气动阀岛技术

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1、气动阀岛技术（二）李跃;金勤芳;章文俊 【期刊名称】流体传动与控制 【年（卷），期】2012（000）006 【总页数】6页（P51-56） 【关键词】气动;阀岛;现场总线;模块化;可编程 【作者】李跃;金勤芳;章文俊 【作者单位】费斯托中国有限公司上海201206【正文语种】中文【中图分类】TH1383模块化阀岛模块化阀岛的推出，有助于用户进一步提高生产效能。因为模块化设计，使阀岛具 有不同组合，可以配置生成多样化的方案来满足用户的不同需求，从而使用户能以 尽可能少的投入，生产尽可能多样化的产品。如图5所示，模块化阀岛的基本结 构具有如下特征：1）通讯/控制模块不依赖于气动阀组，可以根据具体

2、的工艺设计选择或者更替不 同的电气连接方式：多针接口型、现场总线型和可编程智能型。2）各种电信号的输入/输出模块可以自由灵活的组合、扩展或者移除。3）电磁阀的数量可以灵活配置，不同功能、尺寸的电磁阀可以采用气路板底座安。r制嫖员旺戾氐迎反=回摧K-、f ilfflssslsffiEHS in - . ssiss?、s，蹦坦i8 f nr ss、Kiin -暇4n旺ffl昕亚埋g皿知宿何虻是隹EM orifrsKI? - .tfffiEl 、mKWHOSf siwffiEf 、nrfflslrlffiES 芝他、SBSBf fssESSSBW stfvisBwffiEsf mssf .tfsff

3、iEffl 埠 YsMr巨rfflgffi壁-fswfiiwsf w ,HH mnFSSE ,g&耍匡_.曲回场蟹蝶福Hsffl悭昕止壁、 Fssmsw、壁g-rKE耍止r弓 W - siiwlir牯兼福 urlwEmtf、忠省rIcnOKSHMi otsmn SI、长货皿国里理.1皿昌ffi嫖Hh戾他壮M、回一制蝶福招玄假艮照& sn、旺 owrossffiEHV5、(ffif 寸。殳I-s u_H- H8CNI 蝶福同 0*7明壁-、ffiEf SSSEmtf 蝶福 BKB症皿暇、ffi壁胡d 芝如图6所示，当阀岛上的阀组数量较多，对压缩空气流量要求较高时，还可以在 任意相邻的气路板底座之

4、间添加进气和排气一体化的辅助气源板，以提高阀岛的进 气量。这个辅助气源板的进气和排气方式与阀岛默认的电-气接口或者端板上的进 气和排气方式一致；例如：阀岛如果选择内先导进气方式、大面积消声器排气方式， 那么对应的辅助气源板上的进气和排气方式也分别是内先导进气方式、大面积消声 器排气方式；此外，借助这个辅助气源板，和安装在气路板底座之间的隔离密封件， 可以很方便的实现压力分区，达到在一个阀岛上实现电磁阀的工作压力不同的目的。3.2电气部分-多针接口型阀岛使用多针接口型阀岛，阀岛和PLC控制器输出模块之间只需通过一根多芯（如25 芯）电缆线连接，这根电缆线包括了和每一个电磁线圈相连的一根导线以及和

5、所有 的线圈相连的公共地线。用户按照相应的电磁线圈接线图将多芯电缆线与PLC控 制器上的输出点连接起来以后，就可以实现PLC对阀岛上的电磁阀点对点的通讯 控制；而阀岛这一端，所有的电磁线圈与多芯电缆的连接则是通过预装配好的电路 板连接的，用户不需要再做电气接线工作；所以，在电磁阀需求数量较少（如8、 16或者24个），阀岛与PLC控制器之间的距离较短时（一般不超过10 m）， 采用多针接口型阀岛，可以较为快捷的进行电气的接线工作；只是使用多针接口型 阀岛时，受限于多针连接器的针脚数，每个阀岛能够集成安装的电磁阀数量有限。 因此，在大型的模块化生产线上，不建议采用多针接口的阀岛，因为多针阀岛难以

6、 适应动辄使用上百个电磁阀和输入/输出模块的场合。3.3电气部分-现场总线型/可编程智能型阀岛为了满足大型模块化生产线设备的要求，现场总线型/可编程智能型阀岛正在越来 越普遍并广泛地投入使用。如图7所示，与PLC控制器通讯的现场总线节点，以 及与之衔接的输入/输出模块是一个个独立的可以方便拆卸、快速更换与扩展的模 块，如果阀岛需要使用不同的现场总线协议，与不同的PLC控制器通讯，只需要 更换该阀岛上的总线节点以及相应的总线接口的插头即可；此外，这些模块化的输 入/输出模块集成在阀岛上，直接安装在生产设备上，因此现场的输入/输出信号装 置，如安装在气缸上，用来检测活塞位置的接近开关，或者需要精确

7、工作压力，并 且可以随时任意调节的比例调压阀等，都可以直接用相应的连接电缆连接到阀岛上 的输入/输出模块上。这些都有效缩短了现场生产设备的输入/输出装置到控制柜内 PLC控制器的连接电缆的距离，降低了布线安装的工时、人力与成本。随着现场总线、工业以太网技术的不断发展，模块化阀岛的产品设计理念也日益完 善和成熟，阀岛上可以集成并实现的功能也越来越强大和丰富，从而能满足用户在 实际生产中的更多需要，如图7所示，模块化阀岛正在向多功能一体化终端演化。 其主要特点和优点，现阐述如下。1）电信号模块种类和功能更多更丰富，能更好地满足自动化生产的即插即用要求。 模拟量输入模块2通道、4通道的模拟量输入模块

8、，通过标准的模拟量接口来连接各种不同的模拟 量传感器，如压力传感器、流量传感器、位移传感器、温度传感器等；传感器的信 号类型可以是电压型、电流型，信号范围广泛，包括：020 mA , 420 mA ,- 20+20 mA , 010 V , -5 + 5 V , -1010 V;用来测量温度直接读取温度值的 模拟量输入模块，可以连接的温度传感器类型，主要有热电偶和热电阻两种，支持 的热电偶温度传感器类型有B、E、J、K、N、R、S、T等8种，支持的热电阻温 度传感器的类型有PT100-PT1000和Ni100Ni1000这两大类，用户可以使用 不同的模拟量温度模块和温度传感器组合，来测量不同的

9、温度范围。模拟量输出模块模拟量输出模块用来连接并控制比例调压阀等外围设备；其输出信号类型可以是电 压型，信号范围是010 V，也可以是电流型，信号范围是420 mA和020 mA。数字量输入模块数字量输入模块可以连接标准的两线制或三线制传感器，如接近开关或电感式传感 器，输入信号的数量和切换方式的组合有多种选择，如4点PNP切换、8点PNP 和NPN切换、16点PNP切换，此外，具有通道诊断功能的输入模块，当模块上 某个输入通道发生特定故障，如短路、断线的时候，会向PLC控制器发送故障信 息，便于使用者能快速准确的找到和排除故障。数字量输出模块数字量输出模块，可以用来连接并控制电磁阀、小型的液

10、压阀、指示灯等外围设备， 其输出信号的数量和切换方式的组合有4点PNP切换、8点PNP切换、大负载电 流的8点PNP切换等。所有这些输入、输出模块的结构同之前的模块化阀岛相比较，模块化程度更高，主 要体现在这些模块从上到下是由可以自由分解、组合的三种单元组件构成的，如图 8所示，最上层是连接输入/输出设备的前连接面板、中间是具体的输入/输出模块、 最底层是安装这些前连接面板和输入/输出模块的互联底座。采用这种搭积木” 组合方式的模块化阀岛的电气终端部分，用户在更改或者替换某一个输入/输出模 块的时候，只需要将前连接面板四个角上的安装螺钉拧松，将该面板拆下来，就可 以快速更换了，而安装在连接面板

11、上的、连接输入/输出设备的电缆线插头并不需 要取下来，这可以大大节省用户的设备维护时间和人力，减少停机时间。与这些输入/输出模块组合的前连接面板，即输入/输出信号的连接方式有很多种， 比如：适合在控制柜内使用，防护等级为IP20的夹紧式端子方式、适合在现场使 用防护等级为IP65/IP67的M8-3针、M8-4针、M12-5针圆形插座、Sub-D 25 针插座方式等；用户依据不同的应用场合和输入/输出模块的类型，选择合适的前 连接面板就可以轻松实现即插即用。现场总线/工业以太网通讯模块和功能模块模块化阀岛的电气终端部分，除了不断扩充和丰富输入/输出模块的类型以外，还 能配置类型多样的现场总线节

12、点通过相应的连接方式和上位PLC控制器进行通讯， 如应用广泛的开放式现场总线协Profibus-DP、DeviceNet、CC-Link、 CANOpen、INTERBUS等很早就有相应的总线节点模块，而工业以太网技术，如 Ethernet/IP、Profinet、EtherCAT、Modbus-TCP 的兴起和飞速发展也促成了 相应的以太网节点模块的诞生。此外，更多创新的功能模块正不断地被开发出来，进一步推动和发展了模块化阀岛 的多用途终端特性，例如：控制电驱动单元的智能模块，可以直接和电驱动控制器 连接，实现单轴、多轴的运动控制，从而使模块化阀岛实现可编程柔性运动控制器 的功能，极大地提高

13、了阀岛的智能化程度；总线/工业以太网通讯模块和功能模块 的前连接面板虽然不能像上面介绍到的输入/输出模块那样灵活拆卸组合，而是和 具体的电模块封装成一体的，但是依然可以从最底层的互联模块上拆卸下来，如此 一来，用户在更换模块的时候，只要拧松前连接面板上的安装螺钉，就可以将旧模 块从互联底座上拆除进行更换，不需要像以前那样先将整个阀岛从安装支架或安装 面上取下来，再将模块左右相连的电气模块拆开才可以更换。这样就有效降低了设 备停机维护时间，帮助用户将产量损失减少到最小。2）气动功能更加完善多样如图9所示，模块化阀岛的气动部分，还能以垂直叠加安装的方式，在阀片和气 路板底座之间安装热插拔板、垂直供

14、气板、调压板、节流板等模块，这些垂直叠加 安装的功能模块可以根据要求，有选择的安装，其功能被分配在对应安装的阀片上， 并且随时可以更改。虽然这种方式使阀岛的整体高度增加了，但是在一个位置上就 能实现所有的气动功能是一个非常集中和紧凑的设计。这种功能垂直叠加安装方式 与传统的分别独立连接气源处理单元、减压阀、单向节流阀实现压力分区、减压、 节流等功能的方式相比，不但大量减少了安装调试时间，而且极大降低了元器件占 用空间，有利于设备的小型化，从而节约设备的设计制造成本。用户在使用的时候， 如果要调节多个阀片的输出工作压力或者气动执行机构的速度，只需在同一个阀岛 上就能实现全部的功能调压。在设备维护

15、改造时，不论是更换还是增加阀片以及相 应的功能集成模块，都不需要拆开整个阀岛，这些都有效地缩短了设备的安装、调 试和维护时间。这些垂直叠加的功能模块的类型很齐全，例如调压板，有调压阀片的1号口，即 进气口的压力的调压板，有调节2、4 口即工作口压力的调压板；甚至还有可逆向 操作，将排气口 3、5 口作为进气口而1 口作为排气口、提高阀片进气流量的调压 板，这些不同类型的调压板调压范围也有多个选择，如为：00.2 MPa，00.6 MPa，01 MPa。以调节阀片1 口压力的调压板为例，其工作方式简述如下。如图9所示，压缩空气通过阀岛的电-气接口上的进气口或者辅助气源模块进入气 路板底座上的进气

16、通道，然后进入调压板的进气通道以后，经过集成在调压板上的 调压阀，进行压力的调节，达到需要的设定值以后，再进入电磁阀的进气通道，就 实现了阀片的1号口调压的目的。3）供电系统更加可靠灵活如图10所示，系统电源、输入模块等电子模块的电源，输出模块的电源以及电磁 阀的电源可以分别供电，构成独立的供电回路。这样，即使阀岛上某一部分的输入 /输出、电磁阀组发生故障停止动作响应，或者紧急停止设备切断输出负载电源， 也不会影响整个阀岛与PLC控制器的通讯。4阀岛的安装控制方式阀岛要被安装到机器设备或者系统上，主要有两种安装方式：4.1墙面/平面安装阀岛安装在坚固、平坦的墙面/平面上，为此需要在安装面上开螺

17、纹孔，使用垫片 和安装螺钉进行固定，如图11所示。4.2 DIN导轨安装使用标准的导轨，导轨固定安装在控制柜、墙面或者机架上，选用合适的安装支架 附件就可以把阀岛牢固的卡在DIN导轨的槽架上，如图12所示。为了确保阀岛在一个系统、一个生产线里有效发挥其功能，不仅仅需要阀岛充分发 挥模块化组件的性能，还需要阀岛有灵活多样的应用控制方式，在充分发挥各个模 块化组件气动和信号传输性能的基础上，有能力创建一个子系统，满足用户的各种 控制安装要求。依据应用场合和阀岛安装、使用方式的不同，阀岛主要有如下几种 安装控制方式：集中安装顾名思义，设备或者系统内所有的电气输入和输出信号，以及气动执行机构都是受 个

18、组，即一个较大规模的、集成了数量较多的电磁阀，输入和输出模块的阀岛控 制的。如图13所示，这些阀岛都是安装在系统里易于操作的位置上，例如在机器设备的 前面或者机架上，气动控制回路只覆盖几米远。用户可以实现一步到位”的安装、 调试、操作和维护。分散安装 一个中型的设备或者系统，由多个分散的子单元或者子系统构成，每一个子系统的 气动执行机构数量比较少，如810个，这些气动执行机构都是通过小型的阀岛 来驱动的，如图14所示，使用这种气动控制方式，阀岛与气动执行机构之间的气 管安装距离短，有效地提高了阀岛的气动性能，如优化了流量损耗，降低了能源消 耗，缩短了循环时间，减少了安装量。采用分散安装控制的小

19、型阀岛，其体积小、 重量轻，适合用于移动的工位和安装空间狭小的地方，从而使设备的安装空间更加 紧凑。系统中的输入、输出可以通过一个电终端来处理，这个终端可以用现场总线 /工业以太网的方式连线到上位机系统里。支持上游功能的分散式安装一些单项功能，如重新定位、加载、卸载、传输等动作都是设在系统或者设备的外 部，例如机器人抓手或者工具架，输送线上的制动和分选通道等，往往都处于整个 系统的功能的上游，针对这类情况，集成现场总线接口如AS-i或者设备总线接口 如IO-LINK的小型阀岛和电终端就成为理想的解决方案，如图15所示。这种安装控制方式，包括了分散安装方式的所有特点，可以通过总线直接配置阀岛， 实现综合的故障诊断与状态检测功能。混合安装/分散-集中安装个大型或者中型的模块化生产线，虽然电气控制信号以及气动执行机构安装在系 统的各个地方，但是可以根据加工工艺流程分成若干段。如图16所示，在每一个 工段内，不论阀岛和电终端是直接安装在机架上还是控制柜内，都可以视该区段具 体的应用采用集中安装或者分散安装方式，而整个系统则采用这种分散-集中安装 方式的组合。混合安装/分散-集中安装能够使用户实现最大限度的模块化灵活配置， 并且仍然有扩展的选择，从而在控制柜里或者控制柜的墙上实现阀岛的最佳安装。