一、引言

    氣動(dòng)馬達(dá)作為一種執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在工業(yè)生產(chǎn)和工業(yè)控制中起著很重要的作用。氣動(dòng)馬達(dá)使用空氣取代電力和液壓來(lái)產(chǎn)生動(dòng)力，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速，可瞬間啟動(dòng)、停滯和換向，具有自動(dòng)冷卻功能，無(wú)電火花，可在易燃易爆，如含有化學(xué)、易燃性或揮發(fā)性等物質(zhì)濕熱和多塵的環(huán)境下運(yùn)行，如礦區(qū)、隧道、油漆廠(chǎng)、化學(xué)工廠(chǎng)、石化、生物科技、藥廠(chǎng)、晶圓、半導(dǎo)體、光纖、兵工廠(chǎng)、船舶、養(yǎng)殖等行業(yè)用于驅(qū)動(dòng)，因用空氣作為動(dòng)力，容易獲得，用后空氣可以直接排入大氣無(wú)污染，壓縮空氣還可以進(jìn)行集中供給和遠(yuǎn)距離控制。

    二、氣動(dòng)閥門(mén)執(zhí)行器工作原理

    利用壓縮空氣推動(dòng)執(zhí)行期內(nèi)多組組合氣動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)，傳力給橫梁和內(nèi)曲線(xiàn)軌道的特性，帶動(dòng)空芯主軸作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，壓縮空氣氣盤(pán)輸至各缸，改變進(jìn)出氣位置以改變主軸旋轉(zhuǎn)方向，根據(jù)負(fù)載（閥門(mén)）所需旋轉(zhuǎn)扭矩的要求，可調(diào)整氣缸組合數(shù)目，帶動(dòng)負(fù)載（閥門(mén)）工作。

    三、氣動(dòng)閥門(mén)執(zhí)行器的控制方式

    由于現(xiàn)在的控制方式和手段越來(lái)越多，在實(shí)際工業(yè)生常和工業(yè)控制中，用來(lái)控制氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的方法也很多，常用的有以下幾種。

    （一）基于單片機(jī)開(kāi)發(fā)的智能顯示儀控制

    智能顯示儀是用來(lái)監(jiān)測(cè)閥門(mén)工作狀態(tài)，并控制閥門(mén)執(zhí)行期工作的儀器，它通過(guò)兩路位置傳感器監(jiān)視閥門(mén)的工作狀態(tài)，判斷閥門(mén)是處于開(kāi)閥還是關(guān)閥狀態(tài)，通過(guò)編程記錄閥門(mén)開(kāi)關(guān)的數(shù)字，并且有兩路與閥門(mén)開(kāi)度對(duì)應(yīng)的4～20mA輸出及兩足常開(kāi)常閉輸出觸點(diǎn)。通過(guò)這些輸出信號(hào)，控制閥門(mén)的開(kāi)關(guān)動(dòng)作。根據(jù)系統(tǒng)的要求，可將智能閥門(mén)顯示儀從硬件上分為3部分來(lái)設(shè)計(jì)：模擬部分、數(shù)字部分、按鍵/顯示部分。

    1．模擬電路部分主要包括電源、模擬量輸入電路、模擬量輸出電路三部分。

    電源部分供給整個(gè)電路能量，包括模擬電路、數(shù)字電路和顯示的能源供應(yīng)。為了實(shí)現(xiàn)閥門(mén)開(kāi)讀的遠(yuǎn)程控制，需要將閥門(mén)的開(kāi)度信息傳送給其他的控制儀表，同時(shí)控制儀表能從遠(yuǎn)方制定閥門(mén)為某一開(kāi)度，系統(tǒng)需要1路4～20mA的模擬量輸入信號(hào)和1～2路4～20mA的模擬量輸出信號(hào)。模擬量輸入信號(hào)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換變成與閥門(mén)開(kāi)度相對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)后送給數(shù)字部分的單片機(jī)，在單片機(jī)中對(duì)它進(jìn)行濾波處理后就可以輸出了。閥門(mén)的開(kāi)度信息通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換后變成模擬信號(hào)輸出，用來(lái)接顯示儀顯示閥門(mén)開(kāi)度或連接其他的控制設(shè)備。在本設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，所有的數(shù)字量數(shù)據(jù)均采用串行的輸入輸出方式，為了節(jié)省芯片資源和空間，輸入的4～20mA的模擬量在轉(zhuǎn)化為數(shù)字量時(shí)，采用已有的4路DA芯片與單片機(jī)的系統(tǒng)資源相結(jié)合作8位的AD使用。

    2．?dāng)?shù)字電路部分主要包括：?jiǎn)纹瑱C(jī)、掉電保護(hù)、兩路監(jiān)測(cè)脈沖輸入信號(hào)、兩路常開(kāi)常閉轉(zhuǎn)換觸點(diǎn)輸出。

    在設(shè)計(jì)方案中選用目前普遍使用的51系列單片機(jī)AT89C4051。AT89C4051是低電壓、高性能的CMOS8位微控制器，它具有4K字節(jié)的可擦除、可重復(fù)編程的只讀閃存。通過(guò)在單芯片內(nèi)復(fù)合一個(gè)多功能的8位CPU閃存，在性能、指令設(shè)定和引腳上與80C51和80C52完全兼容。

    考慮到在系統(tǒng)掉電或重新啟動(dòng)時(shí)，需要保持先前在儀表中設(shè)置的一些閥門(mén)參數(shù)，而單片機(jī)中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器不具備掉電存儲(chǔ)功能，所以在片外擴(kuò)展了一個(gè)具有掉電保存功能的芯片X5045。X5045是一種集看門(mén)狗、電源監(jiān)控和串行EEPROM3種功能于一身的可編程電路，這種組合設(shè)計(jì)可以減少電路對(duì)電路板空間的需求，X5045中的看門(mén)狗為系統(tǒng)提供了保護(hù)，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)送故障而超過(guò)設(shè)定時(shí)間時(shí)，電路中的看門(mén)狗將通過(guò)RESET信號(hào)向CPU作反應(yīng)。X5045提供了三個(gè)時(shí)間值供用戶(hù)選擇使用。它所具有的電壓監(jiān)控功能還可以保護(hù)系統(tǒng)免受低電壓的影響，當(dāng)電源電壓降到允許范圍以下時(shí)，系統(tǒng)將復(fù)位，直到電源電壓返回到穩(wěn)定值為止。X5045的存儲(chǔ)器與CPU可通過(guò)串行通信方式接口。共4069位，可以按512×8個(gè)字節(jié)來(lái)放置數(shù)據(jù)。

圖1

    X5045的管腳排列如圖1所示，它共有8個(gè)引腳，各個(gè)引腳的功能如下：

• CS：電路選擇端，低電平有效；
• SO：串行數(shù)據(jù)輸出端；
• SI：串行數(shù)據(jù)輸入端；
• SCK：串行時(shí)鐘輸出端；
• WP：寫(xiě)保護(hù)輸入端，低電平有效；
• RESET：復(fù)位輸出端；
• Vcc：電源端；
• Vss：接地端。

    檢測(cè)脈沖輸入信號(hào)電路如圖2所示。

圖2

    圖2為一路檢測(cè)脈沖輸入信號(hào)電路（另一路完全相同）。INA為輸入信號(hào)，是由光電傳感器采集到的閥門(mén)脈沖信號(hào)（>10mA）。該信號(hào)經(jīng)旁路電容濾波后送入光耦，轉(zhuǎn)換成了輸出的OUT電壓信號(hào)送入單片機(jī)。輸出的電壓可直接進(jìn)入單片機(jī)的I/O口。在控制中，要求A、B兩路脈沖都接收到的時(shí)候，才認(rèn)為是由信號(hào)輸入，AB為正轉(zhuǎn)，BA為反轉(zhuǎn)。只有一路信號(hào)輸入時(shí)不計(jì)數(shù)。

    兩路常開(kāi)、常閉轉(zhuǎn)換觸點(diǎn)輸出。用來(lái)連接電磁閥，通過(guò)控制電磁閥的吸合來(lái)控制氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)作相應(yīng)的開(kāi)閥或關(guān)閥動(dòng)作。

    3．顯示部分主要包括：?jiǎn)纹瑱C(jī)、4位LED顯示、3只狀態(tài)指示燈（自動(dòng)、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)）、3只按鍵（MODE/SET鍵、上鍵、下鍵）。

    顯示部分采用AT89C4051單片機(jī)，用來(lái)控制4位LED顯示，且同數(shù)字部分的單片機(jī)進(jìn)行通訊，還要對(duì)控制儀的模式做相應(yīng)的選擇和控制。顯示儀上設(shè)計(jì)有 3只狀態(tài)指示燈用來(lái)顯示執(zhí)行機(jī)構(gòu)的狀態(tài)：正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、自動(dòng)；3只按鍵：MODE/SET鍵、上鍵、下鍵，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作模式和一些參數(shù)的初始化。這3 部分通過(guò)接口連接，構(gòu)成一個(gè)完整的控制系統(tǒng)，可以對(duì)一些類(lèi)似氣動(dòng)馬達(dá)等的執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制。在實(shí)際應(yīng)用中基本實(shí)現(xiàn)了預(yù)先要求的各種性能指標(biāo)。

    （二）利用PLC來(lái)控制的系統(tǒng)

    PLC在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，由于本方案是在OMRON的PLC上面作的開(kāi)發(fā)，所以以O(shè)MRON的PLC來(lái)作介紹。

    硬件組成：1臺(tái)計(jì)算機(jī)，1套PLC（包括CPU，I/O模塊，ID212，OC224，AD003模塊），2個(gè)繼電器，2個(gè)電磁閥，1個(gè)氣動(dòng)閥門(mén)執(zhí)行器。

    其組成原理為：由PC機(jī)通過(guò)RS-232串口通訊連接OMRON的PLC，對(duì)PLC進(jìn)行編程和監(jiān)控。PLC的I/O模塊分別接入輸入、輸出信號(hào)，其中輸入模塊連接到閥門(mén)上的兩個(gè)位置傳感器，通過(guò)PLC的輸入模塊ID211的指示燈亮的先后順序來(lái)顯示閥門(mén)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。輸入模塊接收兩路閥門(mén)檢測(cè)脈沖輸入，即脈沖A與脈沖B。在運(yùn)行狀態(tài)下，脈沖A輸入時(shí)指示燈A亮，脈沖B輸入時(shí)指示燈B亮。輸入順序?yàn)锳B，表示開(kāi)閥。輸入順序?yàn)锽A表示關(guān)閥。閥門(mén)檢測(cè)脈沖A和B 信號(hào)必須部分疊加，否則不能正常檢測(cè)閥門(mén)開(kāi)度。

    通過(guò)PLC的輸出模塊OC225控制兩個(gè)繼電器，繼電器具有兩組常開(kāi)常閉輸出觸點(diǎn)，1組為開(kāi)閥輸出觸點(diǎn)，1組為關(guān)閥輸出觸點(diǎn)。開(kāi)閥時(shí)，當(dāng)閥門(mén)開(kāi)度大于或等于所設(shè)閥門(mén)限位值時(shí)開(kāi)閥輸出觸點(diǎn)動(dòng)作，閥門(mén)開(kāi)度小于所設(shè)閥門(mén)限位值時(shí)開(kāi)閥輸出觸點(diǎn)動(dòng)作，發(fā)明開(kāi)度小于所設(shè)閥門(mén)限位值時(shí)開(kāi)閥輸出觸點(diǎn)復(fù)位。關(guān)閥時(shí)，當(dāng)閥門(mén)關(guān)到零位且21s內(nèi)無(wú)脈沖輸入時(shí)關(guān)閥輸出觸點(diǎn)動(dòng)作；若21s內(nèi)有脈沖輸入，則延時(shí)21s關(guān)閥輸出觸點(diǎn)動(dòng)作。通過(guò)繼電器的吸合來(lái)控制兩個(gè)電磁閥的開(kāi)關(guān)，電磁閥打開(kāi)后，便可以控制氣動(dòng)閥門(mén)執(zhí)行器使得閥門(mén)做相應(yīng)的開(kāi)閥或關(guān)閥動(dòng)作。同時(shí)接近傳感器把閥門(mén)的開(kāi)關(guān)情況再傳送到PLC中，并同要求的閥門(mén)開(kāi)度作比較，直到符合要求為止。

    自動(dòng)歸零與自動(dòng)調(diào)滿(mǎn)：控制系統(tǒng)具有自動(dòng)歸零與自動(dòng)調(diào)滿(mǎn)功能，當(dāng)閥門(mén)開(kāi)度小于歸零范圍值或閥門(mén)開(kāi)度距滿(mǎn)量程小于滿(mǎn)度調(diào)節(jié)范圍值，且時(shí)間大于或等于所設(shè)值穩(wěn)定時(shí)間值時(shí)，PLC自動(dòng)控制閥門(mén)進(jìn)行歸零或自動(dòng)調(diào)滿(mǎn)。

    在實(shí)驗(yàn)中，由閥門(mén)上的位置傳感器計(jì)算閥門(mén)的開(kāi)度。

    當(dāng)閥門(mén)先離開(kāi)A傳感器，后離開(kāi)B傳感器時(shí)，表示閥門(mén)在關(guān)閥。當(dāng)閥門(mén)先離開(kāi)B傳感器，后離開(kāi)A傳感器時(shí)，表示閥門(mén)在開(kāi)閥。傳感器接收到的是一個(gè)脈沖信號(hào)，通過(guò)位置傳感器的采集信號(hào)來(lái)記下閥門(mén)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。記錄開(kāi)閥和關(guān)閥脈沖的本分梯形圖如圖3所示。

圖3

    在上位機(jī)中用編程軟件CX-programmer編寫(xiě)梯形圖，然后把梯形圖下載到PLC中運(yùn)行，在上位機(jī)的組態(tài)軟件中進(jìn)行控制和監(jiān)控，閥門(mén)開(kāi)關(guān)量的多少可由組態(tài)軟件界面輸入的圈數(shù)值確定。組態(tài)界面做好后，開(kāi)閥、關(guān)閥、停止、總開(kāi)關(guān)等控件的控制和動(dòng)作可以直接在組態(tài)界面中很直觀(guān)形象地進(jìn)行操作。

    四、結(jié)束語(yǔ)

    前面介紹的兩種氣動(dòng)馬達(dá)的控制方法，已經(jīng)用于一些石油化工廠(chǎng)的生產(chǎn)控制過(guò)程，并且實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的要求功能控制，單片機(jī)開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制方便。用PLC開(kāi)發(fā)的控制系統(tǒng)，初期投資比較大，但其在穩(wěn)定性和控制精度等方面比起單片機(jī)的開(kāi)發(fā)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)要好一些。