智能变频电动执行机构发展现状及其控制技术综述

作 者： 曹江，张春喜，张志强，赵阳
摘 要： 随着控制技术、电子技术和微处理技术的发展，智能型变频电动执行机构成为现代电动执行机构的发展方向。详细论述了智能变频电动执行机构的开发背景、现状、技术关键和运行特点，对其在工业过程控制中的发展及应用前景进行了讨论与展望。并以德国西门子公司的SIPOS 5 系列电动执行机构为例对智能型电动执行机构的主要特点进行了说明。 
 随着工业自动化的进步、控制技术的发展及受数字技术和微处理技术的影响，人们对工业过程控制的终端——执行器提出了新的要求，使得智能型变频电动执行机构成为现代电动执行机构的发展方向。

    1 智能型变频电动执行机构的原理

    智能变频电动执行机构又称阀门控制器，市场上大多数阀门控制器产品还是使用交流电动机与齿轮组及蜗轮蜗杆的组合来控制电机正反转这种运行方式，见图1。

    这种阀门控制器还需机械传动装置，即便采用精度较高的谐波齿轮传动也不能大幅度提高精度[1] 。如图2所示，智能型电动执行机构应用目前比较成熟的变频技术，省去了大型的传动装置，生产1台传统的执行机构大约需要450个零部件，而生产1台西门子SIPOS 5只需100 个零部件；可见电动执行机构在结构上比传统执行机构得到了大大的简化。

图1 传统电动执行机构示意图

图2 智能型电动执行机构示意图

    图2中下半部分即为一体化智能型电动执行机构。上位机如PLC、工作站等通过总线传送发出阀门开度指令，智能型电动执行机构的智能控制CPU（通常是DSP） 接收后通过内部程序迅速计算，并结合阀门动作现场的阀位传感器所测位置信号进行比较计算，得到所需的速度控制电信号。再将该速度传送给变频控制CPU（通常是DSP）。变频CPU通常负责维持电动执行机构的正常运行及调速。变频控制CPU接收到速度给定信号后根据内部算法，计算得到IGB T开关信号，实现调速，这样就可直接操作改变阀的位移。

    智能控制电动执行机构利用微机和现场总线通信技术将伺服放大器与执行机构联系起来，实现电动执行机构与PLC的通讯。它不仅实现了双向通信、PID调节、在线自动标定、自校正与自诊断等多种控制技术要求的功能，有效地提高了控制水平，另外它还增设了行程保护、过力矩保护、电动机过热保护、断电信号保护、输出现场阀位指示和故障报警等功能，而且可实现阀门电机的柔性启动和关断，保护阀门机械装置，自由设定开关速度，设定故障时自动运行至预先设置好的保护点，提高了控制精度和设备安全性。

    2 国内发展现状

    我国最早的气动调节阀生产是在上世纪50年代末从仿制苏、德产品开始的。经过1965年全行业的统一设计和联合开发，于1967年逐渐形成我国自己的气动调节阀产品体系。80年代DZ-Ⅱ、DDZ-Ⅲ型电动执行机构和伺服放大器占主导地位。90年代初，仪表行业组织了DDZ-S仪表系列与执行机构的联合开发，初步实现了控制仪表及过程控制的数字化技术。值得一提的是，早在1981年浙江永久科技实业公司率先发明了多功能电磁阀系列，荣获日内瓦国际新技术金奖[2]。但是由于技术及资金等原因，导致在接下来的发展中，国产电动执行机构存在着控制方式落后，可靠性不高，缺乏完善的保护和故障报警措施以及必要的通信手段等问题，使得现有的电动执行机构不便于调试和维护，也不能根据生产的实际要求进行参数的现场调整，不能组成网络进行远程控制。虽然我国现有的执行器厂商有几十家，但是由于他们的电动执行器产品在技术水平、控制精度、智能化水平和安全性能等方面与国外先进产品的差距，国内对高端电动执行器的需求主要还是通过进口来满足。目前国产的执行机构，只能满足一般的冶金、轻工、化工、电站等成套工程40%左右的配套，不具备为大型成套工程的配套能力，更不能满足当今现场总线及开放式控制系统的要求[3]。改革开放以来，国内在执行器领域以引进为主，辅之以一定程度的消化和吸收，但在改进和创新方面缺乏一定的力度。如鞍山阀门厂引进了日本的相关技术，所生产的系列电动执行机构具有相当好的性能和控制精度；其基本误差士1%；回差1%：死区0.8%～1.0%（可调整到0.4 %）。整个系统可用DC4~20mA或DCl~5V的模拟信号进行控制，并且可对行程、灵敏度、和零点进行现场标定；吴忠仪表厂引进了山武-霍尼韦尔的VA和HA两大系列产品；上海自动化仪表七厂引入了梅索尼兰的3个品种的产品；大连第三仪表厂和四川仪表十一厂又引进了西门子的电动执行机构。可见，目前的主要工作和精力都放在消化吸收上，在进一步改进和创新上用力不多。至于数字化、智能化工作则刚刚起步、无重大进展。国内一些单位已在执行器智能化方面作了一些探索，如上海工业自动化仪表研究所开发了新型智能电动执行器，其主要特点是：主要技术指标超过国内现有产品，工作死区<0.5级，基本回差和误差都<1级。使用方便，具有自诊断、自调整和PID调节功能。但目前仅是个别使用，没有形成产品[4]。

    3 国外发展现状

    随着现场总线的出现与发展，国外电动执行机构厂家自从80年代起就己经推出了符合现场总线的执行器产品。近年来，国外电动执行机构产品获得了迅速的发展，一些在国际上有影响的生产工业阀门和执行器的专业化大公司相继开发设计出符合现场总线通讯协议的阀门和执行器产品，形成许多系列，广泛应用于许多工业领域中。国外仅美国就有24个研究所（公司所属），如Rockwell公司具有十分完善的测试基地和设备，包括动态、抗震、紧急切断、可靠性等多种试验设施，对产品进行多方面性能参数的测定。阀门一般都能达到国际通用标准API，ISO，JIS和BS等有关标准的规定，各项性能测试数据齐全。阀门驱动装置品种多，电动、气动、液动、电-液联动和气-液联动，规格齐全，安全可靠。国外电动执行机构的代表产品有西门子公司（SIEMENS）的START智能定位器和SIPOS智能执行机构，费歇尔-罗斯蒙特公司（FISHER-ROSMOUNT）的FIELDV数字阀门控制器，瑞士ABB公司向国内市场推出的CONTRAC，ONTRAC智能总线型电动执行机构[5]和英国ROTROK公司推出的IQ智能型电动执行机构等。这些智能执行机构品种，在死区上通常做得较小，美国FOXBORO/JORDAN公司产品为0.5[6] 。

    4 智能型电动执行机构中主要应用的技术

    4.1 应用现场总线控制方式

    为了适应新建的大型电站机组及大型配套装置集中控制的需要，智能电动执行机构一般都配有能进行集中控制的连接接口。现场总线是指应用在生产现场与集中测量的控制设备之间， 能实现双向串行多接点数字通信的系统[6]。其原理是用一条类似于网络主干线（电缆、双绞线）的主要联络通路，所有被控元件的控制都可以在一个大的集控室中进行，所有的控制元件都分别通过一套接口接入到主要联络通路上。每一个控制元件既可以接受中央控制系统的调度，又可以在现场进行必要的调整，见图3。由于现场总线是基于现场智能化设备的数字通信，所有设备必须遵守同样的通信协议，具有相同的通信接口。目前国际上应用较广的现场总线技术有CAN、FF、LONWORKS、PROFIBUS、HART及INTERBUS 现场总线。在阀门电动装置上经常使用PROFIBUS现场总线。如西门子SIPOS 5就配置了RS232接口及与PROFIBUS DP兼容的通用总线接口，可与PC机实现实时通讯，通过PC机对其进行编程、设置以及故障自诊断。PROFIBUS是一种国际化的开放式的现场总线标准，它是一种高速、经过优化的通信连接，适用于自动控制系统和设备以及分散I/O之间通信，其传输速率可达12Mbit/s，一般构成单主站系统[7]，目前国内也有人尝试将CAN总线应用在电动执行机构中。现场总线技术应用到阀门电动装置上后，其使用范围将得以扩大[8-9]。

图3 以现场总线为基础的企业信息网络系统示意图

    4.2 应用变频调速电机

    变频调速技术目前已经十分成熟，然而阀门电动装置受电机条件的约束，体积和重量一直难以控制。由于阀门专用电机的转速单一（某些用于特殊调节状态的电动执行机构具有特殊双速电机），为了满足各种不同的转速， 需要配置不同的减速装置，既造成了电动装置设计和生产过程中人力和物力的浪费，又不方便现场操纵安装。随着变频技术的发展，设计阀门电动装置时可去掉某些减速部件。直接通过控制电机转速实现不同的阀门电动装置的输出转速。同样，也可以通过信息处理系统（如DSP）等的应用，实现对电机以及信号反馈的分析，控制阀门电动装置的工作。西门子SIPOS 5的内部就集成了一体化变频器，电机在运行中可以设置成有不同的转速：开速度、关速度、启动速度、接近极限位置的速度以及紧急情况下的速度。从而可实现“柔性”启动和“柔性”到达极限位置，避免惯性对阀门/风门的冲击，保护阀门/风门，延长了其使用寿命。采用变频调速电机所设计的阀门电动装置具有结构紧凑， 体积小， 安装调试简单， 可调节范围广，控制方便等特点， 尤其适合需要进行DCS 控制的场合。

    4.3 应用高速DSP作为CPU

    电动执行机构添加了微处理芯片之后，其功能得以大大增强。如SIPOS 5内部集成的微处理器可对执行机构所有重要的运行数据进行监控、储存和累计处理。如能将电机的累计运行时间和开关次数自动记录下来，即使执行机构断电也不会丢失。用户可通过执行机构电机累计运行时间来设定阀门维护周期。同一台SIPOS 5可以有不同的关断力矩和不同的轴输出速度供用户选择。一旦阀门被卡住，SIPOS 5会自动以最低转速运行1s，从而使输出转矩达到最大，使阀门离开卡住位置。可见电动执行机构添加了微处理芯片之后智能化程度得以提高。

    在变频控制中，TI公司推出的DSP芯片得到了充分的认可。该公司新近推出的32位TMS320F280x系列微处理芯片成本低廉，是性价比很高的产品。280x系列省去了目前较常用的281x系列中的外部存储器扩展接口、多通道缓冲串口和事件管理器，但是，增加了281x系列没有的增强型外设，包括1个I2C总线接口、增强型脉宽调制模块（ePWM）、增强型捕获单元（eCAP）和增强型正交编码模块（eQEP），从而为固件开发者提供了更大的方便。所有采用F280x的设计均可实现32位宽度的数据处理；而且，混合的16/32位指令集提供了更高的性能与代码密度。通信接口包括控制器局域网、I2C、UART以及SPI端口。采用150ps解析度脉宽调制器（PWM）技术。高解析度PWM（HRP-WM）可在100 kHz控制环路中实现16位精度，或在115 MHz情况下实现12位精度[10-11]。F280x系列芯片不能外扩RAM，但是具有16k的片上flash，一般flash 可实现烧写3000次左右，因此完全可以利用flash作仿真。这样即节省了板面积，又可降低成本，而且该芯片采用100脚封装，使得控制板面积可进一步减小[12-13]。

    5 结语

    随着能源、化工、钢铁、运输和建筑等现代工业高速发展以及与其有密切联系的水、气（汽）、油等流体在工业上的应用，管道系统中的电动阀门在生产中发挥着重要作用。因而对电动执行机构的功能和使用要求也不断提高，迫切需要智能化的新一代产品替代目前使用的产品，因此开发研制性能先进、功能完善的电动执行机构，尤其是可对阀门实现远距离控制、现场操作、集中控制的智能型电动执行机构，以满足国内广大用户生产使用的要求，形成我国自己的产品具有十分重要的现实意义。

    参考文献：

    [1] 饶振纲.谐波齿轮减速器的设计研究[J].传动技术，1995，（2）：9-17.
    [2] 吴钦炜.世纪之交的自动化仪表─检测仪表与执行器的技术进展[J].自动化仪表，2000 ，（1）：1-4.
    [3] 姜艳华.基于LonWorks现场总线的智能电动执行机构的研究[D].沈阳：辽宁工程技术大学，2006.
    [4] 于新瑞.智能电动执行机构的研究[D].大连：大连理工大学，2000.
    [5] 屠光辉.ONTRAC智能型多转电动执行机构[J].自动化仪表，2005，（10）：62-63.
    [6] 阳宪惠，金以慧.企业网络系统中的现场总线技术[J].自动化与仪表，1998，（1）：3-9.
    [7] 韩德宇.基于PROFIBUS-DP的智能电动执行机构关键技术研究[J].天津理工大学学报，2006（4）：30-32，68. 
    [8] 夏继强.基于CAN总线的阀门远程控制系统[J].自动化仪表，2004，（7）：59-63.
    [9] 许常武，谭爱红.阀门电动装置的发展趋势[J].阀门，2002，（3）：33-34，38.
    [10] Texas Instruments.Digital Signal Processers Data Manual[EB/OL].[2007206205 ]
    [11] 孟文博.全数字无速度传感器电流型变频调速系统[J].北京科技大学学报，2000，（6）：281-283.
    [12] TI公司.TMS320F280x最小系统原理图设计指南[Z] . Texas ：Texas Instruments，2006.
    [13] 徐科军，张瀚.TMS320X281xDSP原理与应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2006.