一、引言

    氣動馬達(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。氣動馬達(dá)使用空氣取代電力和液壓來產(chǎn)生動力，可以實現(xiàn)無級變速，可瞬間啟動、停滯和換向，具有自動冷卻功能，無電火花，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)境下運行，如礦區(qū)、隧道、油漆廠、化學(xué)工廠、石化、生物科技、藥廠、晶圓、半導(dǎo)體、光纖、兵工廠、船舶、養(yǎng)殖等行業(yè)用于驅(qū)動，因用空氣作為動力，容易獲得，用后空氣可以直接排入大氣無污染，壓縮空氣還可以進(jìn)行集中供給和遠(yuǎn)距離控制。

    二、氣動閥門執(zhí)行器工作原理

    利用壓縮空氣推動執(zhí)行期內(nèi)多組組合氣動活塞運動，傳力給橫梁和內(nèi)曲線軌道的特性，帶動空芯主軸作旋轉(zhuǎn)運動，壓縮空氣氣盤輸至各缸，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）所需旋轉(zhuǎn)扭矩的要求，可調(diào)整氣缸組合數(shù)目，帶動負(fù)載（閥門）工作。

    三、氣動閥門執(zhí)行器的控制方式

    由于現(xiàn)在的控制方式和手段越來越多，在實際工業(yè)生常和工業(yè)控制中，用來控制氣動執(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)開發(fā)的智能顯示儀控制

    智能顯示儀是用來監(jiān)測閥門工作狀態(tài)，并控制閥門執(zhí)行期工作的儀器，它通過兩路位置傳感器監(jiān)視閥門的工作狀態(tài)，判斷閥門是處于開閥還是關(guān)閥狀態(tài)，通過編程記錄閥門開關(guān)的數(shù)字，并且有兩路與閥門開度對應(yīng)的4～20mA輸出及兩足常開常閉輸出觸點。通過這些輸出信號，控制閥門的開關(guān)動作。根據(jù)系統(tǒng)的要求，可將智能閥門顯示儀從硬件上分為3部分來設(shè)計：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)。為了實現(xiàn)閥門開讀的遠(yuǎn)程控制，需要將閥門的開度信息傳送給其他的控制儀表，同時控制儀表能從遠(yuǎn)方制定閥門為某一開度，系統(tǒng)需要1路4～20mA的模擬量輸入信號和1～2路4～20mA的模擬量輸出信號。模擬量輸入信號通過A/D轉(zhuǎn)換變成與閥門開度相對應(yīng)的數(shù)字信號后送給數(shù)字部分的單片機(jī)，在單片機(jī)中對它進(jìn)行濾波處理后就可以輸出了。閥門的開度信息通過D/A轉(zhuǎn)換后變成模擬信號輸出，用來接顯示儀顯示閥門開度或連接其他的控制設(shè)備。在本設(shè)計系統(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，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：單片機(jī)、掉電保護(hù)、兩路監(jiān)測脈沖輸入信號、兩路常開常閉轉(zhuǎn)換觸點輸出。

    在設(shè)計方案中選用目前普遍使用的51系列單片機(jī)AT89C4051。AT89C4051是一款低電壓、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。通過在單芯片內(nèi)復(fù)合一個多功能的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)掉電或重新啟動時，需要保持先前在儀表中設(shè)置的一些閥門參數(shù)，而單片機(jī)中的數(shù)據(jù)存儲器不具備掉電存儲功能，所以在片外擴(kuò)展了一個具有掉電保存功能的芯片X5045。X5045是一種集看門狗、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)計可以減少電路對電路板空間的需求，X5045中的看門狗為系統(tǒng)提供了保護(hù)，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)送故障而超過設(shè)定時間時，電路中的看門狗將通過RESET信號向CPU作反應(yīng)。X5045提供了三個時間值供用戶選擇使用。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，系統(tǒng)將復(fù)位，直到電源電壓返回到穩(wěn)定值為止。X5045的存儲器與CPU可通過串行通信方式接口。共4069位，可以按512×8個字節(jié)來放置數(shù)據(jù)。

圖1

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

• 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：串行時鐘輸出端；
• WP：寫保護(hù)輸入端，低電平有效；
• RESET：復(fù)位輸出端；
• Vcc：電源端；
• Vss：接地端。

    檢測脈沖輸入信號電路如圖2所示。

圖2

    圖2為一路檢測脈沖輸入信號電路（另一路完全相同）。INA為輸入信號，是由光電傳感器采集到的閥門脈沖信號（>10mA）。該信號經(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候，才認(rèn)為是由信號輸入，AB為正轉(zhuǎn)，BA為反轉(zhuǎn)。只有一路信號輸入時不計數(shù)。

    兩路常開、常閉轉(zhuǎn)換觸點輸出。用來連接電磁閥，通過控制電磁閥的吸合來控制氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)作相應(yīng)的開閥或關(guān)閥動作。

    3．顯示部分主要包括：單片機(jī)、4位LED顯示、3只狀態(tài)指示燈（自動、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，還要對控制儀的模式做相應(yīng)的選擇和控制。顯示儀上設(shè)計有 3只狀態(tài)指示燈用來顯示執(zhí)行機(jī)構(gòu)的狀態(tài)：正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、自動；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 部分通過接口連接，構(gòu)成一個完整的控制系統(tǒng)，可以對一些類似氣動馬達(dá)等的執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制。在實際應(yīng)用中基本實現(xiàn)了預(yù)先要求的各種性能指標(biāo)。

    （二）利用PLC來控制的系統(tǒng)

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

    硬件組成：1臺計算機(jī)，1套PLC（包括CPU，I/O模塊，ID212，OC224，AD003模塊），2個繼電器，2個電磁閥，1個氣動閥門執(zhí)行器。

    其組成原理為：由PC機(jī)通過RS-232串口通訊連接OMRON的PLC，對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，其中輸入模塊連接到閥門上的兩個位置傳感器，通過PLC的輸入模塊ID211的指示燈亮的先后順序來顯示閥門的開關(guān)狀態(tài)。輸入模塊接收兩路閥門檢測脈沖輸入，即脈沖A與脈沖B。在運行狀態(tài)下，脈沖A輸入時指示燈A亮，脈沖B輸入時指示燈B亮。輸入順序為AB，表示開閥。輸入順序為BA表示關(guān)閥。閥門檢測脈沖A和B 信號必須部分疊加，否則不能正常檢測閥門開度。

    通過PLC的輸出模塊OC225控制兩個繼電器，繼電器具有兩組常開常閉輸出觸點，1組為開閥輸出觸點，1組為關(guān)閥輸出觸點。開閥時，當(dāng)閥門開度大于或等于所設(shè)閥門限位值時開閥輸出觸點動作，閥門開度小于所設(shè)閥門限位值時開閥輸出觸點動作，發(fā)明開度小于所設(shè)閥門限位值時開閥輸出觸點復(fù)位。關(guān)閥時，當(dāng)閥門關(guān)到零位且21s內(nèi)無脈沖輸入時關(guān)閥輸出觸點動作；若21s內(nèi)有脈沖輸入，則延時21s關(guān)閥輸出觸點動作。通過繼電器的吸合來控制兩個電磁閥的開關(guān)，電磁閥打開后，便可以控制氣動閥門執(zhí)行器使得閥門做相應(yīng)的開閥或關(guān)閥動作。同時接近傳感器把閥門的開關(guān)情況再傳送到PLC中，并同要求的閥門開度作比較，直到符合要求為止。

    自動歸零與自動調(diào)滿：控制系統(tǒng)具有自動歸零與自動調(diào)滿功能，當(dāng)閥門開度小于歸零范圍值或閥門開度距滿量程小于滿度調(diào)節(jié)范圍值，且時間大于或等于所設(shè)值穩(wěn)定時間值時，PLC自動控制閥門進(jìn)行歸零或自動調(diào)滿。

    在實驗中，由閥門上的位置傳感器計算閥門的開度。

    當(dāng)閥門先離開A傳感器，后離開B傳感器時，表示閥門在關(guān)閥。當(dāng)閥門先離開B傳感器，后離開A傳感器時，表示閥門在開閥。傳感器接收到的是一個脈沖信號，通過位置傳感器的采集信號來記下閥門的開關(guān)狀態(tài)。記錄開閥和關(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編寫梯形圖，然后把梯形圖下載到PLC中運行，在上位機(jī)的組態(tài)軟件中進(jìn)行控制和監(jiān)控，閥門開關(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，開閥、關(guān)閥、停止、總開關(guān)等控件的控制和動作可以直接在組態(tài)界面中很直觀形象地進(jìn)行操作。

    四、結(jié)束語

    前面介紹的兩種氣動馬達(dá)的控制方法，已經(jīng)用于一些石油化工廠的生產(chǎn)控制過程，并且實現(xiàn)了預(yù)期的要求功能控制，單片機(jī)開發(fā)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，控制方便。用PLC開發(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)的開發(fā)系統(tǒng)來說要好一些。