摘要：本文论述 SIPOS 5 Flash PROFITRON 变频智能型执行机构的结构原理，包括一体化变频智能控制单元、信号发生装置、操作面板、信号线和电源线的端子连接、控制模式、参数设置、主菜单切换、安装后的初次调试步骤。
关键词：执行机构；SIPOS 5 Flash PROFITRON；变频智能
西博思电动执行机构有限公司（原西门子公司电动执行机构部门）将先进成熟的电机变频调速技术应用于执行机构中，因内部集成了一体化变频智能控制单元，省去了其它执行机构必须的复杂电机转向控制箱，采用简单的模块化结构，通过增加少量必要的模块，使其适用于各种控制模式，可对阀门挡板进行可靠的开关控制和变频调节。
SIPOS 5 Flash PROFITRON 变频智能型执行机除具有其它执行机构的功能外，还具有一些特殊功能：即使阀门挡板被卡住，输出力矩也不会超过事先设定的上限，因为启动电流不会超过额定电流，可采用较细的电缆；自动校正供电电源相序；全面的电机保护功能，确保电机永远不会被烧毁；输出轴转速可自行设定。现在已经应用到送引风、一次风压、给水泵勺管等控制系统改造项目上。
左：送风机偶合器勺管控制；右：二次总风门控制（现场应用）
采用超大规模集成电路器件替代机械零部件，电子器件没有磨损，无须维护，智能化程度高，且可以编程；其电子式限位保护功能和电子式过力矩保护功能取代了机械式限位开关和机械式力矩开关，这样省去了调试过程中费时的限位开关和力矩开关调整工作。
SIPOS 5 Flash PROFITRON 变频智能型执行机既可接受控制系统来的开、关、停和紧急 4 个开关量信号，也可以接受控制系统来的 4～20mA.DC 位置给定信号，也可以输出 1 路 4～20mA.DC 位置反馈信号和 8 个开关量的状态反馈信号。通过液晶显示屏，可以人机对话的方式进行参数设置，监控执行机构状态，进行故障自诊断。
内置一体化变频智能控制单元，远远优于电机加减速齿轮的设计方案，简化了机械结构，满足了执行机构控制阀门以精确的速度运行的过程要求。在不改变其内部机械结构的情况下，输出轴转速可在 1：8 的范围内自行设定。
经过整流后的电压首先经过直流母线上的大电容器 C 进行滤波，串联在回路中的限流电阻 R 确保主回路电压在接通瞬间的跳跃变化不会立即传递给滤波电容器，在主回路电压接通并进入正常工作状态后，限流电阻由一继电器短路。
图1 整流限流和滤波
直流母线上的直流电压被变换成频率和电压都可调的三相交流电压，用来驱动三相交流电机。这一过程是通过位于电机接线端子处的高速电子开关来实现的，即绝缘栅双极晶闸管 IGBT。
图2 脉冲宽度调制
高速电子开关不断地将电机的每相绕组接至直流母线的正极和负极，通过精确控制持续接通时间和电压的极性，产生所需要的用于驱动电机的正弦波电压。
图3 正弦波电压
为了连续精确控制给三相电机绕组供电的极性切换和持续时间，6 个 IGBT 中每一个的开关频率都达 16000 次/秒，因而必须采用高速微处理器和专用集成电路。电机供电电流是通过传统方式测量的，在直流母线的负极中串入分流器。
图4 IGBT
微处理器（CPU）完成所有的控制功能，包括监控变频器和电机温度，通过塑导电位器检测执行机构的位置，调整力矩，接收控制系统来的控制信号，向控制系统连续反馈自身状态。开关电源给内部控制单元提供 24V DC 电源，并向外输出 24V DC，给开关量输入信号提供开、关、停电源；内部控制单元可选外供 24V DC 电源，此时，即使切断单相或三相交流电源，控制单元仍可与控制系统保持通讯。
图5 一体化变频智能型控制单元
执行机构的数据存储于 EEPROM 永久性存储器中，射频干扰过滤器将变频器可能造成的对电源的干扰以及可能会出现的电源对变频器的干扰进行双向隔离，数据的保存无需另配电池。
通过开、关和停 3 个按钮就地操作执行机构，结合液晶显示屏，以人机对话的菜单方式进行参数设置和调试，液晶显示屏显示执行机构的工作状态和故障信息，并进行故障自诊断。
执行机构自动以最低的速度启动、离开或达到 2 个极限位置，确保在以最大力矩启动或关紧阀门的同时，避免因惯性对阀门造成的冲撞，输出力矩不会超过设定的关断力矩。
图6 输出轴转速自调整
在离开或接近极限位置时，通过内置的变频器自动调整电机供电的频率和电压，从而降低电机转速，以最低转速离开或到达极限位置，如图 6 所示。转速可调范围 5～40rpm，开速度设定为 14rpm，关速度设定为 28rpm，在给定的速度范围内，有 7 档不同的速度可供选择。
死区随控制信号质量和位发信号质量自适应调整，如图 7 所示，确保以最小的启停频率实现最高的控制精度，从而实现控制过程最优化，并因启停次数的减少而减少阀门的磨损。
图7 死区自适应调整
位置控制器连续检测并比较控制信号与位发信号，偏差大于死区，微处理器控制执行机构向缩小偏差的方向动作。
主菜单包括语言设定（Language setting）、调试子菜单（Commissioning）、观察子菜单（Observing）和诊断子菜单（DIAGNOSIS）。其中，调试子菜单（Commissioning）中的参数只有在 locPar 模式下，并且输入 4 个 PIN 代码后才能改变。按键 ↑ 和 ↓ 用来在菜单和参数间进行切换，按 ENTER 键后进入该菜单，按动 local/remote 键退出，用 ENTER 键修改的参数被保存。具体步骤如下：
按 local/remote 键，显示"locPar ready"；按 ↓ 键显示"Sprache/lang./idioma/lingua↑↓E"，再按 ENTER 键进入语言设定；再按 ↓ 键显示"commissioning↑↓E"，按 ENTER 键进入调试环境；再按 ↓ 键显示"observing↑↓E"，按 ENTER 键进入观察环境；再按 ↓ 键显示"diagnosis↑↓E"，按 ENTER 键进入诊断环境；再按 ↓ 键显示"←return to menu↑↓E"，按 ENTER 键退出主菜单。
一般参数设置包括显示语言选择，共有 5 种语言可供选择，一般选择英语；电子式抗冷凝电机腔加热器，设置为有效；20 为数码，用于标识执行机构 ID，通常不用。
与阀门有关的参数如表 1，与控制系统有关的参数如表 2。
| 表 1 与阀门有关的参数 | ||
|---|---|---|
| 序号 | 显示 | 意义 |
| 1 | Closing speed | 开方向速度、关方向速度和紧急状况下的速度，可分别设定。 |
| 2 | Cut-off mode cl | 开方向和关方向的关断模式，可选择过力矩关断或超限位关断。 |
| 3 | Max.cl.torque | 开方向和关方向的关断力矩 |
| 4 | Endpos.adjust | 全开和全关两个极限位置的调整过程 |
| 5 | Rec.torque graph | 记录阀门力矩曲线的过程 |
| 6 | Endpos.rang cl | 全开和全关两个极限位置的范围调整 |
| 7 | Close tightly | 关紧，指在极限位置范围内，即使控制信号已经事先终止，执行机构仍然继续动作，直到极限位置的最终点。 |
| 8 | Maintenance per | 用于设定维护间隔，现场未用。 |
| 表 2 与控制系统有关的参数 | ||
|---|---|---|
| 序号 | 显示 | 意义 |
| 1 | Setpoint input | 4～20mA.DC 位发信号，调整内置控制器的上升或下降频率。 |
| 2 | Binary inputs | 设定开、关和停控制信号的有效模式，低电平有效或高电平有效。 |
| 3 | Remote control | 选择遥控状态下的控制模式 |
| 4 | Open circ.beh. | 控制信号断路时执行机构的反应模式，到达紧急位置或保持断信号前的位置。 |
| 5 | Emergency pos. | 紧急位置可设定为全行程中的任意位置 |
| 6 | Travel pos.cl | 编程设定全行程中的任意两个位置，到达这两个位置时，执行机构向控制系统给出两个开关量反馈信号。 |
| 7 | Readback output | 4～20mA.DC 位发信号，上升或下降。 |
| 8 | Binary output 1 | 8 个开关量输出信号通过编程赋值，低电平有效或高电平有效。 |
| 9 | PROFIBUS address | PROFIBUS 总线地址设置 |
| 10 | Enable PosCntr | 4 位密码 |
| 11 | Speed local | 速度随行程自适应调整功能 |
西门子执行机构安装就位后，其接线为：1）指令接在 X3.2 14（+）、15（-），18 端子为接地线；2）反馈接在 X3.1 1（+）、2（-）端子；3）电源接在 X1 L1、L2、L3 端子上，为 380VAC。
将执行机构切就地运行，行程调整之前，阀门挡板处于中间位置，摘掉信号齿轮单元外罩，手动调整中心轮在适当位置。
确定执行机构运行时的旋转方向，同时确定中心轮的旋转方向和末端位置时中心轮所处的位置。先调整好末端位置，再调信号齿轮单元的设定比率。
由主菜单进入 commissioning→PIN 密码→endpos.adjust→ENTER。
1）start with pos，选择首先要设定的末端位置；move to op.pos，按 ↑↓ 键，运行到需要的位置，按 stop 停止，按 ENTER 确认该末端位置。
2）adjust of poti，调整电位器：抓住中心轮上部不动，手动旋转中心轮，慢慢朝显示值减小的方向转动，直至显示的数值为 0，按 ENTER 确认。
3）move to cl.pos，按 ↑↓ 键，运行到另一个需要的位置，按 ENTER 确认。
4）sign.gear ratio ＆ adjustment OK，比率设定合适，位置设定正确，按 ENTER→"↓"→"local/remote" 键退出调试。
西门子执行器安装调试需注意的几个参数包括：1）挡板关闭时执行器的旋转方向 CLOSE DIRECTION；2）末端位置的关断模式 CUT-OFF MODE；3）信号齿轮单元的比率；4）模拟量给定值输入信号的类型 SETPOINT INPUT；5）远端控制类型 REMOTE CONTROL；6）开路特性 OPEN CIRC BEH。
