一、引言

    氣動馬達作為一種執行機構，在工業生產和工業控制中起著很重要的作用。氣動馬達使用空氣取代電力和液壓來產生動力，可以實現無級變速，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、易燃性或揮發性等物質濕熱和多塵的環境下運行，如礦區、隧道、油漆廠、化學工廠、石化、生物科技、藥廠、晶圓、半導體、光纖、兵工廠、船舶、養殖等行業用于驅動，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，壓縮空氣還可以進行集中供給和遠距離控制。

    二、氣動閥門執行器工作原理

    利用壓縮空氣推動執行期內多組組合氣動活塞運動，傳力給橫梁和內曲線軌道的特性，帶動空芯主軸作旋轉運動，壓縮空氣氣盤輸至各缸，改變進出氣位置以改變主軸旋轉方向，根據負載（閥門）所需旋轉扭矩的要求，可調整氣缸組合數目，帶動負載（閥門）工作。

    三、氣動閥門執行器的控制方式

    由于現在的控制方式和手段越來越多，在實際工業生常和工業控制中，用來控制氣動執行機構的方法也很多，常用的有以下幾種。

    （一）基于單片機開發的智能顯示儀控制

    智能顯示儀是用來監測閥門工作狀態，并控制閥門執行期工作的儀器，它通過兩路位置傳感器監視閥門的工作狀態，判斷閥門是處于開閥還是關閥狀態，通過編程記錄閥門開關的數字，并且有兩路與閥門開度對應的4～20mA輸出及兩足常開常閉輸出觸點。通過這些輸出信號，控制閥門的開關動作。根據系統的要求，可將智能閥門顯示儀從硬件上分為3部分來設計：模擬部分、數字部分、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、數字電路和顯示的能源供應。為了實現閥門開讀的遠程控制，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方制定閥門為某一開度，系統需要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轉換變成與閥門開度相對應的數字信號后送給數字部分的單片機，在單片機中對它進行濾波處理后就可以輸出了。閥門的開度信息通過D/A轉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備。在本設計系統中，所有的數字量數據均采用串行的輸入輸出方式，為了節省芯片資源和空間，輸入的4～20mA的模擬量在轉化為數字量時，采用已有的4路DA芯片與單片機的系統資源相結合作8位的AD使用。

    2．數字電路部分主要包括：單片機、掉電保護、兩路監測脈沖輸入信號、兩路常開常閉轉換觸點輸出。

    在設計方案中選用目前普遍使用的51系列單片機AT89C4051。AT89C4051是一款低電壓、高性能的CMOS8位微控制器，它具有4K字節的可擦除、可重復編程的只讀閃存。通過在單芯片內復合一個多功能的8位CPU閃存，在性能、指令設定和引腳上與80C51和80C52完全兼容。

    考慮到在系統掉電或重新啟動時，需要保持先前在儀表中設置的一些閥門參數，而單片機中的數據存儲器不具備掉電存儲功能，所以在片外擴展了一個具有掉電保存功能的芯片X5045。X5045是一種集看門狗、電源監控和串行EEPROM3種功能于一身的可編程電路，這種組合設計可以減少電路對電路板空間的需求，X5045中的看門狗為系統提供了保護，當系統發送故障而超過設定時間時，電路中的看門狗將通過RESET信號向CPU作反應。X5045提供了三個時間值供用戶選擇使用。它所具有的電壓監控功能還可以保護系統免受低電壓的影響，當電源電壓降到允許范圍以下時，系統將復位，直到電源電壓返回到穩定值為止。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個字節來放置數據。

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：串行數據輸出端；
• SI：串行數據輸入端；
• SCK：串行時鐘輸出端；
• WP：寫保護輸入端，低電平有效；
• RESET：復位輸出端；
• 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）。該信號經旁路電容濾波后送入光耦，轉換成了輸出的OUT電壓信號送入單片機。輸出的電壓可直接進入單片機的I/O口。在控制中，要求A、B兩路脈沖都接收到的時候，才認為是由信號輸入，AB為正轉，BA為反轉。只有一路信號輸入時不計數。

    兩路常開、常閉轉換觸點輸出。用來連接電磁閥，通過控制電磁閥的吸合來控制氣動執行機構作相應的開閥或關閥動作。

    3．顯示部分主要包括：單片機、4位LED顯示、3只狀態指示燈（自動、正轉、反轉）、3只按鍵（MODE/SET鍵、上鍵、下鍵）。

    顯示部分采用AT89C4051單片機，用來控制4位LED顯示，且同數字部分的單片機進行通訊，還要對控制儀的模式做相應的選擇和控制。顯示儀上設計有 3只狀態指示燈用來顯示執行機構的狀態：正轉、反轉、自動；3只按鍵：MODE/SET鍵、上鍵、下鍵，控制執行機構的工作模式和一些參數的初始化。這3 部分通過接口連接，構成一個完整的控制系統，可以對一些類似氣動馬達等的執行機構進行控制。在實際應用中基本實現了預先要求的各種性能指標。

    （二）利用PLC來控制的系統

    PLC在控制系統中的應用越來越廣泛，由于本方案是在OMRON的PLC上面作的開發，所以以OMRON的PLC來作介紹。

    硬件組成：1臺計算機，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個氣動閥門執行器。

    其組成原理為：由PC機通過RS-232串口通訊連接OMRON的PLC，對PLC進行編程和監控。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狀態。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組為關閥輸出觸點。開閥時，當閥門開度大于或等于所設閥門限位值時開閥輸出觸點動作，閥門開度小于所設閥門限位值時開閥輸出觸點動作，發明開度小于所設閥門限位值時開閥輸出觸點復位。關閥時，當閥門關到零位且21s內無脈沖輸入時關閥輸出觸點動作；若21s內有脈沖輸入，則延時21s關閥輸出觸點動作。通過繼電器的吸合來控制兩個電磁閥的開關，電磁閥打開后，便可以控制氣動閥門執行器使得閥門做相應的開閥或關閥動作。同時接近傳感器把閥門的開關情況再傳送到PLC中，并同要求的閥門開度作比較，直到符合要求為止。

    自動歸零與自動調滿：控制系統具有自動歸零與自動調滿功能，當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節范圍值，且時間大于或等于所設值穩定時間值時，PLC自動控制閥門進行歸零或自動調滿。

    在實驗中，由閥門上的位置傳感器計算閥門的開度。

    當閥門先離開A傳感器，后離開B傳感器時，表示閥門在關閥。當閥門先離開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狀態。記錄開閥和關閥脈沖的本分梯形圖如圖3所示。

圖3

    在上位機中用編程軟件CX-programmer編寫梯形圖，然后把梯形圖下載到PLC中運行，在上位機的組態軟件中進行控制和監控，閥門開關量的多少可由組態軟件界面輸入的圈數值確定。組態界面做好后，開閥、關閥、停止、總開關等控件的控制和動作可以直接在組態界面中很直觀形象地進行操作。

    四、結束語

    前面介紹的兩種氣動馬達的控制方法，已經用于一些石油化工廠的生產控制過程，并且實現了預期的要求功能控制，單片機開發的系統結構簡單，控制方便。用PLC開發的控制系統，初期投資比較大，但其在穩定性和控制精度等方面比起單片機的開發系統來說要好一些。