顺序逻辑控制也称为步进逻辑控制，是工业自动化设备中最常用的一种控制方法。随着对设备自动化程度以及稳定性要求的提升，可编程序控制器(programmable logic controller，PLC)等新型控制器在顺序控制中的应用越来越普及，极大地提升了设备的可靠性和稳定性。

对单机自动化设备而言，当控制系统未涉及模拟量处理，也无需通信、数据采集等特殊功能时，采用PLC控制时，其内部资源往往不能得到充分利用，不能充分体现其性价比，而且造成设备成本上升^[1]。

文中提出的串联结构步进控制器由移位集成电路(CMOS-CC4015)和少量外围电子元件构成，成本低廉，输入/输出采用光电隔离措施，具有性能稳定、故障率低、连接简单等优点。这样，既克服了传统继电控制系统电路复杂、故障率高、能耗大等不足，同时又部分保留PLC控制系统高可靠性和低能耗的优点。它在单机自动化设备的顺序控制和技术改造中有较好的应用前景。

1 串联型步进控制

所谓步进控制是指针对生产工艺预先规定的顺序，在各输入信号的作用下，对设备的工作状态按顺序进行控制的一种控制方式。

在步进控制中，生产装备的动作可以划分成几个相对独立的控制步(或称状态)。这些步的划分有严格的先后顺序，按事先规定的顺序按部就班进行逐步控制。

步进控制的工作特点可以通过状态转移图加以描述。状态转移图能够具体地反映系统的控制信号和被控信号之间的关系。这种关系通过状态、转移条件和驱动对象加以描述。通常把状态、转移条件和驱动对象称为状态转移图三要素。

图 1是串联型状态转移图的基本结构^[1]。

图 1中，S₁~S_m分别表示各步的状态，Y₁~Y_m分别表示各步的执行机构，I₁~I_m表示转移条件。

串联型状态转移图描述的某步(S₁~S_m)仅在相应的转移条件出现的瞬间被激活，其他各步则处于关闭状态。例如，当S_n步被激活(S_n=1)时，其他步均为关闭状态，即S_(≠n)=0。

图 1中，描述的步与步之间的逻辑关系可写成以下形式：

式中：n表示顺序控制的第n步；S_n、S_(n-1)、S_(n+1)分别表示第n步的状态、n-1步的状态和n+1步的状态；Take back[S_(n+1)]表示将S_(n+1)步的状态值进行取反运算。I_n表示激活S_n需要的转移条件^[2]。

在顺序控制中，当系统进入到某一步时，被称为该步的状态被激活或开通，相对应的驱动对象或执行机构被触发。

由式(1)可知，系统某一步被激活的前提是该步的前一步已先激活，当对应的转移条件出现的瞬间，该步即刻被激活，同时，前一步立即关闭。

初始步(S₁)一般定义为设备在原始位置尚未工作时的步(或状态)，初始步被激活时控制器对输入信号能作出相应的响应，即系统进入控制状态。初始步的激活方式有多种形式，可以用系统上电瞬间自动激活，也可以手动激活。

2 串联型步进控制器的设计

以中央处理器(central processing unit，CPU)为核心的控制器一般都有专门的软件来实现顺序控制。如在可编程控制器(PLC)中，有专门的步进控制指令与相应的软器件配合实现步进控制。

当生产装备的工作可以用串联型状态转移图描述时，用软件编制的控制程序本质上就是将指定地址的一组存储器用软件构成移位器^[3]。

显然，除用软件实现对指定存储器移位外，还可以用硬件实现存储器的移位功能。

下面仅以4位移位寄存器为例，从工作原理、输入/输出电路、控制端电路等几方面来说明串联型顺序控制器的设计内容与过程。

2.1 串联型步进控制器的设计思路

该控制器的核心器件为CMOS-CC4015，它的内部由2个相同、相互独立的4位并行输出/串行输入的寄存器组成的集成器件。每个移位寄存器分别有时钟、复位输入及串行输入，由各自的“Q_x”输出。所有寄存器位均为D型主从触发器^[4]。

图 2为CC4015内部的逻辑电路。

加在数据输入端D_S的逻辑电平传送至第一寄存器位，CP端信号上升沿出现时数据下移一位。复位端口CR的高电平完成所有存储单元的复位。

控制器的设计思路是：用移位寄存器各存储单元依次描述串联型状态转移图中各工作步的状态，当某个存储单元为“1”状态时，表示该存储单元描述的“步”被激活或开通，此时该存储单元的状态驱动相应的执行电器，设备执行对应的工作；当某个存储单元为“0”状态时，表示该步未激活或关闭。

表 1为四步串联型步进控制器中，移位器内各存储单元的数据与设备控制状态(步)之间的关系。

移位器每次发生移位时的触发信号即为相对应的转移条件，当转移条件出现(上升沿)时产生移位，移位器的移位信号取自设备工作状态发生变化时的实时信号。

移位寄存器的状态为0000(即S₀、S₁、S₂、S₃均为0)时，控制器尚未被激活，此时控制器对输入信号无响应，一般定义为控制器尚未被通电时的情况。

当移位寄存器的状态为1000(即S₀=1，S₁=0、S₂=0、S₃=0)时，控制器被激活，此时控制器对输入信号将作出响应。

当系统被激活后，操作人员发出启动命令时，移位器产生移位，使其状态为0100(S₀=0，S₁=1、S₂=0、S₃=0)，即S₁被激活，设备进入S₁描述的对应工作状态。以后随相应转移条件的出现，移位器的状态依次逐步后移，即0010(设备工作在S₂=1状态)→0001(设备工作在S₃=1状态)→1000(系统再次激活初始状态S₀=1)→如此不断循环。

可见，按上述规律工作的移位器能同时满足图 1所描述的递进关系和逻辑关系式(1)的要求。

要使移位寄存器能实现上述功能，必须对它的控制端和输出端的作用作以下规定^[5]：

D_S移位器信号移入端：用于对步进控制器初始数据置入，即对步进控制器首位进行“1”置位。

CP移位脉冲输入端：被控设备的控制信号(转移条件)经隔离、转换后作用于CP端，使移位器产生满足要求的移位动作。

CR移位脉复位端：被控设备的停车(包括过载等)信号经过隔离、转换后作用于CR端，对控制器除首位外的其他位进行清零处理。

Q₁~Q₄移位器输出端：输出信号经输出电路的隔离、放大后，用于驱动对应的执行机构。

2.2 输入/输出(I/O)电路设计

工业控制设备的控制信号一般具有较高的电压和较大的电流，无法将这些现场信号直接作用于移位器的D_S、CP和CR端，需要用输入电路对输入信号进行转换处理。

图 3是控制器输入电路结构图。

每个输入端口内部均连接一个输入接口电路，所有输入电路共用COM1端。

输入电路采用光电耦合器(optocoupler，OPTP)，现场输入信号经光电耦合、变换后作用于移位器的控制端^[6]。

为了提高控制器的稳定性能，输入电路采用直流24 V电源。电容C是为了防止外部开关K非正常抖动而引起误动作而设，LED信号指示用于显示外部输入信号的有无。

移位器输出的信号是标准的电平信号，需要借助输出电路进行功率放大后才能驱动执行机构。常用的输出电路有继电器输出型、晶闸管输出型和晶体管输出型。

考虑到大多数生产装备执行机构采用的电压为AC220 V或AC380 V，如各种接触器线圈、电磁阀线圈等，且输出电流较大。因此，该步进控制器采用继电器输出型电路。

图 4为继电器型输出电路结构图。

每个输出端口内部均连接一个输出接口电路，所有输入电路共用COM2端。

继电器输出电路上常常反接一个保护二极管用于反向放电，电阻R为限流电阻。本例的输出继电器J采用TONGLING公司产生的G3F，其触点的负载能达到AC250V/10A^[7]。

移位器输出信号在经过光电隔离耦合器OPTO后，直流24 V电压给继电器线圈供电，而其输出触点则可直接与AC110V~AC380V电源相接。

输入/输出(I/O)的光电耦合措施，隔离了设备强电与控制器内部弱电之间的直接联系，有效地防止高低压互相串扰，减少步进控制器故障率，使电路工作更加稳定可靠。

2.3 控制端电路设计

移位器控制端电路是指移位器置位端、移位端和复位端电路。

外部置位、移位和复位信号经输入电路隔离、转换后，其输出端(图 3中的out端)与移位器端口电路相连接，共同完成移位器置位、移位和复位功能。

该步进控制器定义为在开机上电时系统自动激活，即移位器的首位S₀由电源接通时系统自动置位方式激活。

复位信号对应设备的停车和其他非正常(例如，过载、过电流等)停车信号。因此，将这些信号并联并通过输入电路的隔离、转换后连接到CR端即可。

由串联型状态转移图 1可知，转移条件只有在满足一定前提下才能发挥作用^[8]。例如图 1中，只有在S_n已经被激活(S_n=1)的情况下，当I_(n+1)出现时才能发挥转移作用，即S_(n+1)=1。

因此，必须将移位器输出信号(Q₁~Q₄)与相应的转移条件(I₁~I_m)作“与”运算后再作用到移位器的CP端。这样也可避免由于各主令电器的误动作而可能出现的设备故障，使系统的可靠性进一步加强。

综合上述要求，可得到图 5所示的移位器的置位端、移位端和复位端电路。

图 5中，电路输入端CP1~CP4和RST信号来自输入电路。移位器的输出信号(Q₁~Q₄)则与输出电路相连接。

微型拨码开关K₁、K₂用于选择控制的步数，考虑到实际的顺序控制系统的步数不可能少于3步，因此设定控制器最少控制步为3步。例如，当选定移位位数为3位时，需将拨码开关K₁置闭合，其他开关断开即可。

R₄、C₄组成清零电路用于对移位器清，由V₆、V₉、V₁₀组成的单稳态触发电路用于对移位器寄存器首位置位。

图 6是步进移位控制器整体结构框图。图 6中，I₁~I₄为设备控制信号(转移条件)接入端，Stop为设备停止运行信号接入端，移位器输出信号Q₁~Q₄经过输出电路后由控制器输出端口O₁~O₄输出。使用时，将转移条件依次接入I₁~I₄端，停车信号及非正常停车信号并联后接入Stop端，移位器Ds端由系统开机时自行置位。控制器输出端O₁~O_n用于连接各执行电器。一片CMOS-CC4015可构成8位移位器。因此可制成一个8步串联型顺序控制器，其设计的原理与电路结构与上述相同。使用多片CMOS-CC4015可以很方便制成8n步控制器^[9]。

3 实践应用

在实验室用一片CMOS-CC4015与少量外围元件制成一个8位步进控制器^[10-11]，并应用于组合深孔钻床的技术改造，以克服原继电控制系统故障多、工作不稳定等缺陷。

该组合钻床为非标设备，它由液压动力滑台(YT4543)和安装在滑台上的主轴(钻头)组成，滑台完成进给运动。图 7为组合深孔钻床加工过程示意图。

动力滑台由液压驱动，用不同电磁阀控制移动方向和速度，液压泵在主轴工作时已驱动。加工过程中为了将孔内的铁屑带出孔外，要求动力滑台按以下顺序作往复运动：原始位置时(SQ₀受压)按下启动按钮SB₁→滑台作第1次快速进给运动→进给至行程开关SQ₁时，滑台转入第1次工作进给→一次工进至SQ₂时，滑台转入第1次快速后退→快速退至SQ₁位置时，滑台转入第2次快速进给→快速进给到SQ₂位置时转入第2次工作进给→进给至SQ₃时转入第2次快速后退并至SQ₀位置时自动停止。

动力滑台的快速进给、工作进给和快速后退分别由电磁阀CT₁、CT₂和CT₃实现。

滑台的工作状态可分为7步描述：第1步(原始状态)→第2步(滑台第1次快进)→第3步(滑台第1次工进)→第4步(滑台第1次快退)→第5步(滑台第2次快进)→第6步(滑台第2次工进) →第7步(滑台第2次快退)；步与步之间为典型串联结构关系。

表 2为液压动力滑台工作状态、转移条件和执行电器之间的关系。

动力滑台的状态转移条件依次为SB₁、SQ₁、SQ₂、SQ₃和SQ₀。其中，SQ₁为第2步转第3步、第4步转第5步的共同条件，SQ₂为第3步转第4步、第5步转第6步的共同条件。

当滑台快退至原始位置压到SQ₀时，S₀置“1”(即SQ₀为第7步转第1步的条件)，系统为下一循环作好准备。

图 8为液压动力滑台控制电路的外部连接图。

连接时，只需将所有转移信号依次接入控制器的输入端(I₁~I₇)，将控制器输出端(O₀~O₇)接到相应的执行机构上即可。

图 8中，SB₀、FR分别停车和过载信号，经并联后直接与控制器的Stop端连接。当SB₀或FR闭合时设备停止工作，当SB₀或FR断开后系统又自动对S₀进行置位。

由于该系统仅有7个状态(7步)，因此，使用时需将拨码开关SA-7置闭合(其他均需断开)位。当完成一次循环后，系统由第7步自动返回到第1步(初始状态)以便进行下一次工作循环。

控制器在一个工作循环内，移位寄存器的状态变化如下：10000000(初始)→01000000(第1次快进)→00100000(第1次工进)→00010000(第1次快退)→00001000(第2次快进)→00000100(第2次工进)→00000010(第2次快退)→10000001(第1次工作循环结束，并再次激活初始状态)。

应当指出的是，当液压动力滑台每次完成一个工作循环快退至原位时，Q₈的输出结果为“1”，导致O₈输出继电器吸合，但O₈并不参与控制，因此它不影响设备正常工作。

需要说明的是，上述电路仅考虑液压动力滑台的单循环工作。对滑台的其他功能(例如手动调整、多循环工作等)则只需在此基础上，对外围电路略作修改即可实现，这里不再累述。

实际应用表明，用串联型步进控制器替代原继电控制系统后，该组合深孔钻床的可靠性增加、故障率降低、能耗变少，取得了理想效果。

串联型步进控制系统外围电路连接简单，有固定规律可循，初学者经简单学习即可掌握。电路在调试时可先用扭子开关和信号指示灯模拟各转移条件和执行机构，待正确无误后再接入电路。

4 结束语

CMOS-CC4015步进控制器具有结构简单、体积小、功耗低、工作可靠、寿命长、价格低廉等优点。输入/输出(I/O)电路采用了光电隔离-耦合技术，因此，具有较强的抗干扰能力。控制器内部对各转移条件采用逻辑处理，这种处理类似于继电控制中的联锁，能有效避免误操作可能引发的事故。这种控制器在单机自动化设备应用中有一定的前景。

由于是通过硬件电路来实现移位，由此设计的控制器具有针对性，一旦控制对象的状态转移图结构不能用串联结构描述时，则需要对控制器电路进行重新设计。因此，这种控制器在通用性上还有待改进。