執(zhí)行器接收調(diào)節(jié)器的控制信號(hào)，改變控制變量，使生產(chǎn)過程按預(yù)定要求正常執(zhí)行，可以說它是控制任務(wù)的*終執(zhí)行者。氣動(dòng)執(zhí)行器由于具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輸出推力大、動(dòng)作平穩(wěn)可靠、安全防爆等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用。隨著智能、網(wǎng)絡(luò)、通信和控制/管理一體化綜合技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)對(duì)氣動(dòng)執(zhí)行器的智能化要求日益迫切。

    一、閥門定位器的地位和作用

    執(zhí)行器由調(diào)節(jié)閥和定位器組成。定位器技術(shù)的發(fā)展使得調(diào)節(jié)閥變得更易于控制，更精確，簡(jiǎn)化了高性能控制回路的設(shè)計(jì)，使得控制回路的執(zhí)行更加緊湊。定位器是提高調(diào)節(jié)閥性能的重要手段，它在一個(gè)過程控制系統(tǒng)中扮演著重要的角色，如圖1所示。

    閥門定位器的主要作用如下：

    （1）提高執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出力；
    （2）提高閥門的定位精度；
    （3）增大執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出功率，減少系統(tǒng)的傳輸滯后；
    （4）可起到電氣轉(zhuǎn)換器的作用，使用電信號(hào)來控制氣閥（電氣閥門定位器）；
    （5）改變閥門的作用方式；
    （6）改變閥門的流量特性；
    （7）具有分程控制等功能。

    二、WorldFIP現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議概況

    WorldFIP協(xié)議是EN50170歐洲標(biāo)準(zhǔn)的第三部分，物理層采用IEC611582標(biāo)準(zhǔn)。它廣泛應(yīng)用于發(fā)電與輸出配電、加工自動(dòng)化、鐵路運(yùn)輸、地鐵和過程自動(dòng)化領(lǐng)域。

    WorldFIP現(xiàn)場(chǎng)總線體系結(jié)構(gòu)如圖2所示，系統(tǒng)分為3級(jí)，即過程級(jí)、控制級(jí)和監(jiān)控級(jí)。

    WorldFIP的生產(chǎn)者/使用者 （Producer/Con-Sumer）模式和總線仲裁器 （Bus Arbiter）的調(diào)度方式特別適合工業(yè)過程控制用的現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)。FF和IEC郡采用了這種通信模式，只是名稱不。FF稱為發(fā)布者/預(yù)定者 （Publisher/Subscriber）與鏈路調(diào)度器（LAS），實(shí)際方式與WorldFIP完全一致。

    三、基于WorldFIP現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議電-氣閥定位器的開發(fā)

    隨著控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)飛速發(fā)展，數(shù)字化作為一種趨勢(shì)正在從工業(yè)生產(chǎn)過和的決策層、管埋層、監(jiān)控層和控制層一直滲透到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。定位器作為重要的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，也必然要向數(shù)字化、智能化方向發(fā)展，并且必定與全數(shù)字化的、全開放式的、可互操作的新型控制系統(tǒng)——現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)相適應(yīng)。一些工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的大公司，如Siemens、Fisher、Rosemount、Smar等，相繼研制開發(fā)了智能型電、氣閥門定位器，國(guó)內(nèi)這方面起步比較晚。

    1.總體設(shè)計(jì)

    采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，將整個(gè)設(shè)計(jì)分為功能相對(duì)獨(dú)立的五個(gè)模塊：電源板、通信板、MCU板、輸入輸出板和顯示板。其中電源板、通信板、MCU板和顯示板是通用的。在設(shè)計(jì)諸如溫度變送器、現(xiàn)場(chǎng)總線-電流轉(zhuǎn)換器等其他基于WorldFIP現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議的智能儀表時(shí)，這些相對(duì)獨(dú)立的模塊可以不加任何改動(dòng)直接使用，從而縮短開發(fā)周期�？傮w結(jié)構(gòu)如圖3所示。

    2.通信板設(shè)計(jì)

    通信板的設(shè)計(jì)中采用了協(xié)議芯片MICROFIP VY27257。

    MICROFIP VY27257是執(zhí)行WorldFIP協(xié)議的ASIC解決方案。它在靜態(tài)執(zhí)行時(shí)功耗低。MI-CROFIP費(fèi)用低，使用容易，特別是它可以配置為站，不用運(yùn)行總線仲裁。它有以下主要特征：

    （1）三種標(biāo)準(zhǔn)通信速率：31.25Kb/s，1Mb/s,2.5Mb/s。
    （2）兩種操作模式：獨(dú)立模式（STAND-A-LONE）和微處理器控制模式（MICROCON-TROLLED）。
    （3）可以使用不同的MAU（Medium Attach-ment Unit）：FIELDRIVE、CREOL等。
    （4）可選擇分界符和FCS格式：IEC或UTE。
    （5）芯片內(nèi)置512字節(jié)內(nèi)存：120字節(jié)分配給8個(gè)字節(jié)塊，*多支持8個(gè)MPS變量。
    （6）兩個(gè)可編程、帶有濾波和FALL BACK功能的8位并行I/O端口：PIA，PIB。
    （7）在微處理器控制模式下工作時(shí)，與微處理器接口簡(jiǎn)單8051，68HC11等不需要外部邏輯接口，80186，6800等也很簡(jiǎn)單。
    （8）-個(gè)全雙工的消息通道，允許128字節(jié)的報(bào)文交換。
    （9）一個(gè)中斷，以指示發(fā)生了與變量及報(bào)文交換相關(guān)聯(lián)的事件。
    （1O）工作電壓可選擇3V或5V，滿足易爆環(huán)境下的本質(zhì)安全要求。

    MICROFIP提供了數(shù)據(jù)鏈路層和MPS應(yīng)用層的接口，提供的服務(wù)有以下幾點(diǎn)：

    （1）物理層服務(wù)：在EN10570和FIP標(biāo)準(zhǔn)之間進(jìn)行選擇。
    （2）數(shù)據(jù)鏈路層服務(wù)：變量傳送服務(wù)和報(bào)文傳送服務(wù)。
    （3）網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)：MICROFIP介質(zhì)冗余管理。
    （4）附加功能：輸入/輸出端口，通過并行端口獲取站地址。

    3.MCU板的設(shè)計(jì)

    選用了ATMEL公司的AT91M40800，它基于ARM7TDMI核，包含8KB SRAM、外部總線接口EBI和一些外圍部件，外圍部件包括定時(shí)USART和中斷控制器。其內(nèi)核ARM7TDMI處理器的性能使得可由軟件實(shí)現(xiàn)SPI和 TSO7816接口等附加的外圍功能。ARM7TDMI微處理器有兩個(gè)指令集：高性能32位ARM指令集；高代碼密度16位Thumb指令集。其功耗很低，內(nèi)部的工作寄存器很多，非常適用于實(shí)時(shí)控制應(yīng)用。

    在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了MCU板的通用性。在MCU板上擴(kuò)展了256KB Flash、256KB SRAM和16KB EEPROM。擴(kuò)展了20個(gè)并口，其中有三個(gè)并口用高速光耦6N137隔離作為MCU的輸出，有一個(gè)并口用6N137隔離作為MCU的輸入，這4個(gè)并口用作與D/A或A/D的接口（SPI）。并且在MCU板上設(shè)計(jì)了一個(gè)隔離的+5V和-5V電源，用來給輸入輸出板需要隔離供電的器件供電。

    4.MCU與MICROFIP的接口

    MICROFIP與MCU之間的接口包括9條地址線，8條數(shù)據(jù)線，1條片選信號(hào)線，1條復(fù)位信號(hào)線，3條讀/寫控制信號(hào)和中斷請(qǐng)求線。MICROFIP發(fā)出中斷請(qǐng)求信號(hào)，MCU接收到中斷請(qǐng)求通過讀內(nèi)部的中斷狀態(tài)（寄存器）來確定中斷源。

    5.MICROFIP與總線的接口

    MICROFIP有8條現(xiàn)場(chǎng)總線接口線，分別是：1條接收數(shù)據(jù)信號(hào)線，1條發(fā)送數(shù)據(jù)信號(hào)線，1條控制總線發(fā)送器工作狀態(tài)的控制線，5條狀態(tài)信號(hào)線�？偩�模擬接口包含的電路有接收信號(hào)的整形濾波部分，發(fā)送信號(hào)的驅(qū)動(dòng)部分和變壓器的隔離部分。

    6.輸入/輸出板的設(shè)計(jì)

    輸入/輸出板設(shè)計(jì)了一路繼電器驅(qū)動(dòng)通道和一路閥位反饋通道，以便與電-氣轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換部分相連接。其中閥位反饋采用非接觸電感位置傳感器，它具有精度高、壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)。

    7.電-氣轉(zhuǎn)換部分的工作原理

    非接觸電感位移傳感器檢測(cè)閥門的位移大小，通過轉(zhuǎn)換器經(jīng)隔離后將其送入微控制器。微控制器將其與設(shè)定值進(jìn)行比較，根據(jù)它們的偏差來決定開/關(guān)閥3和4的狀態(tài)（開或關(guān)），從而向調(diào)節(jié)閥進(jìn)氣或從調(diào)節(jié)閥排氣，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)閥的精確定位。任一時(shí)刻開關(guān)閥3和4，只能有一個(gè)開通，另一個(gè)關(guān)閉。開關(guān)閥3開通時(shí)，壓縮空氣迸入調(diào)節(jié)閥；開關(guān)閥4開通時(shí)，調(diào)節(jié)閥氣室內(nèi)的壓縮空氣進(jìn)4排入大氣。電-氣轉(zhuǎn)換部分與輸入輸出板的接口如圖4所示。

    四、結(jié)束語

    智能閥門定位器是新一代智能化氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)必備的附件。它內(nèi)裝高集成度的微控制器，采用平衡（數(shù)字平衡）原理代替?zhèn)鹘y(tǒng)的力平衡原理，使用電信號(hào)來控制氣動(dòng)閥。它根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)總線上送來或者由其內(nèi)部控制功能所產(chǎn)生的控制信號(hào)，產(chǎn)生一個(gè)氣壓信號(hào)，帶動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出一個(gè)機(jī)械位移，并通過高精確度的位置傳感器將閥位反饋到控制電路中，實(shí)現(xiàn)精確的閥門定位。

    現(xiàn)場(chǎng)總線智能閥門定位器實(shí)現(xiàn)了信息的數(shù)字傳輸，能夠進(jìn)行遠(yuǎn)程設(shè)定、自動(dòng)標(biāo)定、故障診斷，并提供預(yù)防性維修信息。例如它可以自動(dòng)累計(jì)閥門的行程和動(dòng)作次數(shù)，當(dāng)?shù)竭_(dá)規(guī)定數(shù)值時(shí)會(huì)發(fā)出提示信息。在設(shè)備內(nèi)部可以實(shí)現(xiàn)控制、報(bào)警、計(jì)算以及其他一些數(shù)據(jù)處理功能。閥門的特性是通過組態(tài)實(shí)現(xiàn)的，不需要對(duì)凸輪、彈簧等部件做任何改動(dòng)，即可以方便地實(shí)現(xiàn)線性、等百分比、快開，以及其他任意設(shè)置的閥門特性。

    智能閥門定位器的功能完善，使用它可以降低投資、節(jié)約能源、提高過程控制水平。它與智能變送器一起，將會(huì)徹底改變現(xiàn)場(chǎng)儀表的狀況，促使過程控制早日進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS）的新時(shí)代。

原創(chuàng)作者：浙江金鋒自動(dòng)化儀表有限公司