执行器接收调节器的控制信号，改变控制变量，使生产过程按预定要求正常执行，可以说它是控制任务的*终执行者。气动执行器由于具有结构简单、输出推力大、动作平稳可靠、安全防爆等优点，得到了广泛的应用。随着智能、网络、通信和控制/管理一体化综合技术的发展，工业控制现场对气动执行器的智能化要求日益迫切。

    一、阀门定位器的地位和作用

    执行器由调节阀和定位器组成。定位器技术的发展使得调节阀变得更易于控制，更精确，简化了高性能控制回路的设计，使得控制回路的执行更加紧凑。定位器是提高调节阀性能的重要手段，它在一个过程控制系统中扮演着重要的角色，如图1所示。

    阀门定位器的主要作用如下：

    （1）提高执行机构的输出力；
    （2）提高阀门的定位精度；
    （3）增大执行机构的输出功率，减少系统的传输滞后；
    （4）可起到电气转换器的作用，使用电信号来控制气阀（电气阀门定位器）；
    （5）改变阀门的作用方式；
    （6）改变阀门的流量特性；
    （7）具有分程控制等功能。

    二、WorldFIP现场总线协议概况

    WorldFIP协议是EN50170欧洲标准的第三部分，物理层采用IEC611582标准。它广泛应用于发电与输出配电、加工自动化、铁路运输、地铁和过程自动化领域。

    WorldFIP现场总线体系结构如图2所示，系统分为3级，即过程级、控制级和监控级。

    WorldFIP的生产者/使用者 （Producer/Con-Sumer）模式和总线仲裁器 （Bus Arbiter）的调度方式特别适合工业过程控制用的现场总线系统。FF和IEC郡采用了这种通信模式，只是名称不。FF称为发布者/预定者 （Publisher/Subscriber）与链路调度器（LAS），实际方式与WorldFIP完全一致。

    三、基于WorldFIP现场总线协议电-气阀定位器的开发

    随着控制技术、计算机技术和通信技术飞速发展，数字化作为一种趋势正在从工业生产过和的决策层、管埋层、监控层和控制层一直渗透到现场设备。定位器作为重要的现场设备，也必然要向数字化、智能化方向发展，并且必定与全数字化的、全开放式的、可互操作的新型控制系统——现场总线控制系统相适应。一些工业自动化领域的大公司，如Siemens、Fisher、Rosemount、Smar等，相继研制开发了智能型电、气阀门定位器，国内这方面起步比较晚。

    1.总体设计

    采用模块化的设计思想，将整个设计分为功能相对独立的五个模块：电源板、通信板、MCU板、输入输出板和显示板。其中电源板、通信板、MCU板和显示板是通用的。在设计诸如温度变送器、现场总线-电流转换器等其他基于WorldFIP现场总线协议的智能仪表时，这些相对独立的模块可以不加任何改动直接使用，从而缩短开发周期。总体结构如图3所示。

    2.通信板设计

    通信板的设计中采用了协议芯片MICROFIP VY27257。

    MICROFIP VY27257是执行WorldFIP协议的ASIC解决方案。它在静态执行时功耗低。MI-CROFIP费用低，使用容易，特别是它可以配置为站，不用运行总线仲裁。它有以下主要特征：

    （1）三种标准通信速率：31.25Kb/s，1Mb/s,2.5Mb/s。
    （2）两种操作模式：独立模式（STAND-A-LONE）和微处理器控制模式（MICROCON-TROLLED）。
    （3）可以使用不同的MAU（Medium Attach-ment Unit）：FIELDRIVE、CREOL等。
    （4）可选择分界符和FCS格式：IEC或UTE。
    （5）芯片内置512字节内存：120字节分配给8个字节块，*多支持8个MPS变量。
    （6）两个可编程、带有滤波和FALL BACK功能的8位并行I/O端口：PIA，PIB。
    （7）在微处理器控制模式下工作时，与微处理器接口简单8051，68HC11等不需要外部逻辑接口，80186，6800等也很简单。
    （8）-个全双工的消息通道，允许128字节的报文交换。
    （9）一个中断，以指示发生了与变量及报文交换相关联的事件。
    （1O）工作电压可选择3V或5V，满足易爆环境下的本质安全要求。

    MICROFIP提供了数据链路层和MPS应用层的接口，提供的服务有以下几点：

    （1）物理层服务：在EN10570和FIP标准之间进行选择。
    （2）数据链路层服务：变量传送服务和报文传送服务。
    （3）网络管理服务：MICROFIP介质冗余管理。
    （4）附加功能：输入/输出端口，通过并行端口获取站地址。

    3.MCU板的设计

    选用了ATMEL公司的AT91M40800，它基于ARM7TDMI核，包含8KB SRAM、外部总线接口EBI和一些外围部件，外围部件包括定时USART和中断控制器。其内核ARM7TDMI处理器的性能使得可由软件实现SPI和 TSO7816接口等附加的外围功能。ARM7TDMI微处理器有两个指令集：高性能32位ARM指令集；高代码密度16位Thumb指令集。其功耗很低，内部的工作寄存器很多，非常适用于实时控制应用。

    在设计时充分考虑了MCU板的通用性。在MCU板上扩展了256KB Flash、256KB SRAM和16KB EEPROM。扩展了20个并口，其中有三个并口用高速光耦6N137隔离作为MCU的输出，有一个并口用6N137隔离作为MCU的输入，这4个并口用作与D/A或A/D的接口（SPI）。并且在MCU板上设计了一个隔离的+5V和-5V电源，用来给输入输出板需要隔离供电的器件供电。

    4.MCU与MICROFIP的接口

    MICROFIP与MCU之间的接口包括9条地址线，8条数据线，1条片选信号线，1条复位信号线，3条读/写控制信号和中断请求线。MICROFIP发出中断请求信号，MCU接收到中断请求通过读内部的中断状态（寄存器）来确定中断源。

    5.MICROFIP与总线的接口

    MICROFIP有8条现场总线接口线，分别是：1条接收数据信号线，1条发送数据信号线，1条控制总线发送器工作状态的控制线，5条状态信号线。总线模拟接口包含的电路有接收信号的整形滤波部分，发送信号的驱动部分和变压器的隔离部分。

    6.输入/输出板的设计

    输入/输出板设计了一路继电器驱动通道和一路阀位反馈通道，以便与电-气转换转换部分相连接。其中阀位反馈采用非接触电感位置传感器，它具有精度高、寿命长的特点。

    7.电-气转换部分的工作原理

    非接触电感位移传感器检测阀门的位移大小，通过转换器经隔离后将其送入微控制器。微控制器将其与设定值进行比较，根据它们的偏差来决定开/关阀3和4的状态（开或关），从而向调节阀进气或从调节阀排气，实现调节阀的精确定位。任一时刻开关阀3和4，只能有一个开通，另一个关闭。开关阀3开通时，压缩空气迸入调节阀；开关阀4开通时，调节阀气室内的压缩空气进4排入大气。电-气转换部分与输入输出板的接口如图4所示。

    四、结束语

    智能阀门定位器是新一代智能化气动执行机构必备的附件。它内装高集成度的微控制器，采用平衡（数字平衡）原理代替传统的力平衡原理，使用电信号来控制气动阀。它根据现场总线上送来或者由其内部控制功能所产生的控制信号，产生一个气压信号，带动执行机构输出一个机械位移，并通过高精确度的位置传感器将阀位反馈到控制电路中，实现精确的阀门定位。

    现场总线智能阀门定位器实现了信息的数字传输，能够进行远程设定、自动标定、故障诊断，并提供预防性维修信息。例如它可以自动累计阀门的行程和动作次数，当到达规定数值时会发出提示信息。在设备内部可以实现控制、报警、计算以及其他一些数据处理功能。阀门的特性是通过组态实现的，不需要对凸轮、弹簧等部件做任何改动，即可以方便地实现线性、等百分比、快开，以及其他任意设置的阀门特性。

    智能阀门定位器的功能完善，使用它可以降低投资、节约能源、提高过程控制水平。它与智能变送器一起，将会彻底改变现场仪表的状况，促使过程控制早日进入现场总线控制系统（FCS）的新时代。

原创作者：浙江金锋自动化仪表有限公司