基於EPA標準的執（zhí）行機構產（chǎn）品開發
上海（hǎi）自動化儀（yí）表股（gǔ）份有限公（gōng）司 包偉（wěi）華（huá） 張慶軍
摘 要：本文詳細闡述了基於EPA標準的（de）執行機構的工作原理、硬件構成和軟件設計，同時利用EPA標（biāo）準的多（duō）信息傳輸能力，實現了執行（háng）機構（gòu）的遠程組態、遠程標（biāo）定和遠程故障診斷等功能，達到了執（zhí）行機構設備智能化、數字化和網絡化的目的。
關鍵詞：執行機（jī）構 閥（fá）門定（dìng）位器 EPA標（biāo）準 以（yǐ）太網 功能塊
1 引言
執行器是過程控製係統的重要組成部分，按照（zhào）驅動能源形式可分為：電動、氣動和液（yè）壓三大（dà）類。其各有特點，適用（yòng）於不同的場合。執行器通常由執行機構和調節閥組成，執行（háng）機構是指根據控（kòng）製信號產生推力或（huò）位移的裝置，執行機構驅動（dòng）調節閥，改變能（néng）量或物料輸送量，從而使生產過程按預定要求正常執行。
隨著（zhe）自動化、電子和計算機技術的發展，越來越多的執行（háng）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（néng）。EPA標準是我國具有（yǒu）完全自主知識產權的基於工業以太網的（de）現場總線（xiàn）國際標準，本文結合傳統執行機（jī）構的結（jié）構和（hé）技術特點，開發符合EPA標準的智能電動執行機構和電氣閥門定位器，使（shǐ）其具有現場總線通訊功能，並通過EPA一致性和EPA可互操（cāo）作性等測試平台（tái）的測試。同時，利用EPA標準的多信息傳輸能力，實現上述執行機構的遠程組態（tài）、遠程標定和遠程故障診斷等功能，達到現場設（shè）備智能化、數字化和網絡（luò）化的目的（de）。
2 執行（háng）機構的工作原理及硬（yìng）件設計
當前主流的執行機（jī）構產品，雖（suī）然已經普（pǔ）遍采用了單片機技術（shù），部分實現（xiàn）了智能化的目的，已經基本替代了傳（chuán）統的模擬執行機構產品（pǐn），但仍然以“老式而可靠的”4～20mA的模擬通訊技術（shù）為主。隨著現場總線技術的發（fā）展和普及，人（rén）們（men）對現場總線技術的熟悉程度和信（xìn）心（xīn）不斷提高，越來越多的控製係統（tǒng）趨向於采用基於現場總線的體係框架，數字協（xié）議將成為21世紀控製係統優選的通訊技術。因此，本文主要（yào）闡述（shù）基於EPA標準的現場總線通信技術在執行（háng）機構中的實現，所涉及的執行機構包括兩大類：電動執行機構和（hé）電氣閥門定（dìng）位器。
2.1 電動執（zhí）行機構總體結構
如圖1所示，電動執行（háng）機構的控製電路主要由中央控製單元、EPA通（tōng）信模塊、位置檢（jiǎn）測單元、力矩檢測單（dān）元、紅（hóng）外遙控及顯示單元（yuán）、故障（zhàng）檢測（cè）單元、就地控製單元、電機控製模塊、電源電路（lù）等部分組成。
EPA通信卡接收來自（zì）控製器的閥位控製（zhì）參（cān）數，與電動執（zhí）行機構（gòu）當前的閥位（wèi）相比（bǐ）較，通過特定的執行控製算法，驅動電（diàn）機和減速器，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（kuì）技（jì）術，定位精度（dù）和使用壽命都大大提高；力矩檢測單（dān）元采用專業的壓力傳感器動態測（cè）量輸出軸的力矩；故障檢測和EPA通信技術的引入，使電動執行機構（gòu）的遠程故障診斷成為可能。
圖1 電動（dòng）執行機構（gòu）電路示意（yì）圖
2.2 電（diàn）氣閥門定位器總體結構
如圖2所示，電氣閥門（mén）定位器的控製電路主要由（yóu）中（zhōng）央控製單元、EPA通信模塊、位置檢（jiǎn）測單元、顯示與鍵盤（pán）單元、故障檢測單元、壓電閥控製電路、電源電路等部分組成。
EPA通信卡接收來自控製器的閥位控製參數，與電氣閥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（yā）電閥控製（zhì）電路，通過進氣或排氣量的控製，從而使（shǐ）閥門運行到相應的位置。
圖2 電氣閥門定位器電路示意圖（tú）
2.3 EPA通信（xìn）卡的（de）設計
如圖3所示，EPA通信卡主要構（gòu）成包括處理器單元、RAM、程（chéng）序存儲器、看門狗電路、以太網控製器、以太網接口電路、以太網供電電路以及與儀表卡的接（jiē）口電路。
處理器單元采用了ATMEL公司低功耗、高性能的32位RISC ARM處理器，具有體積小（xiǎo）和（hé）能適應工業環境（jìng）應用等優（yōu）點，其穩定性和（hé）可靠（kào）性完全值得信賴，同時其運算速度（dù）完全可以滿足通信和控製的要求。
以太網控製器采用ASIX公（gōng）司NE2000兼容快速以太網控製器AX88796，其內部集成有10/100 Mbps自適應的物理層收發器和（hé）8K×16位的SRAM，支持MCS-51係列、80186係列以及MC68K係（xì）列等多種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讀寫NE2000寄存器來控製AX88796的工作狀（zhuàng）態，通過遠程DMA FIFOs與AX88796的內部緩存（cún）SRAM進（jìn）行數據交（jiāo）換。SRAM與（yǔ）MAC核之間進行Local DMA將數據發送至MAC層，再經由內部的PHY層（céng）發送至RJ45接口。
圖（tú）3 EPA通（tōng）信卡電路示意圖
2.4 以太網總線供電解決方案
在環境惡劣的工業現場，為了減（jiǎn）少現場安裝的複雜性，提（tí）高**性和經濟性，通常希望連接到現場設備的線纜不僅能夠（gòu）傳送數據信號，還（hái）要能夠為現（xiàn）場設備（bèi）提供（gòng）電源，即所謂的總線供電，總線供電技術在工業（yè）現場應（yīng）用中具有重要的地位。對基於EPA標準的現場設備供電可采用（yòng）兩種方法：總線供電方式和網絡（luò）供電（diàn）方式。無論哪種方式（shì），均應保證（zhèng）以太（tài）網通信信（xìn）號和電源（yuán）信號之（zhī）間（jiān）不能相互影響，以保證現（xiàn）場設備（bèi）的以太網通信和測量、控製工（gōng）作的可靠性。
Ø 基於以太網的總線供電方式
該方（fāng）式采用調製（zhì）解調法，在以太網集線（xiàn）器或交換機的以太網信號輸（shū）出端，將24～48V直流電源信號與以（yǐ）太網通信信號調製（zhì）在一起，在現場設備端的以太網信號輸入端，將直流電源（yuán）與（yǔ）以太網（wǎng）通信（xìn）信號進行分（fèn）離，把其（qí）中的24～48V直流電源通過DC-DC轉換為現場設（shè）備用的直（zhí）流工作電源，實現基於以太（tài）網的（de）總線供電。
這種方式（shì）存在（zài）的缺點是（shì）改變了網（wǎng）絡變壓器的電磁特性，同（tóng）時一定程度上改變（biàn）了以太網的傳輸邏輯（jí）。
Ø 基於以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對空餘雙絞線，對現場設備直接提（tí）供24～48V直流電源，再由DC-DC將該電源轉換為現場設備的工作電源，這種方式克服了（le）總線供電方式存在的缺點。本文設（shè）計的電氣閥門（mén）定位器，采用了網絡供電方式。
另外，在基於EPA標準的以太網供電（diàn）解決（jué）方案中，還著重考慮了總線供電的**性（xìng）、可靠性設（shè）計。
3 軟件設計
基於EPA標準的執行機構產品的軟件設計采用基於模塊化的設計方法。軟件開（kāi）發可以分成三個（gè）部分：EPA用戶應用程序（xù）、EPA通信棧軟件包、硬件驅動程序模塊。
EPA用戶應用程序又包括以下三個模塊（kuài）：EPA功能塊殼與AO功能塊、EPA電動或氣動執行機構技術塊、EPA通信卡與執行機構控製（zhì）電路的接口（kǒu）模塊。
EPA通信棧軟件包又包括以下模塊：EPA確定性調度（dù）與**時間同步算法、TCP/UDP/IP協議軟件、EPA應用層服務（wù）、EPA應用層服務接口和EPA管理服務（wù）等。
軟件的層次結構如圖4所示。
圖4 軟件（jiàn）層次結構示意圖
3.1 硬件驅（qū）動程序（xù）
硬件驅動程序模塊（kuài）包含了處理器的初始化（包括啟動代碼、外圍（wéi）設備配置、中斷（duàn）向量設置、堆棧設（shè）置等）、以太網（wǎng）控製器驅動程序（網絡接口（kǒu）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（bāo）括實時和非實時數據）傳輸服務的實現及其（qí）為用（yòng）戶層（céng）提供的服務接口，以及EPA管理服務（包（bāo）括設備自動識別、係統時鍾同步、係統工作狀態的管理、設備位號及其他信息的管理等）。
EPA通信協議基於TCP/UDP/IP協議，為用戶層的應用程序（xù）間提供實時和非（fēi）實時（shí）數據傳輸服務。EPA通（tōng）信協議實現了客戶/服務器、發布者/**者、報告分發（fā）等三種通信機（jī）製，其中客戶/服務器方式主要用於（yú）組態信息的上（shàng）傳/下載、設（shè）備信（xìn）息的查詢和用戶自（zì）定義程序的下載等；而（ér）發（fā）布者（zhě）/**者通信則是用於生產過程實時信息（如測量、控製數（shù）據）的周期性傳輸等，通常采（cǎi）用廣播、多播、單播的傳輸方式；報（bào）告分發則是用於控製過程報警信息的傳輸（shū）等，通常采用多播（bō）、廣播發布的通信。
EPA應用層服務接口主要根（gēn）據過程控製信息傳輸的要求，為用戶層應用程序之間（jiān）的（de）數據通信開發（fā），並實現以下服務：域管理（lǐ）服務、域上載服務（wù）、域下載服務、事件管理服務（wù）、事件報告服務、確認事（shì）件報告（gào）服務、改變事件監（jiān）視（shì）條件服務、變量訪問服務、變量讀服務、變量寫服（fú）務和信息分發服務。
EPA管理服（fú）務是EPA通信協議中的重要組成部分。EPA係統管理（lǐ）主要完成以下幾個（gè）係（xì）統管理（lǐ）功能：設備識別、對象定位、地址分配、時鍾（zhōng）同步和功能塊調度。
**時間同步算（suàn）法（fǎ）實現了完整的IEEE 1588**時鍾同（tóng）步協議，保（bǎo）證EPA網絡上所有設備的時鍾都是同步的。EPA確（què）定性調度引擎實現了EPA確（què）定性調度的機製，確保同一時刻（kè）網絡上隻有一個設備在發送報文，從（cóng）根本上避免了以太網報文的碰撞問題（tí）。
3.3 EPA用戶應用程（chéng）序
EPA用戶應用程序主要包（bāo）括：EPA功能塊殼與AO功能塊（kuài）、EPA電動或氣動執行機構技術塊、EPA通信卡與執行機構控製電路（lù）的接口模塊。
EPA功能（néng）塊是基於IEC 61499定（dìng）義的，功能塊（kuài）將控製過程中的某個特定功能封裝在一個功能塊中，並提供給用戶接口，用戶不必關心功能如何完成的（de）具體細節，而隻需根據功能塊的接口，來配置相應的控製係統（tǒng）即可（kě）。功能（néng）塊的接口定義（yì）中分為數據輸（shū）入輸出接口、事件（jiàn）輸入輸出接口。事件的輸入接口用於觸發功能塊中（zhōng）某個功能算法的執行，而事件輸出接口用於本功（gōng）能塊的運算（suàn）完成後通知其（qí）他功（gōng）能（néng）塊，數據的輸入輸出接口則用於傳遞用於功能運算的數據（jù）。
執行（háng）機（jī）構都包含（hán）了一個符合EPA功能塊標準的AO功能塊。AO功能塊將輸入（rù）數據（jù）（一般為控製（zhì）器給出的閥位（wèi）控製值）轉換成硬件通道所（suǒ）需要的值。由（yóu）於（yú）AO功能塊被設（shè）計成與硬（yìng）件無關的標準（zhǔn）功能塊，因此（cǐ）需要在硬件物理通道和AO功能塊之間有一個映射關係。技術塊就是將硬件通道數據和標準功能塊（kuài）相（xiàng）隔離，AO功能塊（kuài）通過通道參數給出硬件數據信息。另外，技術塊還提供對執（zhí）行機構的校準和診斷功能。EPA功能塊標準分（fèn）別為電（diàn）動（dòng）執行（háng）機構和氣（qì）動執行機構規定了相應的技術（shù）塊規範。限於篇幅，這裏不作詳細介紹。
EPA通信卡與（yǔ）執行機構控製電路的接口模塊，主要完成兩者之間的數據交換。接口模（mó）塊的具體（tǐ）實現與（yǔ）產品總體結構有關。對於單CPU的方案而言（yán），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（shì）一（yī）個通訊接口，可以是串行通訊，也可（kě）以是並行通訊，完成兩個CPU之（zhī）間的數據交換。
4 遠程組態、標定（dìng）及故（gù）障診斷功能的實現
EPA遠程組態（tài）、標定及故障診斷軟件實現了（le）通過網絡遠程對EPA執行機構進行組態（tài）、標定和故障診（zhěn）斷。這（zhè）些功能（néng）的實現除了（le）EPA功能塊和技術塊標準，還依賴於基於XDDL的EPA設備描述技術，EPA設備描述文件描述了EPA設備（bèi）中的所有資源，包括功能塊（kuài）、技術（shù）塊、物理（lǐ）塊等資源信息，限於篇幅，這裏不作詳細闡（chǎn）述。EPA設（shè）備管理軟件（jiàn）根據設備描述文件，提供在線的EPA設備管理功能，主要功能包括：在線EPA監視、EPA設備的遠程組（zǔ）態、遠（yuǎn）程標定和遠程故障診斷等功能。EPA執行機構的遠（yuǎn）程組態、標定及故障診斷軟件界麵如圖5所示。
圖5 EPA執行機構（gòu）遠程組態、標定及診斷軟件（jiàn）界麵示意圖
5 結束語
EPA標準是我國具有完全自主知識產權的基於工業（yè）以太網的現場（chǎng）總線（xiàn）國際標準，本文（wén）設計的符合EPA標準的智能電動執行（háng）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的測試，同時利用EPA標準的多信息（xī）傳輸能力，實現了執行機構的遠程組態、遠程標（biāo）定和遠程故障診斷等（děng）功能（néng），達到現場設備智（zhì）能化、數字化和網絡化的目的。