工業(yè)自動(dòng)化DCS中智能位置調(diào)整模塊的設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)具有使用簡(jiǎn)單、節(jié)省投資等特點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于電力、冶金、石油、輕工等領(lǐng)域的生產(chǎn)過(guò)程控制系統(tǒng)中。我國(guó)的電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和伺服放大器是60年代統(tǒng)一設(shè)計(jì)的，30多年來(lái)在技術(shù)上沒(méi)有大的創(chuàng)新。這種電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制能力差，維護(hù)量大，連接電纜多，難于滿(mǎn)足我國(guó)工業(yè)自動(dòng)化水平的需要。

目前，絕大多數(shù)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)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(jī)轉(zhuǎn)速是固定的，輸出定位效果較差。該類(lèi)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)在控制過(guò)程中不能獲得其本身的一些特性參數(shù)，使得控制精度與可靠性均不高，可輸入信號(hào)僅為一種，如電流或電阻，然后將檢測(cè)信號(hào)與輸入信號(hào)進(jìn)行比較，由此獲得的控制信號(hào)送到驅(qū)動(dòng)電路，以控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位移輸出；有些電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)中雖設(shè)置了報(bào)警電路，但沒(méi)有采用連鎖保護(hù)措施，使得在報(bào)警狀態(tài)下仍然存在不安全性，因而此類(lèi)伺服放大部分控制的電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)在一些精度、可靠性和穩(wěn)定性要求較高的場(chǎng)合不能適用。

如何通過(guò)集散控制系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱(chēng)DCS）實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的高精度的平穩(wěn)操作，是許多工礦企業(yè)技改項(xiàng)目需要考慮的問(wèn)題。文中以浙大中控的JX－300XDCS為例，針對(duì)國(guó)產(chǎn)常用的電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，介紹如何設(shè)計(jì)位置調(diào)整模塊（PositionAdjustingTypeMod－ule，簡(jiǎn)稱(chēng)PAT模塊），實(shí)現(xiàn)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的閉環(huán)控制，提高閥門(mén)的定位精度和安全性，同時(shí)也簡(jiǎn)化操作。

1　PAT模塊的設(shè)計(jì)機(jī)理　　

PAT模塊是為電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)而特殊設(shè)計(jì)的，取代了傳統(tǒng)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(jìn)，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(shè)計(jì)

電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)一般提供5個(gè)信號(hào)點(diǎn)：1個(gè)模擬量信號(hào)，用以反饋電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置信號(hào)；2個(gè)開(kāi)關(guān)量觸點(diǎn)輸入信號(hào)，用以反饋電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的2個(gè)極限報(bào)警信號(hào)；另外還有2個(gè)正反轉(zhuǎn)線圈的驅(qū)動(dòng)接口，用于聯(lián)接功率器件，如固態(tài)繼電器可控硅之類(lèi)，伺放或PAT模塊就可以通過(guò)開(kāi)關(guān)量輸出信號(hào)，驅(qū)動(dòng)固態(tài)繼電器或可控硅，從而驅(qū)動(dòng)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。

電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)應(yīng)用的場(chǎng)合一般來(lái)說(shuō)比較惡劣，而且在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)為了工程實(shí)施方便，閥位反饋信號(hào)線、供電線以及開(kāi)關(guān)量輸出信號(hào)線集中為同一條電纜，信號(hào)線間串?dāng)_嚴(yán)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(yán)格設(shè)計(jì)[2]。PAT模塊設(shè)計(jì)采用了光電隔離技術(shù)和電磁隔離技術(shù)，模擬量處理電路單獨(dú)隔離，開(kāi)關(guān)量部分統(tǒng)一隔離。開(kāi)關(guān)量輸出部分再經(jīng)過(guò)固態(tài)繼電器實(shí)現(xiàn)弱電和強(qiáng)電的隔離，有效地克服了不同信號(hào)之間的干擾；同時(shí)再在模擬量處理電路、開(kāi)關(guān)量電路部分做進(jìn)一步的信號(hào)調(diào)理以及保護(hù)措施，此時(shí)PAT模塊具有極強(qiáng)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(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作一般比較靈敏，即在較短的時(shí)間內(nèi)閥位變化較大，其反饋信號(hào)屬于快速變化的模擬量，在設(shè)計(jì)模擬信號(hào)處理電路時(shí)，濾波電路的濾波常數(shù)要盡量小，同時(shí)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(shí)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(hù)具有及時(shí)可靠的優(yōu)點(diǎn)，因此在設(shè)計(jì)PAT模塊時(shí)，使用極限報(bào)警信號(hào)參與輸出驅(qū)動(dòng)的連鎖保護(hù)：上極限報(bào)警輸入?yún)⑴c增輸出硬件連鎖，下極限報(bào)警輸入?yún)⑴c減輸出連鎖保護(hù)。在閥門(mén)到達(dá)上極限或下極限的時(shí)刻，可以通過(guò)硬件直接截?cái)郟AT模塊的增輸出或減輸出，無(wú)需CPU進(jìn)行處理，從而做到了及時(shí)可靠。

由于PAT模塊需通過(guò)繼電器來(lái)驅(qū)動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，因此繼電器的好壞直接關(guān)系到能否進(jìn)行正?？刂啤Ｏ鄬?duì)于常用的電磁繼電器來(lái)說(shuō)，固態(tài)繼電器是一種采用固體組件組裝而成的無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)控制繼電器，其輸入端利用光電耦合器進(jìn)行隔離，只要很小的電流就可控制其工作。由于輸出部分內(nèi)部無(wú)可動(dòng)部件，所以具有工作可靠、開(kāi)關(guān)速度快、工作頻率高、壽命長(zhǎng)、無(wú)電磁干擾等特點(diǎn)。因此，對(duì)于調(diào)節(jié)頻率較高的工作場(chǎng)合，建議采用固態(tài)繼電器。

1.2　PAT模塊軟件設(shè)計(jì)

（1）閾值：En，與模塊、繼電器、電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)所構(gòu)成的整體慣性相關(guān)，在PAT模塊的控制信號(hào)截止后，電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)閥位的改變值的修正值；

（2）閥位穩(wěn)定時(shí)間，即電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)因慣性運(yùn)動(dòng)的時(shí)間：Toff；

（3）最小動(dòng)作步進(jìn)，即能夠使電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的最小脈沖長(zhǎng)度：Ton；

（4）最小動(dòng)作步長(zhǎng)，即在輸出最小動(dòng)作步進(jìn)長(zhǎng)度的脈沖時(shí)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)閥位的改變量：Smin；

（5）死區(qū)（DeadZoon），也稱(chēng)為不靈敏區(qū)，即電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)所能達(dá)到的控制精度。

1.2.1　PAT模塊控制方案設(shè)計(jì)

電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)在控制過(guò)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(zhǎng)脈沖控制，第2種采用全程的步進(jìn)調(diào)節(jié)控制，第3種就是長(zhǎng)脈沖控制和短脈沖步進(jìn)驅(qū)動(dòng)相結(jié)合的控制方式[3，4]。

第1種方案的優(yōu)點(diǎn)是可以快速的調(diào)節(jié)，控制算法簡(jiǎn)單，只要判斷閥位設(shè)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(guān)系：

Pv－Sv＜DeadZoon/2時(shí)，輸出增脈沖驅(qū)動(dòng)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)正轉(zhuǎn)；

Pv－Sv＞DeadZoon/2時(shí)，輸出減脈沖驅(qū)動(dòng)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)反轉(zhuǎn)。

采用這種控制方案要消除振蕩現(xiàn)象只能靠降低靈敏度增大死區(qū)DeadZoon，而且這里的DeadZoon已經(jīng)不是實(shí)際意義的死區(qū)，其包含了慣性的成分?，F(xiàn)場(chǎng)的控制對(duì)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(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中插入了暫停階段，使調(diào)速系統(tǒng)降速，從而降低系統(tǒng)的慣性，采用這種控制方式，可以很好地消除振蕩現(xiàn)象，控制精度得到很大的提高，但是如果全程采用這種步進(jìn)驅(qū)動(dòng)的控制方式進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)時(shí)間也將大大加長(zhǎng)，這在工業(yè)使用過(guò)程中的很多場(chǎng)合絕對(duì)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(diǎn)。當(dāng)實(shí)際閥位值Pv和設(shè)定值Sv兩者之差的絕對(duì)值大于En時(shí)模塊采用長(zhǎng)脈沖驅(qū)動(dòng)；當(dāng)兩者之差介于閾值En和二分之一死區(qū)DeadZoon用短脈沖步進(jìn)的控制方式，即模塊輸出Ton時(shí)間的短脈沖等待Toff時(shí)間，直到閥位值和設(shè)定值之差絕對(duì)值小于二分之一死區(qū)，即達(dá)到控制精度時(shí)停止輸出，完成一次控制過(guò)程。PAT模塊采用上述控制方案充分利用了系統(tǒng)的慣性和電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的特性，有效地克服了電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制過(guò)程中出現(xiàn)的過(guò)沖和振蕩現(xiàn)象，提高了控制精度。En、Ton、Toff的設(shè)定要合適，以不超過(guò)2～3個(gè)短脈沖為最佳，這樣可以加快調(diào)節(jié)時(shí)間。

1.2.2　PAT模塊自適應(yīng)功能設(shè)計(jì)

一般電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)說(shuō)明書(shū)中提到的技術(shù)性能參數(shù)，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(nèi)特性參數(shù)沒(méi)有任何介紹。通過(guò)PAT模塊自學(xué)習(xí)功能可得到這些電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的特性參數(shù)，為合理設(shè)定特性參數(shù)提供有力的支持。

自學(xué)習(xí)功能的設(shè)計(jì)是基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原理，采用了反向傳播算法。這一設(shè)計(jì)主要源于電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的特性參數(shù)在不同的負(fù)載和不同的閥位段下面會(huì)有所改變，PAT模塊判斷出電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制效果，并根據(jù)控制效果及時(shí)修正特性參數(shù)，從而達(dá)到最佳控制。當(dāng)負(fù)載較大時(shí)，相應(yīng)的死區(qū)和閾值比空載的情況要小，Ton較空載情況要長(zhǎng)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(shè)定參數(shù)的合理性（見(jiàn)圖2，Ton脈沖過(guò)長(zhǎng)的智能處理類(lèi)似，不再作詳細(xì)說(shuō)明）并及時(shí)調(diào)整，保證達(dá)到最優(yōu)控制。

1.2.3　PAT模塊增強(qiáng)功能設(shè)計(jì)

在實(shí)際應(yīng)用中，意外和特殊情況時(shí)有發(fā)生，象有的閥門(mén)沒(méi)有閥位極限限位開(kāi)關(guān)，這時(shí)PAT模塊的極限連鎖保護(hù)功能就失去了作用。通過(guò)判斷模塊正在進(jìn)行輸出驅(qū)動(dòng)時(shí)，閥位是否有相應(yīng)的變化，判斷出電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)是否已達(dá)到極限或處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)從而可以及時(shí)截?cái)噍敵?，防止電機(jī)燒毀。

電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的閥門(mén)定位器也是易損器件，閥位反饋線斷線時(shí)有發(fā)生。這些意外情況都會(huì)導(dǎo)致PAT模塊采集的閥位不能反映實(shí)際的閥位值。在實(shí)際使用中，電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的閥位值作為內(nèi)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(shí)內(nèi)環(huán)處于開(kāi)路狀態(tài)，PAT模塊將自動(dòng)的閉環(huán)控制切換到硬手操狀態(tài)，用戶(hù)可以依據(jù)外環(huán)被控量通過(guò)PAT模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的硬手操，從而保證整個(gè)回路的正常工作。

2　結(jié)束語(yǔ)　　

　　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(jīng)在實(shí)際應(yīng)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(yīng)用，其性能得到用戶(hù)的認(rèn)可。