CN101706654A - 一种数字化电动执行机构控制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型的采用工业以太网技术、基于ARM嵌入式系统平台的数字化电动执行机构控制器设计方案。该方案采用高性能的ARM9系列微处理器和嵌入式实时Linux操作系统。该数字化电动执行机构控制器采用Modbus TCP高速工业以太网技术，内置两个冗余的Modbus TCP以太网接口实现与上层监控系统的信息交互。本发明提高了电动执行机构的实时响应能力和可靠性，为实现阀门的健康状态诊断提供依据，具有显著的经济效益和社会效益。

Description

一种数字化电动执行机构控制器

技术领域

本发明属于工业控制网络技术领域，尤其涉及一种现场总线型数字化电动执行机构。

背景技术

工业控制网络是与工业现场测量控制设备相连接的一类特殊通信网络，直接面向生产过程和控制，肩负着工业生产运行一线测量与控制信息传输的特殊任务，因此网络中数据传输的及时性与系统响应的实时性是控制系统最基本的要求。随着智能仪表和信息技术的发展，以现场总线与工业以太网技术为代表的工业控制网络技术成为下一代自动化设备的标志性技术。

目前国际上有40多种现场总线，应用最广的主要有FF(现场总线协会协议FieldbusFoundation)、Profibus、CAN等，这些现场总线还没有任何一种能覆盖所有的应用面，由于技术出发点不同，目前的现场总线大都有各自的应用范围与应用领域。

近年来，随着工业以太网技术的迅速发展，工业以太网作为现场总线的中高层通信网络已形成共识，广泛采用的八种现场总线都在各自修改其应用层协议，支持IEC61784规定，以期通过高层协议以达到相互兼容之目的。工业以太网成已为现场总线技术发展的必然趋势。

工业以太网是应用于工业控制领域的以太网技术，在技术上与商用以太网(即IEEE802.3标准)兼容。当以太网用于信息技术时，应用层包括HT-TP、FTP、SNMP等常用协议，但当它用于工业控制时，体现在应用层的是实时通信、用于系统组态的对象以及工程模型的应用协议，目前还没有统一的应用层协议，但受到广泛支持并已经开发出相应产品的有以下几种主要协议：Modbus TCP、ProfiNet、HSE和Ethernet/IP。

Modbus TCP协议由施耐德公司推出，它以一种非常简单的方式将Modbus帧嵌入到TCP帧中，使Modbus与以太网和TCP/IP结合，成为Modbus TCP。这是一种面向连接的方式，每一个呼叫都要求一个应答，这种呼叫/应答的机制与Modbus的主/从机制相互配合，使交换式以太网具有很高的确定性。Modbus TCP是标准的、开放的、免费的通信协议，而且它全部采用标准的以太网硬件，确保用户选择的自由度。

电动执行机构以电能为动力，接受调节器、DCS、PLC等上位仪表的标准信号(模拟量或数字量)，通过将这些信号变成阀门相对应的机械位移(角行程、直行程或多回转)来自动改变操作变量(阀门，调节阀、风门、蝶阀，挡板开度等)，以达到对被调参数(温度、压力、流量、液位等)进行自动调节的目的，使生产过程按预定要求进行。它的运行稳定性对自动调节系统的安全运行、可靠性及调节品质的优劣都有很大影响，因此是过程工业中最重要的底层设备。目前，市场上的电动执行机构基本分为传统机械式电动执行机构、智能电动执行机构及现场总线型电动执行机构。

随着计算机和网络技术的发展，随着现场总线控制系统的大量成功应用，现场总线型电动执行机构正成为电动执行机构的发展趋势.目前市场上已有支持现场总线的电动执行机构产品，但是其实现方式通常都是要在产品内部增加一个支持现场总线的通讯模块，通过串行方式接入控制网络.如申请号为200820300386.8的专利申请“嵌入式微处理器通过Modbus现场总线通讯模块与上位机的通讯端连接”.由于现场总线协议众多，现场总线通讯模块种类也比较多，不仅增加投资，产品通用性也比较差.如上海大学分别于2003年6月、2004年12月、2005年4月申请的发明专利“MODBUS/TCP工业以太网和设备网现场总线间的协议转换方法和装置”(公开号：CN 1482782A)、“MODBUS/TCP工业以太网和PROFIBUS-DP现场总线间的协议转换方法和装置”(公开号：CN1645852A)、“MODBUS/TCP工业以太网与设备网现场总线和PROFIBUS-DP现场总线间的多协议转换方法和装置”。目前市场上尚未见到本身带有网卡并支持Modbus工业以太网协议的电动执行机构产品。

综合分析，目前主流的现场总线型电动执行机构解决方案有如下主要问题：

1、采用串行现场总线技术，通讯速率和传输距离直接相关，线路接入设备数量有限，总体上通讯速率较慢，网络性能不高，带宽不够。

以目前现场总线型电动执行机构采用最多的Profibus DP现场总线为例，每条线路上最多只能接入32个设备，线路在100米内最高通讯速率12Mbps，线路在100～200米内最高通讯速率1.5Mbps，线路在200～400米内最高通讯速率500Kbps，线路在400～1000米内最高通讯速率187.5Kbps，线路超过1000米最高通讯速率只能为93.73Kbps，由此可见传输距离对通讯速率影响较大，且随着线路上传送信息量的加大，网络带宽显得不够，通讯速率必须降到更低才能保证运行稳定。在实际应用中，线路传输距离超过400米是经常碰到的。

2、执行机构控制器采用普通单片机作为平台，现场总线接口通过专用转换板实现，信息处理能力尚不能满足设备状态维修的要求。

目前的现场总线型电动执行机构控制器集成度不够，采用普通单片机作为硬件平台，现场总线接口通过专用转换板实现，整体处理能力和性能尚需优化和提高。随着我国发电机组单机容量的扩大，设备检修维护任务加重，从前固定周期的大修制度越来越难以满足生产过程控制的要求，发电企业实施设备状态维修的要求越来越强烈。而设备状态维修的依据是设备运行的状态参数信息及历史数据，这就要求工厂底层设备(如电动执行机构)提供更多的状态参数信息，对设备控制器的处理性能提出了更高要求。

3、除国外极个别现场总线型电动执行机构外，目前现场总线型电动执行机构几乎都采用单网通讯，安全可靠性有待提高。

工业现场对系统安全可靠性要求高，采用单网通讯是无法满足要求的，必须采用成熟的冗余双网通讯技术来提高系统的安全可靠性。

微处理器技术和工业以太网技术的迅速发展为现场总线型电动执行机构的发展提供了新的契机，我们首次将ARM系列高性能微处理器应用于现场总线型电动执行机构控制器上，大大增强了系统的信息处理和网络通讯能力，实现了MODBUS TCP冗余工业以太网技术在现场总线型电动执行机构上的成功应用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有产品设计方面的不足，在保证不改变电动执行机构主要控制、监测和保护功能的前提下，提出一种新型的基于ARM系统的工业以太网数字化电动执行机构(以下简称“数字化电动执行机构”)控制器技术方案.

一种数字化电动执行机构控制器，包括电源模块、主控模块、I/O接口和辅控模块、功率控制模块，其特征在于：

所述电源模块输入为380V交流电压，为所述数字化电动执行机构控制器提供两路直流电源；

所述主控模块通过双以太网口与监控系统通讯接口卡相连，用于和上层控制系统的通讯；

所述I/O接口和辅控模块与所述主控模块相连，I/O接口和辅控模块将采集到的电机三相电流和电机线圈温度信号、以及阀门位置信号、就地操作按钮信号上传至主控模块；

所述主控模块按照既定的控制策略和保护逻辑进行处理，将相关参数信息、即前述的主控模块采集到的阀位反馈信号及状态信息送至I/O接口和辅控模块完成液晶屏显示；

所述主控模块还与功率控制模块相连，向功率控制模块输出电动机控制信号；

所述功率控制模块与三相异步电机相连，根据所述主控模块发送的所述电动机控制信号，实现三相异步电机的正转、反转和停止，从而实现执行机构的阀位控制。

采用以上所述的技术方案，本发明具有以下的优越性：

1.RISC架构的ARM微处理器具有体积小、功耗低、成本小、性能高的特点，因此在嵌入式领域得到了很好的应用。电动执行机构在流程企业中应用非常广泛，且属于生产底层设备，性能要求很高，本发明采用ARM微处理器，很好满足了电动执行机构的应用要求。

2.本发明采用Modbus TCP/IP工业以太网，通讯速率达100Mbps；采用工业以太网交换设备，上层控制系统1个通讯接口站可接入255台数字化电动执行机构；采用光纤可拓展通讯距离至3000米，通讯速率仍达100Mbps。

3.采用双收双发的冗余网络技术，大大提高了系统的安全可靠性。

4.本发明将工业以太网接口集成到主控板上，整体性强，集成化程度高，极大提高了系统的响应时间和接入网络的速度，可传输的信息量大大增加。

5.由于嵌入了操作系统并采用嵌入式Linux操作系统，支持完整的TCP/IP，支持多种开放标准的网络应用，如telnet、nfs，方便维护和管理，同时也为诊断软件等高级功能的开发提供了系统上的支持。

6.本发明所述的控制器，属于支持工业以太网的电动执行机构控制器，符合技术发展趋势。

综上所述，本发明采用的技术方案具有显著的经济效益和社会效益。

附图说明

图1为本发明数字化电动执行机构控制器组成结构示意图；

图2为本发明数字化电动执行机构控制器主控模块的组成结构示意图；

图3为本发明数字化电动执行机构控制器功率控制模块的原理图；

图4为本发明数字化电动执行机构控制器Modbus TCP处理流程图；

图5为应用本发明的数字化电动执行机构网络拓扑图。

具体实施方式

下面根据说明书附图，结合优选实施例对本发明的技术方案进一步详细说明。

如图1所示，本发明所述的基于ARM系统的工业以太网数字化电动执行机构控制器包括电源模块、主控模块、I/O接口和辅控模块、功率控制模块。

1.电源模块

工业现场提供三相三线制交流电UA、UB和UC，电源输入为380VAC±10％。

电源模块输入为三相交流电中的UA和UB，输出二组电源：

第一组：电压24VDC，功率2.5W；

第二组：电压5V，功率20W。

2.主控模块

主控模块以ARM9系列微处理器为核心，它提供双以太网口用于和上层控制系统的通讯。并接收I/O接口和辅控模块送来的电机三相电流和电机线圈温度信号等模拟信号，以及操作按钮信号、阀门位置脉冲信号等开关量信号。

通过控制板上的四个按钮：开、关、停、就地/远控可实现操作执行机构的就地操作。

其中阀门位置信号是有位置检测模块采用非接触式霍尔传感技术，将检测到的阀门位置信号发送给I/O接口及辅控模块。

执行机构的控制策略、保护逻辑、数据分析和诊断算法全部在主控模块中实现，主控模块根据电动机三相电流和电动机线圈温度信号、阀门指令信号和位置信号，进行缺相、过流、过热、开关限位、启动时间过长等保护，并向所述功率控制模块送出控制电动机的指令。主控模块产生的电动机控制信号主要有：功率控制模块中交流接触器的闭合和断开控制信号、功率控制模块中用于可控硅触发的控制信号。

I/O接口和辅控模块与所述主控模块相连，在将采集到的电动机三相电流和电动机线圈温度信号、阀门位置信号、就地操作按钮信号上传至主控模块，主控模块对这些参数和状态进行运算判断并将运算判断结果(如全开、全关、正在开、正在关、故障等)送至液晶屏进行显示。

调试终端通过串口线连接主控模块上集成的串口就可以实现调试信息的修改及上传、下载，调试完成后，执行机构即可开始工作。

在实际工作过程中，ARM通过主控模块上集成的以太网口1和以太网口2接收上层控制系统发送来的控制指令，和位置反馈进行运算比较后变为电动机控制信号(功率模块中交流接触器的闭合控制信号和断开控制信号、可控硅的触发信号)送给CPLD，CPLD实现远控和就地操作控制信号的切换功能，输出最终的电动机控制信号送至功率模块，由功率模块接通三相异步电机电源驱动电机转动到指定位置。

在本实施例中，所述主控模块优先采用的是CIRRUS公司的EP9302，9302采用的是ARM920T技术。主要性能：200MHz ARM920T处理器有16KB数据缓存和16KB指令缓存，其MMU使用Linux和Windows CE，100MHz系统总线；MaverickCrunch数学引擎具有浮点、整数和单处理指令，能对数字音乐压缩算法进行优化，硬件的联动装置允许顺序编码；用于数字权益管理或设计IP安全性的MaverickKey ID，具有32位独特ID和128位随机ID；集成外设接口有5个输入12位分辨率的ADC，1/10/100Mbps以太网MAC，两个端口USB2.0全速主接口，两个UART(16550型)，包括支持软调制解调器、IrDA接口和慢模式、SPI端口，和I2C接口；16位SDRAM接口，16位/8位SRAM/闪存/ROM I/F以及串行EEPROM接口；208引脚QFP封装。

主控模块主要由CPU-EP9302、SDRAM(同步随机存储器)、FLASH(内存)、以太网口、AD转换器(AD7865)、电平转换电路、总线驱动电路。本发明采用的是14位的高速转换速度的A/D转换器，其转换时间仅为2.4个微秒，0.35微秒的捕获时间。输入信号的范围有五种选择：±10V、±5V、±2.5V、0-5V、0-2.5V。基本可以满足各类要求。以太网口采用LAN91C113NE，实现了CPU与网口的连接，该芯片支持IEEE802.3，支持8位或者16位数据总线，内置16KB的SDRAM用于收发缓冲，全双工，收发同时达到10M/100Mbps；支持10Base5，10Base2，10BaseT，并能自动检测所连接的介质，与主机有三种接口模式：跳线模式、PnP模式、RT模式。

所述主控模块还可以进一步包括CPU辅助处理单元-CPLD(可编程逻辑器件)组成。在本实施例中，CPU辅助处理单元-CPLD(可编程逻辑器件)采用了XILINX公司的CPLD，端口延迟只有5个纳秒，包含了36个宏单元-800个门。并且可以支持到178MHZ以上的频率工作，数据可以保存20年，所以说是一个相当高效、可靠、功能强大的可编程逻辑器件。

I/O接口和辅控模块与位置检测模块连接，实现电机转速脉冲及方向信号检测。在数字化电动执行机构掉电情况下，由I/O接口和辅控模块保存当前阀门位置(即脉冲数)，并在手柄操作时记录脉冲数及方向，以增减阀门位置的脉冲数值，实时反映当前状态；在正常工作时，实时记录阀门位置的脉冲数，并通过串口送给主控模块，此外来自主控模块的状态参数送给I/O接口和辅控模块，由I/O接口和辅控模块实现其在液晶屏的显示。

本发明的数字化电动执行机构控制器主控模块的组成结构示意图如附图2所示：

a)主控模块设置了两个以太网口，实现了真正意义上的双网热备。

b)所述主控模块还包括RS232串行通讯接口，该异步串行通讯接口(附图2中的串口)是执行机构进行内部配置、修改的接口。带有串口的调试终端只要连上串口，就可以通过系统自带的超级终端工具登陆执行机构ARM系统，进行相关操作。串口通讯极大提高了设备的安全性。

c)FLASH作为控制器的程序存储器，可以根据应用程序的复杂程度灵活选择。本发明中采用128M的FLASH。

d)SDRAM作为数据存储器，可以根据实际需要选择合适容量的产品，本发明中，数据存储器采用256M的CMOS SDRAM。

e)总线收发器负责接收ARM系统总线传来的信号，从而判断是否可以进行信号处理进而控制三相电机动作。

f)CPU的辅助处理单元-CPLD有着逻辑运算速度快的特点，能够对传来的信号进行快速响应，从而实现就地操作灵敏性的要求。如果是就地状态，此时若CPU发来控制指令，则CPLD将不会接收，当就地信号撤销，改为远程信号时，CPLD才会进入远程模式，接收CPU发来的指令。

3.I/O接口和辅控模块

I/O接口和辅控模块由CPU、液晶显示模块、充电锂电池及其管理电路、状态显示电路、电机转速脉冲及方向检测、DI检测、DO输出、AI调理、D/A转化模块、AO输出等功能模块组成.CPU选择MSP430F135芯片.充电锂电池及其管理电路主要完成在有无电源的情况下对CPU供电方式的切换，并提供充电电路，在有电源的情况下对锂电池进行充电.在执行机构掉电情况下，在就地手动操作时，由充电锂电池对CPU和电机转速脉冲及方向检测模块供电，完成位置的实时检测.CPU在正常工作时，实时检测阀门位置，并通过串口，送给主控模块，此外来自主控模块的状态参数、输出指令送给CPU，由CPU驱动液晶显示.显示状态电路由4个LED灯组成，分别表示执行机构的全开、全关、远控、就地四种状态.包括AI调理电路主要将电机绕组温度等4～20mA的模拟量信号转换为AD转换器可接受的低于±10V的电压信号，并完成工业现场与电动执行机构本体的电气隔离.

I/O接口和辅控模块的模拟量输入包括电机三相电流、电机线圈温度；开关量输入包括4个操作按钮信号、位置脉冲信号；开关量输出驱动4个LED指示灯，分别用于执行机构的全开、全关、远控、就地四种状态的显示。

4.功率控制模块

功率模块原理框图如附图3所示。功率控制模块主要由两个交流接触器、两个控制接触器的中间继电器、三相热保护继电器、三个可控硅、三个电流传感器组成，系统所有强电控制全部集中在本模块上。执行机构起动时，先触发接通交流接触器调整连接阀门的开或关，然后触发可控硅，实现阀位的细调；执行机构停止时，先断开可控硅，延时一会儿再断开交流接触器，此时流过交流接触器的电流为零，从而防止交流接触器出现拉弧现象。数字化电动执行机构控制器Modbus TCP通讯处理流程，如附图4所示。首先初始化服务端通讯套接字Socket，然后等待来自客户端的连接请求，连接建立成功后，就能从TCP管理中接收Modbus指令。接收到Modbus指令后，要进行Modbus PDU校验，协议数据单元(PDU)包括功能码和数据部分，如果校验出错则生成Modbus异常，包括异常功能码和异常码，如果校验正确就进行Modbus服务处理。若Modbus服务处理成功则生成Modbus应答，包括功能码和应答数据，如果服务处理失败则生成Modbus异常。生成的Modbus异常或Modbus应答都通过TCP管理发送给客户端。最后，释放Modbus服务器处理事务重新进入等待状态。应用本发明所述数字化电动执行机构控制器的数字化电动执行机构搭建的控制网络拓扑图如附件5所示。数字化电动执行机构通过本发明的执行机构控制器的两个以太网口通过实线、虚线组成的冗余以太网连接到以太网交换设备上，进而连接到现场总线网络上。发电企业广泛采用的分散控制系统DCS通讯主站、备用站同时连接到现场总线网络上，从而实现现场设备运行信息的共享。另一方面，由于数字化电动执行机构内部嵌入了基于ARM系统的数字化执行机构控制器，也为复杂协议转换软件的开发提供了支持，软件的可开发性保证了不同现场总线协议的转换，从而使得不同现场总线及现场总线设备可以应用在同一控制网络中。双网热备的设计极大保证了通讯的可靠性。

应用本发明所述数字化电动执行机构控制器的数字化电动执行机构搭建的控制网络拓扑图如附件5所示.数字化电动执行机构通过本发明的执行机构控制器的两个以太网口通过实线、虚线组成的冗余以太网连接到以太网交换设备上，进而连接到现场总线网络上.上层控制系统连接到现场总线网络上，从而实现现场设备运行信息的共享.另一方面，由于数字化电动执行机构内部嵌入了基于ARM系统的数字化执行机构控制器，也为复杂协议转换软件的开发提供了支持，软件的可开发性保证了不同现场总线协议的转换，从而使得不同现场总线及现场总线设备可以应用在同一控制网络中.双网热备的设计极大保证了通讯的可靠性.

Claims (6)

1.一种数字化电动执行机构控制器，包括电源模块、主控模块、I/O接口和辅控模块、功率控制模块，其特征在于：

所述电源模块输入为380V交流电压，为所述数字化电动执行机构控制器提供直流电源；

所述主控模块通过双以太网口与监控系统通讯接口卡相连，用于和上层控制系统的通讯；

所述I/O接口和辅控模块与所述主控模块相连，I/O接口和辅控模块将采集到的电动机三相电流和电动机线圈温度信号、以及阀门位置信号、就地操作按钮信号上传至主控模块；

所述主控模块按照设定的控制策略和保护逻辑对上传至主控模块的前述信号进行处理，将处理后得到的阀门状态信号送至I/O接口和辅控模块进行液晶屏显示；

所述主控模块还与功率控制模块相连，向功率控制模块输出电动机控制信号；

所述功率控制模块与三相异步电机相连，根据所述主控模块发送的所述电动机控制信号，实现三相异步电机的正转、反转和停止，从而实现执行机构的阀位控制。

2.根据权利要求1所述的数字化电动执行机构控制器，其特征在于：所述主控模块微处理器优选CPU-EP9302，微处理器接有SDRAM、FLASH。

3.根据权利要求2所述数字化电动执行机构控制器，其特征在于：主控模块还进一步包括通信串口，通过所述串口与调试终端相连，用于执行机构的参数配置和修改。

4.根据权利要求2所述的数字化电动执行机构控制器，其特征在于：

所述主控模块还进一步包括辅助处理单元，所述辅助处理单元优选可编程逻辑器件CPLD，所述辅助处理单元与主控模块中的微处理器相连，完成开关量处理，即接收所述主控模块中微处理器发出的控制指令，实现远控和就地操作控制信号的切换功能，输出最终的电动机控制信号送至功率模块。

5.根据权利要求1所述的数字化电动执行机构控制器，其特征在于：所述功率控制模块包括2个交流接触器、三相热保护继电器、3个可控硅、3个电流传感器组成，其中采用所述两个2个交流接触器用于控制电动机的正反转，以控制连接阀门的开或关，采用3个可控硅用于阀门位置的细调，三相热保护继电器用于保护电机，3个电流传感器用于测量电机三相电流。

6.根据权利要求1-5任一项权利要求所述的数字化电动执行机构控制器，其特征在于：

所述数字化电动执行机构控制器两个以太网口以冗余方式通过以太网连接到以太网交换设备上，进而连接到现场总线网络上，分散控制系统DCS控制器主站、分散控制系统DCS控制器备用站同时连接到现场总线网络上，从而实现现场设备运行信息的共享。

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