踐證明，氣動程序控制在工業自動化系統中的運行使用，完全能夠保證其性能的安全、可靠性，同時其還具有操作簡捷快速、便于維修保養等優點。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當中具有尤為突出的應用價值，相信其會有光輝的前景，非常值得推廣。
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