西门子模块6SL3130-7TE31-2AA3

调节阀又称为调节机构，它和执行机构一起构成执行器，是过程控制系统中一个重要的组成部分。它依据来自调节仪表的控制信号而改变执行机构输出的角位移或直线位移，并通过调节机构改变被调介质的流量，保持生产过程满足预定的要求。

按照能源形式的不同，执行器分为电动执行器、气动执行器和液动执行器。其中，气动和电动执行器应用广泛，且电动执行器的使用比例亦越来越大。

在以电动执行器作为最终执行装置的自动控制系统中，传统的方法是以调节仪表输出的模拟信号去控制电动执行器动作。在计算机控制系统中，人们也是将计算机输出的数字信号经过数模转换器（D／A）转换成模拟信号后再去控制电动执行器动作。实际上，不管是用普通继电器来实现的有触点开关信号还是用可控硅或固态继电器来实现的无触点开关信号，由调节仪表输出的模拟信号加到伺服放大器进行比较放大后，最终加到执行器电机上的仍然是开关信号（数字信号），如图1所示。

图1 传统方法控制框图

能否去掉中间环节数模转换器（D／A）和伺服放大器，而直接由计算机输出的数字信号去控制电动执行器动作呢？回答是肯定的。图2是伺服放大器的工作原理图。

图2　伺服放大器原理图

当输入端有0～10mA模拟信号输入时，该信号与执行器位置反馈信号进行比较，若输入信号比位置反馈信号大就产生正偏差，信号经IC1放大器放大后使开关电路K1导通，J1动作接通电源，电动执行器“正转"。当电机驱动到某一位置，使位置反馈信号与输入信号相等时，偏差为零，电机停止转动。反之，如果输入端信号小于位置反馈信号时就产生负偏差，信号经IC1放大后使开关电路K2导通，J2动作接通电源，电动执行器“反转"。

新方法是将位置反馈信号（一般是模拟信号如电阻或电压）经由模数转换器（A／D）转换成数字信号后输入到计算机，在计算机内与输出信号（数字信号）直接比较，比较后输出开关信号，经放大器（或中间继电器）放大后推动电动执行器动作。图3为新方法示意框图。

图3 新方法控制框图

二、新方法的实现

笔者在国家“八五"攻关项目“木废料能源木材联合干燥技术"的木材干燥窑计算机控制系统（以下简称系统）中采用了此新方法。系统共有ZAJ型角行程执行机构9个（其中4个用来调节排湿口开度，2个用来调节空气进气口开度，2个用来调节烟气进气口开度，1个用来调节废木料燃烧炉鼓风量）。采用新方法有3个问题必须解决：①如何输出满足执行机构要求的数字信号（开关量）；②如何测量执行机构位置信号；③如何控制合适的阀门开度（即执行机构行程）。

1、问题一的解决

系统选用光隔离开关量输出板（CS20），该输出板是为采用PC／XT／AT标准的微机配套的接口板，适用于驱动继电器、电磁阀等执行器，接口具有最大200mA的驱动电流以及安全可靠的隔离功能。系统按输出板设定的口地址在实时采样子程序中定时向数据锁存器送数据（端口开关值），控制光电耦合器的“导通"和“截止"，此信号经隔离后送入现场，控制执行器的“开"与“关"。因执行机构可逆电机运转所需电流大于输出板接口驱动电流，输出板的输出信号须经中间继电器放大后再控制执行机构，而且中间继电器的采用也起到将现场与微机隔离的作用。图4为接口板程序框图。

图4 接口板程序框图

2、问题二的解决

电动执行机构配置有位置反馈螺旋电位器，在与伺服放大器配合使用时，接受0～10mA或4～20mA直流信号，作为位置反馈信号与输入信号相比较组成比例调节环节。而在新方法下，系统可采用两种方法接受位置反馈信号。第1种是在位置反馈电位器上加一恒定电流使之对应位置信号0～100％产生0～5V电压信号，然后经A／D模数转换接口板（MS－0812B）与计算机相连；第2种方法是直接将位置反馈电位器的电阻信号接至热电阻信号调理端子板（HY813），该端子板将电阻信号转换成数字信号送至计算机。图5为端子板程序框图。笔者采用第2种方法，因本系统温度测量选用热电阻，温度测量点共有5个，而调理板（HY－813）可有16路测量输入，尚余11路输入通道，这样可将9个执行机构的位置反馈电阻信号直接联至调理板。需注意的一点是：位置反馈电位器的电阻信号大小要对应相应热电阻的温度量程范围，以保证调理板转换正确。本系统中位置反馈电位器的电阻值为20～280Ω，对应调理板输入通道量程应调整为－190～＋
490℃。当然不同类型的执行机构其位置反馈电位器的电阻值是不相同的，在使用时要注意。某些型号的执行机构的位置反馈电位器的电阻值偏大，可采用并联一个电阻或更换电位器的办法来解决。采用并联电阻的方法解决位置反馈电位器电阻值偏大的优点是方便、容易，但电阻值的变化是非线性的，在程序设计时须加以考虑。

图5 调理板程序框图

3、问题三的解决

该问题的解决主要是程序编制。笔者将执行机构的位置测量、开关量输出以及阀位给定计程序均安排在定时采样子程序中，系统每隔1s采样、输出1次。图6为实时采样子程序框图。

图6 实时采样子程序框图 

图6中采样方框包括阀位值、温度值、湿度值等数据的采集。ε值是为防止执行器动作频繁甚至产生振荡而设。由于电机动作的惯性以及测量滞后，阀位给定信号与测量信号之间总存在一定的差值，当差值信号小于ε值时，输出停止信号，执行机构不动作。实际运行时，正是由于电机运行时产生的惯性而使实际偏差小于ε值。也就是说，ε值表面上看起来是偏差值，而实际上是为克服惯性引起的偏差和振荡而设立的一个控制提前量。只要在实际调试中选择合适的ε值，就不但可以克服可能产生的振荡，而且可以做到无偏差或使偏差小到允许范围之内。

三、结束语

1、用计算机输出的数字信号直接控制电动执行器动作与传统模拟信号控制相比有如下特点：

（1）省掉笨重、线路复杂而又极容易出故障的伺服放大器，提高了控制系统的可靠性。

（2）在计算机控制系统中，A／D输入接口板输入通道往往很多，且性能好、价格便宜；而D／A输出接口板输出通道一般很少，且功耗大、价格贵。在需输出通道较多的情况下，通常要求配置扩展箱和外接电源。而采用开关量输出板后，计算机所需功率小，结构更紧凑，故障率更小。

（3）可以很方便地改变阀的工作特性，以适应对象特性的变化，提高调节系统的调节质量，如可根据要求将阀的工作特性通过控制软件改为直线、等百分比、对数等各种形式，今后可开发成新型的智能型调节阀。

（4）可以方便、灵活地组成各种复杂控制系统（如分程控制）而不需增加额外的投资。

（5）系统投资大大减少，结构更加简单（所有接口板、调理板均可直接插入计算机的空余槽口中），使用户负担减轻、维护更方便。

2、系统安全性的考虑

（1）采用双机备份方式工作。一台作为主机投入系统运行，另一台作为备份机也处于通电工作状态，作为系统的热备份机。当主机出现故障时，专用程序切换装置自动地把备份机切入系统运行，承担起主机的任务；而故障排除后的原主机，则转为备份机，处于待命状态。

（2）设立常规控制系统，当系统*失效时，投入常规仪表自控或手动控制状态。此时须注意的一点是无扰动切换问题，可考虑设置阀位显示仪表。