基于EPA标准的执行机构产品开发

上海自动化仪表股份有限公司   包伟华   张庆军

摘  要：本文详细阐述了基于EPA标准的执行机构的工作原理、硬件构成和软件设计，同时利用EPA标准的多信息传输能力，实现了执行机构的远程组态、远程标定和远程故障诊断等功能，达到了执行机构设备智能化、数字化和网络化的目的。

关键词：执行机构  阀门定位器  EPA标准  以太网  功能块

1 引言

执行器是过程控制系统的重要组成部分，按照驱动能源形式可分为：电动、气动和液压三大类。其各有特点，适用于不同的场合。执行器通常由执行机构和调节阀组成，执行机构是指根据控制信号产生推力或位移的装置，执行机构驱动调节阀，改变能量或物料输送量，从而使生产过程按预定要求正常执行。

随着自动化、电子和计算机技术的发展，越来越多的执行机构已经向智能化发展，很多执行机构已经具有现场总线通讯和智能控制的功能。EPA标准是我国具有完全自主知识产权的基于工业以太网的现场总线国际标准，本文结合传统执行机构的结构和技术特点，开发符合EPA标准的智能电动执行机构和电气阀门定位器，使其具有现场总线通讯功能，并通过EPA一致性和EPA可互操作性等测试平台的测试。同时，利用EPA标准的多信息传输能力，实现上述执行机构的远程组态、远程标定和远程故障诊断等功能，达到现场设备智能化、数字化和网络化的目的。

2 执行机构的工作原理及硬件设计

当前主流的执行机构产品，虽然已经普遍采用了单片机技术，部分实现了智能化的目的，已经基本替代了传统的模拟执行机构产品，但仍然以“老式而可靠的”4～20mA的模拟通讯技术为主。随着现场总线技术的发展和普及，人们对现场总线技术的熟悉程度和信心不断提高，越来越多的控制系统趋向于采用基于现场总线的体系框架，数字协议将成为21世纪控制系统的通讯技术。因此，本文主要阐述基于EPA标准的现场总线通信技术在执行机构中的实现，所涉及的执行机构包括两大类：电动执行机构和电气阀门定位器。

2.1 电动执行机构总体结构

如图1所示，电动执行机构的控制电路主要由中央控制单元、EPA通信模块、位置检测单元、力矩检测单元、红外遥控及显示单元、故障检测单元、就地控制单元、电机控制模块、电源电路等部分组成。

EPA通信卡接收来自控制器的阀位控制参数，与电动执行机构当前的阀位相比较，通过特定的执行控制算法，驱动电机和减速器，从而使阀门运行到相应的位置。其中位置检测技术采用了先进的无触点位置反馈技术，定位精度和使用寿命都大大提高；力矩检测单元采用的压力传感器动态测量输出轴的力矩；故障检测和EPA通信技术的引入，使电动执行机构的远程故障诊断成为可能。

图1  电动执行机构电路示意图

2.2 电气阀门定位器总体结构

如图2所示，电气阀门定位器的控制电路主要由中央控制单元、EPA通信模块、位置检测单元、显示与键盘单元、故障检测单元、压电阀控制电路、电源电路等部分组成。

EPA通信卡接收来自控制器的阀位控制参数，与电气阀门定位器当前的阀位相比较，通过特定的自适应控制算法，驱动压电阀控制电路，通过进气或排气量的控制，从而使阀门运行到相应的位置。

图2  电气阀门定位器电路示意图

2.3 EPA通信卡的设计

如图3所示，EPA通信卡主要构成包括处理器单元、RAM、程序存储器、看门狗电路、以太网控制器、以太网接口电路、以太网供电电路以及与仪表卡的接口电路。

处理器单元采用了ATMEL公司低功耗、高性能的32位RISC ARM处理器，具有体积小和能适应工业环境应用等优点，其稳定性和可靠性完全值得信赖，同时其运算速度完全可以满足通信和控制的要求。

以太网控制器采用ASIX公司NE2000兼容快速以太网控制器AX88796，其内部集成有10/100 Mbps自适应的物理层收发器和8K×16位的SRAM，支持MCS-51系列、80186系列以及MC68K系列等多种CPU总线类型。AX88796执行基于IEEE 802.3/IEEE 802.3u 局域网标准的10Mb/s和100Mb/s以太网控制功能。AX88796的地址总线与数据总线分别与CPU的地址/数据总线相连。CPU通过I/O读写NE2000寄存器来控制AX88796的工作状态，通过远程DMA FIFOs与AX88796的内部缓存SRAM进行数据交换。SRAM与MAC核之间进行Local DMA将数据发送至MAC层，再经由内部的PHY层发送至RJ45接口。

图3  EPA通信卡电路示意图

2.4 以太网总线供电解决方案

在环境恶劣的工业现场，为了减少现场安装的复杂性，提高**性和经济性，通常希望连接到现场设备的线缆不仅能够传送数据信号，还要能够为现场设备提供电源，即所谓的总线供电，总线供电技术在工业现场应用中具有重要的地位。对基于EPA标准的现场设备供电可采用两种方法：总线供电方式和网络供电方式。无论哪种方式，均应保证以太网通信信号和电源信号之间不能相互影响，以保证现场设备的以太网通信和测量、控制工作的可靠性。

Ø 基于以太网的总线供电方式

该方式采用调制解调法，在以太网集线器或交换机的以太网信号输出端，将24～48V直流电源信号与以太网通信信号调制在一起，在现场设备端的以太网信号输入端，将直流电源与以太网通信信号进行分离，把其中的24～48V直流电源通过DC-DC转换为现场设备用的直流工作电源，实现基于以太网的总线供电。

这种方式存在的缺点是改变了网络变压器的电磁特性，同时一定程度上改变了以太网的传输逻辑。

Ø 基于以太网的网络供电方式

该方式利用以太网传输电缆4对双绞线中的2对空余双绞线，对现场设备直接提供24～48V直流电源，再由DC-DC将该电源转换为现场设备的工作电源，这种方式克服了总线供电方式存在的缺点。本文设计的电气阀门定位器，采用了网络供电方式。

另外，在基于EPA标准的以太网供电解决方案中，还着重考虑了总线供电的**性、可靠性设计。

3 软件设计

基于EPA标准的执行机构产品的软件设计采用基于模块化的设计方法。软件开发可以分成三个部分：EPA用户应用程序、EPA通信栈软件包、硬件驱动程序模块。

EPA用户应用程序又包括以下三个模块：EPA功能块壳与AO功能块、EPA电动或气动执行机构技术块、EPA通信卡与执行机构控制电路的接口模块。

EPA通信栈软件包又包括以下模块：EPA确定性调度与时间同步算法、TCP/UDP/IP协议软件、EPA应用层服务、EPA应用层服务接口和EPA管理服务等。

软件的层次结构如图4所示。

图4  软件层次结构示意图

3.1 硬件驱动程序

硬件驱动程序模块包含了处理器的初始化（包括启动代码、外围设备配置、中断向量设置、堆栈设置等）、以太网控制器驱动程序（网络接口初始化，接收、发送初始化）、FLASH驱动等内容。

3.2 EPA通信栈软件

EPA通信栈软件实现三个方面的任务：即数据（包括实时和非实时数据）传输服务的实现及其为用户层提供的服务接口，以及EPA管理服务（包括设备自动识别、系统时钟同步、系统工作状态的管理、设备位号及其他信息的管理等）。

EPA通信协议基于TCP/UDP/IP协议，为用户层的应用程序间提供实时和非实时数据传输服务。EPA通信协议实现了客户/服务器、发布者/**者、报告分发等三种通信机制，其中客户/服务器方式主要用于组态信息的上传/下载、设备信息的查询和用户自定义程序的下载等；而发布者/**者通信则是用于生产过程实时信息（如测量、控制数据）的周期性传输等，通常采用广播、多播、单播的传输方式；报告分发则是用于控制过程报警信息的传输等，通常采用多播、广播发布的通信。

EPA应用层服务接口主要根据过程控制信息传输的要求，为用户层应用程序之间的数据通信开发，并实现以下服务：域管理服务、域上载服务、域下载服务、事件管理服务、事件报告服务、确认事件报告服务、改变事件监视条件服务、变量访问服务、变量读服务、变量写服务和信息分发服务。

EPA管理服务是EPA通信协议中的重要组成部分。EPA系统管理主要完成以下几个系统管理功能：设备识别、对象定位、地址分配、时钟同步和功能块调度。

时间同步算法实现了完整的IEEE 1588时钟同步协议，保证EPA网络上所有设备的时钟都是同步的。EPA确定性调度引擎实现了EPA确定性调度的机制，确保同一时刻网络上只有一个设备在发送报文，从根本上避免了以太网报文的碰撞问题。

3.3 EPA用户应用程序

EPA用户应用程序主要包括：EPA功能块壳与AO功能块、EPA电动或气动执行机构技术块、EPA通信卡与执行机构控制电路的接口模块。

EPA功能块是基于IEC 61499定义的，功能块将控制过程中的某个特定功能封装在一个功能块中，并提供给用户接口，用户不必关心功能如何完成的具体细节，而只需根据功能块的接口，来配置相应的控制系统即可。功能块的接口定义中分为数据输入输出接口、事件输入输出接口。事件的输入接口用于触发功能块中某个功能算法的执行，而事件输出接口用于本功能块的运算完成后通知其他功能块，数据的输入输出接口则用于传递用于功能运算的数据。

执行机构都包含了一个符合EPA功能块标准的AO功能块。AO功能块将输入数据（一般为控制器给出的阀位控制值）转换成硬件通道所需要的值。由于AO功能块被设计成与硬件无关的标准功能块，因此需要在硬件物理通道和AO功能块之间有一个映射关系。技术块就是将硬件通道数据和标准功能块相隔离，AO功能块通过通道参数给出硬件数据信息。另外，技术块还提供对执行机构的校准和诊断功能。EPA功能块标准分别为电动执行机构和气动执行机构规定了相应的技术块规范。限于篇幅，这里不作详细介绍。

EPA通信卡与执行机构控制电路的接口模块，主要完成两者之间的数据交换。接口模块的具体实现与产品总体结构有关。对于单CPU的方案而言，该接口就是一个程序模块，完成不同程序模块之间的数据交换；对于双CPU的解决方案而言，该接口就是一个通讯接口，可以是串行通讯，也可以是并行通讯，完成两个CPU之间的数据交换。

4 远程组态、标定及故障诊断功能的实现

EPA远程组态、标定及故障诊断软件实现了通过网络远程对EPA执行机构进行组态、标定和故障诊断。这些功能的实现除了EPA功能块和技术块标准，还依赖于基于XDDL的EPA设备描述技术，EPA设备描述文件描述了EPA设备中的所有资源，包括功能块、技术块、物理块等资源信息，限于篇幅，这里不作详细阐述。EPA设备管理软件根据设备描述文件，提供在线的EPA设备管理功能，主要功能包括：在线EPA监视、EPA设备的远程组态、远程标定和远程故障诊断等功能。EPA执行机构的远程组态、标定及故障诊断软件界面如图5所示。

图5  EPA执行机构远程组态、标定及诊断软件界面示意图

5 结束语

EPA标准是我国具有完全自主知识产权的基于工业以太网的现场总线国际标准，本文设计的符合EPA标准的智能电动执行机构和电气阀门定位器，具有以太网通讯功能，并通过EPA一致性和EPA可互操作性等测试平台的测试，同时利用EPA标准的多信息传输能力，实现了执行机构的远程组态、远程标定和远程故障诊断等功能，达到现场设备智能化、数字化和网络化的目的。