（控制理论与控制工程专业论文）基于lonworks现场总线电动执行器的研究与开发.pdf

摘要 随着现代通信技术、计算机技术的迅猛发展，控制技术也进入了一个新的阶 段，即进入了现场总线技术阶段。电动执行器是自动控制系统的重要终端控制元 件，它对整个自动控制系统的安全运行、可靠性及调节品质的优劣都有很大影响。 目前工业生产现场广泛应用的电动执行器基本上都是d k j 、d k z 电动执行器，离 现场总线所要求的智能现场设备相差很远。本论文就提出将l o n 骱r k s 现场总线 技术运用到电动执行器上，使它成为l o n w o r k s 现场总线下的一个节点，实现了 传统电动执行器所不具有的性能。 本论文从l o n w o r k s 现场总线谈起，详细地介绍现有电动执行器的特点和缺 点，接着描述如何设计一个l o n w o r k s 现场总线上的节点的硬、软件随后进行 网络安装和调试，使电动执行器成为了一个运行在l 0 n w o r k s 现场总线网络上的 一个智能节点，具有了网络和通信功能，并为未来符合现场总线的智能执行器提 供了有益的思路。 关键词 现场总线、电动执行器、l o n w o r k s a b s t r a c t w i t l lm ed e v c l o p m e n to fm o d e mo d i n m l l i l i c a t i o na n dc o m p u t c tt e d m o l o g y ，c o n t r o l 慨1 1 1 1 0 l o g yh 硒a l r c a d yc o m ei n t oan e ws t a g e f i e l d b u st e c l i i l o l o g ys 诅g e e l e c 廿i c p e r f b 彻e ri sa ni m p o r t a n tt e n n i r i a lc o n t r 0 1c o m p o n e mi n 卸t o m a t i cc o n t r o ls y s t e m 1 t e 丘跏彻坞i 脚i e p e n d 口i c eo ft l l e 卸t o m a t i cc o n 曲js y s t c m b u tm a n ye l e c m c p e d b 玎n e 体w h i c ha i e 惦e di nm a n yf a 曲d r i e sa r ed k j ，d k ze l e 曲r i c a lp e r f o 咖e l d d k ze l e c 仃i c a lp e 面册e r sc a p a b i l i t yi sv c r yl o w c rt h 卸t 1 1 ee l e c 埘c a lp e 晌瑚e r b a s e do nf i e l d b 惦c a p a b i l i t y s oia p p l i e dl 0 n w b r k sf i e l d b u st e c h n o i o g yt ot 1 1 e e l e c t r i cp e m ) m l e r nc 蚵e so u tt l i e 矗m “o nw h i c ht h et r a d i t i o n a ie i e c 伍c a ld e r f o 舯e r c a f l tc a r r yo u t t h i sp a p 哪i n t m d u c e st l i el o n w o r k sf i e i d b u st c c h n o l o g y a tm es a m e t i m e ， d e s c r i b e st 1 1 ef l a w so ft l l et r a d j t i o n a le l e c 岫cd e 0 瑚e ri nd e t a i l t h e n “i n t f o d u c e s h o wt od e s i g l le l e c m cp e f f b r i l l e ra saf i e l d b u sn o d ei nd e t a i l a 1 1 da l s og i v e st h e h a r d w a r ea n ds o r w 盯ed e s i g 皿a tl a s t ，t l i ee i e c t r i cp e r f 0 皿e rb e c o m e sai n t e l l i e e n t e l e c t r i cd e d b 皿e rb a s e do nl o n w b r k sf i e l d b u s k e yw o r d s ：f i e l d b i l s ；e l e c 仃i cp e r f b n n e r ；l o n w b r k s 第一章l o n w o r k s 现场总线技术及它对总线型电动执行器提出的要求第1 页 第一章l o n w o r k s 现场总线技术及它对 总线型电动执行器提出的要求 1 1 现场总线技术的由来和发展概况 在现代工业生产中，自动化技术是保证工业生产高质、高效、安全、连续运行 的重要手段。随着现代科学技术的迅猛发展。自动化技术也r 新月异。到目前为止， 自动化技术经历了两次飞跃。第一次是在五六十年代，从传统的电动传动控制发展 到以模拟信号为主的电子装置和自动化仪表的监控系统，这次飞跃是以微电子技术 的进步为基础的。第二次飞跃则是在七八十年代，集散控制系统的出现，把分散的、 单回路的测控系统采用计算机进行统一的管理，用各种i 0 功能模板代替控制室的 仪表，利用计算机高速运算的强大功能，集中实现了回路调节，工况连锁、参数显 示报警、历史数据存储工艺流程动态显示等多种功能在大型控制系统中还往往 带有操作指导和专家系统等软件。集散控制系统对工业控制技术的发展起到了极人 的推动作用，这次飞跃是以计算机技术的飞速发展为基础的。进入九十年代以后 自动化技术正面临着第三次飞跃，即现场总线技术的出现和兴起。它将成为2 1 1 目纪 自动化领域r l 的主导技术“。现场总线控制系统是在计算机网络技术匕速发展的排 动下彤成的，它是现代计算机、通信和控制技术的集成。符合控制系统未来发展的 网络化，分散化，现场设备智能化的要求。在现场总线的发展过程中，形成了多种 现场总线技术，如p r o f i t b u s ( 德国和欧洲标准) 、f f ( 基会会现场总线) 、1 o n w o r k s 、 c n 、 i a r t 总线等。鉴于本论文是详细论述如何在l o n w o r k s 总线下丌发新的执行器， 所以在本章将详细讲述l 0 n w o r k s 现场总线技术“m ”。 1 2 l o n w o r k s 现场总线技术 l ( ) n ( l o c a l ( 】p e r a t i n gn e t w o r k ) 总线是美国e c h e l o n 公司1 9 9 1 年推出的局部 操作网络，为集散式监控系统提供了很强的实现手段。在其支持下。诞生了新一代 的智能化的现场测控产品。为支持i 。0 n 总线，e c h e l o n 公司丌发了i 。o n w o r k s 技术 它为i 。0 n 总线设计、成品化提供丁套完整的1 ：发j f 台。日i j h 采用l o n w o r k s 技术的 产品广泛应用在工业、楼字、家庭、能源等自动化领域i ，0 n 总线也成为当前最为 流行的现场总线之一“”“。 第一章f 。o n w o r k s 现场总线技术及它对总线型电动执行器提出的要求第2 丙 l ，o n w o r k s 使用的丌放式通讯协议l o n t a l k 为设备之问交换状态信息建立了一个 通用的标准。这样在l o n t a l k 协议的协调下使以往那些孤立的系统和产髓融为一 体，形成一个网络控制系统。l o n t a l k 协议最大的特点是对0 s i 的七层协议的支持， 是直接面向对象的网络协议这是以往的现场总线所不支持的。具体实现就是采用 网络变量这一形式。网络变量使节点之间的数据传递只是通过各个网络变量的互相 连接便可完成。又由于芯片的支持实现了实时性和接口的直观、简洁的现场总线 的应用要求。神经元芯片( n e u r o nc h i p ) 是l o n w o r k s 技术的核心它不仅是l o n 总线的通信处理器，同时也可作为采集和控制的通用处理器，l o n w o r k s 技术中所有 关于网络的操作实际上都是通过它来完成的。按照l o n w o r k s 标准网络变量来定义数 据结构，也可以解决和不同厂家产品的互操作问题。l 。o n m a r k 是与e c h c l o n 公司无 关的l o n w o r k s 用户标准化组织，按照l o n m a r k 规范设计的l 0 n w o r k s 产品。均可非 常容易的集成在一。起用户不必为网络h 后的维护和扩展担心”“”1 。 1 2 1l o n w o r k s 技术概述和系统结构 l o n w o r k s 技术包括以下几个组成部分： l o n w o r k s 节点和路出器 l o n t a l k 协议”1 l o n w o r k s 收发器 【，o n w o r k s 网络和节点丌发工具 1 2 1 1l o n w o r k s 节点 一个典型的现场控制节点主要包括 以下几个部分功能块：神经元芯片、i o 处理单元、存储器、收发器和电源以及相 应的传感器和执行器。其结构图如图卜l 所示“。 1 2 1 2 路由器 幽l - i 神经元性点的结构框图 路由器在i 。o n r k s 技术中是一个主要的部分，这也是其他现场总线所不具备的， 也正是由于路由器的使用使l o n 总线突破传统的现场总线的限制不受通信介 质、通信距离、通信速率的限制。在l ( ) n w o r k s 技术中，路d i 器包括以下儿利：q ，继 嚣一章1 o n w o r k s 现场总线技术及它对总线型电动执行器提出的要求第3 页 器、桥接器、路由器。 1 2 1 3 网络管理 在l o n 总线中，需要一个网络管理工具，这也是l o n 总线和其他总线所不同的 地方。当单个节点建成以后，节点之问需要互相通信，这就需要一个网络工具为网 络上的节点分配逻辑地址，同时也需要将每个节点的网络变量和显示报文连接起来； 一旦网络系统建成正常运行后还需要对其进行维护；对一个网络系统还需要有上 位机能够随时了解该网络的所有节点网络变量和显示报文的变化情况。网络管理的 主要功能有以下三个方面。 ( 1 ) 网络安装 l o n 总线通过动态分配网络地址，并通过网络变量和显示报文来进行设备问的 通讯。网络安装可通过s e r v i c ep i n 按钮或手动的方式设定设备的地址，然后将网 络变量互连起来，并可以设置报文四种方式：发送无响应、重复发送、应答和请求 响j 立。 ( 2 ) 网络维护 网络安装只是在系统开始时进行的，而系统维护则在系统运行的始终。系统维解 护主要包括维护和管理两方面。维护主要是在系统正常运行的状况下，增加删除设 备以及改变网络变量显示报文的内部连接。网络修理是一个错误设备的检测和替换 的过程。检测过程能够查出设备出错是由于应用层的问题还是通信层的问题。由于 采用动态分配网络地址的方式使替换出错设备非常容易只需从数据库q i 提取旧 设备的网络信息下载到新设备即可，而不必修改网络上的其他设备。 ( 3 ) 网络监控 应用设备只能得到本地的网络信息，也即网络传送给它的数据。然而在许多大 型的控制设备中往往有一个设备需要查看网络所有设备的信息。例如。在过程控 制中需要一个超级用户可以统观系统和各个设备的运行情况。因此提供给用户一 个系统级的检测和控制服务用户可以在网上监控整个系统。 通过节点、路由器和网络管理这二二部分有机的结合可以构成一个带有多介质、 完整的网络系统如图卜2 所示。 第一章l o n w o r k s 现场总线技术及它对总线型电动执行器提出的要求第4 页 器 模块il 模块ll 幢块 节点ii 节点li 节点 n 山打扑信道i 乜再 节点ii 甘点il 甘点 i 由i 嚣的 蹄山嚣 蹄山器和带终端 群的情逝l 乜辨 节点 _ _ 一 _ _ 一 廿点 墨0 ：芝絮1 一厂谪丽雨鬲 幽塑1 焉 p c l t 一2 0 州蠕眦备拉 使挽代p c 安然和维护 l 肄 p fi 帆 圈 i n t c n 让t p f1 帆 圈 幽l - 2l o n w o r k s 网络 1 2 1 4l o n 总线的性能特点 拥有三个处理单元的神经元芯片( u r o n 芯片) 一一个用于链路层的控 制，一个用于网络层的控制，另一个用于用户的应用程序，还包括l1 个i 0 口，这 样在一个神经元芯片上就能完成网络和控制的功能“”： 支持多种通信介质( 双绞线、电力线、电源线、光纤、无线、红外等) 和它们 的互连： l o n t a l k 是l o n 总线的通信协议，支持七层网络协议，提供了一个固化在神经 元芯片的网络操作系统： 提供给使用者一个完整的丌发平台，这包含现场调试工具l o n b u i l d e r 、协议分 析、网络开发语言n e u r o nc 等； 由于支持面向对象的编程( 网络变量n v ) ，从而很容易实现网络的互操作。 1 2 2l o n w o r k s 网络硬件构成 1 2 2 1l o n 总线分散式通信控制处理器神经元芯片 神经元芯片( n e u r o nc h i p ) 是l o n w o r k s 技术核心器件。它是山美国e c h e l o n 公司研制的一种集通信、控制、调度和i o 支持为一体的高级v l s i 器件，并只授权 畿磊 鬲撇藤 鬈一 第一章l o n w o r k s 现场总线技术及它对总线型电动执行器提出的要求第5 页 由美国的m o t o r o l a 和闩本的t o s h i 队公司生产。通过对硬件和固件( f i r m w a r e ) 的有机结合，芯片可以提供l o n w o r k s 网络节点需要的所有关键功能。即处理所有 l o n t a l k 通信协议消息，传感信号输入和控制信号输出，储存和安装指定的参数程 序，实现各种应用功能。 ( 1 ) 神经元芯片的结构和存储器配置 神经元芯片主要包括3 1 5 0 和3 1 2 0 两大系列。两者内部结构基本相同差别在 于存储器的配置3 1 2 0 芯片本身为一完整的最小系统，它支持小型应用程序，适用 于简单的低成本系统。3 1 5 0 支持外部存储器，可进行软件的扩展，适用于大型复杂 系统其结构框图如图1 3 所示1 。 1 。 1 1 ，加= 嚣c 7岩 肌m 腿卜 j 1 掰 1 i 口 景馔雎ll ： 。 暑 日 - j 1 ”儿i c m 0 h i ，0 ： q 嘎呲 l 喘掣尝訾l ： 。 i ，0 p 柚 u j l ij 1 r h l 盯 辄舡 l 胁 皿 2t 】m ， 岍1 1 s i ! 鲨塾i = - c 嘲孵卜 器。e 二 酗卜3 神经元芯片结构框幽 ( 2 ) 神经元芯片的微处理器 神经元芯片内部含有3 个8 位流水线作业 的微处理器( c p u ) 。分别为介质访问控制处理 器( m a c 处理器) 、网络处理器和应用处理器。 图卜4 为三个处理器和存储器结构的框图。m a c 处理器( m e d i a a c c e s sc o n t r 0 1 ) 控制l o n t a l k c p 4 c p 3 c p 2 呀l 啪 1 0 1 0 i c l k l 浊 s e e ：v i 既 而 l 笙il - 4 神经元芯片处理器功能 需噜 柚 第一章l o n w o r k s 现场总线技术及它对总线型电动执行器提出的要求第6 页 七层协议中的第一层物理层和第二层数据链路层，并可以驱动通信子系统的硬件来 完成碰撞回避算法。它通过使用共享存储器的网络缓冲区与网络处理器进行通信。 网络处理器( n e t w o r k ) 控制网络协议中的第三层到第六层( 网络层、传输层、会话 层和表示层) ，可完成网络变量进程、编址、处理事项进程、报文鉴定、软件定时器、 网络管理和路由寻址等功能网络处理器使用共享存储器中的网络缓冲区与姒c 处 理器进行通信，使用共享处理器中的应用缓冲区与应用处理器进行通信。应用处理 器( a p p l i c a t i o n ) 实现网络协议中的第七层应用层，执行用户代码和用户代码调用 的操作系统来进行工作，大部分应用程序的编程语言为n e u r o nc 。应用处理器使用 共享存储器中的应用缓冲区与网络处理器进行通信。除应用层需由用户编程外，其 余6 层均由固件来完成。所谓固件就是固化在芯片内( 或芯片外) r o m 中的有关通 信协议的软件。 ( 3 ) 神经元芯片的i 0 功能 神经元芯片3 1 2 0 和3 1 5 0 都有1 1 只i 0 引脚( i 瓯1 0 。) ，这些引脚可通过编 程设定为各种不同的功能，可根据需要灵活地配置，使用起来十分方便。1 1 只引脚 共可组成3 4 种不同的i o 功能，它可分为输入、输出和双向三大类别。其中1 0 i m 可以通过编程设置成上拉；i 瓯i o ，带有高电流( 2 0 m ) 接收( h i g hc u r r e n ts i n k ) ； i 瓯1 0 。带有t t l 标准的迟滞输入：10 1 i ( ) i 带有低电平检测锁存。神经元芯片的专 用编程工具n e u r o nc 提供i 0 定义可以将l1 个i 0 配置成不同的i 0 对象；通过 函数i o _ i n ( ) 和i o - o u t ( ) 对所定义的i 0 进行输入输出操作。 神经元芯片带有两个片内定时计数器。定时计数器1 称为多路选择定时计 数器( m u l t i p l e x e dt i m e r c o u n t e r ) ，它的输入可通过一个多路选择丌关，从1 0 i o ：四个i 0 中选择一个，输出可连至i 瓯。定时计数器2 称为专用定时计数器 ( d e d i c a t e dti m e r c 叫n t e r ) 它的输入是1 0 ，输出是i o 。每个定时计数器包括： 可以被c p u 写入的1 6 位状态寄存器：1 6 位计数器：可以被c p u 读出的1 6 b i t 的锁 存器。 ( 4 ) 神经元芯片的通信功能 神经元芯片通过5 只引脚( c r cp ) 用于各种通信介质接口及网络收发器连接， 其通信接口可以在3 种模式下工作，即单端模式、差分模式和特殊模式。 1 2 2 2 双绞线收发器 第一章l o n w o r k s 现场总线技术及它对总线型电动执行器提出的要求第7 页 l o n 总线的一个非常重要的特点是它对多通信介质的支持。由于突破了通信介 质的限制l o n 总线可以根据不同的现场环境选择不同的收发器和介质。 双绞线收发器是使用最广泛的一种介质，对双绞线的支持主要有三类收发器： 直接驱动、e i a 一4 8 5 和变压器耦合。 本系统使用的是使用最为广泛的变压器耦合的自由拓扑收发器f t t 1 0 ，变压器 耦合接口能够满足系统高性能、高共模隔离以及同时具有噪声隔离的作用。变压器 耦合的收发器很多本系统使用的是自由拓扑收发器m l o 。f t t 1 0 收发器支持没 有极性、自由拓扑( 包括总线、环形、星型、树形甚至几种方式的组合) 的互连方 式。因此，f t t 一1 0 收发器可以极大地方便现场网络布线。 f t t 一1 0 收发器包含一个隔离变压器，一个曼切斯特编码器，采用厚膜电路集成 在个芯片中。 1 2 2 3l o n w o r k s 路由器 l o n 骠o r k s 路出器连接两个通信通道之f d j 的l o n t a l k 信息。这罩指的通道是指： 由于物理的原因( 如距离、通信介质) ，将网络分割成能独立发送报文而不需要转发 的一段介质。l o n w o r k s 路由器能支持从简单到复杂的网络连接，这些网络可以小到 几个节点大到上力个节点。 路由器可用于： ( 1 ) 扩展通道的容量。 ( 2 ) 连接不同通信介质或波特率。 ( 3 ) 提高l o n 总线可靠性。 ( 4 ) 全面提高网络性能。 l o n w o r k s 路由器包含两个可供选择的模块以适用于不同的用途： ( 1 ) 路由器核心模块r t r 1 0 。一个r t r 1 0 路山器加上两个收发器模块( 分别 田卜5r 1 r - 1 0 路由牯模块构成的 站由器框圈 7 第一章【o n w o r k s 现场总线技术及它对总线型电动执行器提出的要求第8 页 连接到两个通道上) 就组成了一个常规路山器。基于r t r l o 路山器的路山器系统示 意图如图卜5 所示。 ( 2 ) 路由算法。路由器有四种路山算法可供选择：配置型路由器、学习型路由器、 桥接器或中继器。这些选项以降低系统性能来换取安装的方便。配置型路山器和学 习型路山器属于智能路由器路由智能可以使它们根据目标地址有选择地选择报文； 桥接器转发所有符合它的域的报文；中继器发送所有的报文。 1 2 3i ，o n w o r k s 丌发平台 1 2 3 1 专用丌发语言n e u r o nc n e u r o nc 是种专门为n e u r o n 芯片设计的程序设计语言。它在标准c 的基础 上进行了自然扩展，直接支持n e u r o n 芯片的固化软件，并删除了标准c 中一些不 需要的功能。加入了通信、事件调度、分布数据对象和i 0 功能，是编写神经元芯 片程序的最为重要的工具“。 n e u r o nc 支持 n s ic 的定义类型( t y p e d e f s ) 、枚举类型( e n u m s ) 、数组类型 ( a r r a y s ) 、指针类型( p o i n t e r s ) 、结构类型( s t r u c t s ) 和联合类型( u n i o n s ) 。 n e u r o nc 不支持a n s ic 的标准运行库的一些功能，如浮点运算、文件i 0 等： 然而，为了满足神经元芯片作为智能分厕j 控制应用n e u r o nc 有自己扩展的运行库 和语法。这些扩展功能包括：定时器、网络变量、显示报文、多任务调度、e e p r o m 变量和其他多种功能。 ( 1 ) 定时器 在一个程序中，最多可以定义1 5 个软件定时器对象，在这些定时器一j 分为两 种软件计数器对象：毫秒计数器和秒计数器。毫秒计数器提供一个l 6 4 0 0 0 m s 的技 术范围的计数器。秒计数器提供一个l 6 5 5 3 5 s 的计数范围的计数器。对于计数范 围为6 4 s 或小于6 4 s 的精确计数时，使用毫秒计数器。这些软件计数器在网络处理 器运行它们是和神经元芯片上的两个硬件定时计数器分离的。 ( 2 ) 网络变量 应用程序可以定义一个特殊的静态对象类网络变量，这些网络变量可以是 整型、字符型或结构等类型。网络变量可以与一个或多个其他节点的网络变量互连。 网络变量从通信的角度分为输入或输出。对于一个输入的网络变量可以和其他节点 x 第一章l o n w o r k s 现场总线技术及它对总线型电动执行器提出的要求第9 页 的多个输出的网络变量互连而对于一个输： 5 的网络变晕也可以和其他节点的多个输 入的网络变量互连但输出和输出或输入和输入是不能互连的。 网络变量包含四个事件： n v u p d a t e - o c c u r s 输入网络变量接收到一个输入值 n vu d d a t ef a il s输出网络变量发送失败 n vu d d a t es u c c e e d s 输出网络变量发送成功 n vu p d a t ec o m p l e t e s 输出网络变量发送完成( 包括失败和成功) ( 3 ) 显示报文 在大多数情况下网络变量是网络通信的一个简单、可靠、快捷的方法，然而网 络变量在个数、长度和发送目的等方面都使编程者受到限制。l o n w o r k s 又提供了一 个更灵活但较为复杂的通信方式显示报文。所谓显示报文是一个结构变量，该结 构分为输出显示报文、输入显示报文、响应输出报文和响应输入报文。 ( 4 ) n e u r o nc 任务调度是事件驱动( e v e n ld r jv e n ) 当一个给定事什发生的条件为真时，与该事件关联的一段代码( 称为任务) 被 执行。调度程序容许编程者定义事件如输入管脚状态的改变、网络变量的更新、 计数器的溢出等。这些事件可以定义优先级，以使些重要事件能够优先的到相应。 n e u r o nc 任务调度是非实时的，也就是说，如果低优先级事件的任务在运行，即使 高优先级的事件发生，也必须等到低优先级事件的任务完成后重新调度后爿执行高 优先级事件的任务。 事件是通过w h e n 语句来定义的，一。个w h e n 语句包含一个表达式当表达式为 真时，则表达式后面的任务被执行。 n e u r o nc 巾定义了五类事件：系统级事件、输入输出事件、定时器事件、网络 变量和显示报文事件、用户自定义事件。 ( 5 ) 附加功能 附加功能主要包括：输入输出、调度系统复位、旁路模式、睡眠模式、补充的 预定义事件以及错误处理等。这些功能大部分以函数和事件的形式提供。 1 2 4 、l o n b u j1 d e r 和n o d e b u i l d e r 丌发工具 第一章l 0 n w o r k s 现场总线技术及它对总线型电动执行器提出的要求第1 0 页 l o n b u d e r 丌发工具平台集中了一整套丌发l o n w o r k s 节点和系统的工具。这 些工具包括：开发多节点：调试应用程序的环境；安装配置节点的网络管理程序： 检查网络交通以确定适当的网络容量和调试改t f 错误的协议分析仪。l o n b u i l d e r 工 具可以通过一系列必要的和可选的工具以不同的配置进行组合。 n o d e b u i1 d e r 丌发工具可使设计和测试l o n w o r k s 控制网络中的单个节点变得 简单。它用大家熟悉的w i n d o w s 丌发环境为用户提供易于使用的联机帮助。 n o d e b u i l d e r 包括l o n w o r k sw i z a r d 软件工具，l o n w o r k sw i z a r d 是一套只需按几下 鼠标就可生成一个互操作l o n w o r k s 节点的软件模板。可以节省几小时或几天的编程 时间”1 。 1 2 5 、l n s 网络工具 l n s 网络操作系统是为l o n w o r k s 控制网络提供目录、管理、监视和控制服务的 网络操作系统。l n s 为任何必须和i ( 1 n w ( 婀k s 网络交! i 的应用程序提供服务，并保证这 些应用程序对网络有一致的视图并保持同步。这种唯一的特性允许软件组件可以互 操作，不论这些组件是运行在同一个还是不同的主机上，或是在几千公罩以外的1 p 网络上。i n s 通过提供这样一个框架使得多个一i 只可以，e 同工作，提高了生产效率 并降低了成本。 l n s 网络工具以两种方式提供：嵌入式( n s s 1 0 ，d m 一2 1 ) 和基于p c 机的工 具( l o n m a k e rf o rw i n d o w s 集成_ 1 ：具，l n sd d es e r v c r ) 。也提供几种丌发工具包 用于丌发嵌入式或基于p c 机的网络工具。”6 1 。 以上简单地介绍了l o n w o r k s 现场总线技术的各个方面，至于具体的应用，将在 以下各章中详细介绍。 1 3 现场总线技术对电动执行器提出的要求 毫无疑问。如果将电动执行器变为1 o n w o r k s 现场总线的一个智能节点就必然 会对它提出以下要求： 首先电动执行器具有智能化和高精度的系统控制功能。控制任务山传统控制 器转为l 土i 执行器的微处理器来完成，系统可按给定值自动进行各种调节，控制流量、 压力和温度等多种过程变量。在一般情况下阀门的特性曲线是非线性的，通常是采 第一章l o n w o r k s 现场总线技术及它对总线型电动执行器提出的要求第1 1 页 用一个近似的曲线。而对于智能执行器，用户可以用多个折线的近似方法对输出特 性曲线进行补偿以提高系统的控制性能。 其次。具有智能化的通讯功能。由于通讯符合现场总线的通讯协议因此执行 器与别的监控节点之问可以通过总线进行双向数字通讯极大的提高了系统的控制 精度和稳定性。这是与以往的执行器最大的区别所在，也是先行执行器产品中的佼 佼者。 第三，具有智能化的自身保护和系统保护功能。当外电源掉电时能自动利用后 备电池驱动执行机构，使阀门处于预先设定的安全位置。自启动和自整定功能使丌 车变得极为简易。当电源、气动部件和机械部件、控制信号、通讯或其它方面出现 故障时，都会自动采取保护措施，以保证系统本身及生产过程安全可靠。 第四，具有智能化的自诊断功能。智能执行器的一个显著优点则是具有自诊断 功能以帮助快速识别故障原因。对于执行器的任何故障，智能执行器均可尽早、 尽快的识别。这样会增加系统可靠性并延长设备寿命。清晰的状态报告可以使维护 人员在执行器发生故障前就采取有效措施避免工厂停车维修。 第五，具有灵活的组态功能。可以自山组态的智能执行器具有较高的灵活性， 从而仅需少量类型的执行器就可满足多变的工业现场要求6 。 正是因为基于现场总线的智能执行器具有比传统的执行器以上优点，所以它代 表以后阀门执行器的发展方向，在下一章我将详细描述现有执行器工作原理及存在 缺点，从而为改进现有电动执行器的提出相应的改造方案。 第二章现有回产电动执行器的工作原理及存在塑堕蔓! ! 亘 第二章现有国产电动执行器的工作原理 及存在问题 在各类过程自动化系统中，执行器单元接受来自d c s 、i p c 、p l c 或调节单 元的控制信号。并将其转换成相应的角位移或直线位移，去操纵调节机构( 调节 阀) ，改变控制量，使被控参数符合预期要求。 我国各行业现广泛采用的d d z 仪表的执行器单元包括d l ( j 角行程执行器和 d k z 直行程执行器两类，它们都是以两相交流电机为动力的位置伺服机构两者 电气原理完全相同，只是减速器不一样。本章将只介绍角行程电动执行器的工作 原理及其存在的问题3 4 1 。 2 1d k j 电动执行器的工作原理 d u 系列角行程电动执行器由伺服放大器和执行机构两部分组成如图2 - l 所示。该执行器适用于操纵蝶阀、档板等转角式调节机构。 幽2 - ld k j 电动执行器 伺服放大器将输入信号i 和反馈信号if 相比较。所得差值信号经功率放大 后，驱动两相伺服电机转动，再经减速器减速，带动输出轴改变转角o 。 具体控制方法是：当i 。一if e 时驱动伺服电动机证转，输出轴转角增大， 直至i 一if _ e 时，切断伺服电动机正转电源；i 广ii e 驱动伺服电动机 反转，输出轴转角减小直至if ii = e 时切断伺服电动机反转电源。参数e 称为死区，主要是为克服电动执行器切断电源后的惯性惰走而设立，d k j dkz 系列执行器的e 一般整定为满行程的0 0 2 倍。 电动执行器还可以通过电动操作器实现控制系统的自动操作和手动操作的相 第二章现有国产电动执行器的工作原理及存在问题苎! ! 夏 互切换。当操作器的切换开关切向“手动”位置时，由f 、反操作按扭直接控制 电机的电源，以实现执行机构输出轴的j 下转和反转，并可进行遥控手动操作叫3 4 1 。 2 1 1 伺服放大器 伺服放大器主要由前置磁放大器、触发器和可控硅交流丌关等构成，它的作 用是将信号综合、比较和放大，并通过可控硅交流丌关去控制伺服电机的f 、反 转。 前置磁放大器电路由四个相同的锬镆合金形导磁体组成，四个导磁体分别形 成两个单臂磁放大器。每个单臂分别绕有输入绕组、位置反馈绕组、偏移绕组、 局部反馈绕组，在单臂的两个磁环卜还绕有交流输出绕组，并分别串接了整流二 极管，使流过每个交流绕组的电流为半波整流电流。两个单臂磁放大器电路连接 起柬构成了双拍推挽式磁放大器。四个交流绕组的电感量大小与磁环的导磁率p 有关：u 大则电感也大；u 小，则电感也小。当输入信号电流发生变化时，磁 场强度h 跟随着变化，磁环中的导磁率u 也变化。使交流绕组的电感量改变从 而控制了交流绕组的输出电流。这样磁放火器就把直流信号调制为交流电流， 再经整流、滤波便得到直流输出电压。 触发器的作用是把前置磁放大器的直流输出电压转变成脉冲信号，触发可控 硅使其导通以接通伺服电机的电源。 为了使伺服电机能实现正、反转，设置了两组触发器，当前置磁放大器的直 接输出电压为某种极性时，其中的组触发器工作，与之相应的伺服电机控制电 路中的可控硅导通，电机按某一方向旋转；反之。当d i 胃磁放大器的直流输出电 压改变极性时，将使另外一组触发器工作，于是，与该组触发器相应的可控硅导 通，电机朝相反的方向旋转。 为了保证触发脉冲能使可控硅导通，对触发脉冲的频率有一定的要求。频率 太高脉冲宽度过窄，难以保证可控硅导通；频率太低会使电源电压过零时， 可控硅关断时间加长降低了电机的转速。通常。触发器输出脉冲频率选为 8 0 啦1 0 0 0 h z ，幅值约为5 v ，持续时白j 约为l o o 2 0 0 。 可控硅交流丌关用来接通伺服电机的交流电源。它包括两组完全相同的丌关 电路，分别控制伺服电机的正、反转。每组各山一只可控硅和四只二极管组成。 其电路如图2 2 所示。 第= 章现有国产电动执行器的工作原理及存在问题第1 4 页 i 冠d 。2 2 0 v 图2 2u 】控硅交流开芙i 也路 触发器的两只脉冲变压器的副边绕组分别接到两只可控硅时，s c r l 被触发导 通。电源电压在诈半周时( 极性如图l 一2 中的+ 、一) ，电流方向为： + 一l r d l i d 1 8 一s c r i d 1 6 一w l 一一 jf cd w 2 一 电源电压在负半周时( 极性如图巾的( + ) 、( 一) ) i u 流的方向为： ( + ) 一w i 一d 1 7 一s c r i d l s lj 一1 r d 一( ) lf w 2 一c d 一 由此可见，只要ti 有j 下脉冲输出使s c r i 导通时，不论电源电压极性如何， 伺服电机定子绕组w 2 中的电流，都经过电容c 。，因此其相位都比绕组w l 中的 电流超日口9 0 。，驱使电机按一定的方向旋转。当t2 有证脉冲输出使s c r 2 导通时， w i 中的电流相位比w 2 中电流超l j i 9 0 。故驱使电机按上述十口反方向旋转。 图中d mr 2 i 和d 1 4 、r 2 2 用来防止反向脉冲电压加到可控硅的控制极使 可控硅免遭损坏：c 7 、r 和c 8 、r 2 4 是过压保护元件。因为丌关电路的负载是电 感线圈它在电路丌闭瞬问，会产生反向的较大幅值的感应电动势，并联电容c 7 、 c 3 以后会起一定的缓冲作用；但在电容放电时，会产生相当大的放大电流，所以 再串接电阻r 2 3 、r 2 4 以限制放电电流和放电时问，达到保护可控硅的目的。i r d 为过流保险器l i 、l 2 为限流元件，皆为过流保护装置i 2 1 。 第= 章现有国产电动扶行器的工作原理及存在问题第_ ! ! 里 2 1 2 执行机构 2 1 。2 。1 伺服电机 伺服电机的作用是将伺服放大器输出的电功率转换成机械转矩，并且当伺服 放大器没有输出时电机又能可靠地制动以消除输出轴的惰走( 断电后，电机 由于惯性而继续转动) 以及抵制负载对电机的反作用力。 伺服电机实际上是一个两相电容异步电机。它由一个用冲槽硅钢片叠成的定 子和鼠笼转子组成。定子上均匀绕两匝数、绕径相同而相隔9 0 。电角度的定子绕 组w i 和w 2 。由于分相电容c 。的作用，两个绕组中的电流相位总是相差9 0 。 其合成向量产生定子旋转磁场定子旋转磁场在转子内产生感应电流并构成转予 磁场两个磁场相作用，使转子旋转。如自“所述，转子旋转方向取决于w l 和w 2 中的电流相位差即取决于分相电容串接在哪一个定子绕组中。 伺服电机的结构见图2 3 。 l - 罡十一2 书子3 自t i 辅z 5 _ 麟f 6 调节l i i r 7 手动拄虹 8 一制硝艳9 ，i 动盘 圈2 3 伺服叱机结丰句图 在电机转子2 尾端的坏上嵌装几块磁路柏互隔离的衔铁3 ，电机转j ! ；j j 时，定 子磁场通过此衔铁吸动制动轮8 ，使它和制动盘9 脱丌，电机便自由转动。断电 时，定子磁场消失，衔铁的吸力随p 消失，压缩弹簧5 将制动轮8 压紧在制动盘 9 上t 依靠轮和盘的摩擦力使转子迅速停转。制动轮上有调整螺钉6 可调整压缩 弹簧5 改变衔铁3 和制动轮套轴4 删隙保证可靠地吸放。 电机后盖上有手动按钮7 揿住手动按钮可使制动轮和制动盘脱丌以便就 地手动操作执行机构【2 1 。 2 1 2 2 减速器 减速器的作用是将伺服电机高转速、小力矩的机械能转换成执行机构输出轴 的低转速、大力矩的输出机械能。它采用一级诈齿轮和一级行星齿轮传动机构相 第二章现有国产电动执 亍器的工作原理及存在问题第1 6 页 结合的机械传动结构，并具有一定的自锁能力1 2 j 。 2 1 2 3 位置发送器 位置发送器的作用是将电动执 讳l 构输出轴的转角( 肚9 0 。) 线性地转换成4 2 0 m a 的直流电流信号，用以指示阀位。并作为位置反馈信号i f ，反馈到伺服放火器的 输入端以实现负反馈。它包括铁磁谐振稳压器、差动变压器及整流电路。 铁磁谐振稳压器为差动变压器提供稳定的激磁电压以保证位置发送器有较 好的稳定度 差动变压器将执行机构的位移线性转变成电压输h 。其原理如图2