一、前言
                                  
    執(zhí)行機(jī)構(gòu)在工業(yè)過程控制系統(tǒng)中接受調(diào)節(jié)器的控制信號，改變操縱變量，使生產(chǎn)過程按預(yù)定要求正常執(zhí)行。執(zhí)行機(jī)構(gòu)按其能源形式分為氣動、液動和電動三大類。相對氣動、液動執(zhí)行機(jī)構(gòu)而言，電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)具有：無需特殊的動力源，即使電源失電時，也能保持原執(zhí)行位置；可遠(yuǎn)距離傳輸信號，電纜敷設(shè)比氣管和液體管道敷設(shè)方便得多，且便于線路檢查；與計算機(jī)連接方便簡捷，更適應(yīng)采用電子信息新技術(shù)。

                                                  圖1 智能型電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)三維剖視圖

                                  
    隨著微電子技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，智能型電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)成為一種發(fā)展趨勢。該產(chǎn)品以微處理器作為主控器件，并配有功率控制單元、故障診斷報警單元、人機(jī)對話單元，可進(jìn)行閉環(huán)控制，具有數(shù)字通信接口。調(diào)試時具有非侵入特性，即在不打開電氣箱蓋的前提下可設(shè)定各種運行控制參數(shù)。

二、工藝要求
    

    智能型電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)是用于現(xiàn)場或遠(yuǎn)距離控制閥門的一種機(jī)構(gòu)。它的作用是在閥門全開、全關(guān)或事先調(diào)定好的位置處，能自動停車，并發(fā)出信號。根據(jù)各個控制系統(tǒng)的要求，輸出的信號為開關(guān)量、模擬量等，并要求現(xiàn)場和遠(yuǎn)距離開度指示一致，當(dāng)閥門開或關(guān)超過公稱額定轉(zhuǎn)矩時，能自動停車，并發(fā)出信號。在運行過程中出現(xiàn)故障，能分別在現(xiàn)場的液晶屏上顯示故障信號，并能向遠(yuǎn)距離發(fā)出故障信號。同時要滿足現(xiàn)場總路線控制需要遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程通信和遠(yuǎn)程診斷。

 三、硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計
                                  
    智能型電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的電氣控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，整個系統(tǒng)由專用可編程序控制器、電子行程、電子力矩、電動機(jī)驅(qū)動模塊、功率擴(kuò)展模塊、人機(jī)界面（HMI）、紅外線控制器、手動操作電路等組成。其中專用可編程序控制器為整個控制系統(tǒng)的核心。它接收各種信號，經(jīng)過邏輯處理后作出相應(yīng)的反應(yīng)，決定是否驅(qū)動和如何驅(qū)動電動機(jī)，并向用戶反饋各類狀態(tài)信號。

                                          圖2 智能型電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的電氣控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

    1.專用可編程序控制器
    專用可編程序控制器是以施耐德公司現(xiàn)有產(chǎn)品TWDLMDA40DTK為基礎(chǔ)進(jìn)行定制開發(fā)，完成模擬輸入、絕對編碼器信號的高速采集、內(nèi)置Modbus 
    RTU通信協(xié)議等專用功能。用于實現(xiàn)對電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的開和關(guān)、現(xiàn)場/遠(yuǎn)控、故障診斷報警等的控制。在失電情況下，程序和設(shè)置參數(shù)可保存50年以上。由于采用通用編程語言，使控制系統(tǒng)軟件的可移植性和可擴(kuò)充性得到加強(qiáng)。

2.人機(jī)界面（HMI）
                                  
    智能型電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的人機(jī)界面（HMI）是由一塊128×64的點陣式液晶顯示模塊、6個磁控開關(guān)以及紅外接收器組成，整個人機(jī)界面通過RS485接口和專用可編程序控制器進(jìn)行通信。可把輸入指令傳遞到專用可編程序控制器，并在液晶顯示模塊上顯示相應(yīng)的狀態(tài)和提示信息。人機(jī)界面也具備二次開發(fā)的功能，它采用一個小型的組態(tài)軟件，在計算機(jī)上繪制好各種狀態(tài)頁面，然后下載到人機(jī)界面中。此種開發(fā)方法具有直觀、靈活的特點。

    3.電子力矩
                                  
    電子力矩的實現(xiàn)采用了電阻應(yīng)變原理。在蝸桿上連接一個貼有4片電阻應(yīng)變片的彈性變形體，輸出力矩的大小反映為彈性變形體的變形量，電阻應(yīng)變片阻值也相應(yīng)變化，經(jīng)處理放大后導(dǎo)致最終輸出電壓的變化。為了反映開、關(guān)向力矩的變化，設(shè)計上采用了雙向推拉式結(jié)構(gòu)，電子力矩在不受力的情況下輸出DC5V電壓，開向受力時輸出DC5～10V，關(guān)向受力時輸出DC0～5V。這種電子力矩測量直接、實時，線性度、精度都可達(dá)到1%以內(nèi)，遠(yuǎn)高于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的7%的要求。

4.電子行程
                                  
    電子行程與電子力矩一樣是實現(xiàn)智能型電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的非侵入調(diào)試的關(guān)鍵部件。國外同類產(chǎn)品一般采用的是增量編碼器，這種結(jié)構(gòu)雖然簡單，但需要后備電池用于停電時的計數(shù)。電池需要定時更換，一旦忘記更換，就會帶來數(shù)據(jù)的紊亂。采用絕對編碼器可有效地避免這一問題，它可以保證上電后輸出碼與機(jī)械位置的一致性。輸出采用格雷碼（Gray Code，簡稱G碼），它是典型的循環(huán)碼。特點是序號相鄰的兩組代碼只有一位碼不同，且具有循環(huán)性。上述特點使全部碼組按序循環(huán)相鄰，若以循環(huán)碼表示一個循環(huán)過程中按順序發(fā)生的狀態(tài)，則任何狀態(tài)變化只對應(yīng)有一個變量發(fā)生變化，這個特點有助于提高電路的可靠性。機(jī)械結(jié)構(gòu)為4－4進(jìn)位方式，共16位表示0～65535，對應(yīng)輸出軸約1200轉(zhuǎn)（遠(yuǎn)大于普通機(jī)械式行程的500轉(zhuǎn)）。由于在進(jìn)位時格雷碼的碼值會出現(xiàn)短暫的誤碼輸出，所以專用可編程序控制器在讀入格雷碼時應(yīng)剔除誤碼，這一般由特定的軟件算法完成。

 5.電動機(jī)驅(qū)動模塊
                                  
    電動機(jī)驅(qū)動模塊的作用是接收專用可編程序控制器的指令來驅(qū)動電動機(jī)的正反轉(zhuǎn)。如果是開關(guān)型的電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)可選用兩只交流接觸器作為驅(qū)動元件。為了防止交流接觸器的線圈在工作時對專用可編程序控制器和人機(jī)界面產(chǎn)生電磁干擾，需要將一只100Ω電阻與一只0.1f電容串聯(lián)后并接在交流接觸器的線包上。如果是調(diào)節(jié)型的電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)可選用一只三相正反轉(zhuǎn)固態(tài)繼電器作為驅(qū)動元件。

四、軟件設(shè)計
                                  
    要實現(xiàn)智能型電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的開關(guān)、現(xiàn)場/遠(yuǎn)控和故障報警的管理與控制，關(guān)鍵在于專用可編程序控制器的程序設(shè)計，它直接關(guān)系到電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)開、關(guān)到位的準(zhǔn)確性與實時性。專用可編程序控制器采用施耐德公司的Twidosoft編程軟件進(jìn)行編程，整個程序由主程序和多個子程序組成，程序框圖如圖4所示。輸入到可編程序控制器的信號，有來自上位機(jī)的操作命令，也有來自現(xiàn)場電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的信號，操作人員在現(xiàn)場或監(jiān)控室都能對電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制。由程序的不斷掃描，實現(xiàn)電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的開到位、關(guān)到位的控制以及電源故障、電動機(jī)過熱、力矩故障，機(jī)械故障的報警功能。可編程序控制器通過RS485接口與人機(jī)界面實現(xiàn)通信，用內(nèi)部寄存器%MW300，%MW301來顯示和切換人機(jī)界面（HMI）操作頁面，同時通過人機(jī)界面（HMI）用%MW0低六位來反饋干簧管和紅外線控制器的操作信號。該系統(tǒng)還設(shè)置了數(shù)據(jù)查詢系統(tǒng)，對電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的操作次數(shù)進(jìn)行累加，歷史上閥門力矩的最大值以及近期的閥位開閥/關(guān)閥的力矩最大值數(shù)據(jù)。并將這些數(shù)據(jù)放入特定寄存器中，以便通過Modbus
RTU方式，將這些數(shù)據(jù)傳送到遠(yuǎn)方。程序設(shè)計的難點在于數(shù)據(jù)的過濾及處理，它關(guān)系到智能型電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)<