脉冲输入式气动执行机构与计算机控制系统的互联
韩忠旭
国家电力公司电力科学研究院，100085 北京清河
任何控制任务都是通过执行机构改变调节变量或调节介质来完成的。执行机构是调节系统中的一个重要环节，它的性能对于系统能否圆满地完成控制任务有很大影响。执行机构性能不好是导致许多热工控制系统不能正常投入使用的主要原因之一。
计算机控制系统的发展，给过程控制领域带来了深刻变化，同时也对执行机构提出了更高要求。
本文以华能大连电厂引进日本三菱公司的MIDAS-8000计算机控制系统为例，介绍一种脉冲输入式气动执行机构与计算机控制系统的互联方法。这种执行机构在失去电源时，能保持故障发生前的状态不变，从而有效地防止故障的进一步扩大。
1 调节系统的硬件配置
调节系统的硬件配置如图1所示。 A/M为自动/手动控制站；E/PUL为电/脉冲转换器；PL/PN为脉冲/气压转换器。
图1 调节系统的硬件配置
Fig.1 Hardware configueration of control system
数字量输入通道为计算机提供生产现场的状态和条件等数字量（如风机的运转情况、阀门的开关状态、各类参数是否在允许范围内等）。
模拟量输入通道为计算机提供生产现场的过程模拟量（如位置反馈、被调参数等）。
中断量输入通道为计算机提供来自自动/手动控制站的状态信号（如调节系统是否处于自动方式）。
与本文有关的数字量输出通道所输出的数字量信号可分为两类。一类是自动允许。若某个调节系统没有收到这样的信号，则该系统就投不上自动。另一类是用来控制电/脉冲转换器动作方向的增或减指令信号。
指令信号的切换与转换通道由自动/手动(A/M)控制站、电/脉冲(E/PUL)转换器和脉冲/气压(PL/PN)转换器组成。A/M控制站执行指令信号的切换功能，E/PUL转换器和PL/PN转换器完成信号的传输和功能转换。E/PUL转换器由脉冲发生器、门电路和输出缓冲器组成，其脉冲发生器经过门电路形成四路脉冲信号L1、L2、L3、L4，它们经输出缓冲器与PL/PN转换器相连。
PL/PN转换器内部有一脉冲马达，它根据脉冲信号的相位作正向或反向转动，带动齿轮和蜗轮等传动机构改变气源喷嘴的背压，并将这一变化量经放大后作为气动控制信号。脉冲马达转动过程中带动一个滑线电位计，其变化量经转换电路送出一个4～20 mA的电流信号，作为PL/PN转换器的位置反馈信号。图2为PL/PN转换器的原理框图。
图2 PL/PN转换器的原理框图
Fig.2 Structure diagram of PL/PN transformer
PL/PN转换器是整个脉冲式气动执行机构的关键部件。它的主要技术指标为
输入脉冲数： 0～150个脉冲/s
全程脉冲个数： 1 000
全程响应时间： 7～30s
最大响应时间： 150个脉冲/s
输出气压信号： 0. 02～0. 1 MPa
位置反馈信号： 4～20 mA dc
环境温度： －10～60 ℃
相对湿度： 10～95 %RH
2 调节系统的软件设计
2.1 调节系统的设计概念
调节系统的设计概念如图3所示。
系统软件执行任务的调度和管理。SCOM（I ）是内存分区，它以数据结构的形式存储由用户设计的过程控制应用程序，参见文献［1］。图3在SCOM（I）中以方框图的形式画出了控制系统最基本的结构。
采样程序 PADIN 的任务是每隔一秒钟采集一次过程模拟量和过程数字量，中断处理程序INTIN的任务是当某个自动/手动控制站切换成自动方式时，立即发出一个中断信号，平常则以每秒一次的频率进行工作。
数字量输出程序DOOUT的执行周期为250 ms。
2.2 数字量输出程序DOOUT的设计分析
数字量输出程序DOOUT是计算机与脉冲输入式气动执行机构相联系的纽带，这道程序的设计质量对调节系统有直接影响。
图4是DOOUT的流程图。
图3 调节系统的设计概念框图
Fig.3 Schematic block diagram of control system
每完成一次数字量输出任务，DOOUT程序要执行RSX-11M操作系统的执行程序中的三个元指令，即等待事件标识WAITFR、清除事件标识CLREF和标记时间MARK［2］。其作用是中断程序的执行，等待250 ms后从断点处继续执行。这个等待时间的长短可以根据实际需要由MARK元指令的参数来确定。图3中的符号说明如下：
IPADIN为采样程序PADIN的执行标记。PADFIN为由采样程序PADIN来赋值的执行标记，每隔一秒钟，PADIN执行完一次采样任务时PADFIN置1；
ICINC（I）和ICDEC（I）分别为输出增指令和输出减指令的计数器；
J为设置输出指令的标志，J=0时，表示停止增减；J＝1时，表示增；J＝2时，表示减；
ε为允许误差，计算机初始引导时设定为1；
ICME为指令输出的次数值，它决定着当IPADIN＝0时，调节系统是否有增减指令，其值的大小由算式｜Δ｜×FSTIME / NT（7，22）决定；
FSTIME为比例因子，计算机初始引导时，其设定值为40；
图4 DOOUT程序的流程图
Fig.4 Flow chart of DOOUT program
NT（7，22）为DOOUT程序的执行周期值，设定为250 ms。
当PADFIN置1时，IPADIN也置1，表明采样刚结束，数据已更新。此时作如下处理：计数器ICINC（I）和ICDEC（I）及输出标志均清零，计算“指令信号”与“位置反馈”之差Δ。当这个差值的绝对值｜Δ｜小于允许误差ε时，不输出增减指令，否则计算ICME，解不等式
ICME≤1
得
｜Δ｜≤6.25
即当“指令信号”与“位置反馈”之差的绝对值｜Δ｜≤6. 25 时，停止增减指令的输出；而当｜Δ｜＞6. 25 时，则将ICME的值（取整型数）赋给计数器ICINC（I）或ICDEC（I），这样，程序会根据｜△｜ 的大小来自动确定每秒钟发出几次增指令或减指令。
由于PADIN执行周期为1 s，DOOUT执行周期为250 ms，因此，DOOUT在1 s内执行4次的过程中，将有3次是根据第一次采样得到的数据来决定发出什么样的指令。这种情况下，程序转入IPADIN不等于1的分支，将计数器ICINC（I）和ICDEC（I）均减1。若有ICINC（I）≤0且ICDEC（I）＝0或者ICINC（I）＝0 且 ICDEC（I）≤0，则设置停止指令输出的标志，同时停止输出增指令或减指令。
这件事情在工程上的物理意义可描述为
当｜Δ｜<6. 25 时， 不发脉冲；
当6. 25≤｜Δ｜<12. 50 时， 1个脉冲/s；
当12. 50≤｜Δ｜<18. 75时， 2个脉冲/s；
当18. 75≤｜Δ｜<25. 00时， 3个脉冲/s；
当25. 00≤｜Δ｜时， 4个脉冲/s。
2.3 调节系统的工作过程
采样程序将生产现场的过程模拟量和数字量以及PL/PN转换器的位置反馈等信号存入计算机内存分区SCOM（I）中，其中有调节系统投自动的允许条件。当某个调节系统的投自动允许条件成立时，通过DOOUT程序将“自动允许”信号输出给A/M控制站。此时，若操作员按下投自动按钮，A/M控制站切换到自动侧并发出一“自动方式”信号，该信号由中断量采样程序采集并送到SCOM（I）中，使与门“AND”输出一信号将PID调节器投入自动运行。“设定值”与“被调参数”之差经PID运算输出一个“指令信号”（模拟量）。该信号与“位置反馈”信号在DOOUT程序中进行比较，形成“增”或“减”这样的数字量信号，经A/M控制站送给E/PUL转换器变成脉冲信号，再经PL/PN转换成气动信号。该气动控制信号送给执行器上的阀门定位器经放大后驱动相应的执行机构。系统在达到动态平衡时，“被调参数”等于“设定值”，“位置反馈”等于“指令信号”。
如果运行过程中，因某种原因造成“自动允许”信号不成立，或由操作员按下某操作器的手动按钮，则相应的A/M控制站将切换成手动方式，其输出信号取决于单元控制台发来的操作指令。同时，相应的PID调节器也被切换成跟踪方式。其“指令信号”跟踪“位置反馈”，以便再投自动时，能够无扰动或将扰动控制在最低限度。
4 结束语
采用脉冲输入式气动执行机构与计算机互联，解决热工控制系统的自动化问题。在华能大连电厂一期工程2×350MW单元机组投产十年来的工程实践中，已取得良好的效果。每台机组配备了36套脉冲输入式气动执行机构，用于单元机组大部分的调节系统中（除DEH、MEH和给煤机煤量控制外）。运行实践已表明，整个控制系统的故障率低、安全、稳定、可靠。
脉冲/气压(PL/PN)转换器在电气性能和机械性能上均能满足调节质量的要求，且体积小、可方便地安装在生产现场，调校方法简单，维护量很少。
采用脉冲输入式气动执行机构，在发生电源故障或电缆故障时，执行器可保持在原位，避免由于执行机构的变化而引起故障的扩大。
在一般的电动执行机构中，位置发送器是由差动变压器及整流装置构成的，因此其线路比较复杂，需采用串联谐振磁饱和式稳压器供电，并用热敏电阻进行温度补偿，还要增加一个补偿变压器，使其铁芯工作在非饱和区，以防供电电压发生波动时影响精度。此外，当差动变压器铁芯移动时，电路中会存在“假零点”问题，因此对于采用全波整流电路的位置发送器的调整必须十分注意［3］。
图2所示的PL/PN转换器，由于其位置发送器是由滑线电阻和电压/电流转换器组成的，因此其调校方便，信号也很准确。
本文所述的这种控制方案，由于采用了脉冲式气动执行机构，给系统带来了较高的安全性和令人满意的控制精度。但需强调的是，DOOUT程序要通过计算“指令信号”与“位置反馈”的偏差来确定E/PUL转换器的动作方向以及每秒钟发出的脉冲量，因此，对“位置反馈”这个信号的要求较高，这一点应予以重视。
总之，华能大连电厂的实践已表明，脉冲输入式气动执行机构与计算机控制系统的互联是热工自动化控制方案中的一个成功范例。
参考文献
1 韩忠旭. 华能大连电厂过程控制计算机软件浅析. 电网技术, 1993;17(1)
2 中国DEC机用户协会, 中山大学计算中心编译. RSX-11M系统应用指南. 下册. 1984
3 沈自均, 徐书菘. 热工自动化仪表. 北京: 电力工业出版社, 1980
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