0 引言

      執(zhí)行器是過程控制系統(tǒng)的重要組成部分，按照驅動能源形式可分為電動、氣動和液壓三類，各有特點，適用于不同的場合。執(zhí)行器通常由執(zhí)行機構和調節(jié)閥組成，執(zhí)行機構是指根據(jù)控制信號產生推力或位移的裝置，執(zhí)行機構驅動調節(jié)閥，改變能量或物料輸送量，從而使生產過程按預定要求正常執(zhí)行。

      隨著自動化、電子和計算機技術的發(fā)展，越來越多的執(zhí)行機構已經向智能化發(fā)展，很多執(zhí)行機構已經帶有現(xiàn)場總線通信和智能控制的功能。EPA標準是我國完全具有自主知識產權的基于工業(yè)以太網(wǎng)的現(xiàn)場總線標準，本文結合傳統(tǒng)執(zhí)行機構的結構和技術特點，開發(fā)符合EPA標準的智能電動執(zhí)行機構和電氣閥門定位器，使其具有現(xiàn)場總線通信功能，并通過EPA一致性和EPA互操作性等測試平臺的測試，同時利用EPA標準的多信息傳輸能力，實現(xiàn)上述執(zhí)行機構的遠程組態(tài)、遠程標定和遠程故障診斷等功能，達到現(xiàn)場設備智能化、數(shù)字化和網(wǎng)絡化的目的。

      1 執(zhí)行機構的工作原理及硬件設計

      當前主流的執(zhí)行機構產品，雖然已經普遍采用了單片機技術，部分實現(xiàn)了智能化，基本替代了傳統(tǒng)的模擬執(zhí)行機構產品，但仍然以“老式而可靠的”4~20mA 的模擬通信技術為主。隨著現(xiàn)場總線技術的發(fā)展和普及，人們對現(xiàn)場總線技術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世紀控制系統(tǒng)的通信技術。因此，本文主要闡述基于EPA標準的現(xiàn)場總線通信技術在執(zhí)行機構中的實現(xiàn)，所涉及的執(zhí)行機構包括電動執(zhí)行機構和電氣閥門定位器兩大類。

      1.1 電動執(zhí)行機構總體結構

      如圖1所示，電動執(zhí)行機構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)，與電動執(zhí)行機構當前的閥位相比較，通過特定的執(zhí)行控制算法，并驅動電機和減速器，從而使閥門運行到相應的位置。其中位置檢測技術采用了的無觸點位置反饋技術，定位精度和使用壽命都大大提高；力矩檢測單元采用專業(yè)的壓力傳感器動態(tài)測量輸出軸的力矩；故障檢測和EPA通信技術的引入，使電動執(zhí)行機構的遠程故障診斷成為可能。

      1.2 電氣閥門定位器總體結構

      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前的閥位相比較，通過特定的自適應控制算法，驅動壓電閥控制電路，通過進氣或排氣量的控制，從而使閥門運行到相應的位置。

      1.3 EPA通信卡的設計

      如圖3所示，EPA通信卡主要包括處理器單元、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工業(yè)環(huán)境應用等優(yōu)點，其穩(wěn)定性和可靠性完全值得信賴，同時其運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公司的NE2000兼容快速以太網(wǎng)控制器AX88796，其內部集成有10/100 Mbps自適應的物理層收發(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IEEE802.3/IEEE802.3 u局域網(wǎng)標準的10Mbps和100Mbps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)，通過遠程DMA FIFOs與AX88796的內部緩存SRAM進行數(shù)據(jù)交換。SRAM與MAC核之間進行Local DMA 將數(shù)據(jù)發(fā)送至MAC層，再經由內部的PHY層發(fā)送至RJ45接口。

      2 軟件設計

      基于EPA標準的現(xiàn)場儀表的軟件采用基于模塊化的設計方法。軟件開發(fā)可以分成三個部分：EPA用戶應用程序、EPA協(xié)議棧軟件包、硬件驅動程序模塊。EPA用戶應用又包括以下三個模塊：EPA功能塊殼與AO功能塊、EPA電動或氣動執(zhí)行機構技術塊、EPA通信卡與執(zhí)行機構控制電路的接口模塊。

      EPA協(xié)議棧軟件采用了多任務的實時操作系統(tǒng)μC/OS-II作為系統(tǒng)核心，主要模塊有操作系統(tǒng)、TCP/IP協(xié)議棧、IEEE1588精確同步協(xié)議引擎、EPA確定性調度引擎、EPA管理信息庫、EPA應用服務和EPA管理服務。EPA軟件層次結構如圖4所示。

      2.1 硬件驅動程序

      硬件驅動程序模塊包含了處理器的初始化（包括啟動代碼、外圍設備配置、中斷向量設置、堆棧設置等）、以太網(wǎng)控制器驅動程序（網(wǎng)絡接口初始化及接收，發(fā)送數(shù)據(jù)）、Flash驅動等內容。

      2.2 EPA協(xié)議棧軟件

      EPA協(xié)議棧軟件實現(xiàn)三個方面的任務：即數(shù)據(jù)（包括實時和非實時數(shù)據(jù)）傳輸服務、為用戶層提供的服務接口以及EPA管理服務（包括設備自動識別、系統(tǒng)時鐘同步、系統(tǒng)工作狀態(tài)的管理、設備位號及其他信息的管理等）。

      EPA通信基于TCP/UDP/IP協(xié)議，為用戶層應用程序提供實時和非實時數(shù)據(jù)傳輸服務。EPA通信協(xié)議實現(xiàn)了客戶/服務器、發(fā)布者/預訂者、報告分發(fā)等三種通信機制，其中客戶/服務器方式主要用于組態(tài)信息的上f 下載，設備信息的查詢，以及用戶自定義程序的下載等；而發(fā)布者/預訂者通信則是用于生產過程實時信息（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；報告分發(fā)則是用于控制過程報警信息的傳輸?shù)龋ǔ２捎枚嗖?廣播發(fā)布的通信。

      EPA應用層服務接口主要根據(jù)過程控制信息傳輸?shù)囊�，為用戶層應用程序之間的數(shù)據(jù)通信開發(fā)，并實現(xiàn)以下服務：域管理、域上傳、域下載、事件管理、事件報告、確認事件報告、改變事件監(jiān)視條件、變量訪問、變量讀、變量寫和信息分發(fā)服務。

      EPA管理服務是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系統(tǒng)管理功能：設備識別、對象定位、地址分配、時鐘同步和功能塊調度。

      IEEE1588也稱之為PTP精確時鐘同步協(xié)議，具有同步精度高的特點。在EPA協(xié)議棧軟件中實現(xiàn)了完整PTP協(xié)議的精確時鐘同步引擎。IEEE1588精確同步引擎主要包括時鐘同步算法、本地精確時鐘和本地數(shù)據(jù)集等模塊。它通過TCP/IP以組播或者多播的方式收發(fā)EPA網(wǎng)絡上的報文。本地時鐘模塊采用中斷的方式，維護一個精確的本地時鐘，精度可以根據(jù)實際需要來確定，理論上IEEE1588可以達到納秒級的同步精度。

      EPA確定性調度目的是為了解決以太網(wǎng)報文發(fā)送的不確定性，EPA確定性調度保證在每個時刻網(wǎng)絡上只有一個設備在發(fā)送報文，避免了網(wǎng)絡上報文的碰撞所引起的報文發(fā)送不確定性。EPA確定性調度引擎實現(xiàn)了完整的EPA確定性調度機制。

      2.3 EPA用戶應用程序

      EPA功能塊是基于IEC61499定義的，功能塊將控制過程中的某個特定功能封裝在一個功能塊中，并提供給用戶接口，用戶不必關心功能如何完成的具體細節(jié)，而只需根據(jù)功能塊的接口，來配置相應的控制系統(tǒng)即可。功能塊的接口定義分為數(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)功能塊中某個功能算法的執(zhí)行；而事件輸出接口用于本功能塊的運算完成后通知其他功能塊，數(shù)據(jù)的輸入輸出用于傳遞進行功能運算的數(shù)據(jù)。

      在執(zhí)行機構中，都包含了一個符合EPA功能塊標準的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）轉換成硬件通道所需要的值。由于AO功能塊被設計成與硬件無關的標準功能塊，因此需要在硬件物理通道和AO功能塊之間有一個映射關系。技術塊就是將硬件通道數(shù)據(jù)和標準功能塊相隔離，AO功能塊通過通道參數(shù)給出硬件數(shù)據(jù)信息。另外，技術塊還提供對執(zhí)行機構的校準和診斷功能。EPA功能塊標準分別為電動執(zhí)行機構和氣動執(zhí)行機構規(guī)定了相應的技術塊規(guī)范。

      EPA通信卡與執(zhí)行機構控制電路的接口模塊，主要完成兩者之問的數(shù)據(jù)交換。接口模塊的具體實現(xiàn)與產品總體結構有關。對于單CPU的方案而言，該接口就是一個程序模塊，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，該接口就是一個通信接口，可以是串行通信，也可以是并行通信，完成兩個CPU之間的數(shù)據(jù)交換。

      3 遠程組態(tài)、標定及故障診斷功能的實現(xiàn)

      EPA遠程組態(tài)、標定及故障診斷軟件實現(xiàn)了通過網(wǎng)絡遠程對EPA執(zhí)行機構進行組態(tài)、標定和故障診斷。這些功能的實現(xiàn)除了EPA功能塊和技術塊標準，還依賴基于XDDL的EPA設備描述技術，EPA設備描述文件描述了EPA設備中的所有資源，包括功能塊、技術塊、物理塊等資源信息。EPA設備管理軟件根據(jù)設備描述文件，提供在線的EPA設備管理功能，主要功能包括在線EPA監(jiān)視、EPA設備的遠程組態(tài)、標定和故障診斷等功能。EPA電動執(zhí)行機構的遠程組態(tài)、標定及故障診斷軟件界面如圖5所示。

      4 結束語

      EPA標準是我國完全具有自主知識產權的基于工業(yè)以太網(wǎng)的現(xiàn)場總線標準，本文設計的符合EPA標準的智能電動執(zhí)行機構和電氣閥門定位器，使其具有以太網(wǎng)通信功能，并通過EPA一致性和EPA可互操作性等測試平臺的測試，同時利用EPA標準的多信息傳輸能力，實現(xiàn)執(zhí)行機構的遠程組態(tài)、遠程標定和遠程故障診斷等功能，達到現(xiàn)場設備智能化、數(shù)字化和網(wǎng)絡化的目的。

原創(chuàng)作者：浙江金鋒自動化儀表有限公司