利用DCS对电动执行器控制的方法.pdf

摘要集散控制系统是计算机技术、通讯技术、显示技术、控制技术相结合的产物，在不同行业得到了 广泛的应用。 电动执行器是工业过程控制系统常用的一种电气设备，本文就如何用DCS系统实现对电动执 行器的控制，作一些方式方法上的探讨和分析，以横河系统应用实例提出相应的应用程序。 关键词DCS；电动执行器；编程；控制模块；横河系统 中图分类号：TP273文献标识码：B文章编号：10044345（2017）S1002704 ethods to Control Electric Actuators with DCS TAO Ming （Copper Branch of Yunnan Tin Co., Ltd., Gejiu, Yunnan 661017, China） Abstract A distributed control system(DCS) is a product integrating computer technology, communication technology, display technology and control technology and is applied widely in various industries. An electric actuator is a common electrical equipment in the industrial process control system. The paper discusses and analyzes some methods to control an electrical actuator with DCS and puts forward corresponding application with Henghe System as the example. Keywords DCS; electric actuator; programming; control module; Henghe System 利用 DCS 对电动执行器控制的方法 陶明 （云南锡业股份有限公司铜业分公司，云南个旧661017） 收稿日期：20170215 作者简介：陶明（1962），男，电气高级工程师，从事仪表控制管理工作。 随着微处理器技术、通信技术、显示器技术的发 展和提高，20世纪70年代，全球一些著名的仪表公 司相继研制出新一代的计算机控制系统， 例如美国 Honeywell公司的TDC2000系统、日本横河公司的 CENTUM系统等。 这些系统对企业自动化控制水平 的发展和提高起着积极的作用，随着集散控制系统 （DCS）应用日益广泛和深入，集散控制系统在企业 生产自动控制的地位和作用与日俱增。如今，电动执 行器在现代生产自动化中起着十分重要的作用。 电 动执行器以电能为动力，接受调节器来的标准信号 模拟量或数字量，通过将这些信号变成相对应的机 械位移(转角、直线)来改变操作变量(调节阀、风门、 挡板开度等)，以达到对被调参数温度、压力、流 量、液位、转速等进行自动调节的目的，使生产过程 按预定要求进行1。 在云锡铜业生产工艺自动控制过程中，采用了 大量的电动执行器装置，在用的电动执行器多为传 统的电动执行器，基本上是用操作器或伺服放大器 实现对电动执行器控制。 为实现用DCS对电动执行 器进行控制，DCS采集现场信号，输出调节信号。 本 文结合横河公司的CENTUM.VP控制系统，用DCS 系统代替传统的操作器和伺服放大器，在不采用操 作器和伺服放大器的情况下，用编程的“软”控制方 法，实现对电动执行器的控制。 1电动执行器 目前较常见的电动执行机构由420 mA的 型电流信号驱动，或采用开关量输出信号进行控制， 其中包括伺服放大器、操作器和执行机构等部分，执 行机构又分为电机、减速器及位置发送器3大部件。 电动执行器的基本工作控制过程是： 当输入端无信 号时，执行机构稳定在预先的位置。当输入端有一个 第38卷 增 刊1有色冶金设计与研究 2017年 4月 万方数据 第38卷有色冶金设计与研究 输入信号时，此输入信号和执行机构的输出轴反馈 位置信号在伺服放大器内进行综合比较，当输入信 号和反馈信号比较后其差不为零，且差值大于电动 执行机构的死区时，执行机构输出轴就朝减小差值 的方向移动，直到两个信号的差值小于电动执行机 构的死区时，执行机构就稳定在与输入信号相应的 位置上2。 在DCS控制系统中，实现对电动执行器控制的 过程一般是：由中控室操作员给出设定信号，并与电 动执行器的位置发送器反馈回来的420 mA位置 信号进行比较，得到偏差信号，此信号经过放大，经 DCS现场站模块输出420 mA电流信号到伺服放 大器去驱动电动机转动，使电动执行器减速器的输 出轴朝着减小这一偏差信号的方向转动，直到这种 偏差信号小于死区为止，此时输出轴就稳定在与输 入信号相对应的位置上。 然而，在近年笔者参与的控制系统改造中，经常 是电动执行器不带伺服放大器，通常是由操作人员 在监控画面上进行手动操作，经现场控制站输出开 关量信号，并间接通过继电器实现对电动执行器的 正反转控制。 为此，将探讨通过DCS实现对电动执 行器的控制，就是说，根据执行机构的反馈信号，使 DCS起到伺服放大器和操作器的作用， 达到使电动 执行机构控制在规定精度范围内。 2DCS控制电动执行器 根据电动执行器的原理，一般来说，当给定信号 大于反馈信号输入时，使DCS的开关量正转输出点 闭合， 直接或间接通过继电器来驱动执行机构电机 正转；当给定信号小于反馈信号输入时，驱动执行机 构电机反转， 就能使执行器始终保持在要求的适当 精度范围内3。 然而，受DCS系统采样周期的影响，且由于通 讯时间上的限制等各方面的原因， 测量得到的反馈 信号与现场实际的信号之间存在一定的时间差，对 全行程时间较短的执行器来说， 在这时间差内执行 器已经改变了相当大的幅度，因此，单纯的“正转” 或“反转”的操作有一定的盲目性，无法实现执行器 的微调。 而此时，执行器若动作幅度过大，甚至可 能会引起振荡，使工艺波动较大，对正常生产来说， 危害性极大。 为了解决这一问题，可采用“偏差值 大时，先粗调；偏差值小，则细调；调节时，等一等 再调节”的控制方法，根据调节信号与执行器信号 的偏差值，来确定执行机构的动作方向和动作时间 长短，使执行器稳定在要求范围内，以满足正常生 产的需要。 另外，为了达到对工艺控制过程的稳定、考虑设 备、人员等安全因素，可考虑加上信号保护功能，防 止因电动执行器或线路等故障造成反馈信号丢失 时，将电动执行器保持在原位置状态。 以开关量控制电动执行器为例， 控制原理程序流程 如下图1所示。 图1控制原理程序流程 开关量控制信号以发脉冲的形式对电动执行器 进行调节，方案如图2所示。 图2调节控制脉冲输出原理示意 如图2，t为每个脉冲的不同持续时间，TIME为 两个脉冲时间间隔，t的计算方法如公式（1）。 t=KFERT（1） 式中：t为每个脉冲持续时间；K为系数，一般在0.6 0.85之间；FER为阀门位置反馈值与设定值之差；T 为阀门全行程时间。 3DCS控制电动执行器的编程 3.1程序组态 在此相结合实际应用的DCS控制系统，按上述 控制思路和控制方法，阐述用横河DCS系统软件组 态编程的方法，实现对电动执行器的控制。有关控制 模块在DCS组态软件如下图3所示。 28 万方数据 增刊1 图3调节控制模块逻辑 图3中各模块名称、类型、注释如下表1。 表1控制逻辑块类型及功能注释 3.2计算模块MVC 横河DCS系统对电动执行器的编程。 按上述给 出的控制原理方法，编制出电动执行器进行控制的 程序MVC计算模块。 下面以开关量控制电动执 行器带动阀门为例，给出计算模块MVC相应的程序 源代码如图4所示。 图4计算模块MVC相应的程序源代码 在上述相应程序代码中，MVCKZ为在组态程序 中定义好PID模块。 在此用该模块是为了方便设置 阀门位置开度，此模块不作输出控制，实际控制输出 由顺控模块ST16完成。 3.3顺序控制模块DDFVSK和DDFVSG编制 通过上述定义的计算模块MVC，完成了部分控 制逻辑及相关控制参数保存在定时器中，实际的控 制输出用顺序控制模块来实现，电动执行器输出开 信号DDFVSK顺控制如图5所示。 图5电动执行器输出开信号顺控逻辑原理 图4中各有关模块功能属性如下：DDFVTM定 时器作为控制脉冲输出长度；DDFVTMJG定时器 作为控制输出后反馈等待时间长度；FVK100为自 定义内部开关变量开阀；FVK101为电动阀门开 关量开阀实际输出点。 电动执行器输出关信号DDFVSG顺控制图与 DDFVSK相似，故不在此阐述。 3.4测试程序 做好相关程序组态后可行调试，可对计算模块 MVC的有关属性值设置为所需参数，有关参数设置 如下：阀门控制精度偏差为1%，即MVC.P01=1；MVC. P02=1；电动阀门全运行时间为15 s，即MVC.P03= 15；控制等待反馈间隔时间为1 s，即MVC.P04=1； 电动阀门测试效果如图6、图7所示。 图6电动阀门测试效果 图7电动阀门测试效果 控制块仪表位号类型功能注释 DDFVTMTM定时器电动执行器输出周期时间（t） DDFVTMJGTM定时器 电动执行器输出暂停周期时 间（TIME） MVCKZPIDPID调节器电动执行器调节器 MVCCALCU计算模块电动执行器计算控制模块 DDFVSKST16顺序控制电动执行器开顺序控制 DDFVSGST16顺序控制电动执行器关顺序控制 利用DCS对电动执行器控制的方法29 万方数据 第38卷有色冶金设计与研究 （上接第2页） 根据工艺要求，对铜模进行改善。 4结语 通过铜模浇铸阳极板工艺的实践，取得了一定 的效果。 本文仅从生产工艺方面对铜模浇铸阳极板 的适宜条件进行探讨，铜模在阳极铜的浇铸中还有 更为合适的条件和空间。经过不断生产实践，通过设 备方面完善，铜模浇铸阳极板将会取得更好的效果。 参考文献 1熊振昆，张建坤，史兴华. 350t燃煤回转式阳极炉的生产实践J. 中国有色冶金，2007（5）：3640. 2刘圣林.对铜精炼过程中氧化还原终点判断的探讨J.有色矿 冶，2008（4）：3031. 3吴克富，魏晓玲，李宏才.稀氧燃烧新技术的应用实践J.甘肃冶 金，2013（2）：103105. 4陈长顺,王庭凤,焦芸芬.提高铜火法精炼阳极质量生产实践J. 有色金属（冶炼部分），2006（01）：2325，53. 5结语 首先，在上述通用模块或程序的应用中，需设置 好阀门动作上下限偏差值、电动执行器全运行时间、 等待反馈间隔时间，且均需通过现场调试。 其次，由 于此类执行机构的调节依靠位置反馈信号与调节信 号比较，以达到电动执行器“正转”和“反转”的目的， 因此对位置反馈信号的稳定性要求较高。 此外电动 执行器的每次动作之间有一定的间隔，控制的连贯 性不佳，对于控制要求较高的工艺场合，可能无法达 到较好的效果。 因此，该方案所应用的对象主要是： 对调节精度要求一般，或对调节控制对象要求不太 高的场合4。 另外，由于DCS需通过继电器来驱动现场电动 执行器，因此，继电器的好坏直接关系到该方案的正 常执行。而对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，输出部份无可动部件，故具有工 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，最 好采用固态继电器。 近年来电动执行器获得了快速的发展，国内外 一些厂商相继推出智能电动执行器，智能电动执行 器主要参数指标先进，如工作死区小、基本误差低 等，并用智能伺服放大器取代传统伺服放大器，且将 伺服放大器与执行器合为一体，接收标准直流信号。 因此，在对控制精度要求高的情况下