0 引言

      执行器是过程控制系统的重要组成部分，按照驱动能源形式可分为电动、气动和液压三类，各有特点，适用于不同的场合。执行器通常由执行机构和调节阀组成，执行机构是指根据控制信号产生推力或位移的装置，执行机构驱动调节阀，改变能量或物料输送量，从而使生产过程按预定要求正常执行。

      随着自动化、电子和计算机技术的发展，越来越多的执行机构已经向智能化发展，很多执行机构已经带有现场总线通信和智能控制的功能。EPA标准是我国完全具有自主知识产权的基于工业以太网的现场总线标准，本文结合传统执行机构的结构和技术特点，开发符合EPA标准的智能电动执行机构和电气阀门定位器，使其具有现场总线通信功能，并通过EPA一致性和EPA互操作性等测试平台的测试，同时利用EPA标准的多信息传输能力，实现上述执行机构的远程组态、远程标定和远程故障诊断等功能，达到现场设备智能化、数字化和网络化的目的。

      1 执行机构的工作原理及硬件设计

      当前主流的执行机构产品，虽然已经普遍采用了单片机技术，部分实现了智能化，基本替代了传统的模拟执行机构产品，但仍然以“老式而可靠的”4~20mA 的模拟通信技术为主。随着现场总线技术的发展和普及，人们对现场总线技术的熟悉程度和信心不断提高，越来越多的控制系统趋向于采用基于现场总线的体系框架，数字协议将成为21世纪控制系统的通信技术。因此，本文主要阐述基于EPA标准的现场总线通信技术在执行机构中的实现，所涉及的执行机构包括电动执行机构和电气阀门定位器两大类。

      1.1 电动执行机构总体结构

      如图1所示，电动执行机构的控制电路主要由中央控制单元、EPA通信模块、位置检测单元等部分组成。

      EPA通信卡接收来自控制器的阀位控制参数，与电动执行机构当前的阀位相比较，通过特定的执行控制算法，并驱动电机和减速器，从而使阀门运行到相应的位置。其中位置检测技术采用了的无触点位置反馈技术，定位精度和使用寿命都大大提高；力矩检测单元采用专业的压力传感器动态测量输出轴的力矩；故障检测和EPA通信技术的引入，使电动执行机构的远程故障诊断成为可能。

      1.2 电气阀门定位器总体结构

      如图2所示，电气阀门定位器的控制电路主要由中央控制单元、EPA通信模块、位置检测单元等部分组成。

      EPA通信卡接收来自控制器的阀位控制参数，与电气阀门定位器当前的阀位相比较，通过特定的自适应控制算法，驱动压电阀控制电路，通过进气或排气量的控制，从而使阀门运行到相应的位置。

      1.3 EPA通信卡的设计

      如图3所示，EPA通信卡主要包括处理器单元、RAM、程序存储器、看门狗电路、以太网控制器、以太网接口电路、以太网供电电路以及与仪表卡的接口电路。

      处理器单元采用了ATMEL公司低功耗、高性能的32位RISC ARM处理器，具有体积小和能适应工业环境应用等优点，其稳定性和可靠性完全值得信赖，同时其运算速度完全可以满足通信和控制的要求。

      以太网控制器采用Asix公司的NE2000兼容快速以太网控制器AX88796，其内部集成有10/100 Mbps自适应的物理层收发器和8k×16位的SRAM，支持MCS-51系列、80186系列以及MC68K系列等多种CPU总线类型。Ax88796执行基于IEEE802.3/IEEE802.3 u局域网标准的10Mbps和100Mbps以太网控制功能。AX88796的地址总线与数据总线分别与CPU的地址/数据总线相连。CPU通过I/O读写NE2000寄存器来控制AX88796的工作状态，通过远程DMA FIFOs与AX88796的内部缓存SRAM进行数据交换。SRAM与MAC核之间进行Local DMA 将数据发送至MAC层，再经由内部的PHY层发送至RJ45接口。

      2 软件设计

      基于EPA标准的现场仪表的软件采用基于模块化的设计方法。软件开发可以分成三个部分：EPA用户应用程序、EPA协议栈软件包、硬件驱动程序模块。EPA用户应用又包括以下三个模块：EPA功能块壳与AO功能块、EPA电动或气动执行机构技术块、EPA通信卡与执行机构控制电路的接口模块。

      EPA协议栈软件采用了多任务的实时操作系统μC/OS-II作为系统核心，主要模块有操作系统、TCP/IP协议栈、IEEE1588精确同步协议引擎、EPA确定性调度引擎、EPA管理信息库、EPA应用服务和EPA管理服务。EPA软件层次结构如图4所示。

      2.1 硬件驱动程序

      硬件驱动程序模块包含了处理器的初始化（包括启动代码、外围设备配置、中断向量设置、堆栈设置等）、以太网控制器驱动程序（网络接口初始化及接收，发送数据）、Flash驱动等内容。

      2.2 EPA协议栈软件

      EPA协议栈软件实现三个方面的任务：即数据（包括实时和非实时数据）传输服务、为用户层提供的服务接口以及EPA管理服务（包括设备自动识别、系统时钟同步、系统工作状态的管理、设备位号及其他信息的管理等）。

      EPA通信基于TCP/UDP/IP协议，为用户层应用程序提供实时和非实时数据传输服务。EPA通信协议实现了客户/服务器、发布者/预订者、报告分发等三种通信机制，其中客户/服务器方式主要用于组态信息的上f 下载，设备信息的查询，以及用户自定义程序的下载等；而发布者/预订者通信则是用于生产过程实时信息（如测量、控制数据）的周期性传输等，通常采用广播、多播、单播的传输方式；报告分发则是用于控制过程报警信息的传输等，通常采用多播/广播发布的通信。

      EPA应用层服务接口主要根据过程控制信息传输的要求，为用户层应用程序之间的数据通信开发，并实现以下服务：域管理、域上传、域下载、事件管理、事件报告、确认事件报告、改变事件监视条件、变量访问、变量读、变量写和信息分发服务。

      EPA管理服务是EPA通信协议中的重要组成部分。EPA系统管理主要完成以下几个系统管理功能：设备识别、对象定位、地址分配、时钟同步和功能块调度。

      IEEE1588也称之为PTP精确时钟同步协议，具有同步精度高的特点。在EPA协议栈软件中实现了完整PTP协议的精确时钟同步引擎。IEEE1588精确同步引擎主要包括时钟同步算法、本地精确时钟和本地数据集等模块。它通过TCP/IP以组播或者多播的方式收发EPA网络上的报文。本地时钟模块采用中断的方式，维护一个精确的本地时钟，精度可以根据实际需要来确定，理论上IEEE1588可以达到纳秒级的同步精度。

      EPA确定性调度目的是为了解决以太网报文发送的不确定性，EPA确定性调度保证在每个时刻网络上只有一个设备在发送报文，避免了网络上报文的碰撞所引起的报文发送不确定性。EPA确定性调度引擎实现了完整的EPA确定性调度机制。

      2.3 EPA用户应用程序

      EPA功能块是基于IEC61499定义的，功能块将控制过程中的某个特定功能封装在一个功能块中，并提供给用户接口，用户不必关心功能如何完成的具体细节，而只需根据功能块的接口，来配置相应的控制系统即可。功能块的接口定义分为数据输入输出接口、事件输入输出接口。事件的输入接口用于触发功能块中某个功能算法的执行；而事件输出接口用于本功能块的运算完成后通知其他功能块，数据的输入输出用于传递进行功能运算的数据。

      在执行机构中，都包含了一个符合EPA功能块标准的AO功能块。AO功能块将输入数据（一般为控制器给出的阀位控制值）转换成硬件通道所需要的值。由于AO功能块被设计成与硬件无关的标准功能块，因此需要在硬件物理通道和AO功能块之间有一个映射关系。技术块就是将硬件通道数据和标准功能块相隔离，AO功能块通过通道参数给出硬件数据信息。另外，技术块还提供对执行机构的校准和诊断功能。EPA功能块标准分别为电动执行机构和气动执行机构规定了相应的技术块规范。

      EPA通信卡与执行机构控制电路的接口模块，主要完成两者之问的数据交换。接口模块的具体实现与产品总体结构有关。对于单CPU的方案而言，该接口就是一个程序模块，完成不同程序模块之间的数据交换；对于双CPU的解决方案而言，该接口就是一个通信接口，可以是串行通信，也可以是并行通信，完成两个CPU之间的数据交换。

      3 远程组态、标定及故障诊断功能的实现

      EPA远程组态、标定及故障诊断软件实现了通过网络远程对EPA执行机构进行组态、标定和故障诊断。这些功能的实现除了EPA功能块和技术块标准，还依赖基于XDDL的EPA设备描述技术，EPA设备描述文件描述了EPA设备中的所有资源，包括功能块、技术块、物理块等资源信息。EPA设备管理软件根据设备描述文件，提供在线的EPA设备管理功能，主要功能包括在线EPA监视、EPA设备的远程组态、标定和故障诊断等功能。EPA电动执行机构的远程组态、标定及故障诊断软件界面如图5所示。

      4 结束语

      EPA标准是我国完全具有自主知识产权的基于工业以太网的现场总线标准，本文设计的符合EPA标准的智能电动执行机构和电气阀门定位器，使其具有以太网通信功能，并通过EPA一致性和EPA可互操作性等测试平台的测试，同时利用EPA标准的多信息传输能力，实现执行机构的远程组态、远程标定和远程故障诊断等功能，达到现场设备智能化、数字化和网络化的目的。

原创作者：浙江金锋自动化仪表有限公司