研究PAT模块的设计机理 解析设计要点

该文从电动执行机构的机理和现场应用存在的问题出发，重点介绍了针对传统电动执行机构技术改造的位置调整模块的设计要点。

引言

传统的电动执行机构具有使用简单、节省投资等特点，已被广泛应用于电力、冶金、石油、轻工等领域的生产过程控制系统中。我国的电动执行机构和伺服放大器是60年代统一设计的，30多年来在技术上没有大的创新。这种电动执行机构控制能力差，维护量大，连接电缆多，难于满足我国工业自动化水平的需要。

目前，绝大多数电动执行机构配套的伺服放大部分通常是由输入隔离放大电路、比较、触发电路和功率输出电路组成的。输入一般用线圈隔离，再用磁放大器放大；比较电路一般采用由分立元件组成的电压比较器，触发电路采用张驰振荡触发电路，其稳定性、可靠性均较差；功率输出电路是用可控硅输出电路，伺服电机转速是固定的，输出定位效果较差。该类电动执行机构在控制过程中不能获得其本身的一些特性参数，使得控制精度与可靠性均不高，可输入信号仅为一种，如电流或电阻，然后将检测信号与输入信号进行比较，由此获得的控制信号送到 驱动电路，以控制执行机构的位移输出；有些电动执行机构中虽设置了报警电路，但没有采用连锁保护措施，使得在报警状态下仍然存在不安全性，因而此类伺服放大部分控制的电动执行机构在一些精度、可靠性和稳定性要求较高的场合不能适用。

图1电动执行机构电路图

如何通过集散控制系统（简称DCS）实现对现场电动执行机构的高精度的平稳操作，是许多工矿企业技改项目需要考虑的问题。文中以浙大中控的JX－300XDCS为例，针对国产常用的电动执行机构，介绍如何设计位置调整模块（Position Adjusting Type Mod－ule，简称PAT模块），实现电动执行机构的闭环控制，提高阀门的定位精度和安全性，同时也简化操作。

1　PAT模块的设计机理

PAT模块是为电动执行机构而特殊设计的，取代了传统的伺服放大器，可以看成是控制精度更高、功能更完善、更先进，安全可靠且与DCS集成一体的新型伺服放大器。

1.1　PAT模块硬件设计

电动执行机构一般提供5个信号点：1个模拟量信号，用以反馈电动执行机构的位置信号；2个开关量触点输入信号，用以反馈电动执行机构的2个极限报警信号；另外还有2个正反转线圈的驱动接口，用于联接功率器件，如固态继电器可控硅之类，伺放或PAT模块就可以通过开关量输出信号，驱动固态继电器或可控硅，从而驱动电动执行机构的正转或反转。

电动执行机构应用的场合一般来说比较恶劣，而且在工业现场为了工程实施方便，阀位反馈信号线、供电线以及开关量输出信号线集中为同一条电缆，信号线间串扰严重，因而PAT模块的硬件必须在隔离、抗干扰以及电磁兼容性方面做严格设计。 PAT模块设计采用了光电隔离技术和电磁隔离技术，模拟量处理电路单独隔离，开关量部分统一隔离。开关量输出部分再经过固态继电器实现弱电和强电的隔离，有效地克服了不同信号之间的干扰；同时再在模拟量处理电路、开关量电路部分做进一步的信号调理以及保护措施，此时PAT模块具有极强的抗干扰能力和良好的电磁兼容性，稳定性和可靠性得到明显提升。

电动执行机构动作一般比较灵敏，即在较短的时间内阀位变化较大，其反馈信号属于快速变化的模拟量，在设计模拟信号处理电路时，滤波电路的滤波常数要尽量小，同时注意选择快速的A/D芯片，如逐次比较型的A/D芯片，可以快速采样，做到及时跟踪阀位的变化，从而保证良好的控制效果。

硬件的连锁保护具有及时可靠的优点，因此在设计PAT模块时，使用极限报警信号参与输出驱动的连锁保护：上极限报警输入参与增输出硬件连锁，下极限报警输入参与减输出连锁保护。在阀门到达上极限或下极限的时刻，可以通过硬件直接截断PAT模块的增输出或减输出，无需CPU进行处理，从而做到了及时可靠。

由于PAT模块需通过继电器来驱动现场电动执行机构，因此继电器的好坏直接关系到能否进行正常控制。相对于常用的电磁继电器来说，固态继电器是一种采用固体组件组装而成的无触点开关控制继电器，其输入端利用光电耦合器进行隔离，只要很小的电流就可控制其工作。由于输出部分内部无可动部件，所以具有工作可靠、开关速度快、工作频率高、寿命长、无电磁干扰等特点。因此，对于调节 频率较高的工作场合，建议采用固态继电器。

1.2　PAT模块软件设计

1.2.1　PAT模块控制方案设计

电动执行机构在控制过程中，一般有3种控制方案可以采用：第1种方案是采用连续的长脉冲控制，第2种采用全程的步进调节控制，第3种就是长脉冲控制和短脉冲步进驱动相结合的控制方式。

第1种方案的优点是可以快速的调节，控制算法简单，只要判断阀位设定值Sv和阀位的反馈值Pv之间的差值与死区DeadZoon之间的关系：

采用这种控制方案要消除振荡现象只能靠降低灵敏度增大死区DeadZoon，而且这里的DeadZoon已经不是实际意义的死区，其包含了惯性的成分。现场的控制对灵敏度有一定的要求，因而这种方案的缺陷是很明显的，建议不予采用。

第2种方案是在电机的转动过程中插入了暂停阶段，使调速系统降速，从而降低系统的惯性，采用这种控制方式，可以很好地消除振荡现象，控制精度得到很大的提高，但是如果全程采用这种步进驱动的控制方式进行调节，调节时间也将大大加长，这在工业使用过程中的很多场合绝对不允许。

第3种控制方案综合了第1种和第2种控制方案的优点。当实际阀位值Pv和设定值Sv两者之差的绝对值大于En时模块采用长脉冲驱动；当两者之差介于阈值En和二分之一死区DeadZoon用短脉冲步进的控制方式，即模块输出Ton时间的短脉冲等待Toff时间，直到阀位值和设定值之差绝对值小于二分之一死区，即达到控制精度时停止输出，完成一次控制过程。PAT模块采用上述控制方案充分利用了系统的惯性和电动执行机构的特性，有效地克服了电动执行机构控制过程中出现的过冲和振荡现象，提高了控制精度。En、Ton、Toff的设定要合适，以不超过2～3个短脉冲为最佳，这样可以加快调节时间。

1.2.2　PAT模块自适应功能设计

一般电动执行机构说明书中提到的技术性能参数，除了死区、回差、滞后以及工作电压等外特性外，Ton、Toff、Smin等内特性参数没有任何介绍。通过PAT模块自学习功能可得到这些电动执行机构的特性参数，为合理设定特性参数提供有力的支持。

自学习功能的设计是基于人工神经网络原理，采用了反向传播算法。这一设计主要源于电动执行机构的特性参数在不同的负载和不同的阀位段 下面会有所改变，PAT模块判断出电动执行机构的控制效果，并根据控制效果及时修正特性参数，从而达到最佳控制。当负载较大时，相应的死区和阈值比空载的情况要小，Ton较空载情况要长一些，而Toff则要较空载的情况短一些。在这种情况下，PAT模块能智能地判断设定参数的合理性，并及时调整，保证达到最优控制。

1.2.3　PAT模块增强功能设计

在实际应用中，意外和特殊情况时有发生，象有的阀门没有阀位极限限位开关，这时PAT模块的极限连锁保护功能就失去了作用。通过判断模块正在进行输出驱动时，阀位是否有相应的变化，判断出电动执行机构是否已达到极限或处于堵转状态从而可以及时截断输出，防止电机烧毁。

电动执行机构的阀门定位器也是易损器件，阀位反馈线断线时有发生。这些意外情况都会导致PAT模块采集的阀位不能反映实际的阀位值。在实际使用中，电动执行机构的阀位值作为内环的被控量，而控制的气体流量或者液体流量等则作为外环被控量，此时内环处于开路状态，PAT模块将自动的闭环控制切换到硬手操状态，用户可以依据外环被控量通过PAT模块实现对电动执行机构的硬手操，从而保证整个回路的正常工作。

2　结束语

PAT模块作为浙大中控JX－300XDCS中的一种重要智能模块，其稳定性、可靠性、功能的完备性以及良好的控制效果，已经在实际应用中得到了充分的证明，特别在钢铁行业和发电行业应用，其性能得到用户的认可。