該文從電動執行機構的機理和現場應用存在的問題出發，重點介紹了針對傳統電動執行機構技術改造的位置調整模塊的設計要點。

引言

傳統的電動執行機構具有使用簡單、節省投資等特點，已被廣泛應用于電力、冶金、石油、輕工等領域的生產過程控制系統中。我國的電動執行機構和伺服放大器是60年代統一設計的，30多年來在技術上沒有大的創新。這種電動執行機構控制能力差，維護量大，連接電纜多，難于滿足我國工業自動化水平的需要。

目前，絕大多數電動執行機構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，觸發電路采用張馳振蕩觸發電路，其穩定性、可靠性均較差；功率輸出電路是用可控硅輸出電路，伺服電機轉速是固定的，輸出定位效果較差。該類電動執行機構在控制過程中不能獲得其本身的一些特性參數，使得控制精度與可靠性均不高，可輸入信號僅為一種，如電流或電阻，然后將檢測信號與輸入信號進行比較，由此獲得的控制信號送到 驅動電路，以控制執行機構的位移輸出；有些電動執行機構中雖設置了報警電路，但沒有采用連鎖保護措施，使得在報警狀態下仍然存在不安全性，因而此類伺服放大部分控制的電動執行機構在一些精度、可靠性和穩定性要求較高的場合不能適用。

圖1電動執行機構電路圖

如何通過集散控制系統（簡稱DCS）實現對現場電動執行機構的高精度的平穩操作，是許多工礦企業技改項目需要考慮的問題。文中以浙大中控的JX－300XDCS為例，針對國產常用的電動執行機構，介紹如何設計位置調整模塊（Position Adjusting Type Mod－ule，簡稱PAT模塊），實現電動執行機構的閉環控制，提高閥門的定位精度和安全性，同時也簡化操作。

1PAT模塊的設計機理

PAT模塊是為電動執行機構而特殊設計的，取代了傳統的伺服放大器，可以看成是控制精度更高、功能更完善、更先進，安全可靠且與DCS集成一體的新型伺服放大器。

1.1PAT模塊硬件設計

電動執行機構一般提供5個信號點：1個模擬量信號，用以反饋電動執行機構的位置信號；2個開關量觸點輸入信號，用以反饋電動執行機構的2個極限報警信號；另外還有2個正反轉線圈的驅動接口，用于聯接功率器件，如固態繼電器可控硅之類，伺放或PAT模塊就可以通過開關量輸出信號，驅動固態繼電器或可控硅，從而驅動電動執行機構的正轉或反轉。

電動執行機構應用的場合一般來說比較惡劣，而且在工業現場為了工程實施方便，閥位反饋信號線、供電線以及開關量輸出信號線集中為同一條電纜，信號線間串擾嚴重，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格設計。 PAT模塊設計采用了光電隔離技術和電磁隔離技術，模擬量處理電路單獨隔離，開關量部分統一隔離。開關量輸出部分再經過固態繼電器實現弱電和強電的隔離，有效地克服了不同信號之間的干擾；同時再在模擬量處理電路、開關量電路部分做進一步的信號調理以及保護措施，此時PAT模塊具有極強的抗干擾能力和良好的電磁兼容性，穩定性和可靠性得到明顯提升。

電動執行機構動作一般比較靈敏，即在較短的時間內閥位變化較大，其反饋信號屬于快速變化的模擬量，在設計模擬信號處理電路時，濾波電路的濾波常數要盡量小，同時注意選擇快速的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。

硬件的連鎖保護具有及時可靠的優點，因此在設計PAT模塊時，使用極限報警信號參與輸出驅動的連鎖保護：上極限報警輸入參與增輸出硬件連鎖，下極限報警輸入參與減輸出連鎖保護。在閥門到達上極限或下極限的時刻，可以通過硬件直接截斷PAT模塊的增輸出或減輸出，無需CPU進行處理，從而做到了及時可靠。

由于PAT模塊需通過繼電器來驅動現場電動執行機構，因此繼電器的好壞直接關系到能否進行正常控制。相對于常用的電磁繼電器來說，固態繼電器是一種采用固體組件組裝而成的無觸點開關控制繼電器，其輸入端利用光電耦合器進行隔離，只要很小的電流就可控制其工作。由于輸出部分內部無可動部件，所以具有工作可靠、開關速度快、工作頻率高、壽命長、無電磁干擾等特點。因此，對于調節 頻率較高的工作場合，建議采用固態繼電器。

1.2PAT模塊軟件設計

1.2.1PAT模塊控制方案設計

電動執行機構在控制過程中，一般有3種控制方案可以采用：第1種方案是采用連續的長脈沖控制，第2種采用全程的步進調節控制，第3種就是長脈沖控制和短脈沖步進驅動相結合的控制方式。

第1種方案的優點是可以快速的調節，控制算法簡單，只要判斷閥位設定值Sv和閥位的反饋值Pv之間的差值與死區DeadZoon之間的關系：

采用這種控制方案要消除振蕩現象只能靠降低靈敏度增大死區DeadZoon，而且這里的DeadZoon已經不是實際意義的死區，其包含了慣性的成分。現場的控制對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種方案是在電機的轉動過程中插入了暫停階段，使調速系統降速，從而降低系統的慣性，采用這種控制方式，可以很好地消除振蕩現象，控制精度得到很大的提高，但是如果全程采用這種步進驅動的控制方式進行調節，調節時間也將大大加長，這在工業使用過程中的很多場合絕對不允許。

第3種控制方案綜合了第1種和第2種控制方案的優點。當實際閥位值Pv和設定值Sv兩者之差的絕對值大于En時模塊采用長脈沖驅動；當兩者之差介于閾值En和二分之一死區DeadZoon用短脈沖步進的控制方式，即模塊輸出Ton時間的短脈沖等待Toff時間，直到閥位值和設定值之差絕對值小于二分之一死區，即達到控制精度時停止輸出，完成一次控制過程。PAT模塊采用上述控制方案充分利用了系統的慣性和電動執行機構的特性，有效地克服了電動執行機構控制過程中出現的過沖和振蕩現象，提高了控制精度。En、Ton、Toff的設定要合適，以不超過2～3個短脈沖為最佳，這樣可以加快調節時間。

1.2.2PAT模塊自適應功能設計

一般電動執行機構說明書中提到的技術性能參數，除了死區、回差、滯后以及工作電壓等外特性外，Ton、Toff、Smin等內特性參數沒有任何介紹。通過PAT模塊自學習功能可得到這些電動執行機構的特性參數，為合理設定特性參數提供有力的支持。

自學習功能的設計是基于人工神經網絡原理，采用了反向傳播算法。這一設計主要源于電動執行機構的特性參數在不同的負載和不同的閥位段 下面會有所改變，PAT模塊判斷出電動執行機構的控制效果，并根據控制效果及時修正特性參數，從而達到最佳控制。當負載較大時，相應的死區和閾值比空載的情況要小，Ton較空載情況要長一些，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定參數的合理性，并及時調整，保證達到最優控制。

1.2.3PAT模塊增強功能設計

在實際應用中，意外和特殊情況時有發生，象有的閥門沒有閥位極限限位開關，這時PAT模塊的極限連鎖保護功能就失去了作用。通過判斷模塊正在進行輸出驅動時，閥位是否有相應的變化，判斷出電動執行機構是否已達到極限或處于堵轉狀態從而可以及時截斷輸出，防止電機燒毀。

電動執行機構的閥門定位器也是易損器件，閥位反饋線斷線時有發生。這些意外情況都會導致PAT模塊采集的閥位不能反映實際的閥位值。在實際使用中，電動執行機構的閥位值作為內環的被控量，而控制的氣體流量或者液體流量等則作為外環被控量，此時內環處于開路狀態，PAT模塊將自動的閉環控制切換到硬手操狀態，用戶可以依據外環被控量通過PAT模塊實現對電動執行機構的硬手操，從而保證整個回路的正常工作。

2結束語

PAT模塊作為浙大中控JX－300XDCS中的一種重要智能模塊，其穩定性、可靠性、功能的完備性以及良好的控制效果，已經在實際應用中得到了充分的證明，特別在鋼鐵行業和發電行業應用，其性能得到用戶的認可。