智能閥門定位器控制系統設計

汪 川

(上海寶信軟件股份有限公司，上海 201900)

0 引言

傳統閥門多用手動調節[1]，且需現場調整來適應生產要求。然而在一些操作不方便或有害物質存在的地方，無法用手動調節。因此，研究智能閥門定位器具有十分重要的現實意義。本文設計了一種基于MSP430的智能閥門定位器控制系統。該系統實現了閥門控制參數的自整定[2]，可自動設定閥門動作所必需的全部參數，包括：閥門的零點和量程，作用方向;閥門的動作速度;參數KP、KI、KD的值及死區;閥門的全開和全關時間等。該系統提高了閥門定位器的控制精度和定位速度，具有廣闊的應用前景[3]。

1 系統方案設計

本文所設計的系統主要由控制核心、通信、LCD顯示及按鍵輸入、采樣、閥位反饋、電氣轉換等模塊構成。

1.1 控制核心模塊

本系統是以MSP430F149單片機作為核心控制器[4]，利用其片內外設和數據處理功能進行設計的。4～20 mA電流為整個系統的輸入，采用二線制(工業標準的4～20 mA電流信號)結構。電源和控制信號線共用兩根導線，其電源本身取自信號線。通過4～20 mA采樣電路，實現控制信號的采樣，并將其作為閥門工作設定值。系統結構如圖1所示。

圖1 系統結構示意圖

1.2 LCD顯示及按鍵輸入模塊

LCD顯示及按鍵輸入模塊用于提供人機接口。通過LCD，用戶可直觀地獲得閥門當前的開度、工作模式和一些具體工作參數，并可配合按鍵設置系統的工作方式、系統參數等。

1.3 閥位反饋模塊

閥位反饋模塊通過角位移傳感器測量執行器閥桿的位移，將閥桿的位移量轉換為電量，以負反饋的形式連接到系統的輸入，構成閥門位置系統的閉環控制回路，提高系統精度。執行器閥桿移動過程中，帶動固定在其上的反饋桿轉動；固定于反饋桿的電位器檢測裝置轉動，并產生電信號；經過反饋單元處理，形成電壓信號，送至控制器處理。

1.4 電氣轉換模塊

電氣轉換模塊實現完成電氣轉換功能。通過微控制器輸出的電信號，控制壓電閥，完成氣路充氣或放氣，從而改變作用于氣動調節閥的氣路氣壓。這樣，即可推動閥桿移動，完成閥門定位。

1.5 通信模塊

通信模塊利用單片機上的USART接口[5]。發送時，數據由UTXD端送出。接收時，數據由URXD端輸入。它是可編程的全雙工串行口。基于單片機的下位機，主要完成現場數據的采集與處理，并通過無線的方式將數據發送到上位機。上位機根據用戶設定，定時向下位機發出讀取數據的命令，并接收返回的數據值。

2 控制系統軟件設計

根據系統的功能要求，本系統的主要流程包括：系統初始化、閥門開度及各種參數的顯示、A/D采集、系統自整定、按鍵的處理、控制算法的實現、故障處理及安全保障程序等。

2.1 系統初始化

系統初始化包括：標志位及單元的清零；單片機I/O口的設置；液晶顯示驅動芯片NJU6433、存儲芯片EEPROM等與MSP430F149的接口定義；各個參數單元的初始值設定；定時器工作方式的設定；定時器初值的設定；中斷標志的設定等。

2.2 閥門開度及各種參數的顯示

系統正常工作時，要顯示閥門開度及其他各種信息。當液晶顯示屏顯示系統狀態時，即開始等待鍵盤輸入；輸入有效值后，則在液晶顯示屏上顯示所需查看的各種模式。

智能閥門定位器的工作模式主要有自動模式和手動模式。

自動模式是智能閥門定位器的常用工作方式，也是智能閥門定位器的核心功能部分。它通過自適應控制程序，根據系統輸入的電流設置值完成閥位開度的閉環控制，不斷減小系統輸入輸出偏差，并可將閥門實時開度百分比、工作方式顯示在液晶屏上。

手動模式是通過按鍵，設置系統自動模式向手動模式的切換。此時，系統將放棄對閥位開度的閉環控制，允許用戶采用UP和DOWN鍵控制閥位，并在液晶顯示屏上顯示當前系統的閥位開度百分比。通過按下UP和DOWN鍵，完成現場調整：長按UP鍵，實現系統的快速充氣；長按DOWN鍵，實現系統的快速放氣；釋放UP和DOWN鍵，保持當前狀態，執行機構停止。

2.3 A/D采集

MSP430單片機帶有8路的12位A/D轉換模塊，在這里選用了三路采集通道，分別對輸入信號、反饋和速度進行采集。使用單通道多次采樣的方式，每隔一定的時間對當前值進行檢測，并將檢測到的值與設定值進行比較，得到正確的顯示值，傳送至LCD顯示。

2.4 控制算法

采用積分分離的PID控制算法[6]。控制單元比較采樣、濾波處理后得到的設定值(set value,SV)與反饋值(process value,PV)獲得系統的輸出誤差；通過控制算法計算，輸出控制信號，驅動壓電閥動作，控制氣動調節閥、氣腔氣壓、驅動執行機構動作，完成閥位的閉環控制[7]。

主程序是整個系統軟件的運行主體，各個子系統軟件都必須經過它的調度，才能運行得當。主程序包括初始化程序、看門狗復位及通信發送啟動等。初始化主要完成上電自檢ROM、RAM、EEPROM、I/O；將系統中所有的命令、狀態以及有關的存儲單元置成初始狀態；分配內存單元及設置定時器參數等。故障判斷及安全處理程序，可為系統正常工作創造條件。在主循環系統中，隨時等待中斷的發生，并轉入相應的中斷處理程序。同時，通過按鍵功能，進入相應的按鍵處理程序[8]。

系統總體程序流程如圖2所示。

圖2 系統總體程序流程圖

3 系統測試及試驗結果

當閥門流量特性為線性流量特性時，閥門流量特性測試結果如表1所示。

從表1的試驗數據可以看出，系統控制后的流量特性和預期的目標流量特性是相吻合的，系統的精度控制在1%之內。由此證明，本控制系統能夠穩定運行，可靠性高，具有良好的動態響應特性。

表1 閥門特性

4 結論

本文提出了一種以MSP430為核心的智能閥門定位器。閥門的動作模式、流量特性、自動調零與調量程、段幅控制、各個參數的確定、現場數據的顯示等，都可由系統自動設定，也可根據用戶需求進行自定義。閥門定位準確，具有較好的控制精度和響應速度[9-10]。該設計在實際工業生產中具有較高的應用價值。