基于EPA標(biāo)準(zhǔn)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)品開發(fā)

上海自動(dòng)化儀表股份有限公司   包偉華   張慶軍

摘  要：本文詳細(xì)闡述了基于EPA標(biāo)準(zhǔn)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作原理、硬件構(gòu)成和軟件設(shè)計(jì)，同時(shí)利用EPA標(biāo)準(zhǔn)的多信息傳輸能力，實(shí)現(xiàn)了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的遠(yuǎn)程組態(tài)、遠(yuǎn)程標(biāo)定和遠(yuǎn)程故障診斷等功能，達(dá)到了執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)備智能化、數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化的目的。

關(guān)鍵詞：執(zhí)行機(jī)構(gòu)  閥門定位器  EPA標(biāo)準(zhǔn)  以太網(wǎng)  功能塊

1 引言

執(zhí)行器是過程控制系統(tǒng)的重要組成部分，按照驅(qū)動(dòng)能源形式可分為：電動(dòng)、氣動(dòng)和液壓三大類。其各有特點(diǎn)，適用于不同的場合。執(zhí)行器通常由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)閥組成，執(zhí)行機(jī)構(gòu)是指根據(jù)控制信號產(chǎn)生推力或位移的裝置，執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)閥，改變能量或物料輸送量，從而使生產(chǎn)過程按預(yù)定要求正常執(zhí)行。

隨著自動(dòng)化、電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，越來越多的執(zhí)行機(jī)構(gòu)已經(jīng)向智能化發(fā)展，很多執(zhí)行機(jī)構(gòu)已經(jīng)具有現(xiàn)場總線通訊和智能控制的功能。EPA標(biāo)準(zhǔn)是我國具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的基于工業(yè)以太網(wǎng)的現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)，本文結(jié)合傳統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和技術(shù)特點(diǎn)，開發(fā)符合EPA標(biāo)準(zhǔn)的智能電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和電氣閥門定位器，使其具有現(xiàn)場總線通訊功能，并通過EPA一致性和EPA可互操作性等測試平臺的測試。同時(shí)，利用EPA標(biāo)準(zhǔn)的多信息傳輸能力，實(shí)現(xiàn)上述執(zhí)行機(jī)構(gòu)的遠(yuǎn)程組態(tài)、遠(yuǎn)程標(biāo)定和遠(yuǎn)程故障診斷等功能，達(dá)到現(xiàn)場設(shè)備智能化、數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化的目的。

2 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作原理及硬件設(shè)計(jì)

當(dāng)前主流的執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)品，雖然已經(jīng)普遍采用了單片機(jī)技術(shù)，部分實(shí)現(xiàn)了智能化的目的，已經(jīng)基本替代了傳統(tǒng)的模擬執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)品，但仍然以“老式而可靠的”4～20mA的模擬通訊技術(shù)為主。隨著現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展和普及，人們對現(xiàn)場總線技術(shù)的熟悉程度和信心不斷提高，越來越多的控制系統(tǒng)趨向于采用基于現(xiàn)場總線的體系框架，數(shù)字協(xié)議將成為21世紀(jì)控制系統(tǒng)的通訊技術(shù)。因此，本文主要闡述基于EPA標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場總線通信技術(shù)在執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的實(shí)現(xiàn)，所涉及的執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括兩大類：電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和電氣閥門定位器。

2.1 電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)總體結(jié)構(gòu)

如圖1所示，電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制電路主要由中央控制單元、EPA通信模塊、位置檢測單元、力矩檢測單元、紅外遙控及顯示單元、故障檢測單元、就地控制單元、電機(jī)控制模塊、電源電路等部分組成。

EPA通信卡接收來自控制器的閥位控制參數(shù)，與電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)當(dāng)前的閥位相比較，通過特定的執(zhí)行控制算法，驅(qū)動(dòng)電機(jī)和減速器，從而使閥門運(yùn)行到相應(yīng)的位置。其中位置檢測技術(shù)采用了先進(jìn)的無觸點(diǎn)位置反饋技術(shù)，定位精度和使用壽命都大大提高；力矩檢測單元采用的壓力傳感器動(dòng)態(tài)測量輸出軸的力矩；故障檢測和EPA通信技術(shù)的引入，使電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的遠(yuǎn)程故障診斷成為可能。

圖1  電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)電路示意圖

2.2 電氣閥門定位器總體結(jié)構(gòu)

如圖2所示，電氣閥門定位器的控制電路主要由中央控制單元、EPA通信模塊、位置檢測單元、顯示與鍵盤單元、故障檢測單元、壓電閥控制電路、電源電路等部分組成。

EPA通信卡接收來自控制器的閥位控制參數(shù)，與電氣閥門定位器當(dāng)前的閥位相比較，通過特定的自適應(yīng)控制算法，驅(qū)動(dòng)壓電閥控制電路，通過進(jìn)氣或排氣量的控制，從而使閥門運(yùn)行到相應(yīng)的位置。

圖2  電氣閥門定位器電路示意圖

2.3 EPA通信卡的設(shè)計(jì)

如圖3所示，EPA通信卡主要構(gòu)成包括處理器單元、RAM、程序存儲器、看門狗電路、以太網(wǎng)控制器、以太網(wǎng)接口電路、以太網(wǎng)供電電路以及與儀表卡的接口電路。

處理器單元采用了ATMEL公司低功耗、高性能的32位RISC ARM處理器，具有體積小和能適應(yīng)工業(yè)環(huán)境應(yīng)用等優(yōu)點(diǎn)，其穩(wěn)定性和可靠性完全值得信賴，同時(shí)其運(yùn)算速度完全可以滿足通信和控制的要求。

以太網(wǎng)控制器采用ASIX公司NE2000兼容快速以太網(wǎng)控制器AX88796，其內(nèi)部集成有10/100 Mbps自適應(yīng)的物理層收發(fā)器和8K×16位的SRAM，支持MCS-51系列、80186系列以及MC68K系列等多種CPU總線類型。AX88796執(zhí)行基于IEEE 802.3/IEEE 802.3u 局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的10Mb/s和100Mb/s以太網(wǎng)控制功能。AX88796的地址總線與數(shù)據(jù)總線分別與CPU的地址/數(shù)據(jù)總線相連。CPU通過I/O讀寫NE2000寄存器來控制AX88796的工作狀態(tài)，通過遠(yuǎn)程DMA FIFOs與AX88796的內(nèi)部緩存SRAM進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。SRAM與MAC核之間進(jìn)行Local DMA將數(shù)據(jù)發(fā)送至MAC層，再經(jīng)由內(nèi)部的PHY層發(fā)送至RJ45接口。

圖3  EPA通信卡電路示意圖

2.4 以太網(wǎng)總線供電解決方案

在環(huán)境惡劣的工業(yè)現(xiàn)場，為了減少現(xiàn)場安裝的復(fù)雜性，提高**性和經(jīng)濟(jì)性，通常希望連接到現(xiàn)場設(shè)備的線纜不僅能夠傳送數(shù)據(jù)信號，還要能夠?yàn)楝F(xiàn)場設(shè)備提供電源，即所謂的總線供電，總線供電技術(shù)在工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用中具有重要的地位。對基于EPA標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場設(shè)備供電可采用兩種方法：總線供電方式和網(wǎng)絡(luò)供電方式。無論哪種方式，均應(yīng)保證以太網(wǎng)通信信號和電源信號之間不能相互影響，以保證現(xiàn)場設(shè)備的以太網(wǎng)通信和測量、控制工作的可靠性。

Ø 基于以太網(wǎng)的總線供電方式

該方式采用調(diào)制解調(diào)法，在以太網(wǎng)集線器或交換機(jī)的以太網(wǎng)信號輸出端，將24～48V直流電源信號與以太網(wǎng)通信信號調(diào)制在一起，在現(xiàn)場設(shè)備端的以太網(wǎng)信號輸入端，將直流電源與以太網(wǎng)通信信號進(jìn)行分離，把其中的24～48V直流電源通過DC-DC轉(zhuǎn)換為現(xiàn)場設(shè)備用的直流工作電源，實(shí)現(xiàn)基于以太網(wǎng)的總線供電。

這種方式存在的缺點(diǎn)是改變了網(wǎng)絡(luò)變壓器的電磁特性，同時(shí)一定程度上改變了以太網(wǎng)的傳輸邏輯。

Ø 基于以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)供電方式

該方式利用以太網(wǎng)傳輸電纜4對雙絞線中的2對空余雙絞線，對現(xiàn)場設(shè)備直接提供24～48V直流電源，再由DC-DC將該電源轉(zhuǎn)換為現(xiàn)場設(shè)備的工作電源，這種方式克服了總線供電方式存在的缺點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)的電氣閥門定位器，采用了網(wǎng)絡(luò)供電方式。

另外，在基于EPA標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)供電解決方案中，還著重考慮了總線供電的**性、可靠性設(shè)計(jì)。

3 軟件設(shè)計(jì)

基于EPA標(biāo)準(zhǔn)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)品的軟件設(shè)計(jì)采用基于模塊化的設(shè)計(jì)方法。軟件開發(fā)可以分成三個(gè)部分：EPA用戶應(yīng)用程序、EPA通信棧軟件包、硬件驅(qū)動(dòng)程序模塊。

EPA用戶應(yīng)用程序又包括以下三個(gè)模塊：EPA功能塊殼與AO功能塊、EPA電動(dòng)或氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)技術(shù)塊、EPA通信卡與執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制電路的接口模塊。

EPA通信棧軟件包又包括以下模塊：EPA確定性調(diào)度與時(shí)間同步算法、TCP/UDP/IP協(xié)議軟件、EPA應(yīng)用層服務(wù)、EPA應(yīng)用層服務(wù)接口和EPA管理服務(wù)等。

軟件的層次結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4  軟件層次結(jié)構(gòu)示意圖

3.1 硬件驅(qū)動(dòng)程序

硬件驅(qū)動(dòng)程序模塊包含了處理器的初始化（包括啟動(dòng)代碼、外圍設(shè)備配置、中斷向量設(shè)置、堆棧設(shè)置等）、以太網(wǎng)控制器驅(qū)動(dòng)程序（網(wǎng)絡(luò)接口初始化，接收、發(fā)送初始化）、FLASH驅(qū)動(dòng)等內(nèi)容。

3.2 EPA通信棧軟件

EPA通信棧軟件實(shí)現(xiàn)三個(gè)方面的任務(wù)：即數(shù)據(jù)（包括實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)）傳輸服務(wù)的實(shí)現(xiàn)及其為用戶層提供的服務(wù)接口，以及EPA管理服務(wù)（包括設(shè)備自動(dòng)識別、系統(tǒng)時(shí)鐘同步、系統(tǒng)工作狀態(tài)的管理、設(shè)備位號及其他信息的管理等）。

EPA通信協(xié)議基于TCP/UDP/IP協(xié)議，為用戶層的應(yīng)用程序間提供實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。EPA通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)了客戶/服務(wù)器、發(fā)布者/**者、報(bào)告分發(fā)等三種通信機(jī)制，其中客戶/服務(wù)器方式主要用于組態(tài)信息的上傳/下載、設(shè)備信息的查詢和用戶自定義程序的下載等；而發(fā)布者/**者通信則是用于生產(chǎn)過程實(shí)時(shí)信息（如測量、控制數(shù)據(jù)）的周期性傳輸?shù)?，通常采用廣播、多播、單播的傳輸方式；報(bào)告分發(fā)則是用于控制過程報(bào)警信息的傳輸?shù)?，通常采用多播、廣播發(fā)布的通信。

EPA應(yīng)用層服務(wù)接口主要根據(jù)過程控制信息傳輸?shù)囊?，為用戶層?yīng)用程序之間的數(shù)據(jù)通信開發(fā)，并實(shí)現(xiàn)以下服務(wù)：域管理服務(wù)、域上載服務(wù)、域下載服務(wù)、事件管理服務(wù)、事件報(bào)告服務(wù)、確認(rèn)事件報(bào)告服務(wù)、改變事件監(jiān)視條件服務(wù)、變量訪問服務(wù)、變量讀服務(wù)、變量寫服務(wù)和信息分發(fā)服務(wù)。

EPA管理服務(wù)是EPA通信協(xié)議中的重要組成部分。EPA系統(tǒng)管理主要完成以下幾個(gè)系統(tǒng)管理功能：設(shè)備識別、對象定位、地址分配、時(shí)鐘同步和功能塊調(diào)度。

時(shí)間同步算法實(shí)現(xiàn)了完整的IEEE 1588時(shí)鐘同步協(xié)議，保證EPA網(wǎng)絡(luò)上所有設(shè)備的時(shí)鐘都是同步的。EPA確定性調(diào)度引擎實(shí)現(xiàn)了EPA確定性調(diào)度的機(jī)制，確保同一時(shí)刻網(wǎng)絡(luò)上只有一個(gè)設(shè)備在發(fā)送報(bào)文，從根本上避免了以太網(wǎng)報(bào)文的碰撞問題。

3.3 EPA用戶應(yīng)用程序

EPA用戶應(yīng)用程序主要包括：EPA功能塊殼與AO功能塊、EPA電動(dòng)或氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)技術(shù)塊、EPA通信卡與執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制電路的接口模塊。

EPA功能塊是基于IEC 61499定義的，功能塊將控制過程中的某個(gè)特定功能封裝在一個(gè)功能塊中，并提供給用戶接口，用戶不必關(guān)心功能如何完成的具體細(xì)節(jié)，而只需根據(jù)功能塊的接口，來配置相應(yīng)的控制系統(tǒng)即可。功能塊的接口定義中分為數(shù)據(jù)輸入輸出接口、事件輸入輸出接口。事件的輸入接口用于觸發(fā)功能塊中某個(gè)功能算法的執(zhí)行，而事件輸出接口用于本功能塊的運(yùn)算完成后通知其他功能塊，數(shù)據(jù)的輸入輸出接口則用于傳遞用于功能運(yùn)算的數(shù)據(jù)。

執(zhí)行機(jī)構(gòu)都包含了一個(gè)符合EPA功能塊標(biāo)準(zhǔn)的AO功能塊。AO功能塊將輸入數(shù)據(jù)（一般為控制器給出的閥位控制值）轉(zhuǎn)換成硬件通道所需要的值。由于AO功能塊被設(shè)計(jì)成與硬件無關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)功能塊，因此需要在硬件物理通道和AO功能塊之間有一個(gè)映射關(guān)系。技術(shù)塊就是將硬件通道數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)功能塊相隔離，AO功能塊通過通道參數(shù)給出硬件數(shù)據(jù)信息。另外，技術(shù)塊還提供對執(zhí)行機(jī)構(gòu)的校準(zhǔn)和診斷功能。EPA功能塊標(biāo)準(zhǔn)分別為電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)規(guī)定了相應(yīng)的技術(shù)塊規(guī)范。限于篇幅，這里不作詳細(xì)介紹。

EPA通信卡與執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制電路的接口模塊，主要完成兩者之間的數(shù)據(jù)交換。接口模塊的具體實(shí)現(xiàn)與產(chǎn)品總體結(jié)構(gòu)有關(guān)。對于單CPU的方案而言，該接口就是一個(gè)程序模塊，完成不同程序模塊之間的數(shù)據(jù)交換；對于雙CPU的解決方案而言，該接口就是一個(gè)通訊接口，可以是串行通訊，也可以是并行通訊，完成兩個(gè)CPU之間的數(shù)據(jù)交換。

4 遠(yuǎn)程組態(tài)、標(biāo)定及故障診斷功能的實(shí)現(xiàn)

EPA遠(yuǎn)程組態(tài)、標(biāo)定及故障診斷軟件實(shí)現(xiàn)了通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程對EPA執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行組態(tài)、標(biāo)定和故障診斷。這些功能的實(shí)現(xiàn)除了EPA功能塊和技術(shù)塊標(biāo)準(zhǔn)，還依賴于基于XDDL的EPA設(shè)備描述技術(shù)，EPA設(shè)備描述文件描述了EPA設(shè)備中的所有資源，包括功能塊、技術(shù)塊、物理塊等資源信息，限于篇幅，這里不作詳細(xì)闡述。EPA設(shè)備管理軟件根據(jù)設(shè)備描述文件，提供在線的EPA設(shè)備管理功能，主要功能包括：在線EPA監(jiān)視、EPA設(shè)備的遠(yuǎn)程組態(tài)、遠(yuǎn)程標(biāo)定和遠(yuǎn)程故障診斷等功能。EPA執(zhí)行機(jī)構(gòu)的遠(yuǎn)程組態(tài)、標(biāo)定及故障診斷軟件界面如圖5所示。

圖5  EPA執(zhí)行機(jī)構(gòu)遠(yuǎn)程組態(tài)、標(biāo)定及診斷軟件界面示意圖

5 結(jié)束語

EPA標(biāo)準(zhǔn)是我國具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的基于工業(yè)以太網(wǎng)的現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)，本文設(shè)計(jì)的符合EPA標(biāo)準(zhǔn)的智能電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和電氣閥門定位器，具有以太網(wǎng)通訊功能，并通過EPA一致性和EPA可互操作性等測試平臺的測試，同時(shí)利用EPA標(biāo)準(zhǔn)的多信息傳輸能力，實(shí)現(xiàn)了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的遠(yuǎn)程組態(tài)、遠(yuǎn)程標(biāo)定和遠(yuǎn)程故障診斷等功能，達(dá)到現(xiàn)場設(shè)備智能化、數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化的目的。