一、引（yǐn）言
氣動馬達作為一種（zhǒng）執行機構，在工業生產和工業控製中起著很重要（yào）的作用。氣（qì）動馬達使用空氣（qì）取代電力（lì）和液壓來產生動力，可以實現無級變（biàn）速，可瞬間（jiān）啟動、停滯和換（huàn）向，具有自動冷卻功（gōng）能，無電火花，可在易燃易爆，如含有化學、易（yì）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（xué）工廠、石化、生物科技、藥廠、晶圓、半導體（tǐ）、光纖、兵工廠、船舶、養殖等行業用於（yú）驅動，因用空氣作為動力，容易獲得，用後空氣可以（yǐ）直接排入（rù）大氣無汙染，壓（yā）縮空氣還可以進行集中（zhōng）供給和遠距離控製。
二、氣動閥門執行器工作原理（lǐ）
利用壓縮空氣（qì）推動執行期內多組組合氣動活塞（sāi）運動，傳力給橫梁和內曲線軌道的特性，帶動空（kōng）芯主軸作旋轉運動，壓（yā）縮空氣氣盤輸（shū）至各缸，改（gǎi）變進出氣位置以改變主軸（zhóu）旋（xuán）轉方向（xiàng），根據負載（閥門）所需旋（xuán）轉扭矩的要求，可調整氣缸組合數目，帶動負載（zǎi）（閥門）工作（zuò）。
三、氣動閥門執行器的控製方式
由於現在的控製方式和手（shǒu）段越來越多，在實際工業生（shēng）常和工業控製中，用來控製（zhì）氣動執行機構的方（fāng）法也很多，常用（yòng）的有以下幾種（zhǒng）。
（一）基於單片機開發的（de）智能顯示儀控製
智能顯示儀是（shì）用（yòng）來監測閥門工作狀態，並控製閥門執行期（qī）工作的儀（yí）器（qì），它通過兩路位置（zhì）傳感器監視閥門的工作狀態，判斷閥門是處於開閥還是關閥狀態，通過編（biān）程記錄閥（fá）門開關（guān）的數字，並且有兩（liǎng）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（diǎn）。通過這些輸出信號，控製（zhì）閥門（mén）的開關動作。根據係（xì）統的要求，可將智能閥門顯示（shì）儀從硬件上分為3部分來設計：模擬部（bù）分、數字部（bù）分、按鍵/顯示部分。
1．模擬電路部分主要包括電源、模擬量（liàng）輸入電路、模擬量輸出電路（lù）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（yuǎn）程控製，需（xū）要將閥門的開度信息傳送給其（qí）他的控製儀表，同時控製儀（yí）表能從遠方製定閥門為某一開度，係統需要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（xìn）號（hào）。模擬量輸入（rù）信號通過A/D轉換變成與閥門開度相對應的數字信號後送給數字部分的單片機，在單片機（jī）中對它進行濾（lǜ）波處理後就可以輸出了。閥門的開度（dù）信息通過D/A轉換後變成模（mó）擬信號輸出，用來接顯（xiǎn）示儀顯示閥門（mén）開度或連接其他的控製設備。在本設計（jì）係統中，所有的數字量數據均采用串（chuàn）行（háng）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（mó）擬量在轉化為（wéi）數字量時，采用已有的4路DA芯片與單片機的係統資源相（xiàng）結合作8位的AD使用。
2．數字電路部分主要包括：單片機、掉（diào）電（diàn）保護、兩路監測脈衝輸入信號、兩（liǎng）路常開常閉轉換觸點輸（shū）出。
在設計方（fāng）案（àn）中選用目前普遍使用的51係列單片機AT89C4051。AT89C4051是一款低電壓、高性能的CMOS8位微控製器，它具有4K字節的可擦除、可（kě）重複編程（chéng）的隻讀閃（shǎn）存。通過在單芯片內複合一個多功能的8位CPU閃存，在性能、指令設定和引腳上與80C51和80C52完全兼容。
考慮到在係統掉電或重新啟動時，需要保持（chí）先（xiān）前在儀表中設置的一些閥門參數，而單（dān）片機中的數（shù）據存儲器不具備掉電存儲功能，所以（yǐ）在片外（wài）擴展了（le）一個具有掉（diào）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（gōng）能（néng）於一身的可編程電路，這種（zhǒng）組合設計（jì）可（kě）以減少電路對電路板空間的需求，X5045中的（de）看門狗為係統提供了保護，當係統發送故障而超過設（shè）定時間時，電路中的看門狗將通過RESET信號向CPU作反應。X5045提供（gòng）了三個時間值供用戶選擇使用。它所具有的電壓監控功（gōng）能還可以保護係統免受低電壓的影響，當電源電（diàn）壓降到允許範圍以下時，係統將複位，直到電源電壓（yā）返（fǎn）回到穩定（dìng）值為止。X5045的存儲器與CPU可通過串行通信（xìn）方（fāng）式接口。共4069位（wèi），可以按512×8個字節來放置數據（jù）。
圖1
X5045的管（guǎn）腳排列（liè）如圖1所示，它共有8個引（yǐn）腳，各個（gè）引腳的功能如下：
- CS：電路選擇端，低電平有效（xiào）；
- SO：串行（háng）數據輸出端；
- SI：串行數據輸入端；
- SCK：串行時鍾輸出端；
- WP：寫保護輸入端，低電平（píng）有效；
- RESET：複位輸出端；
- Vcc：電源端；
- Vss：接地端。
檢測（cè）脈衝輸（shū）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電路（另一路完全相同）。INA為輸入信號（hào），是由（yóu）光電傳感器采集到的閥門脈衝信（xìn）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（diàn）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。在控製中，要求A、B兩路脈衝都接收到的時候，才認為是由信號輸入，AB為正轉，BA為反轉。隻有（yǒu）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（cí）閥，通（tōng）過控製電磁閥的吸合來控製氣（qì）動執行機構作相應（yīng）的開閥或關閥動作。
3．顯示部分主要包括：單片機、4位（wèi）LED顯示、3隻狀態指（zhǐ）示燈（自動、正轉、反轉）、3隻（zhī）按鍵（jiàn）（MODE/SET鍵、上鍵、下鍵）。
顯示部（bù）分采用AT89C4051單（dān）片機（jī），用來控製4位（wèi）LED顯示（shì），且同數（shù）字部（bù）分的單片機進行通訊，還要對控製儀的模式做相應的選擇和控製。顯示儀上設計有 3隻狀態指示（shì）燈用來顯示（shì）執（zhí）行機構（gòu）的狀態：正轉（zhuǎn）、反轉、自動；3隻（zhī）按鍵：MODE/SET鍵、上鍵、下鍵，控（kòng）製執行機構的工作模式和一（yī）些參數的初始化。這3 部分通過接（jiē）口連接（jiē），構成一個完整的控製係統，可以對一些類似氣動馬達等（děng）的執行機構進行控製。在（zài）實際應（yīng）用中基本實現（xiàn）了預先要求的各種性（xìng）能指標。
（二）利用PLC來控製的係統
PLC在控製係統中的（de）應用越來越廣（guǎng）泛，由於本方案是在OMRON的（de）PLC上麵作的開（kāi）發，所以以OMRON的（de）PLC來作介（jiè）紹。
硬件組成：1台計算機，1套PLC（包括CPU，I/O模塊，ID212，OC224，AD003模塊），2個繼（jì）電器，2個電磁閥（fá），1個氣動閥門執行器。
其組成原理為：由PC機通（tōng）過RS-232串（chuàn）口通訊連接OMRON的PLC，對PLC進行編程（chéng）和監控。PLC的I/O模塊分別接入輸入、輸（shū）出信號，其中（zhōng）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（mó）塊ID211的指示燈亮的先後順序來顯示閥門的開關狀態。輸入模塊（kuài）接收兩路閥門（mén）檢測脈衝輸入，即脈衝A與脈衝B。在運行狀態下，脈衝A輸入時（shí）指示（shì）燈A亮，脈衝B輸入（rù）時指示燈B亮。輸入順序為AB，表示開閥。輸入順序（xù）為BA表示關閥。閥門檢測脈衝A和B 信號必須（xū）部分疊加，否則不（bú）能正常檢測閥門開度。
通過PLC的輸出模塊OC225控製兩個繼電器，繼電器具有兩組常開常閉輸（shū）出觸點，1組為開（kāi）閥輸出觸點，1組為關閥輸出觸（chù）點。開閥時，當閥門開度大於或等於所（suǒ）設閥門限位值時開閥（fá）輸出觸點動作，閥（fá）門（mén）開度小（xiǎo）於（yú）所設閥門限位值時開閥（fá）輸出（chū）觸點動作，發明開度小於所設閥門限位值時開閥輸出觸點複位。關閥時（shí），當閥門關到零位且21s內無脈衝輸入時關閥輸出觸點動（dòng）作；若21s內有脈衝輸入，則延時21s關閥輸出（chū）觸點動作。通過繼（jì）電器的吸合來控製兩個電磁閥的開關，電（diàn）磁閥打開後，便可以控製氣動閥門執行（háng）器使得（dé）閥門做相應（yīng）的開閥或關閥動（dòng）作。同時接近傳感器把（bǎ）閥門（mén）的開關（guān）情況再傳送到PLC中，並同要求（qiú）的閥門開度作比較，直到符合要求（qiú）為止。
自動歸零與自動調滿（mǎn）：控製係統具有自（zì）動歸零與自動調滿功能，當閥門開度小（xiǎo）於歸零範圍值或閥門開度距滿量程小於滿度（dù）調節範圍（wéi）值（zhí），且時間大於或等於所設值穩定時間值時，PLC自動控製閥門進行歸零或自動調滿。
在實驗中，由閥門上（shàng）的位置傳感器（qì）計算閥門的開度。
當閥門先離開A傳感器，後離開B傳感器時，表示閥門在關閥（fá）。當閥（fá）門先（xiān）離開B傳感（gǎn）器，後離開A傳感（gǎn）器時，表示（shì）閥門在開閥。傳感（gǎn）器接收到的是一個脈衝信號，通過位置傳感器的采集信號來記下閥門（mén）的開關狀態。記錄（lù）開閥和關閥脈衝的（de）本分梯（tī）形圖如圖3所示。
圖3
在上位機中用編程（chéng）軟件（jiàn）CX-programmer編寫梯形圖，然後把（bǎ）梯形圖下（xià）載到PLC中運行，在上位機的組態軟件中進行控製和監控，閥門開關量的（de）多少可由組態軟件界麵輸入的（de）圈數值確定。組態界麵做好（hǎo）後，開閥、關閥（fá）、停止、總開關等控件的控（kòng）製和動作可以直接在組態（tài）界麵中很直觀形象地進（jìn）行操作。
四、結束語
前麵介紹的兩（liǎng）種氣動馬達的控製方法，已經用於（yú）一（yī）些石油化工廠的生（shēng）產控製過程，並且實現了預期的要求功能控製，單（dān）片機開發的（de）係統結構（gòu）簡單，控製方便。用PLC開發的控製係統，初期投資比較大，但其在（zài）穩定（dìng）性和控製精度等方麵比起單片機的開發係統來說要好一（yī）些。