一、引（yǐn）言
氣動馬達作為一種執行（háng）機構，在工業生（shēng）產和工業控製中起著很重要的作用。氣（qì）動馬（mǎ）達使用空氣取代電力和液壓來產生動（dòng）力，可以（yǐ）實現無級變速，可瞬間啟動、停滯和換向，具（jù）有自動冷卻功能（néng），無電火花，可在易（yì）燃（rán）易爆，如含有化學、易燃性（xìng）或揮發性等物質濕熱（rè）和多塵的環境（jìng）下運行，如礦區、隧道、油（yóu）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、養殖等行業用於驅動，因用空氣作為動（dòng）力，容易獲得，用後（hòu）空（kōng）氣可以直接排入大氣無汙染，壓縮空氣還可以進行集中供給和遠距離（lí）控製。
二、氣動閥門執行器工作原理
利用壓縮空（kōng）氣推動執（zhí）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（tè）性，帶動空芯主軸作旋轉運動，壓縮空氣氣（qì）盤輸至各缸，改變進（jìn）出氣位置以（yǐ）改（gǎi）變主（zhǔ）軸旋轉方向，根據負載（閥門）所需旋轉扭矩的（de）要求，可調整（zhěng）氣缸組合數目，帶動負載（閥門）工作。
三、氣動閥門執行器的控製方式
由於現在的控製方式（shì）和手段越來越多，在實際工業生常和工業控製中，用（yòng）來控（kòng）製氣動執（zhí）行機（jī）構（gòu）的方法也很多，常用的（de）有以下幾（jǐ）種（zhǒng）。
（一）基於單片機開發的智能顯示儀控製
智能顯示儀是用來監（jiān）測閥門（mén）工作狀態，並控製閥門執（zhí）行期工作的儀器，它（tā）通過兩路位置傳感器監（jiān）視閥門的工作狀態，判斷閥門是處於開閥還是關閥狀態，通過編（biān）程記錄閥門開關的數字，並且有兩路與閥門開度對應的4～20mA輸出及兩足常（cháng）開常閉輸出觸點。通過這些輸出信號，控製閥門的開關動作。根據係統的要求，可將（jiāng）智能閥（fá）門顯示儀從（cóng）硬件上分（fèn）為3部分（fèn）來設計：模擬部分、數字部分、按（àn）鍵（jiàn）/顯示部分。
1．模擬電路部分主要包括電源、模擬（nǐ）量輸（shū）入（rù）電路、模擬量輸出（chū）電路三部（bù）分。
電源部分供給整個電路能量，包括模擬電路（lù）、數字電（diàn）路和顯示（shì）的能源供應。為了實現閥門開讀的遠（yuǎn）程控製，需要（yào）將（jiāng）閥（fá）門的開度信息傳送給其他的控製儀表，同時控製儀表能從遠方製（zhì）定（dìng）閥門為某一開度，係統需要1路4～20mA的（de）模擬量輸入信號和（hé）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（duì）應的數字信號（hào）後送給（gěi）數字部分的單片機，在單片機中對它進（jìn）行濾波處理後就可（kě）以輸出了。閥門的開度信息通（tōng）過（guò）D/A轉換後變成模擬信號輸出，用來（lái）接顯示儀顯（xiǎn）示閥（fá）門開度（dù）或連接其他的控製設（shè）備。在本設計係統中，所有的數字量數據均采用串行的輸（shū）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（yǐ）有（yǒu）的4路DA芯片與（yǔ）單片（piàn）機的係（xì）統資源相結合作8位的AD使用。
2．數（shù）字電路部分主要包括：單片機、掉（diào）電保護、兩路監測脈衝輸入信號、兩路常開常閉轉（zhuǎn）換觸點輸出。
在（zài）設計（jì）方案中選用目前普遍使用的（de）51係列單片機AT89C4051。AT89C4051是一款低電壓、高性能的CMOS8位（wèi）微控製器，它具有4K字節的可擦除、可重複編程的隻讀閃存。通過在單芯片內複合一個多功能的8位CPU閃存，在性能、指令設（shè）定和引腳上（shàng）與80C51和80C52完（wán）全兼容。
考慮到（dào）在（zài）係統掉電或重新啟（qǐ）動時（shí），需要保持先前在（zài）儀表中設置的一些閥（fá）門參數（shù），而單片機中的數據存（cún）儲器不具備掉電存儲功能（néng），所以在片外擴展了一個（gè）具有掉電保存功能（néng）的芯片X5045。X5045是一種集看門狗、電源監控和串行EEPROM3種功能於一身的可編程電路，這種組合設計可以減少電路對（duì）電（diàn）路板空（kōng）間的需求，X5045中的（de）看門（mén）狗為係統提供了保護，當（dāng）係統發（fā）送故障而超過設定時間時，電路中的（de）看門狗將通過（guò）RESET信號向CPU作反（fǎn）應。X5045提供了三個時間值供用戶選擇使（shǐ）用。它所具（jù）有的（de）電壓監控功能還可以保護係統免受低電壓的影響，當電源電壓降到允許範圍以下時，係統將複位，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（zì）節來放置數據。
圖1
X5045的（de）管腳排列如圖1所示，它共有（yǒu）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（háng）數據輸出端；
- SI：串行數據（jù）輸入端；
- SCK：串行時鍾輸出端；
- WP：寫保護輸入端（duān），低電（diàn）平有效；
- RESET：複位輸出端；
- Vcc：電源端；
- Vss：接地端。
檢測脈衝輸入信號電路如圖2所示。
圖2
圖2為一路檢測脈衝輸入信號（hào）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衝信號（>10mA）。該信號經旁路電容濾波後送入光耦，轉換成了輸出的OUT電壓信號送（sòng）入單（dān）片機。輸出的電壓（yā）可直接進入單片機的I/O口（kǒu）。在控製（zhì）中，要求A、B兩路脈衝都接收到的時（shí）候（hòu），才認為（wéi）是由信號輸入，AB為正轉（zhuǎn），BA為反轉。隻有（yǒu）一路信號輸入時不計數。
兩（liǎng）路常開、常閉轉換觸點輸出。用來連（lián）接電磁閥，通過控製電磁（cí）閥的吸合（hé）來控製氣動執（zhí）行（háng）機構作相應的開閥或關閥動作。
3．顯示部（bù）分（fèn）主要包括：單片機、4位LED顯示、3隻狀態指示燈（自動、正轉、反轉）、3隻按鍵（jiàn）（MODE/SET鍵、上鍵、下（xià）鍵）。
顯（xiǎn）示部分采（cǎi）用AT89C4051單片機，用來控製4位LED顯示，且（qiě）同數字部分的單片機進行通訊，還要（yào）對控製儀的模式做相應的選擇（zé）和控製（zhì）。顯示儀上設計有 3隻狀態指示燈用來顯示執行機構的狀態：正轉（zhuǎn）、反轉、自動（dòng）；3隻按鍵：MODE/SET鍵、上鍵、下鍵（jiàn），控製執行機構的工作模（mó）式和（hé）一些參數的（de）初始化。這（zhè）3 部分通過接口連接，構成一個完整的控製係統，可以對一些類似氣動（dòng）馬達等的執行機構進行控製。在實際應（yīng）用（yòng）中基本實現了預先要求的各種（zhǒng）性能指標。
（二）利用PLC來控製的係統
PLC在控製係統中的應用越來越廣泛，由於本方案（àn）是在OMRON的PLC上（shàng）麵作的開發，所以以OMRON的PLC來作介紹。
硬（yìng）件組成：1台計算機，1套（tào）PLC（包括（kuò）CPU，I/O模塊，ID212，OC224，AD003模（mó）塊），2個繼電器，2個電磁閥，1個氣動閥（fá）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（rù）模塊連接到閥門上的（de）兩個位置傳感器，通過PLC的輸入模塊ID211的指示燈亮的先後順序來顯示閥門的開關狀（zhuàng）態。輸入模塊接收兩路閥門檢測（cè）脈衝輸入，即脈衝A與脈衝B。在運行狀態下，脈衝A輸入時指示燈A亮，脈衝B輸（shū）入時指示燈B亮。輸入順序為AB，表（biǎo）示開閥。輸入順序為BA表示關閥。閥門檢測脈衝A和B 信號必須部分疊加（jiā），否則不能正常檢（jiǎn）測閥門開度。
通過PLC的輸出模塊OC225控製兩個繼電器，繼電器（qì）具有兩組常開常閉輸出觸點，1組為開閥輸出觸點（diǎn），1組為關閥輸出觸點（diǎn）。開閥時（shí），當（dāng）閥門開度大於或等於所設閥門限位值時開閥輸出觸點動作，閥門開度小於（yú）所設閥門限位值時開閥輸出觸點動（dòng）作，發明（míng）開度小於所設閥門限位值（zhí）時開閥（fá）輸出觸點複位。關閥時，當閥門關到零位且21s內無脈衝輸入時關閥輸出觸點動作；若（ruò）21s內有脈衝輸入，則延時（shí）21s關閥輸出觸點動作。通過繼電器的吸合來控製兩個電磁閥的開關，電磁閥打開後，便可以（yǐ）控製氣動閥門執行器使（shǐ）得閥門做相應（yīng）的（de）開閥或關閥動（dòng）作（zuò）。同時接近傳感器把閥（fá）門（mén）的開關情況再傳送到PLC中，並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：控製係統具有（yǒu）自動歸零（líng）與自動調滿功能，當閥門開度小於歸（guī）零範（fàn）圍值或閥門開度距滿量程小（xiǎo）於滿度調節（jiē）範圍（wéi）值，且時間大於或等於所（suǒ）設值穩定（dìng）時間值時，PLC自（zì）動控製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（dāng）閥門先離（lí）開A傳感器，後離開B傳感器時，表（biǎo）示閥門在關閥。當閥門先離（lí）開（kāi）B傳感器，後離（lí）開A傳感器時，表示閥門在開閥（fá）。傳（chuán）感器接收到的是一（yī）個脈衝信號，通過位置傳感器的采集信號（hào）來記下閥門的（de）開關狀態。記錄開閥和關閥脈衝的本分梯形圖如圖3所示。
圖（tú）3
在上（shàng）位機中用編程軟（ruǎn）件CX-programmer編寫梯形圖，然後把梯形圖下（xià）載到PLC中運（yùn）行，在上位機的組態軟件中進行控製（zhì）和監控，閥門開關量的多少可由（yóu）組態軟件界麵輸入（rù）的（de）圈數值確定。組態界麵做（zuò）好後，開閥、關閥、停止、總開關等控件的控製和（hé）動作（zuò）可以直接在組態界麵（miàn）中很直觀形象地進行操作。
四、結束語
前麵介紹的兩（liǎng）種（zhǒng）氣動馬達的（de）控製方法，已經用於一些石（shí）油化工廠的生（shēng）產控製過程，並且實現了預期的（de）要求功（gōng）能控製，單（dān）片（piàn）機開發的係統結構簡單，控製方便。用（yòng）PLC開（kāi）發的控製係統，初期投資比較大，但其在穩定性和（hé）控（kòng）製精度等方（fāng）麵比起單片機（jī）的（de）開發係統來說要（yào）好一（yī）些。