基於EPA標（biāo）準的執行（háng）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（le）基（jī）於（yú）EPA標準的執行機構的工作原理、硬件（jiàn）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（zhí）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（jī）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（yǐ）太網 功能塊
1 引言
執（zhí）行（háng）器是過程控製係統的（de）重要組成部分，按（àn）照驅動能源形式可分為：電動（dòng）、氣動和液壓三大類。其各有特點（diǎn），適用於不同的（de）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製信號產生推力（lì）或位移的裝置，執行機構驅動（dòng）調（diào）節閥，改（gǎi）變能量（liàng）或物料輸送量，從而使生產過（guò）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（zhǎn），越（yuè）來越多的執（zhí）行機構已經向智能化發展，很多執行機構已經具有現場總（zǒng）線通訊和智能控製的功（gōng）能。EPA標準是我國具有完全自主知（zhī）識產權的基於工業以太網（wǎng）的現場總線國際標準，本文結合傳（chuán）統執（zhí）行（háng）機（jī）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（shǐ）其具有現場（chǎng）總線通訊功能，並通過EPA一致性和EPA可互操（cāo）作性等（děng）測試平台的測試。同時，利（lì）用EPA標準的多信息傳輸能力，實現上述執行機構的遠程（chéng）組態、遠程標定（dìng）和遠程故障診斷等功能，達到現場設（shè）備智能化、數（shù）字（zì）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（qián）主流的執行機構（gòu）產品，雖然已經普遍采用（yòng）了單片機技術（shù），部分實現了智能化的目的，已經基（jī）本替代了（le）傳統的模擬執行機構產品（pǐn），但仍然以“老式而可靠的（de）”4～20mA的（de）模（mó）擬通訊（xùn）技術為主。隨（suí）著現場總線技術的發展（zhǎn）和普及，人們對現場總線技術（shù）的（de）熟悉程度和（hé）信心不斷提高，越來越多的控製係統趨向於采用基於現（xiàn）場總線的體係框架，數字協議將成為21世紀控製係統優選的通訊技術（shù）。因此，本（běn）文主要闡述基於EPA標（biāo）準的現場總線通（tōng）信技術在執行機構中的實現，所涉及的執行機構（gòu）包括兩大（dà）類（lèi）：電動（dòng）執行機構和（hé）電氣閥門（mén）定位器。
2.1 電動執行機構（gòu）總體結構
如圖1所示，電動執行機構的控製電（diàn）路主要由中央（yāng）控製單（dān）元、EPA通信模塊、位置檢測單元、力矩檢測單元、紅（hóng）外遙控及顯示單元、故障檢測單（dān）元、就地控製單元、電機（jī）控製模塊、電源電（diàn）路等部分組成。
EPA通信卡接收來自控製器的閥位控製參數，與電動執行機（jī）構當前的（de）閥位相比較，通過特定的執行控製算法，驅（qū）動（dòng）電機和減速器，從而使閥（fá）門運行到相（xiàng）應的（de）位置。其（qí）中位置檢測技術（shù）采用了先進的無觸點位（wèi）置反饋技術，定位精度和使用壽（shòu）命都大大（dà）提高；力（lì）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（xìn）技術的引入，使電（diàn）動執行機構的遠程故障診斷成為可能。
圖（tú）1 電動執行機構（gòu）電路示意（yì）圖
2.2 電氣閥門定位器總體結構
如圖2所示，電（diàn）氣閥門定位器的控（kòng）製電（diàn）路（lù）主要由中央控製單元、EPA通信模塊、位置檢測單元、顯（xiǎn）示與鍵盤單（dān）元、故障檢測單元、壓電閥控製電路、電（diàn）源電路等部分組成。
EPA通信卡接收來自控製器的閥位控製參（cān）數（shù），與電（diàn）氣閥門定位器當前的閥位相比較，通過特定的自適應控（kòng）製算法，驅動壓電閥控製電路，通（tōng）過（guò）進氣或排氣量的控製，從（cóng）而使閥門運行到相應（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（kàn）門狗電路、以（yǐ）太網控製器、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（qì），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（wán）全值得信賴，同時其運算速度完全（quán）可（kě）以滿足通信和控製的要求。
以太網控製器（qì）采用ASIX公司NE2000兼容快速以太網控製器AX88796，其內部集成有（yǒu）10/100 Mbps自適應（yīng）的（de）物理層收發器和8K×16位的SRAM，支持（chí）MCS-51係列、80186係列以及MC68K係列（liè）等多（duō）種CPU總線類型（xíng）。AX88796執行（háng）基於IEEE 802.3/IEEE 802.3u 局域（yù）網標準的（de）10Mb/s和100Mb/s以太網控製功能。AX88796的（de）地址總線與數據總線分別與CPU的地址/數據總線相連。CPU通（tōng）過I/O讀寫NE2000寄存器來（lái）控製AX88796的工作狀態，通過遠程DMA FIFOs與（yǔ）AX88796的內部緩存SRAM進（jìn）行數據交換。SRAM與（yǔ）MAC核之間進行Local DMA將數據（jù）發送至MAC層，再經由（yóu）內部的PHY層發送至（zhì）RJ45接口。
圖3 EPA通信卡電路示意圖
2.4 以太網總線供電解（jiě）決方案
在環境惡劣的工業現場，為了減少現場安裝（zhuāng）的複雜性，提高**性和經濟性，通常希望連接到（dào）現場設備的（de）線纜不僅能夠傳送數據信號，還要能夠（gòu）為（wéi）現場設（shè）備提供電源，即所謂的（de）總（zǒng）線供電，總線供電技術在工業現場應用（yòng）中具有重要的地位。對（duì）基於EPA標準的（de）現場設備（bèi）供電可采用兩種方法：總線供電方式和網絡供電方式（shì）。無（wú）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（yǐ）保證現場設備的以太網通信和測量（liàng）、控製工作的可靠性。
Ø 基於以太網的總線供電方式
該方式采用（yòng）調製解調法，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（xìn）號與（yǔ）以（yǐ）太網通信信號調製在一起，在現場設備（bèi）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（liú）工作電（diàn）源，實現基於以太（tài）網的總線供電。
這種方式存在（zài）的缺（quē）點是改變了網（wǎng）絡變壓器的電磁特性，同時一定程度上改變了以太網的傳（chuán）輸邏輯。
Ø 基於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對空餘雙（shuāng）絞線，對現場設備直接提供24～48V直流電源，再（zài）由DC-DC將該電源轉（zhuǎn）換為（wéi）現場設備的工作電源，這種方式克服了（le）總線供電方式存在的缺點。本文設計的電氣閥門定位器（qì），采用了網絡供電方式。
另外，在基於EPA標（biāo）準的以太（tài）網供電解決方案中，還著重考慮了總線供（gòng）電的**性、可靠性設計。
3 軟件設計
基於EPA標準的執行機構產（chǎn）品的軟件（jiàn）設計采用基於模塊化的設計（jì）方法。軟件開發可以分成三個部分：EPA用（yòng）戶應用程序、EPA通信棧軟件包（bāo）、硬件驅動程序模塊。
EPA用（yòng）戶應用程序（xù）又（yòu）包括以下三（sān）個模塊：EPA功能塊殼與AO功能塊、EPA電動或（huò）氣動執行機構技術塊（kuài）、EPA通信卡與執行機構控製（zhì）電路的接口模（mó）塊（kuài）。
EPA通信棧軟（ruǎn）件包又包括以下模塊：EPA確定（dìng）性調度與**時間同步算法、TCP/UDP/IP協議軟件、EPA應用層（céng）服務、EPA應用層服務接口和EPA管理（lǐ）服務等。
軟件的層次結構如圖4所示。
圖4 軟件（jiàn）層次結構示意圖
3.1 硬件驅動程序
硬件驅動程序模塊包（bāo）含了處理（lǐ）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）、以太網控製器驅動程序（網（wǎng）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（ruǎn）件實現三個（gè）方麵的任務：即數據（包括實時和非實時數據）傳輸服務的實現及其為（wéi）用（yòng）戶層提供的服務接口，以及EPA管理服務（包（bāo）括設備自（zì）動識別、係統時鍾同步、係統工（gōng）作（zuò）狀態的管理、設備位號及其他信息的管理等）。
EPA通信協議（yì）基（jī）於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（shū）服務。EPA通信（xìn）協（xié）議實現了客戶/服（fú）務器、發布者/**者、報告分發等三種通信機製（zhì），其中客（kè）戶/服務器方式主要用於組態信息的上傳/下載、設（shè）備（bèi）信息的查詢和用戶自定義程序（xù）的下載等；而發布者/**者通信則是用於生產（chǎn）過（guò）程實時信息（如測量、控製數據）的周（zhōu）期性（xìng）傳輸等，通常采用廣播、多播、單（dān）播的傳輸方式；報告分發則是用於控製過程報警信息的傳輸等，通常采用（yòng）多（duō）播、廣播發布的通信。
EPA應用層服務接口（kǒu）主要根據（jù）過程控製信息傳輸的要求，為用戶層應用程序之間（jiān）的數據通信開發，並實現以下服務：域管理服務、域上載服務、域下載服務、事件管理服務、事件報（bào）告服（fú）務、確認事件報告服務、改變事件監視條件服務、變量訪（fǎng）問服務、變量讀服務、變量寫服務和信息分發（fā）服務（wù）。
EPA管理服務是EPA通信協議中的（de）重要組成部分。EPA係統管（guǎn）理主要完成以下幾個係統管理功能：設備識別、對象定位、地（dì）址分配、時鍾同步和功能塊調度。
**時間同步算法實現了完整的IEEE 1588**時鍾同步協議，保證EPA網（wǎng）絡上所有設備的時鍾都是同步的。EPA確定性調度引擎實現（xiàn）了EPA確定性調度的機製，確保同一時刻網絡上隻有一個設備在發送報文，從根本上避免（miǎn）了以（yǐ）太網報文的碰撞問題。
3.3 EPA用戶應用程序
EPA用戶應（yīng）用程序主要包括：EPA功能塊殼與AO功能塊、EPA電動或氣動執（zhí）行機構（gòu）技（jì）術塊、EPA通信（xìn）卡與執行機構控製電路的接口模塊。
EPA功能塊是基於（yú）IEC 61499定義的，功能（néng）塊將控製過程中的某個特（tè）定（dìng）功能封裝在（zài）一個功能塊中，並提供給用戶接口，用（yòng）戶不必關心功能如何完成的具體細節，而隻需根（gēn）據（jù）功能塊的接口，來（lái）配置相應的控製係統即可。功能塊的接口定（dìng）義中分為數據輸入輸出接口、事件輸（shū）入輸出接（jiē）口。事件的輸入接口用於觸發功能（néng）塊中某個功能算法的執行，而事件輸（shū）出接口用於（yú）本（běn）功能塊的運算完成後通知其（qí）他功能塊，數據的輸入輸出接口則用於傳遞用於功能運算的數據。
執行機（jī）構（gòu）都包（bāo）含了一個符合EPA功能塊標準的（de）AO功能塊。AO功能塊將輸入數（shù）據（一（yī）般為控製器給出的閥位控製值（zhí））轉換成硬件通道所需要的值。由於AO功能塊被設計（jì）成與（yǔ）硬（yìng）件無關的標準功能塊，因（yīn）此需要在硬（yìng）件物理通道和AO功能塊之間有一個（gè）映射關係。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（xī）。另外，技（jì）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（bié）為電動執行機構和（hé）氣動執行機構規定了相應的技術塊規範。限於篇幅，這（zhè）裏不作詳細介紹。
EPA通信卡（kǎ）與執（zhí）行（háng）機構控製電路的（de）接口模塊，主要完成兩者之間的數據交換。接口模（mó）塊的具體實現與產品總（zǒng）體結構有關。對於單CPU的（de）方案而言，該接口就是一個程序模（mó）塊（kuài），完成（chéng）不同程序模塊之間的數（shù）據交換（huàn）；對於雙CPU的解決方（fāng）案而言，該接口就是一個通訊（xùn）接口，可以（yǐ）是串行通（tōng）訊，也可以是並行通（tōng）訊，完成兩個CPU之間的數（shù）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（zhè）些功能的實現除了EPA功能塊和（hé）技術塊標準，還依賴於基於XDDL的EPA設備描述技術，EPA設備描述文件描述了EPA設備中（zhōng）的所有（yǒu）資源，包括功能塊、技術塊、物理塊等（děng）資源信息，限於篇幅（fú），這裏不作詳細闡述。EPA設備管理軟件根據設備（bèi）描述文件，提供在線（xiàn）的EPA設備管理功能，主要功能包括：在線EPA監視、EPA設備（bèi）的遠程組態、遠程標定和（hé）遠程故障診斷等功（gōng）能。EPA執行機構的遠程組態、標定及故障診斷軟件界麵如圖5所示。
圖5 EPA執（zhí）行機構遠程組（zǔ）態、標定及診斷軟件（jiàn）界麵示意圖
5 結束（shù）語
EPA標準是我國具有完全自主（zhǔ）知識（shí）產（chǎn）權的（de）基於工業（yè）以太網的現場總線國際標準，本文設計（jì）的符合EPA標準（zhǔn）的智能電動執行機構和電（diàn）氣閥門定位器，具有以太網通訊功能（néng），並通過EPA一致性（xìng）和EPA可（kě）互操作性等測試（shì）平台的測（cè）試，同時利用（yòng）EPA標準的多信息傳輸能力，實現了執行機構的遠（yuǎn）程（chéng）組態、遠（yuǎn）程標定和遠程故障（zhàng）診斷等功能，達到現場設備智能化、數字化和（hé）網絡化的目的。