基于EPA標準的執行機構產品開發

上海自動化儀表股份有限公司   包偉華   張慶軍

摘  要：本文詳細闡述了基于EPA標準的執行機構的工作原理、硬件構成和軟件設計，同時利用EPA標準的多信息傳輸能力，實現了執行機構的遠程組態、遠程標定和遠程故障診斷等功能，達到了執行機構設備智能化、數字化和網絡化的目的。

關鍵詞：執行機構  閥門定位器  EPA標準  以太網  功能塊

1 引言

執行器是過程控制系統的重要組成部分，按照驅動能源形式可分為：電動、氣動和液壓三大類。其各有特點，適用于不同的場合。執行器通常由執行機構和調節閥組成，執行機構是指根據控制信號產生推力或位移的裝置，執行機構驅動調節閥，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行。

隨著自動化、電子和計算機技術的發展，越來越多的執行機構已經向智能化發展，很多執行機構已經具有現場總線通訊和智能控制的功能。EPA標準是我國具有完全自主知識產權的基于工業以太網的現場總線國際標準，本文結合傳統執行機構的結構和技術特點，開發符合EPA標準的智能電動執行機構和電氣閥門定位器，使其具有現場總線通訊功能，并通過EPA一致性和EPA可互操作性等測試平臺的測試。同時，利用EPA標準的多信息傳輸能力，實現上述執行機構的遠程組態、遠程標定和遠程故障診斷等功能，達到現場設備智能化、數字化和網絡化的目的。

2 執行機構的工作原理及硬件設計

當前主流的執行機構產品，雖然已經普遍采用了單片機技術，部分實現了智能化的目的，已經基本替代了傳統的模擬執行機構產品，但仍然以“老式而可靠的”4～20mA的模擬通訊技術為主。隨著現場總線技術的發展和普及，人們對現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趨向于采用基于現場總線的體系框架，數字協議將成為21世紀控制系統首選的通訊技術。因此，本文主要闡述基于EPA標準的現場總線通信技術在執行機構中的實現，所涉及的執行機構包括兩大類：電動執行機構和電氣閥門定位器。

2.1 電動執行機構總體結構

如圖1所示，電動執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、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，與電動執行機構當前的閥位相比較，通過特定的執行控制算法，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先進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的壓力傳感器動態測量輸出軸的力矩；故障檢測和EPA通信技術的引入，使電動執行機構的遠程故障診斷成為可能。

圖1  電動執行機構電路示意圖

2.2 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、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，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。

圖2  電氣閥門定位器電路示意圖

2.3 EPA通信卡的設計

如圖3所示，EPA通信卡主要構成包括處理器單元、RAM、程序存儲器、看門狗電路、以太網控制器、以太網接口電路、以太網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環境應用等優點，其穩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。

以太網控制器采用ASIX公司NE2000兼容快速以太網控制器AX88796，其內部集成有10/100 Mbps自適應的物理層收發器和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執行基于IEEE 802.3/IEEE 802.3u 局域網標準的10Mb/s和100Mb/s以太網控制功能。AX88796的地址總線與數據總線分別與CPU的地址/數據總線相連。CPU通過I/O讀寫NE2000寄存器來控制AX88796的工作狀態，通過遠程DMA FIFOs與AX88796的內部緩存SRAM進行數據交換。SRAM與MAC核之間進行Local DMA將數據發送至MAC層，再經由內部的PHY層發送至RJ45接口。

圖3  EPA通信卡電路示意圖

2.4 以太網總線供電解決方案

在環境惡劣的工業現場，為了減少現場安裝的復雜性，提高安全性和經濟性，通常希望連接到現場設備的線纜不僅能夠傳送數據信號，還要能夠為現場設備提供電源，即所謂的總線供電，總線供電技術在工業現場應用中具有重要的地位。對基于EPA標準的現場設備供電可采用兩種方法：總線供電方式和網絡供電方式。無論哪種方式，均應保證以太網通信信號和電源信號之間不能相互影響，以保證現場設備的以太網通信和測量、控制工作的可靠性。

Ø 基于以太網的總線供電方式

該方式采用調制解調法，在以太網集線器或交換機的以太網信號輸出端，將24～48V直流電源信號與以太網通信信號調制在一起，在現場設備端的以太網信號輸入端，將直流電源與以太網通信信號進行分離，把其中的24～48V直流電源通過DC-DC轉換為現場設備用的直流工作電源，實現基于以太網的總線供電。

這種方式存在的缺點是改變了網絡變壓器的電磁特性，同時一定程度上改變了以太網的傳輸邏輯。

Ø 基于以太網的網絡供電方式

該方式利用以太網傳輸電纜4對雙絞線中的2對空余雙絞線，對現場設備直接提供24～48V直流電源，再由DC-DC將該電源轉換為現場設備的工作電源，這種方式克服了總線供電方式存在的缺點。本文設計的電氣閥門定位器，采用了網絡供電方式。

另外，在基于EPA標準的以太網供電解決方案中，還著重考慮了總線供電的安全性、可靠性設計。

3 軟件設計

基于EPA標準的執行機構產品的軟件設計采用基于模塊化的設計方法。軟件開發可以分成三個部分：EPA用戶應用程序、EPA通信棧軟件包、硬件驅動程序模塊。

EPA用戶應用程序又包括以下三個模塊：EPA功能塊殼與AO功能塊、EPA電動或氣動執行機構技術塊、EPA通信卡與執行機構控制電路的接口模塊。

EPA通信棧軟件包又包括以下模塊：EPA確定性調度與精確時間同步算法、TCP/UDP/IP協議軟件、EPA應用層服務、EPA應用層服務接口和EPA管理服務等。

軟件的層次結構如圖4所示。

圖4  軟件層次結構示意圖

3.1 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）、以太網控制器驅動程序（網絡接口初始化，接收、發送初始化）、FLASH驅動等內容。

3.2 EPA通信棧軟件

EPA通信棧軟件實現三個方面的任務：即數據（包括實時和非實時數據）傳輸服務的實現及其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、系統時鐘同步、系統工作狀態的管理、設備位號及其他信息的管理等）。

EPA通信協議基于TCP/UDP/IP協議，為用戶層的應用程序間提供實時和非實時數據傳輸服務。EPA通信協議實現了客戶/服務器、發布者/**者、報告分發等三種通信機制，其中客戶/服務器方式主要用于組態信息的上傳/下載、設備信息的查詢和用戶自定義程序的下載等；而發布者/**者通信則是用于生產過程實時信息（如測量、控制數據）的周期性傳輸等，通常采用廣播、多播、單播的傳輸方式；報告分發則是用于控制過程報警信息的傳輸等，通常采用多播、廣播發布的通信。

EPA應用層服務接口主要根據過程控制信息傳輸的要求，為用戶層應用程序之間的數據通信開發，并實現以下服務：域管理服務、域上載服務、域下載服務、事件管理服務、事件報告服務、確認事件報告服務、改變事件監視條件服務、變量訪問服務、變量讀服務、變量寫服務和信息分發服務。

EPA管理服務是EPA通信協議中的重要組成部分。EPA系統管理主要完成以下幾個系統管理功能：設備識別、對象定位、地址分配、時鐘同步和功能塊調度。

精確時間同步算法實現了完整的IEEE 1588精確時鐘同步協議，保證EPA網絡上所有設備的時鐘都是同步的。EPA確定性調度引擎實現了EPA確定性調度的機制，確保同一時刻網絡上只有一個設備在發送報文，從根本上避免了以太網報文的碰撞問題。

3.3 EPA用戶應用程序

EPA用戶應用程序主要包括：EPA功能塊殼與AO功能塊、EPA電動或氣動執行機構技術塊、EPA通信卡與執行機構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，而只需根據功能塊的接口，來配置相應的控制系統即可。功能塊的接口定義中分為數據輸入輸出接口、事件輸入輸出接口。事件的輸入接口用于觸發功能塊中某個功能算法的執行，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，數據的輸入輸出接口則用于傳遞用于功能運算的數據。

執行機構都包含了一個符合EPA功能塊標準的AO功能塊。AO功能塊將輸入數據（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據和標準功能塊相隔離，AO功能塊通過通道參數給出硬件數據信息。另外，技術塊還提供對執行機構的校準和診斷功能。EPA功能塊標準分別為電動執行機構和氣動執行機構規定了相應的技術塊規范。限于篇幅，這里不作詳細介紹。

EPA通信卡與執行機構控制電路的接口模塊，主要完成兩者之間的數據交換。接口模塊的具體實現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據交換；對于雙CPU的解決方案而言，該接口就是一個通訊接口，可以是串行通訊，也可以是并行通訊，完成兩個CPU之間的數據交換。

4 遠程組態、標定及故障診斷功能的實現

EPA遠程組態、標定及故障診斷軟件實現了通過網絡遠程對EPA執行機構進行組態、標定和故障診斷。這些功能的實現除了EPA功能塊和技術塊標準，還依賴于基于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，限于篇幅，這里不作詳細闡述。EPA設備管理軟件根據設備描述文件，提供在線的EPA設備管理功能，主要功能包括：在線EPA監視、EPA設備的遠程組態、遠程標定和遠程故障診斷等功能。EPA執行機構的遠程組態、標定及故障診斷軟件界面如圖5所示。

圖5  EPA執行機構遠程組態、標定及診斷軟件界面示意圖

5 結束語

EPA標準是我國具有完全自主知識產權的基于工業以太網的現場總線國際標準，本文設計的符合EPA標準的智能電動執行機構和電氣閥門定位器，具有以太網通訊功能，并通過EPA一致性和EPA可互操作性等測試平臺的測試，同時利用EPA標準的多信息傳輸能力，實現了執行機構的遠程組態、遠程標定和遠程故障診斷等功能，達到現場設備智能化、數字化和網絡化的目的。