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氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的幾種控制方法
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、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(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(dòng)負(fù)載(閥門)工作。
三、氣動(dòng)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(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(duì)應(yīng)的4~20mA輸出及兩足常開常閉輸出觸點(diǎn)。通過這些輸出信號(hào),控制閥門的開關(guān)動(dòng)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(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(shí)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(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A/D轉(zhuǎn)換變成與閥門開度相對(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。閥門的開度信息通過D/A轉(zhuǎn)換后變成模擬信號(hào)輸出,用來(lái)接顯示儀顯示閥門開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(shí)間時(shí),電路中的看門狗將通過RESET信號(hào)向CPU作反應(yīng)。X5045提供了三個(gè)時(shí)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(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、常閉轉(zhuǎn)換觸點(diǎn)輸出。用來(lái)連接電磁閥,通過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(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上的兩個(gè)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(lái)顯示閥門的開關(guān)狀態(tài)。輸入模塊接收兩路閥門檢測(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,表示開閥。輸入順序?yàn)锽A表示關(guān)閥。閥門檢測(cè)脈沖A和B 信號(hào)必須部分疊加,否則不能正常檢測(cè)閥門開度。
通過PLC的輸出模塊OC225控制兩個(gè)繼電器,繼電器具有兩組常開常閉輸出觸點(diǎn),1組為開閥輸出觸點(diǎn),1組為關(guān)閥輸出觸點(diǎn)。開閥時(shí),當(dāng)閥門開度大于或等于所設(shè)閥門限位值時(shí)開閥輸出觸點(diǎn)動(dòng)作,閥門開度小于所設(shè)閥門限位值時(shí)開閥輸出觸點(diǎn)動(dòng)作,發(fā)明開度小于所設(shè)閥門限位值時(shí)開閥輸出觸點(diǎn)復(fù)位。關(guān)閥時(shí),當(dāng)閥門關(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。通過繼電器的吸合來(lái)控制兩個(gè)電磁閥的開關(guān),電磁閥打開后,便可以控制氣動(dòng)閥門執(zhí)行器使得閥門做相應(yīng)的開閥或關(guān)閥動(dòng)作。同時(shí)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(dòng)歸零與自動(dòng)調(diào)滿:控制系統(tǒng)具有自動(dòng)歸零與自動(dòng)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(shí)間大于或等于所設(shè)值穩(wěn)定時(shí)間值時(shí),PLC自動(dòng)控制閥門進(jìn)行歸零或自動(dòng)調(diào)滿。
在實(shí)驗(yàn)中,由閥門上的位置傳感器計(jì)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(shí),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(shí),表示閥門在開閥。傳感器接收到的是一個(gè)脈沖信號(hào),通過位置傳感器的采集信號(hào)來(lái)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(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(dòng)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(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的生產(chǎn)控制過程,并且實(shí)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(jiǎn)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(lái)說(shuō)要好一些。