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氣動執(zhí)行機構的幾種控制方法

日期:2025-04-26 23:40
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摘要:
 
 

氣動執(zhí)行機構的幾種控制方法

     
本文以氣動執(zhí)行機構為研究對象,簡要介紹了幾種常見的控制方法,并結合實際開發(fā)經驗,介紹各種控制方法的設計過程及其特點。
 


    一、引言

    氣動馬達作為一種執(zhí)行機構,在工業(yè)生產和工業(yè)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(fā)性等物質濕熱和多塵的環(huán)境下運行,如礦區(qū)、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(yǎng)殖等行業(yè)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(zhí)行器工作原理

    利用壓縮空氣推動執(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(zhí)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(yè)生常和工業(yè)控制中,用來控制氣動執(zhí)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(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閥狀態(tài),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(tǒng)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(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(tǒng)中,所有的數字量數據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的模擬量在轉化為數字量時,采用已有的4路DA芯片與單片機的系統(tǒng)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(jiān)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(tǒng)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(jiān)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(tǒng)提供了保護,當系統(tǒng)發(fā)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(jiān)控功能還可以保護系統(tǒng)免受低電壓的影響,當電源電壓降到允許范圍以下時,系統(tǒng)將復位,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(zhí)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(tài)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(tài)指示燈用來顯示執(zhí)行機構的狀態(tài):正轉、反轉、自動;3只按鍵:MODE/SET鍵、上鍵、下鍵,控制執(zhí)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(tǒng),可以對一些類似氣動馬達等的執(zhí)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(tǒng)

    PLC在控制系統(tǒng)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(fā),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(zhí)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(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(fā)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(zhí)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(tǒng)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(jié)范圍值,且時間大于或等于所設值穩(wěn)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(tài)。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(tài)軟件中進行控制和監(jiān)控,閥門開關量的多少可由組態(tài)軟件界面輸入的圈數值確定。組態(tài)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(tài)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(fā)的系統(tǒng)結構簡單,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的開發(fā)系統(tǒng)來說要好一些。

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