摘　要：該文從電動執(zhí)行機構的機理和現場應用存在的問題出發(fā)，重點介紹了針對傳統電動執(zhí)行機構技術改造的位置調整模塊的設計要點。 關鍵詞：電動執(zhí)行機構；智能；位置調整模塊；閉環(huán)控制 　 0　引言　　 傳統的電動執(zhí)行機構具有使用簡單、節(jié)省投資等特點，已被廣泛應用于電力、冶金、石油、輕工等領域的生產過程控制系統中。我國的電動執(zhí)行機構和伺服放大器是60年代統一設計的，30多年來在技術上沒有大的創(chuàng)新。這種電動執(zhí)行機構控制能力差，維護量大，連接電纜多，難于滿足我國工業(yè)自動化水平的需要。 目前，絕大多數電動執(zhí)行機構配套的伺服放大部分通常是由輸入隔離放大電路、比較、觸發(fā)電路和功率輸出電路組成的。輸入一般用線圈隔離，再用磁放大器放大；比較電路一般采用由分立元件組成的電壓比較器，觸發(fā)電路采用張馳振蕩觸發(fā)電路，其穩(wěn)定性、可靠性均較差；功率輸出電路是用可控硅輸出電路，伺服電機轉速是固定的，輸出定位效果較差。該類電動執(zhí)行機構在控制過程中不能獲得其本身的一些特性參數，使得控制精度與可靠性均不高，可輸入信號僅為一種，如電流或電阻，然后將檢測信號與輸入信號進行比較，由此獲得的控制信號送到 驅動電路，以控制執(zhí)行機構的位移輸出；有些電動執(zhí)行機構中雖設置了報警電路，但沒有采用連鎖保護措施，使得在報警狀態(tài)下仍然存在不安全性，因而此類伺服放大部分控制的電動執(zhí)行機構在一些精度、可靠性和穩(wěn)定性要求較高的場合不能適用。 如何通過集散控制系統（簡稱DCS）實現對現場電動執(zhí)行機構的高精度的平穩(wěn)操作，是許多工礦企業(yè)技改項目需要考慮的問題。文中以浙大中控的JX－300XDCS為例，針對國產常用的電動執(zhí)行機構，介紹如何設計位置調整模塊（Position Adjusting Type Mod－ule，簡稱PAT模塊），實現電動執(zhí)行機構的閉環(huán)控制，提高閥門的定位精度和安全性，同時也簡化操作。 1　PAT模塊的設計機理　　 PAT模塊是為電動執(zhí)行機構而特殊設計的，取代了傳統的伺服放大器，可以看成是控制精度更高、功能更完善、更先進，安全可靠且與DCS集成一體的新型伺服放大器。 1.1　PAT模塊硬件設計 電動執(zhí)行機構一般提供5個信號點：1個模擬量信號，用以反饋電動執(zhí)行機構的位置信號；2個開關量觸點輸入信號，用以反饋電動執(zhí)行機構的2個極限報警信號；另外還有2個正反轉線圈的驅動接口，用于聯接功率器件，如固態(tài)繼電器可控硅之類，伺放或PAT模塊就可以通過開關量輸出信號，驅動固態(tài)繼電器或可控硅，從而驅動電動執(zhí)行機構的正轉或反轉。 電動執(zhí)行機構應用的場合一般來說比較惡劣，而且在工業(yè)現場為了工程實施方便，閥位反饋信號線、供電線以及開關量輸出信號線集中為同一條電纜，信號線間串擾嚴重，因而PAT模塊的硬件必須在隔離、抗干擾以及電磁兼容性方面做嚴格設計[2]。 PAT模塊設計采用了光電隔離技術和電磁隔離技術，模擬量處理電路單獨隔離，開關量部分統一隔離。開關量輸出部分再經過固態(tài)繼電器實現弱電和強電的隔離，有效地克服了不同信號之間的干擾；同時再在模擬量處理電路、開關量電路部分做進一步的信號調理以及保護措施，此時PAT模塊具有極強的抗干擾能力和良好的電磁兼容性，穩(wěn)定性和可靠性得到明顯提升。 電動執(zhí)行機構動作一般比較靈敏，即在較短的時間內閥位變化較大，其反饋信號屬于快速變化的模擬量，在設計模擬信號處理電路時，濾波電路的濾波常數要盡量小，同時注意選擇快速的A/D芯片，如逐次比較型的A/D芯片，可以快速采樣，做到及時跟蹤閥位的變化，從而保證良好的控制效果。 硬件的連鎖保護具有及時可靠的優(yōu)點，因此在設計PAT模塊時，使用極限報警信號參與輸出驅動的連鎖保護：上極限報警輸入參與增輸出硬件連鎖，下極限報警輸入參與減輸出連鎖保護。在閥門到達上極限或下極限的時刻，可以通過硬件直接截斷PAT模塊的增輸出或減輸出，無需CPU進行處理，從而做到了及時可靠。 由于PAT模塊需通過繼電器來驅動現場電動執(zhí)行機構，因此繼電器的好壞直接關系到能否進行正?？刂?。相對于常用的電磁繼電器來說，固態(tài)繼電器是一種采用固體組件組裝而成的無觸點開關控制繼電器，其輸入端利用光電耦合器進行隔離，只要很小的電流就可控制其工作。由于輸出部分內部無可動部件，所以具有工作可靠、開關速度快、工作頻率高、壽命長、無電磁干擾等特點。因此，對于調節(jié) 頻率較高的工作場合，建議采用固態(tài)繼電器。 1.2　PAT模塊軟件設計 （1）閾值：En，與模塊、繼電器、電動執(zhí)行機構所構成的整體慣性相關，在PAT模塊的控制信號截止后，電動執(zhí)行機構閥位的改變值的修正值； （2）閥位穩(wěn)定時間，即電動執(zhí)行機構因慣性運動的時間：Toff； （3）最小動作步進，即能夠使電動執(zhí)行機構運動的最小脈沖長度：Ton； （4）最小動作步長，即在輸出最小動作步進長度的脈沖時電動執(zhí)行機構閥位的改變量：Smin； （5）死區(qū)（DeadZoon），也稱為不靈敏區(qū)，即電動執(zhí)行機構所能達到的控制精度。 1.2.1　PAT模塊控制方案設計 電動執(zhí)行機構在控制過程中，一般有3種控制方案可以采用：第1種方案是采用連續(xù)的長脈沖控制，第2種采用全程的步進調節(jié)控制，第3種就是長脈沖控制和短脈沖步進驅動相結合的控制方式[3，4]。 第1種方案的優(yōu)點是可以快速的調節(jié)，控制算法簡單，只要判斷閥位設定值Sv和閥位的反饋值Pv之間的差值與死區(qū)DeadZoon之間的關系： Pv－Sv＜DeadZoon/2時，輸出增脈沖驅動電動執(zhí)行機構正轉； Pv－Sv＞DeadZoon/2時，輸出減脈沖驅動電動執(zhí)行機構反轉。 采用這種控制方案要消除振蕩現象只能靠降低靈敏度增大死區(qū)DeadZoon，而且這里的DeadZoon已經不是實際意義的死區(qū)，其包含了慣性的成分。現場的控制對靈敏度有一定的要求，因而這種方案的缺陷是很明顯的，建議不予采用。 第2種方案是在電機的轉動過程中插入了暫停階段，使調速系統降速，從而降低系統的慣性，采用這種控制方式，可以很好地消除振蕩現象，控制精度得到很大的提高，但是如果全程采用這種步進驅動的控制方式進行調節(jié)，調節(jié)時間也將大大加長，這在工業(yè)使用過程中的很多場合絕對不允許。 第3種控制方案（圖2）綜合了第1種和第2種控制方案的優(yōu)點。當實際閥位值Pv和設定值Sv兩者之差的絕對值大于En時模塊采用長脈沖驅動；當兩者之差介于閾值En和二分之一死區(qū)DeadZoon用短脈沖步進的控制方式，即模塊輸出Ton時間的短脈沖等待Toff時間，直到閥位值和設定值之差絕對值小于二分之一死區(qū)，即達到控制精度時停止輸出，完成一次控制過程。PAT模塊采用上述控制方案充分利用了系統的慣性和電動執(zhí)行機構的特性，有效地克服了電動執(zhí)行機構控制過程中出現的過沖和振蕩現象，提高了控制精度。En、Ton、Toff的設定要合適，以不超過2～3個短脈沖為最佳，這樣可以加快調節(jié)時間。 1.2.2　PAT模塊自適應功能設計 一般電動執(zhí)行機構說明書中提到的技術性能參數，除了死區(qū)、回差、滯后以及工作電壓等外特性外，Ton、Toff、Smin等內特性參數沒有任何介紹。通過PAT模塊自學習功能可得到這些電動執(zhí)行機構的特性參數，為合理設定特性參數提供有力的支持。 自學習功能的設計是基于人工神經網絡原理，采用了反向傳播算法。這一設計主要源于電動執(zhí)行機構的特性參數在不同的負載和不同的閥位段 下面會有所改變，PAT模塊判斷出電動執(zhí)行機構的控制效果，并根據控制效果及時修正特性參數，從而達到最佳控制。當負載較大時，相應的死區(qū)和閾值比空載的情況要小，Ton較空載情況要長一些，而Toff則要較空載的情況短一些。在這種情況下，PAT模塊能智能地判斷設定參數的合理性（見圖2，Ton脈沖過長的智能處理類似，不再作詳細說明）并及時調整，保證達到最優(yōu)控制。 1.2.3　PAT模塊增強功能設計 在實際應用中，意外和特殊情況時有發(fā)生，象有的閥門沒有閥位極限限位開關，這時PAT模塊的極限連鎖保護功能就失去了作用。通過判斷模塊正在進行輸出驅動時，閥位是否有相應的變化，判斷出電動執(zhí)行機構是否已達到極限或處于堵轉狀態(tài)從而可以及時截斷輸出，防止電機燒毀。 電動執(zhí)行機構的閥門定位器也是易損器件，閥位反饋線斷線時有發(fā)生。這些意外情況都會導致PAT模塊采集的閥位不能反映實際的閥位值。在實際使用中，電動執(zhí)行機構的閥位值作為內環(huán)的被控量，而控制的氣體流量或者液體流量等則作為外環(huán)被控量，此時內環(huán)處于開路狀態(tài)，PAT模塊將自動的閉環(huán)控制切換到硬手操狀態(tài)，用戶可以依據外環(huán)被控量通過PAT模塊實現對電動執(zhí)行機構的硬手操，從而保證整個回路的正常工作。 2　結束語　　 　　PAT模塊作為浙大中控JX－300XDCS中的一種重要智能模塊，其穩(wěn)定性、可靠性、功能的完備性以及良好的控制效果，已經在實際應用中得到了充分的證明，特別在鋼鐵行業(yè)和發(fā)電行業(yè)應用，其性能得到用戶的認可。