國產新型智能閥門定位器的設計

蔡 明 白雪蓮 章 英

(北京京儀集團有限責任公司，北京 100022)

0 引言

目前，在對安全防爆具有較高要求的工控領域中，智能型閥門定位器的應用越來越廣泛。按照工作原理及實現方式的不同，主流智能型閥門定位器大體上分為噴嘴擋板機電式智能閥門定位器、壓電開關式智能閥門定位器和壓電比例式智能閥門定位器3大類型。上述產品在工程應用和市場競爭中各具特色。其中，以壓電開關式智能閥定位器較為流行［1－2］。

北京京儀集團研制的全電子式智能閥門定位器，采用比例式壓電閥作為I/P轉換和氣動放大部件，硬件電路設計突出超低功耗理念，整體布局采用優化設計，降低了硬件電路的電流總消耗。試驗證明，在4 mA低電流供電且出現10%波動的情況下，硬件電路仍能正常工作，大大提高了定位器工作的可靠性。

1 總體設計

新型全電子式智能閥門定位器的系統由前端與電源、反饋(位移傳感器與反饋連桿等)、輸出驅動、I/P轉換(壓電閥)、人機交互(LCD顯示與按鍵)和報警輸出等幾部分組成［3－4］。整個系統結構如圖1所示。

圖1 智能閥門定位器結構圖Fig.1 Structure of the smart valve positioner

來自上位機的4～20 mA(或其他制式信號)電流信號，利用穩壓二極管完成I/V轉換和一級簡單穩壓，隨后通過DC-DC線性穩壓模塊、電荷泵或開關式升壓模塊，分別產生3 V、5 V和24 V等幾組電壓，供CPU、外設硬件電路及壓電閥驅動電路使用。同時，利用傳感器電路，獲取與輸入電流i呈線性比例關系的電壓信號。該信號通過前向數據傳輸通道送往MSP430微處理器片上A/D端口或外接A/D轉換器端口，完成控制信號的采樣與數據處理。

氣動執行機構閥位位移反饋量通過反饋連桿、齒輪組和精密位移式電位器來完成位移-電壓變換，并通過反饋傳輸通道，完成反饋信號的采樣與處理。在CPU中，將控制信號采樣值與反饋信號采樣值進行比較，再經過一系列復雜的控制算法，產生相應大小的輸出控制量。該控制量通過MSP430片上模塊實現實時輸出，并經過由精密放大器件組成的驅動電路直接驅動壓電閥和氣動放大器，以調節氣動執行機構的行程，即閥門的開度。

LCD液晶顯示和4個按鍵則是定位器“人-機”信息和數據交互的窗口，可以完成變量和相關參數的初始值設置、數據組態及實時顯示等諸多功能。輸出報警模塊完成系統異常監控，并產生遠端報警輸出。

另外，為了增大重要數據的存儲容量，增加了片外EEROM，并利用模擬I2C通信技術與單片機實現雙向數據交互。

2 硬件電路設計

智能閥門定位器硬件電路原理如圖2所示［3］。

圖2 定位器硬件電路原理圖Fig.2 Principle of the hardware circuitry for positioner

各單元電路組成及功能如下。

① 濾波及I/V變換電路是電源和控制信號的共同輸入端，是整個硬件電路的前端和基礎。設計中采用高性能濾波器，配合低阻抗線繞電感，有效抑制了4～20 mA電流信號及電路板上的各種傳導干擾和高頻干擾。同時，增加肖特基二極管、防雷壓敏電阻等，使前端輸入通道具有良好的二次保護功能。

由于定位器電源電路串接在4～20 mA電流環路內，因此，選用了穩壓范圍寬、吸納電流較強的齊納二極管，實現了I/V轉換。這樣即使輸入電流在較大范圍內變化時，輸出電壓仍然能夠穩定在規定值，為后續的DC-DC變換和升壓模塊提供了比較穩定的輸入電壓源。

② 電源模塊，電子式智能型閥門定位器需要3 V、5 V和24 V等幾組電壓源。3～5 V電壓變換采用了具有較大輸入范圍和較高轉換效率的電荷泵完成，其具有很高的電能轉換效率(一般在90%以上);24 V升壓部分則利用了DC-DC開關升壓技術，利用高性能、低功耗專用芯片作為核心設計實現。電源模塊采用綜合調制技術，不僅降低了靜態電流的消耗，而且實現了輸出電流值根據負荷大小自動調整的功能。

③ 檢流與前向輸入通道采用低端檢測法，同時串聯了一個具有良好溫度特性的線性檢流元件，以獲取與控制信號具有近似線性關系的電壓Uab。該電壓通過差動放大調理后，送入微處理器進行采樣與數據處理。

為了減少溫漂對系統測量精度的影響，電流檢測電阻選用了熱穩定性好、漂移小的康銅合金檢流器件。此外，設計中采用綜合措施，消除并抑制了共模干擾和噪聲干擾;同時，添加了補償電阻，使輸入信號的偏移誤差降低到最小。

④ 位置反饋電路的主要功能是反饋信號的線性調理與放大。定位器控制的實質是閉環負反饋控制，因此，實現位移-電壓變換的反饋機構也是定位器重要的組成部分。

位移-電壓變換部分由反饋連桿、精密齒輪組和精密導電塑料電位器等組成，主要完成氣動執行機構閥位反饋行程到電壓信號的轉換。其中，精密齒輪組可以將氣動執行機構行程的角位移放大若干倍，提高反饋信號的精度。由于正/反行程的一致性對控制精度具有較大影響，所以對工藝設計與精密加工技術提出了較高要求，在軟件實現部分采取了補償措施。

⑤ 輸出驅動部分，使輸出數據能夠實時同步更新，并能通過高共模抑制比的低功耗驅動單元和I/P轉換部件完成對壓電閥和氣動調節閥的驅動控制。

⑥ 附屬電路包括按鍵、復位、液晶顯示和片外EEROM等單元電路。片外EEROM擴大了存儲容量，增加了鍵盤-LCD、人-機交互窗口，使該產品的設計與操作更加智能化和人性化。

3 軟件設計

3.1 系統軟件

智能閥門定位器的程序主要由管理、控制和通信軟件等幾部分組成。其中，PID控制和HART通信程序組成了主程序［4－5］。

管理軟件主要完成系統監控和初始化任務，同時還具有CPU、各種片上外設和外圍芯片等的設置與初始化、系統自檢和PID參數自整定、人-機信息交互以及故障報警輸出等輔助功能。

控制軟件是軟件設計的核心和關鍵環節，主要完成信號實時采樣、數據處理和控制算法處理等核心任務。

通信軟件的任務包括兩部分:一部分是定位器與上位機控制器之間遵循HART協議的半雙工通信;另一部分是CPU與片外EEROM芯片之間遵循I2C協議的串行數據通信以及LCD顯示等。兩者都采用主從方式工作，以中斷方式進行數據的發送和接收，既確保了數據的實時傳輸，又提高了CPU工作效率。

主程序流程圖如圖3所示。

圖3 主程序流程圖Fig.3 Flowchart of main program

3.2 HART 通信

HART通信是一種半雙工的通信模式，由主控設備控制命令和數據的傳輸，采用主從應答式通信。為了提高CPU的利用效率，下位機利用MSP430的串行通信模塊，以中斷方式進行命令與數據幀的發送與接收。

在接收中斷程序中，下位機對上位機命令幀進行接收、識別，判斷是否接收到正確的前導符和定界字符以及字符間隔是否超時，并設置收到的信息幀的類型，如發送幀、應答幀或突發幀等，接著接收信息幀的其余部分，直到接收完畢。一旦接收完畢，發送中斷程序便將要發送的應答幀或數據幀依次送入發送緩存。當已經建立鏈接且物理層允許發送時，CPU自動啟動信息或數據的發送，若發送完畢或出現錯誤，則進入終止發送狀態，完成一次命令的交換。每次傳送完畢命令幀或數據幀后，必須停止總線上的FSK載波信號，以便其他主控設備、站點占用該通信線路。同時，為了減小誤碼率，通信中采用了“垂直+水平”的校驗方法，提高了通信質量。

HART通信中斷程序流程如圖4所示。

圖4 中斷程序流程圖Fig.4 Flowchart of interrupt program

4 關鍵及核心技術

4.1 超低功耗技術

為了使定位器在4 mA甚至更低電流的極限條件下仍能正常、可靠運行，在系統設計中采取了一系列綜合措施，以降低系統功耗。首先要處理好前端I/V變換等過程的能量損耗問題;其次，重點做好低功耗集成運放的選型和參數匹配工作;最后，在程序設計中采用了“睡眠 + 中斷喚醒”模式［6－8］。

經過綜合測試，系統能正常工作的電流總消耗降低至3 mA左右。

4.2 自適應PID控制算法

氣動執行機構及閥門是一個典型的嚴重非線性、大滯后的控制對象，要實現精確定位(定位精度0.5%)，控制難度較大，主要原因在于:不同規格的氣動執行機構及閥門，其指標參數往往差異很大，譬如執行機構的行程、摩擦力和時延等，即便是同一套系統，隨著時間的推移，某些性能參數也會發生較大的改變。

對此，設計中采用了PID自適應控制算法。該算法具有很強的自適應控制能力，不僅初始參數能夠在線地自動整定，而且閥位調節和控制過程為基于系統辨識的自適應控制。根據控制對象特性參數的變化，在線實時調整PID控制策略和KP、KI、KD等控制參數值，提高了響應速度、定位精度和抗干擾能力［9］。

5 結束語

隨著總線和網絡技術的發展，能夠實現遠程控制的智能型閥門定位器已經成為現代過程控制系統中的核心部件之一。因此，發展全電子式新型智能閥門定位器具有重要的戰略意義。

本項目所研發的壓電比例式智能閥門定位器屬于實用新型產品。該產品具有優良的超低功耗性能和很高的自適應控制能力;其獨特的單只壓電閥設計，不僅提高了產品運行的可靠性，也降低了生產成本，提升了產品的市場競爭能力。該產品的研發，為推動國產新型全電子式智能閥門定位器產業的發展起到了積極作用。

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