精彩试读4《现代液压气动手册》

液压气动技术在自动化、数字化、智能化中占有非常重要的地位，尤其在当今工业4.0 的时代，液压气动技术的作用更加突出。许仰曾教授与斯蒂芬·哈克博士领衔国内外专家、学者和企业家共60 余人，历时五年，共同编撰了《现代液压气动手册》一书。本手册力求反映工业4.0时代液压气动行业技术与产品的新趋势、新发展、新思维、新成果。下面就跟随小编一览本书精彩内容吧。

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41.1 气动阀岛技术的发展41.1.1 阀岛的起源和发展“阀岛”一词来自德语，英文名为“valve terminal”。此产品是德国 FESTO 于1989年发明推出的，并将其应用在工程系统上。阀岛是由多个电控阀构成，它集成了信号输入/输出及信号的控制，犹如一个集成化的控制岛屿，如图41-1所示。


阀岛作为电-气一体化的自动化终端设备，从最初只是将阀片安装在气路板底座上的集装阀形式发展到现在功能强大的模块化电-气终端，并且将朝着模块化、集成化、智能化的方向继续发展。对于传统气动系统来说，通常采用气动执行机构（如气缸、气爪、真空吸盘等）来实现送料、抓取等工序，这些气动执行机构的动作都由电磁阀来控制（见图41-2a）。而在形成气动装置时，要对每一个电磁阀进行电气连接，也就是说每一个线圈都要逐个连接到控制系统中，然后还要安装消声器、压缩气源以及连接到气缸的管接头等，为了简化气动系统的电缆与气动管路的连接，阀岛就如图41-2所示那样，不断得到简化，并将网络与计算机的总线技术融合起来，形成了当今的阀岛。


自动化程度越高，机器设备及其使用的电气、气动系统的复杂化程度也越高，采用的气缸、电磁阀等元件的数量也随之增多。在阀岛问世以前，传统的独立接线控制方式，即使采用集装阀形式，也需要几十根甚至上百根的控制接线、气管连接，不仅安装困难，而且存在很多故障隐患，众多的连线和管道为设备的维护和管理带来不便，此外制造这一系统元件必须花费大量的时间和人力，这使得整个设备的开发、制造周期延长，而且常常会因为人为因素出现设计和制造上的错误。

简化气动系统的安装并获得最佳的性能是气动自动化领域内厂商所面临的问题。解决这一问题的思路就是利用当时正在发展的电-气一体化控制技术，将这些阀组成模块单元，然后组装在一起形成一个集成阀块，并取名“阀岛”。随着工业互联网与总线的发展，这个气动集成所需要的信号通过总线的方式节省了大量的接线工作量，并减少了由接线产生的故障源，并且通过互联网可以与外界设备进行信息交流与沟通，图41-2b所示为当今“阀岛技术”的初衷。
41.1.2 气动阀岛的类型
阀岛技术和现场总线技术相结合，不仅确保了电控阀的布线简单，而且也大大简化了复杂系统的调试、性能的检测和诊断及维护工作。借助现场总线高水平一体化的信息系统，使两者的优势得到充分发挥，具有广泛的应用前景。

阀岛是新一代气电一体化控制元器件，已从最初的多针接口型阀岛发展为现场总线型阀岛，继而出现可编程阀岛及模块式阀岛，如图41-2c 所示。

1. 多针接口型阀岛

可编程控制器的输出控制信号、输入信号均通过一根带多针插头的多股电缆与阀岛相连，而由传感器输出的信号则通过电缆连接到阀岛的电信号输入口上。因此，可编程控制器与电磁阀、传感器输入信号之间的接口简化为只需一个多针插头和一根多芯电缆，如图41-2b所示。与传统的集装气路板或者单个电磁阀安装方式实现的控制系统相比，采用多针接口阀岛，电磁阀部分不再需要接线端子排。所有电信号的处理、保护功能，如极性保护、光电隔离、防尘防水等都在阀岛上实现。

2. 现场总线型阀岛

使用多针接口型阀岛使设备的接口大为简化，但用户还必须根据设计要求自行将可编程控制器的输入/输出口与来自阀岛的电缆进行连接，而且该电缆随着控制回路的复杂化而加粗，随着阀岛与可编程控制器间的距离增大而加长。克服这一缺点，出现了新一代阀岛——现场总线型阀岛，如图41-3a所示。

现场总线（Field bus）是一种应用于生产现场，在现场设备之间、现场设备与控制器之间实行双向、串行、多节点的数字通信技术。现场总线通信的实质是通过电信号传输方式，以一定的数据格式实现控制系统中信号的双向传输。其特点是以一对电缆之间的电位差方式传输信号。两个采用现场总线进行信息交换的对象之间只需一根两芯或四芯的总线电缆连接。这大大减少了接线时间，有效降低了设备安装空间，使设备的安装、调试和维护更加简便。在由现场总线型阀岛组成的系统中，每个阀岛都带有一个总线输入口和总线输出口，当系统中有多个现场总线型阀


岛或其他现场总线设备时，可以按照需要进行多种拓扑连接。现场总线型阀岛支持目前市场上所有开放式现场总线协议，可直接通过总线电缆与主要可编程控制器厂家的控制器进行连接和通信。

故障诊断是工业现场总线的另一大优势，所有连入总线的设备状态都可以清楚地反应在系统肉，一旦出现故障，工程师可以及时地发现故障的位置，缩短维修检测时间，提高系统的安全性。总线阀岛具有超强的诊断功能，一目了然的LED状态指示灯，通过不同颜色与闪烁频率的搭配，提供了从电源故障到通信地址匹配等一系列的故障提示，立即诊断出故障节点（node）位置所在；根据协议的不同，有些甚至可以将故障点精确确认至单独的电磁阀或传感器上，可将平均排除故障时间缩短80％以上。

现场总线型阀岛的出现标志着气电一体化技术的发展进入一个新的阶段，为气动自动化系统的网络化、模块化提供了有效的技术手段，因此近年来发展迅速。

3. 可编程智能型阀岛

鉴于模块式生产成为目前发展趋势，同时注意到单个模块以及许多简单的自动装置往往只有十个以下的执行机构，于是出现了一种集电控阀、可编程控制器以及现场总线为一体的可编程智能型阀岛，即将可编程控制器集成在阀岛上。

所谓模块式生产是将整台设备分为几个基本的功能模块，每一基本模块与前、后模块间按一定的规律有机结合。模块化设备的优点是可以根据加工对象的特点，选用相应的基本模块组成整机。这不仅缩短了设备制造周期，而且可以实现一种模块多次使用，节省了设备投资。可编程智能型阀岛在这类设备中广泛应用，每一个基本模块使用一套可编程智能型阀岛。这样，使用时可以离线同时对多台模块进行可编程控制器用户程序的设计和调试。这不仅缩短了整机调试时间，而且当设备出现故障时可以通过调试故障的模块，使停机维修时间最短。

4. 模块式阀岛

模块式阀岛的推出，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，从而使用户以尽可能少的投人，生产尽可能多样化的产品，如图41-3b 所示。模块化阀岛的基本结构具有如下特征：

1）通信/控制模块不依赖于气动阀组，可以根据具体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装的方式集成在一个阀岛上。FESTO MPA 型阀岛是目前世界上安装电磁阀数量最多的一款阀岛，一个阀岛上最多可安装128个二位三通电磁阀。

这种模块化结构是高度集成化与紧凑化的，极大地优化了阀岛的电气和气动安装。用户使用模块化阀岛后，不仅能有效降低现场设备的安装调试时间，而且能有效节约设备内元器件的安装空间，这样有利于缩短项目周期、降低项目成本，并便设备维护变得更加便捷。
41.1.3 阀岛的技术特点
阀岛是信息时代发展的气动产品，是工业3.0时代的技术。包含着新的气动发展理念。阀岛技术的核心是利用“积木式”集成气动技术，最大化地简化气动设备中信号接口和动力气源接口的硬件结构，使气动设备功能进一步完善，运行可靠性进一步提高。采用阀岛技术的主要优点如下：

1）包含现场总线技术在内的“积木式”组合气动阀岛技术使气动-电控系统的设计、安装和调试过程大为简化。

2）拼装“积木式”的紧凑气动阀岛结构，最大限度地缩短气动执行器与控制器件之间的控制管道长度，从而使用更小通径的气阀就可达到预定的机器节拍要求，减少能源消耗，提高气动系统效率和降低设备投资。

3）可靠性的提高，大幅度减轻了设备连接管路与电气线路的安装与维修工作量。

现将阀岛的技术特点按其组成部分分述如下。

1.气动部分

不论是多针接口型还是现场总线型/可编程智能型阀岛，电磁阀都采用气路板底座安装形式。气路板底座安装形式是指，每1/2/4片相同尺寸的阀，安装在相应规格的气路板底座上，阀片与底座通过安装螺钉固定；而相邻的、不同规格的气路板底座则借助过渡转接板、安装螺钉等安装件组合安装在一起；阀岛的进气和排气则默认统一由阀岛的电-气接口和/或右端板来实现，该电-气接口将阀岛左侧的模块化电模块与右侧的模块化气动阀组整合在一起。在这个电-气接口和/或右端板上，有一个为整个阀岛提供气源压力的进气口，还可以根据阀岛安装现场的环境状况和工艺需要，选择阀岛电-气接口上排气口的排气方式：大面积消声器或者集中管式排气。

这两种排气方式各自的特点与适用场合如下。采用大面积消声器这种方式，阀岛的排气口是一个平板式消声器或者管式消声器，阀岛所在的环境相对来说没有较重的油雾、粉尘，不会很快污染堵塞消声器，影响它的排气性能；使用大面积消声器方式排气的优点是排气流量大，能满足气动执行机构响应速度快的要求，其缺点是经过阀岛的压缩空气直接经由消声器排放在现场，不能回收循环利用压缩空气。而采用集中管式排气这种方式，阀岛的排气口是一个螺纹接口，可以通过快换接头连接气管，这样就可以将阀岛排放的压缩空气集中收集循环再利用。如图41-4a 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-气接口或者右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，可以很方便地实现压力分区，达到在一个阀岛上实现电磁阀的不同工作压力的目的。



如图41-4b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性的安装，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的占用空间，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，即进气口压力的调压板，有调节2、4号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号口作为进气口而1号口作为排气口。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0~ 0.2MPa、0~0.6MPa、0~1MPa。以调节阀片1号口压力的调压板为例，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1号口调压的目的。

2．电气部分

阀岛的发展已经将气动控制的功能转移到电控，气动只是一个执行驱动部分。因此电气部分将在气动控制领域起到核心作用。

（1）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PIC 控制器上的输出点连接起来以后，就可以实现 PIC对阀岛上电磁阀的点对点通信控制；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PIC 控制器之间的距离较短时（一般不超过10m），采用多针接口型阀岛，可以较为快捷地进行电气接线工作；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型阀岛，因多针接口型阀岛难以适应动辄使用上百个电磁阀和输入/输出模块的场合。

（2）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逐渐普及并广泛地投入使用。如图41-3b所示，与PLC 控制器通信的现场总线节点，以及与之衔接的输人/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 控制器通信，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，或者需要精确工作压力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。

3. 通信部分

现场总线、工业以太网技术已经成为模块化阀岛的产品功能不可分割的一部分，模块化阀岛正在向多功能一体化终端演化。电信号模块种类和功能更丰富，能更好地满足自动化生产的即插即用要求。

（1）模拟量输入模块 2通道、4通道的模拟量输入模块，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0~20mA,4~20mA，-20~20mA，0~10V，-5~5V，-10~10V。用来测量温度和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类型有 PT100~PT1000 和 Ni100 ~ Ni1000 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，来测量不同的温度范围。

（2）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0~10V，也可以是电流型，信号范围是4~20mA 和0~20mA。

（3）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P LC 控制器发送故障信息，便于使用者能快速准确地找到和排除故障。

（4）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、小型液压阀、指不灯等外围设备，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。所有这些输人、输出模块的结构同之前的模块化阀岛相比，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41-5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人/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/输出模块时，只需要将前连接面板上的安装螺钉拧松，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成本，减少停机时间。模块化电模块-电模块的结构与这些输人/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，如适合在控制柜内使用，防护等级 IP20 的夹紧式端子方式、适合在现场使用，防护等级IP65/IP67 的M8 -3针、M8-4针、M12-5针圆形插座、Sub - D25 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。

（5）现场总线/工业以太网通信模块和功能模块 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点，通过相应的连接方式和上位 PLC 控制器进行通信，如应用广泛的开放式现场总线协议 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，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，极大地提高了阀岛的智能化程度；总线/工业以太网通信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，用户在更换模块时，只要拧松前连接面板上的安装螺钉，就可以将旧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。

41.2 阀岛的硬件安装与总线连接方式

41.2.1 阀岛的硬件安装

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。

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加工螺纹孔，便用垫片和安装螺钉进行固定，如图41-6 所示。



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地卡在DIN 导轨的槽架上，如图41-7所示。



41.2.2 阀岛总线连接方式
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。

1. 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一个组，即一个较大规模的、集成了数量较多的电磁阀及输入输出模块的阀岛控制的。

如图41-8所示，这些阀岛都是安装在系统中易于操作的位置上，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。

2. 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8~10个。这些气动执行机构都是通过小型阀品来驱动的，如图41-9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，



有效地提高了阀岛的气动性能，减少了安装量。采用分散安装控制的小型阀岛，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中。
3. 支持上游功能的分散安装

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，往往处于整个系统功能的上游。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10- Link的小型阀岛和电终端就成理想的解决方案，如图41-10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。



4. 混合安装/分散-集中安装

一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41-11 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一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。



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图文排版：马昕；责任编辑：王永新；审核人：陈保华，周国萍



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