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总线型智能电动执行器研究

    0 引言
    执行机构是自动控制系统的终端设备,对自动控制系统的安全运行、可靠性及控制品质的优劣都有很大影响。但执行机构却是自动控制系统中最薄弱的环节,是当前自动控制系统中的“瓶颈”。
    近年来,我国从各个发达国家引进了多种类型的执行机构,它们采用的方案和实现的方法各不相同,各有特色,执行机构的质量普遍得到提高,执行机构的功能有所拓展。但这些执行机构都有一些技术上的缺陷,如可靠性、稳定性高的,其灵敏度和精度却不一定高;而灵敏度和精度高的,其可靠性又差一些。另外,国外产品的核心技术—执行机构的伺服控制器技术一般不予转让,即便转让其价格很高。另一方面,随着现代通信技术、计算机技术的发展,控制技术也进入了一个新的阶段—现场总线阶段。目前工业生产现场广泛使用的电动执行机构离现场总线设备的要求相差很远,总线型智能电动执行机构既能适应生产现场的需要,又能满足现场总线设备的技术要求。
    1 总体方案
    设计的总线型智能电动执行机构由数字控制部分和执行部分组成,其基本组成如图1所示。控制部分采用了先进的集成电路,以89C52RC+单片机为核心。可以预先设定调节阀的灵敏度、零点和行程等整定参数,通过模拟量或数字量的输入信号设定阀门位置。执行部分主要是在控制部分的控制下完成设定的机械执行功能,执行部分主要由伺服电机、减速器和位置传感器等组成。
    电流、电压及温度、位置传感器将检测到的驱动电路的输出电流、电压以及伺服电机温度、输出轴位置信号,经A/D转换后送入单片机。单片机通过FB3050及MAU与现场总线通信;通过驱动电路,控制伺服电机正/反转,并实现伺服电机的调速以及阀位控制。
    MAU电路的作用是将总线来的信号进行滤波并变换成FB3050能接收的CMOS电平信号,并且能将FB3050输出的信号转换成符合FF协议的总线信号,还通过隔离变压器实现仪表同FF总线的隔离。
    位置传感器选用寿命比较长的差动变压器。位移检测机构通过差动变压器把执行机构输出轴的机械变化量成比例地转化为电信号,输入到控制器,参与执行机构的调节、控制,同时可送回到控制室,用于控制室的监控和管理。在该检测机构中,设置了2个限位用的微动开关,以保证运行安全,同时还可输出两组开关量信号,参与系统控制。
    为了提高驱动电机的运行可靠性和定位稳定性,保证电机无故障、无调整地长期运行,本执行机构采用稀土永磁低速同步电机。减速器采用具有高效率带机械自锁的浮动式行星减速传动机构,它把伺服电机输出的旋转运动转化为输出轴的大转矩转角位移,驱动控制机构。驱动电路的功能是将自动或手动的开/关信号转换成推动执行机构电机正/反转的动力。本执行机构的驱动电路如图2所示。

图1 总线型智能电动执行机构组成框图

图2 驱动电路
    控制器的输出(P3.0,P3.5)控制伺服电机的正转、反转及停转,进而控制执行机构位置与给定值相等。单片机的输出通过逻辑互锁电路控制2个固态继电器(KSSR1,KSSR2)接通或断开以控制伺服电机2个线圈通电或断电(电机的正转、反转或停转)。逻辑互锁电路用于确保2个固态继电器不会同时接通,防止电机烧毁。其真值表如表1所示。从表中可以看出,通过逻辑互锁电路后,电机的2个线圈不会同时通电,电机出现正转、反转和停转3种状态。
表1 逻辑互锁电路真值表

    电路中使用的固态继电器能有效防止触点的电腐蚀,从而能大大提高交流接触器的使用寿命,也能有效防止相间短路的危险。本执行机构的基本电路包括两部分:仪表卡和通信网卡(简称通信卡)。两块卡之间采用串行接口。仪表卡的设计包括对传感器信号的采样及处理、A/D转换、滤波、线性化等。使用模拟输出时,还包括D/A转换。显示装置也被包括在仪表卡上。检测量或控制量,经过仪表卡到达通信卡,其它数字数据直接来自通信卡,而后被传输到FF通信线路上。仪表卡实现仪表的智能化,通信卡使仪表具备通信的能力。
    数字通信方式使执行机构能够保留附加信息,在需要的时候读出。附加信息可以是与过程量有关的信息,对测量的描述以及仪表的量程和单位等;也可以是反应执行机构本身状态的信息,这些信息可以包括与维护有关的活动记录。运用来自仪表本身的最新信息,使构成仪表自动化管理系统成为可能。
    由于FF通信方式的引入,本执行机构能实现更多的监控功能。具体表现为:
    ① PD控制功能被嵌入执行机构中,执行机构可直接接收变送器的输出(不经过控制器),在现场形成闭环控制,真正实现了分散控制。
    ② 在检测的同时,可以检查现场执行机构的运行状态,完成故障诊断,从而简化仪表维护作业,提高安全性。
    2 硬件设计
    本执行机构的控制器由89C52RC+单片机及其外围电路组成,结构如图3所示。控制器能完成以下功能:
    ① 能够实时采集阀门的状态信息,并加以分析、判断,控制电机正确运行;
    ② 可以实现智能校准:只要在阀门实际的全开和全关位置各按一次键即可;
    ③ 具有自诊断功能,能诊断出以下故障:控制信号输入断线、反馈信号输出断线、电机堵转、大偏差故障,出现故障时,系统能及时做出相应处理;
    ④ LCD实时显示电动阀门的开度及系统的工作状况和故障;
    ⑤ 通过FB3050保持与控制中心实时通信;
    ⑥ 具有自动/手动操作功能,并设置了多种控制方式:本机/遥控/系统在线,各控制方式相互间能实现无扰动切换。

图3 控制器结构示意图
    3 软件设计
    软件设计分为控制、通信和管理三部分。其中,控制部分的任务是对过程变量进行采样、数据处理以及根据可能的算法和控制方式进行计算和输出等;通信部分实现FF现场总线的数据链层和应用层(通信栈);管理程序部分包括LED显示、工作方式管理、报警灯指示、处理用户按键的扫描和响应、对系统的掉电保护、执行中断服务子程序和对系统自身的自诊断过程等。
    软件主要完成A/D采样、数据处理、线性化处理、零点和满度校验、量程变换、自诊断、组态、FF现场总线通信软件编制等功能。
    软件设计采用MCS-51汇编语言。为了便于编写、调试、修改和增删,本系统采用模块化的程序设计方法,即将程序设计成能相互独立的子程序,主程序框图如图4所示。

图4 主程序流程图
    4 结束语
    本执行机构具有以下特点:
    ① 电路简单,元件数少,实现了机电一体化结构,响应速度快,稳定可靠,接线方便。
    ② 具有智能化和高精度的系统控制功能,控制任务由执行机构的微处理器来完成,控制精度高。
    ③ 先进的通信功能,可以通过现场总线与上位机通信,使得远程维护和管理成为可能。
    ④ 更完善的自身保护和系统保护功能:当外电源掉电或者其他紧急情况出现时能自动利用后备电池驱动执行机构,使阀门处于预先设定的安全位置;当电源、电机、机械部件、控制信号、通讯或其它方面出现故障时,都会自动采取保护措施,以保证系统本身及生产过程的安全可靠。
    ⑤ 具有智能化的自诊断功能,以帮助快速识别故障原因。智能执行机构可以尽快识别故障,增加系统的可靠性并延长设备寿命。清晰的状态报告完全可以使维护人员在执行机构发生损坏前就采取有效措施,避免工厂停机维修。
    随着现场总线技术的发展和现场总线标准的统一,现场总线仪表必将成为未来仪表的主流。由于FF仪表具有互操作性,同一系统甚至是同一条总线上可以使用多个厂家的FF仪表,不同厂家功能相同的FF仪表还可以直接互换,因此,FF仪表具有广阔的市场前景。
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