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关于智能执行机构的开发

日期:2014年8月22日 11:23

  一 前言
  
  近年来,随着微电子和过程控制技术的迅速发展,电动执行机构也获得了快速发展,特别是国际上一些先进的电动执行机构生产厂商,相继推出了常规的和带HART协议通信的智能电动执行机构。例如英国ROTORK公司于1995年推出了IQ型智能电动执行机构,美国Jordan和德国Elsag Bailey在1998年推出了带HART协议通信的智能电动执行机构。由此可以看出,智能电动执行机构的发展趋势为:机电一体化结构逐步取代组合式结构,智能化控制技术逐步取代纯电子控制技术,运用红外线遥控的非接触式调试技术逐步取代接触式手动调试技术,带通信功能逐步取代不带通信功能,数字控制逐步取代模拟控制。
  
  本文主要介绍由上海自动化仪表股份有限公司技术中心和自动化仪表十一厂研制成功的带HART协议通信的IKJ-5110型智能电动执行机构。
  
  二 主要功能特点
  
  IKJ-5110型智能电动执行机构是采用了微处理器、脉冲数字传感器、电子限位、电子限力矩、磁控开关、红外线遥控、液晶显示和固态继电器控制等多种最新技术的新一代电动执行机构。该产品的特点如下:
  
  (1)采用机电一体化结构,即把电动机、机械部件、位置发信器和电子控制部件等构成一个整体,还具有本机手/自动切换开关和本机手操开关以及阀位、过程量等多种参数和功能的显示。接线方式简单,使用可靠方便。
  
  (2)不必打开电子控制器罩盖,用红外线遥控调试仪对电动执行机构进行零位、满度、死区、中途限位、限力矩值以及其他各种参数和功能的调试和设置。此优点更适用于防爆的危险场合。
  
  (3)液晶显示屏能显示输入信号和位置反馈信号的百分值,还有各种组态、故障及运行状态等画面。仪表的调试和参数的设置的人机对话方式采用中文或英文(可以选择),适合国情,也便于进入国际市场。
  
  (4)具有故障诊断和处理功能。仪表能自动判别断输入信号、系统事件信号、电动机过热或堵转、通信与程序出错等故障,同时根据故障的类型,自动采取相应的措施。例如当发生断输入信号或系统事件信号时,能按用户预先设置的要求自动地将阀门切换到安全位置;当供电电源断电后,能自动切换到备用电池上,将位置信号保存下来。
  
  (5)功能齐全。它能适应多种信号制的输入,因而除具备HART协议通信功能外还可以作为常规的智能电动执行机构使用。该仪表具备多种保护功能,如机械限位、极限和中途位置限位、力矩限制、联锁保护、相位自动纠正、缺相保护、电动机过热保护等,还备有执行机构正、反作用的设置等。
  
  (6)产品的基本误差小于±1.5%,回差小于1.0%,外壳的防护等级为IP65,使用环境温度为-25℃~+70℃。
  
  (7)产品抗干扰性能强,并且已通过了射频干扰、静电放电、快速瞬变脉冲群等试验。
  
  三 结构原理
  
  仪表由电动机、机械减速器和电子控制器3部分组成。其中,电动机和机械减速器是根据本公司引进的模拟电动执行机构的技术进行研制的。电子控制器部分则是参照国际上一些先进的电动执行机构生产厂商生产的智能电动执行机构的技术而自行设计开发的。
  
  本仪表控制系统的组成框图如图1所示,它由开关电源板、位置发信器、控制板、驱动板、智能板、A/D转换板、D/A转换板、参数显示板、HART通信卡等组成。本仪表采用了组合式的设计方案,更有利于生产、使用和维修。当作为一般常规的智能仪表时,不用安装通信卡。下面将对电子控制器部分作重点介绍。
  


  1. 输入、输出回路
  
  本仪表设置了多个输入、输出回路,以满足不同控制系统的需要。过程控制信号是仪表的主输入信号,位置反馈信号是主输出信号,其他都是辅助控制信号。主输入、输出回路根据系统对仪表的不同要求配置相应的输入、输出电路。对常规的智能化执行机构,其主输入信号是4~20mA DC的电流信号或电压的开关量控制信号,其主输出信号是4~20mA DC的阀位电流信号。对带HART通信的智能化执行机构,其主输入信号是4~20mA DC的控制信号,HART信号迭加在该模拟信号上,1200Hz的频率信号代表逻辑“1”,2200Hz的频率信号代表逻辑“0”。由于HART信号的直流分量为零,因此它不影响4~20mA DC的主控信号。其主输出信号同样是4~20mA DC的阀位电流信号。
  
  本仪表设置的副输入、输出信号有联锁开禁止、联锁关禁止、外事件作用、远方手操控制、远方手动操作等。其中,副输出信号有手动标志信号、开和关力矩限制信号、开和关中途位置限制信号、开和关极限位置限制信号等。这些副输出信号均为继电器干触点信号。
  
  在电路设计中,除继电器干触点信号外的其他输入、输出信号均采取电气隔离的措施,以提高仪表的抗干扰能力。
  
  (1)模拟量输入电路
  
  模拟量输入电路框图如图2(中间的虚线框)所示,采用差分放大和隔离放大是为了提高仪表的抗干扰性能,其中A/D转换采用了12位A/D转换器芯片,以提高输入的转换精确度。
  


  (2)模拟量输出电路
  
  模拟量输出电路框图如图2(下部的虚线框)所示,其中D/A转换同样采用了12位D/A转换器芯片,以提高输出的转换精确度。
  
  (3)HART通信电路
  
  HART通信电路框图如图2(上部的虚线框)所示,输入端的隔离放大器采用了隔直流的交流放大电路,通过带通滤波取出HART信号,再经过调解解调器转换成数字信号,然后送微控制器2(通信MPU2)。HART通信信号的输出过程与输入过程相反,即通信板的微控制器2将数字信号送调制解调器,调制成HART信号,然后再经过放大和交流耦合进入现场总线。
  
  2. 控制电路
  
  控制电路分为自动控制电路、手动控制电路和辅助控制电路三大部分。辅助控制电路又分为外事件处理电路、联锁控制电路等。自动控制电路和手动控制电路是两个相互独立的、并列的控制电路。当控制旋钮切入自动时,仪表将投入自动运行,此时手动控制不起作用。相反,当控制旋钮切入手动时,仪表将投入手动运行,此时自动控制不起作用。外事件处理电路实际上是一种系统保护电路,用户可根据系统需要决定是否使用,如果用户使用了该功能(即将外事件干触点接入本仪表),一旦有外事件发生(触点闭合),仪表将自动切换到手动控制状态,同时根据系统的需要将阀门运行到安全位置。联锁控制电路是一种特殊的控制电路,在特殊的场合下使用。
  
  (1)自动控制电路
  
  自动控制电路是仪表的心脏,直接关系到仪表的控制质量,因此对电路的设计要求也较高。本仪表要求自动控制电路的控制精确度高、控制质量好、通信质量高、采样点数多、存储容量大、复位性能好、抗干扰性能强。
  
  为达到上述控制要求,在电路设计上采用了两片芯片的简洁电路,即一片微控制芯片和一片大容量可编程通用接口芯片。这种设计方案大大减少了电路的外围元器件,提高了电路的集成度。然后对该电路再配以一定的抗干扰措施和可靠的软件设计,基本上达到了预定的设计要求。
  
  (2)手动控制电路
  
  手动控制方式是控制系统中一种不可缺少的控制方式,特别是当自动控制系统出现问题时,手动控制方式就成为唯一的控制方式(手柄操作除外)。因此手动控制电路在设计上必须与自动控制电路独立。手动控制电路主要指手/自动的切换和手动操作,因此它必须与外界发生关系,这就要求操作开关具有很高的可靠性和很好的防护性能。本仪表采用了磁控开关,它具有高可靠性和高防护等级,操作方式采用了软手操的方式,避免了强电手操方式的很多弊病,如寿命短、对其他电路特别是通信电路会产生严重的干扰等。
  
  3. 显示电路
  
  本仪表的显示电路实现的不仅仅是一般的显示功能,更重要的是人机对话功能,通过显示器用手持式红外遥控调试仪对仪表的各种参数和功能进行设置。
  
  (1)显示器
  
  显示器采用128×64点阵的宽温度液晶显示器,显示语种有中文和英文可供选择,显示类型有标度尺、图形、百分数以及文字等。一些主要的参数和功能在主画面上显示,一些次要的参数和功能在副画面上显示,其他需要设置的参数和功能在组态画面上显示。主画面显示的内容较多,如图3所示。
  


  (2)组态方式
  
  为了操作的方便,人机对话采用菜单和对话框的操作方式。在组态画面中只要移动光标就可选择所需要调试或设置的对象,所以调试很方便、灵活。本仪表的组态有9种,分别为阀门、力矩、限位、电动机、信号、事件、调节、通信和参数。打开任何一种组态画面,都可对其进行设置。
  
  (3)手持式红外遥控调试仪
  
  手持式红外遥控调试仪和仪表一起配套出厂,符合GB3836.4-83《爆炸性环境用防爆电气设备本质安全型电路电气设备“Ⅰ”》的有关规定。其防爆标志为ibⅡB T4,外壳的防护等级为IP65。
  
  4. 驱动电路
  
  驱动电路的功能是将自动或手动开或关的信号转换成推动执行机构电动机正转或反转的动力。本仪表所采用的动力源是三相电动机,对三相电动机的控制方式一般有3种,即触点控制、无触点控制、有触点和无触点相结合的控制。触点控制的缺点是寿命短、干扰大,不适合本仪表。无触点控制通常采用晶闸管或固态继电器等器件来控制,它可避免触点控制的一些缺点,但也有致命的弱点,即由于器件的质量有问题或抗干扰性能不过关等原因造成晶闸管或固态继电器的误导通,致使相电压过大而出现相间短路,使晶闸管或固态继电器彻底烧毁。本仪表采用的是有触点和无触点相结合的控制方式(如图4所示)。本电路中的固态继电器能有效防止触点的电腐蚀,从而大大提高了交流接触器的寿命,也有效防止了相间短路的危险故障。
  


  5. 位置发信电路
  
  位置发信电路是仪表的重要组成部分,其功能是提供准确的位置信号。它的关键问题是采用何种位置传感器,以往的电动执行机构大多采用线绕电位器、差动变压器、导电塑料电位器等。线绕电位器由于寿命太短,已被淘汰。差动变压器虽然寿命很长,但因线性区段太短且温度特性不理想而受到限制。导电塑料电位器目前较为流行,虽然寿命尚可,但它是有触点的,因而寿命不可能很长,且精确度不高。本仪表采用的位置传感器具有寿命长(无触点)、精确度高、无线性区段限制、温度特性好、稳定性高等特点,在智能式仪表中使用还可省去D/A转换电路。它的唯一缺点是数据的保持须备用电池。
  
  6. 保护电路
  
  为了使仪表在任何工况下都能平稳运行,本仪表采取了大量的保护措施。对电动机的保护主要有温度保护、过力矩保护、缺相保护,对系统的保护主要有外事件保护、断信号保护、位置限制保护、错相自动纠正保护等。
  
  四 软件设计
  
  1. 监控主程序
  
  由于本产品所要采样和控制的对象非常多,特别是数字MPU1板需要大量的控制接口,因此该接口的设计采用了两片的设计方案,其中一片为PSD型可编程单片机通用外围接口芯片,这样可节省大量的其他外围接口芯片。
  
  数字MPU1板主要分管产品中数字量的处理工作,整个程序可以分成下列若干模块:
  
  (1)位置发送器采样模块,完成对计数模块的采样工作。
  
  (2)执行机构保护模块,完成对执行机构的力矩保护、温度保护及断信号的处理工作。
  
  (3)人机交换模块,完成对仪表的操作及显示功能。
  
  (4)通信模块,完成与模拟MPU之间的信息交换工作。
  
  其监控主程序流程如图5所示。
  


  模拟MPU2板主要分管产品中模拟量的处理工作,整个程序可分成下列若干模块:
  
  (1)A/D、D/A采样模块,完成控制信号、力矩信号、温度信号的A/D转换以及位置信号的D/A转换。
  
  (2)工程量转换模块,完成对力矩和温度信号的工程量转换工作。
  
  (3)通信模块,完成与数字MPU之间的信息交换工作。
  
  (4)HART通信程序模块,实现仪表的HART通信功能。
  
  2. HART组态软件
  
  HART协议采用主从通信方式,每次与HART设备的通信都由主机唤起。本仪表的HART协议软件的功能大致如下:
  
  (1)读执行机构的基本参数:制造厂商、产品类型、软件版本号、硬件版本号、设备系列号、工位号、装配号、描述符号信息、装配日期。
  
  (2)读执行机构的测量参数:当前过程信号、当前力矩信号、当前温度信号、当前位发(位置发信器)信号。
  
  其HART通信监控程序流程如图6所示。
  


  (3)读执行机构的特殊功能:阀门状态、报警状态、运行状态、输出类型、逻辑控制类型、事件控制类型、开关力矩值、开关阀门限值、温度报警值、反转延迟值、死区值、PID值。
 
 

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