现场总线时代的电动执行机构该长什么样?这篇设计文章给出一个完整答案:以 89C52RC+ 单片机为控制核心,通过 FB3050 芯片+MAU 电路接入 FF(基金会现场总线),配稀土永磁低速同步电机与带机械自锁的行星减速器,具备智能校准(全开/全关各按一次键)、四类故障自诊断、LCD 开度显示、无扰动手/自动切换等能力。需要说明:本文为学术性设计构想文章(原文 2011 年前后刊于中国调节阀网论文库),无现场实测数据,技术方案供学习参考;图 1~5 均为原文插图。
图 1 总线型智能电动执行机构组成框图(原文插图)
执行机构是自动控制系统的终端设备,对系统安全运行、可靠性及控制品质影响极大,但也是控制系统中最薄弱的环节和"瓶颈"。国内引进的各类执行机构各有特色,但普遍存在技术缺陷:可靠性高的灵敏度未必高,灵敏度高的可靠性又差一些;且国外产品的核心技术——伺服控制器技术一般不予转让。随着控制技术进入现场总线阶段,传统电动执行机构离现场总线设备的要求相差很远,总线型智能电动执行机构既能适应生产现场需要,又能满足现场总线设备的技术要求。
执行机构由数字控制部分和执行部分组成。控制部分以 89C52RC+ 单片机为核心,采用先进集成电路:可预先设定调节阀的灵敏度、零点和行程等整定参数,通过模拟量或数字量输入信号设定阀门位置。执行部分由伺服电机、减速器和位置传感器等组成,在控制部分指挥下完成机械执行功能。
电流、电压、温度及位置传感器将驱动电路输出电流/电压、电机温度、输出轴位置等信号经 A/D 转换送入单片机;单片机通过 FB3050 及 MAU 与现场总线通信,通过驱动电路控制伺服电机正/反转,实现调速与阀位控制。MAU 电路负责将总线信号滤波并变换为 FB3050 能接收的 CMOS 电平信号,把 FB3050 输出转换成符合 FF 协议的总线信号,并经隔离变压器实现仪表与 FF 总线的隔离。
位置传感器选用寿命较长的差动变压器:位移检测机构把输出轴机械变化量成比例转化为电信号,输入控制器参与调节控制,同时可送回控制室监控;机构内设 2 个限位微动开关保证运行安全,并可输出两组开关量参与系统控制。为提高驱动电机可靠性和定位稳定性,采用稀土永磁低速同步电机;减速器为高效率、带机械自锁的浮动式行星减速传动机构,把电机旋转转化为输出轴大转矩角位移。
控制器的输出(P3.0、P3.5)控制伺服电机正转、反转及停转,使执行机构位置与给定值相等。单片机输出经逻辑互锁电路控制 2 个固态继电器(KSSR1、KSSR2)的通断,进而控制电机两个线圈的通电状态——逻辑互锁确保两个固态继电器不会同时接通,防止电机烧毁,电机由此呈现正转、反转、停转三种状态。
图 2 驱动电路(原文插图)
固态继电器能有效防止触点电腐蚀,大幅提高交流接触器使用寿命,并防止相间短路危险。整机电路分仪表卡与通信卡两部分,两卡间串行接口:仪表卡负责传感器信号采样处理、A/D 转换、滤波、线性化(模拟输出时含 D/A 转换)与显示,实现仪表智能化;通信卡使仪表具备通信能力,把检测量/控制量送上 FF 通信线路。
表 1 逻辑互锁电路真值表(原文插图)
数字通信使执行机构能保留附加信息(过程相关描述、量程单位、维护活动记录等)并在需要时读出,构成仪表自动化管理系统。引入 FF 通信方式后,执行机构实现更多监控功能:
图 3 控制器结构示意图(原文插图)
控制器由 89C52RC+ 单片机及外围电路组成,能完成:
软件分控制、通信、管理三部分:控制部分负责过程变量采样、数据处理与算法计算输出;通信部分实现 FF 现场总线的数据链层和应用层(通信栈);管理程序包括 LED 显示、工作方式管理、报警指示、按键扫描响应、掉电保护、中断服务与自诊断。软件完成 A/D 采样、数据处理、线性化、零点满度校验、量程变换、自诊断、组态、FF 通信栈等功能,采用 MCS-51 汇编语言、模块化程序设计,主程序框图如图 4。
图 4 主程序流程图(原文插图)
原文结论给出该设计构想执行机构的五个特点:
原文还展望:随着现场总线技术发展和标准统一,现场总线仪表将成为未来主流——FF 仪表具有互操作性,同一总线可挂多厂家 FF 仪表,同功能仪表可直接互换,市场前景广阔。
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