基於EPA標準的執行機構產品開（kāi）發
上海（hǎi）自動化儀表股份有（yǒu）限公司 包偉華 張慶軍
摘 要：本文詳細闡述了基於EPA標準的執行機構的（de）工作原理、硬件構成和軟件設計，同時利用EPA標準的多信息傳輸能力，實現了（le）執行（háng）機構的遠程組態、遠程標定和遠程故障診斷等功能，達到了（le）執行機構設備智能化、數字化和網絡（luò）化的目的。
關鍵詞：執行機構 閥門定位器 EPA標準 以太網 功能塊
1 引言
執行器（qì）是過程控製係統的（de）重要組成部分，按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，適用於不同的（de）場合。執（zhí）行器通常由執行（háng）機構和調節（jiē）閥組成，執行機構是指根據控製信號產生推力或位移的裝置，執行機構驅動調節閥，改變能量或物料輸送量，從而使生產過程（chéng）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，越來越多的執行機構已經向智能化發展，很多執行機構已經具有現場總線通訊和智能控製的功能。EPA標準（zhǔn）是我國具有完全自主知識產權的基（jī）於工業以太網的現場總線國際（jì）標準，本文結（jié）合傳統執（zhí）行機構的結構和技術特點，開發符合EPA標準的（de）智能電動執行機構和電氣閥（fá）門定位器，使其具有現場總線通訊功能，並通過EPA一致性（xìng）和EPA可互操作性（xìng）等（děng）測試平台的測試。同時，利用（yòng）EPA標準（zhǔn）的多信息（xī）傳輸能力，實現（xiàn）上述執行機構的遠程組態、遠程標定和遠程故障診斷等功能，達到現場設備智能化、數（shù）字化（huà）和（hé）網絡化的目的。
2 執行機構的工作原理及硬件設計
當前主流（liú）的執行機構產品，雖然已經普（pǔ）遍采用了單片機技術，部分實現（xiàn）了智能化的目的，已經基本替（tì）代了傳統（tǒng）的模擬執行機構產品，但仍然以“老式而可靠的（de）”4～20mA的模擬通訊技術（shù）為主。隨著現場（chǎng）總線技術的發展和普及，人們對現場總線技（jì）術的熟悉程度和信（xìn）心不（bú）斷（duàn）提高，越來越多（duō）的控製係統趨向於采用基於（yú）現場總線的體係（xì）框架，數字協（xié）議將成為21世紀控製係統優（yōu）選的通訊技術。因此（cǐ），本文主要闡述基於EPA標準的現場（chǎng）總線通信技術在執行機（jī）構中的實現（xiàn），所涉及的執行機構包括兩大類：電動執行（háng）機構和電氣閥門定位器。
2.1 電動執行機構總體結構
如（rú）圖1所示，電動執行機（jī）構的（de）控製電路主要由中央控製單元、EPA通信模塊、位置（zhì）檢（jiǎn）測單（dān）元、力矩檢測單元、紅外遙控及顯示單元、故障檢（jiǎn）測單元、就地（dì）控製單元、電機控製模塊、電源電路等部分組成（chéng）。
EPA通（tōng）信卡接收來自控製器的閥位控製參數，與電動執行機（jī）構當前的閥位相比較，通過特定的執行（háng）控製算法，驅動電機和減速（sù）器，從（cóng）而使閥門運行到相應的位置。其中位置檢測技術采用了先進的無觸點位置反饋技（jì）術，定位精度和使用壽命都大大提（tí）高；力矩檢測單元采用專業的壓力傳（chuán）感器動態測量輸出軸（zhóu）的力矩；故障（zhàng）檢測（cè）和EPA通信技術的引入，使電動執行機（jī）構的遠程（chéng）故障診（zhěn）斷成為可能。
圖1 電動執行機（jī）構電路示（shì）意圖
2.2 電氣閥門（mén）定位器總體結構（gòu）
如圖2所示，電氣閥門（mén）定位器的控製電路主要由中央控製單元、EPA通信模塊、位置檢測單（dān）元、顯示與鍵盤單元（yuán）、故障檢測單元、壓電閥控製電路、電源電路等部分組成。
EPA通信卡接收（shōu）來自控製器的閥位控製（zhì）參數，與電氣閥（fá）門定位器當前的閥位相比較，通過特定的自適應控製算法，驅動壓電閥控製電路（lù），通過進氣（qì）或（huò）排氣量的（de）控製，從而使閥門運行到相應的位（wèi）置（zhì）。
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（zhǔ）要構成包括處理器單元、RAM、程（chéng）序（xù）存儲器、看門狗電路、以太網（wǎng）控製器、以太網接（jiē）口電路、以太網供電電（diàn）路以及與儀表卡的（de）接（jiē）口（kǒu）電路。
處理器單元采用了ATMEL公司低功耗、高性能的32位（wèi）RISC ARM處理器，具有體積小和（hé）能適應工業環（huán）境應用等優點，其穩定性和可靠性完全值得信賴，同時其運算速度完（wán）全可以滿足通信（xìn）和控製的要求。
以太網控製器采用ASIX公司NE2000兼容快（kuài）速以太網控（kòng）製器（qì）AX88796，其（qí）內部集成（chéng）有10/100 Mbps自適應的物理層（céng）收發器和8K×16位（wèi）的SRAM，支持MCS-51係列、80186係列以及MC68K係列等（děng）多（duō）種CPU總線類型。AX88796執行基於IEEE 802.3/IEEE 802.3u 局域網標準的10Mb/s和100Mb/s以太（tài）網控製功能。AX88796的地址總線與數據總線分別與CPU的地址/數據總線相連。CPU通過I/O讀（dú）寫NE2000寄存器來控製AX88796的工作狀態，通（tōng）過遠程DMA FIFOs與AX88796的內部緩存SRAM進行數據交換。SRAM與MAC核之間進行Local DMA將數據發送至MAC層，再經由內部的PHY層發送（sòng）至RJ45接口。
圖3 EPA通信卡電路示意（yì）圖
2.4 以太網總線供電解決方（fāng）案
在環境惡劣的工業現場，為（wéi）了減少現場安裝的複雜性（xìng），提高**性和經濟性，通常希望連接（jiē）到現場設備的線纜不（bú）僅能夠傳送數據信號，還要能夠為現場設備提供電源，即所謂的總（zǒng）線供電，總線供電技術在工業現場應用中具有重要的地位。對基於EPA標準的現場設備供電可（kě）采（cǎi）用兩種方（fāng）法：總線供電方式（shì）和網（wǎng）絡供電方（fāng）式。無論哪（nǎ）種方（fāng）式，均應（yīng）保證（zhèng）以太網通信信號和電源信號之間不能相互影響，以保（bǎo）證（zhèng）現場設備的以太網通信和測量、控製工作的可靠性。
Ø 基於以太網（wǎng）的總線供電方（fāng）式（shì）
該方式采用調製解調法，在以太網集線器或交換機的以太網（wǎng）信號輸出端，將24～48V直流（liú）電源信號與以太網通（tōng）信信號調製在一起，在現場設備端的以太網信號輸入端，將直（zhí）流電（diàn）源與以（yǐ）太網通信信（xìn）號進行分離，把（bǎ）其（qí）中的24～48V直流電源通過DC-DC轉換為現場設（shè）備用的直流工作電源，實現基於以太網的總線供（gòng）電。
這種方式存在的缺點是改變了網絡（luò）變（biàn）壓器的電磁特性，同時一定程度（dù）上改變了（le）以太網的傳輸邏輯。
Ø 基於以（yǐ）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，再由（yóu）DC-DC將該電源轉換為現場設（shè）備的工作電源，這種方式克服了總線供電方式存在的缺（quē）點。本文設計的電（diàn）氣閥門定位器，采用了網絡供（gòng）電方式。
另外，在基於EPA標準的以太網供電解（jiě）決方案中，還著重考慮了總線供電的**性、可靠性設（shè）計。
3 軟件（jiàn）設（shè）計
基於EPA標準的（de）執行機構（gòu）產品的（de）軟件（jiàn）設計采（cǎi）用基（jī）於模塊化的（de）設（shè）計方法。軟件（jiàn）開（kāi）發可以分成三個部分：EPA用戶應用程序、EPA通（tōng）信棧軟（ruǎn）件包、硬（yìng）件驅動程序模塊。
EPA用（yòng）戶應用程序又包括以下三（sān）個模塊：EPA功能塊殼與（yǔ）AO功能塊、EPA電動或氣動執行機構技術塊、EPA通信卡（kǎ）與執行機構控製電路的接口模塊（kuài）。
EPA通信棧軟件包又包（bāo）括以下模塊：EPA確定性（xìng）調度（dù）與**時間同（tóng）步算法、TCP/UDP/IP協議軟件、EPA應用層服務、EPA應用層服務接口和EPA管理服務等。
軟件的層次結構如圖4所示。
圖4 軟件層次結構示意圖
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（kòng）製器驅動程（chéng）序（xù）（網絡接口初始化，接收、發送初（chū）始化）、FLASH驅動等內容。
3.2 EPA通信棧軟件
EPA通信棧軟件實現三個方麵的任務：即數據（包括實時和非實時數據）傳（chuán）輸服務的實現及其為用戶層提供的服務接口，以（yǐ）及EPA管理服務（包括設備自動識別、係統時鍾同步、係統（tǒng）工作狀態的（de）管理、設備位號及其他信息的管理（lǐ）等）。
EPA通信（xìn）協（xié）議基於TCP/UDP/IP協議，為用戶層的應用（yòng）程序間提供（gòng）實時（shí）和非實時數據傳輸服務。EPA通信協議實現了客戶/服（fú）務器、發布者/**者、報（bào）告分發等三種通信機製，其中客戶/服務器方式主要用於（yú）組態信（xìn）息的上傳/下載、設備（bèi）信息的查詢（xún）和用（yòng）戶自定義程序的下載等；而發布（bù）者/**者通信則（zé）是用於生產過程實時信（xìn）息（如測量、控製數據）的周期性傳輸等，通常采用廣播、多播、單播的傳輸（shū）方式；報告分發則是用於控製過程報（bào）警信息的傳輸等（děng），通（tōng）常采用多播、廣播發布的通（tōng）信。
EPA應用層服務接口主要根據過程控製（zhì）信息傳輸（shū）的要求，為用戶層應用（yòng）程序之間的數據通信開發（fā），並實現以下服務：域管理服務、域上載服務（wù）、域下載服務、事件管理服務、事件報告（gào）服務（wù）、確認事（shì）件報告服務、改變事件監視條件服務（wù）、變量訪問服務、變（biàn）量讀服務（wù）、變量寫服務和信息分發服務。
EPA管（guǎn）理服務是EPA通（tōng）信協議中的重要組成（chéng）部分。EPA係統管理主要完成以下幾個係統管理功能：設備識（shí）別、對象定位（wèi）、地址分配、時鍾同步和功能塊調度。
**時間同步算（suàn）法實現了完整的IEEE 1588**時鍾同步協議（yì），保證EPA網絡（luò）上所有設（shè）備的時鍾都是（shì）同（tóng）步的。EPA確定性調度引擎實現了EPA確（què）定性調度的（de）機製，確保同一時刻網絡上隻（zhī）有一個設備（bèi）在發送報文（wén），從根本上避免了以太網報文的碰撞問題。
3.3 EPA用戶應用程序
EPA用戶（hù）應用程序主要包括：EPA功能塊殼與AO功能塊、EPA電動或氣動執行機構技術塊、EPA通信卡與執行機構（gòu）控製電路（lù）的接（jiē）口模塊（kuài）。
EPA功能塊是基於IEC 61499定（dìng）義的，功能塊將控製過程（chéng）中的某個特定功能封裝在一個功能塊中，並提供（gòng）給（gěi）用戶（hù）接口，用戶不必關心（xīn）功能如何完成的具體細節，而隻需根（gēn）據功能塊的接口，來配置相應的控製係統即可。功能（néng）塊的接口定義中分為數據輸入（rù）輸出接口、事件輸入輸出接口。事件的輸入接口（kǒu）用於觸發功能塊中某個功（gōng）能算法的執行，而事（shì）件輸（shū）出（chū）接口用（yòng）於本功能塊的運算完（wán）成後通知其他功能塊，數（shù）據（jù）的輸入輸出接口則用於傳遞用於功能運算的數據。
執行機構都包含（hán）了一個（gè）符（fú）合EPA功能（néng）塊標準的AO功能塊。AO功能塊（kuài）將輸入數據（一般為控製器給出的閥位控製值）轉換成硬件通道所需要的值（zhí）。由於AO功能塊被設計成與硬件無關的標準功能塊，因此需要在硬件物理通道和AO功能塊之（zhī）間有一個映射關（guān）係。技術（shù）塊就是將硬件通道（dào）數據和標準（zhǔn）功能（néng）塊相隔離，AO功（gōng）能（néng）塊通過通道參數給出硬件數據信息。另外，技（jì）術（shù）塊還提供對執行機構的校準和診斷功能。EPA功能塊標準分別為電動執行機構和氣動執行機構規定了相應的技術塊規範。限於篇幅，這裏不作詳細介紹。
EPA通信卡（kǎ）與執行機構控製電路的接口模塊，主要完成兩者（zhě）之間的數據交換。接口模塊的具體實現與產品（pǐn）總體結構有關。對於（yú）單CPU的方案而言，該接口就是一個程序模塊，完成不同程序模塊之間的數據交換；對於雙CPU的解決方案而言，該接口就是一個（gè）通訊接口，可以（yǐ）是串行（háng）通訊，也可以是並行（háng）通訊，完成兩個CPU之間的數據交換。
4 遠程組態、標定及故障診斷功能的（de）實現
EPA遠程組態、標定（dìng）及故障診（zhěn）斷軟件實現了通過（guò）網絡遠程對EPA執行機構進行組態、標（biāo）定和故障診斷。這些功（gōng）能的實現除了EPA功能塊和技術塊標準，還依（yī）賴於基於XDDL的EPA設備描述技術（shù），EPA設備描述文件描述了EPA設備中的所有資源，包括功能塊、技術（shù）塊、物（wù）理塊等資源信息，限於篇幅，這裏（lǐ）不作詳細闡述。EPA設備管理軟件根據設備描述文件（jiàn），提供在線的EPA設（shè）備管理功能，主要功能包括：在線EPA監視、EPA設備（bèi）的遠程（chéng）組態、遠程標定和遠程故障（zhàng）診斷等功能。EPA執（zhí）行機構的遠程組態、標定及故障診（zhěn）斷（duàn）軟件界麵如（rú）圖5所示。
圖5 EPA執行機構遠程組態、標定及診斷軟件界麵示意（yì）圖
5 結束語
EPA標準是我國（guó）具有完全自主知識（shí）產（chǎn）權（quán）的基於工（gōng）業以太（tài）網的現場總（zǒng）線國際標準，本文（wén）設計的符合EPA標準的智能電動執行機構和電氣閥門（mén）定位器，具有以太網通訊功能，並通過EPA一致性和EPA可互操作性等測試平台（tái）的測試，同時利用EPA標準的多（duō）信息傳（chuán）輸能力（lì），實現了執行機構的遠程組態、遠程標定和遠程故障診斷等功能，達到現場設備（bèi）智能化、數字化（huà）和網（wǎng）絡化的目的。