低功耗二線制設計在電氣閥門定位器中的實現

（浙江鋒源儀表有限公司，浙江富陽 311400）

0.引言

社會促進工業進步，閥門自動定位器從最初使用的純氣動、機械化，發展到后來的電動閥及閥門自動開關定位器，再到目前的智能型和廣泛使用數字總線控制技術及自動定位系統，這些發展的未來總趨勢必然電氣化、智能化、知識化，而且也要必須適應未來的全面數字控制的時代工業過程。雖說在我們國家這個領域的研究發展開始時間較晚，但目前隨著國際化，在各大國經濟發展的趨勢下，我國已經快速發展起來了。人們也日益認識和了解到加速工業設施現代化設備的技術改造能帶給生活便利。為此，基于深刻地消化和完全理解某公司開發同系列產品的基礎上，對使用低功耗二線電氣閥門定位器的開發研制進行了初步的技術探索工作[1]。

1.電氣閥門定位器的控制原理

電氣閥門定位器的控制原理見。經過2個小的氣動控制器后閥a和閥門b是用來分別控制兩個壓縮空氣門的進出氣動溫度調節控制閥，閥a用的是氣動進氣閥，閥b用的是氣動排氣閥，這2個小的閥門都只有“開”和“關”兩種工作狀態。在任一特定時刻，閥a、b之中它都只能保證有一個可以開通，另一個不能關閉。當調節a主閥開通時，由于調節壓縮氣和空氣內的壓力遠遠大于調節膜頭內部的壓力，因此壓縮空氣大量進入氣動調節閥主閥，閥桿從上向下傾斜移動；反之，則當調節b主閥開通時，調節閥主閥氣室內的大量壓縮氣和空氣經調節b主閥排入調節大氣，閥桿在液壓彈簧的推動作用下閥桿向上傾斜移動。在這種電氣閥門自動定位器中，為了足夠能與自動控制電路同時接口，閥a和閥門b的自動開關同時接通與自動關斷必須做到能夠用一定電量信號來進行控制。

我們日常使用的壓電磁閥主要是一種新型壓力式電磁性金屬陶瓷材料電磁自動控制閥，其正常工作時的基本原理也就是磁閥通過依據各種不同壓電磁性陶瓷材料的不同磁性比和壓力將電磁化產生效應。用一個納米大小片特殊金屬材料焊接制作的小型的經壓電后的變形成型陶瓷片，在它兩側分別要再加上4V～30V值的額定電壓，壓電后的變形陶瓷片就很有可能會自然然地發生彎曲，總的折彎形狀和壓電變量最大長度可達幾十微米。從而保證用戶隨時可以完全放松堵住/暫時完全放松打開車內室外進氣口或完全關閉車內排氣口，達到完全實時控制車內進出氣流的主要使用目的。閥位控制采用五接點開關控制算法，這種算法原理簡單明了，控制特性較好，實現也不復雜，適合那些基于微控制器的應用系統。

2.二線制儀表

二線制式的儀表就是指無線電源和儀表信號控制線之間公用兩根圓形導線的控制儀表，即不需要使用任何額外的無線電源，儀表的電源供電完全可以是從電源控制器的信號中直接取出的。對于一種二線程控制定位器來說，輸入輸出電流源的信號頻率范圍一般為4mA～20mA，此電流信號既可以作為一個定位輸出信號，又可以提供整個定位器所使用需要的全部輸出功率，因此整個定位設備性能要求在低頻率功耗下正常運行。現如今在石油、化工等工業控制中，對防火防爆的要求非常嚴格，而二線制儀表由于電源本身可以取信號線，不需要另外提供電源，所以在構成本質安全的防爆結構里具有很大的優勢。

3.電氣閥門定位器的硬件構成

整個硬件設計的困難在于雙線系統對能源的使用要求很嚴格，整個系統（包括壓力控制閥驅動）應能通過4mA～20mA的報警線路供電。

由于電動閥定位器的引入僅僅只是電流信號，實際電路需要不同的電壓。例如，一個與MCU和ADC電壓輸入電流相當的ADC輸入電壓可能需要3.3V，a在壓力下工作的陶瓷電磁閥的控制需要24V以上的電壓，這些都需要一定的轉換和處理。電源轉換模塊的任務是將輸入電流轉換成2個電源組：3V和24V的微處理器和其他裝置。由于成功轉換電路的這一部分，以及效率水平直接影響系統的功率，從而影響整體設計的電路成功或失敗，所以位置是特別重要的。

這部分電路對應于一個簡單的開關控制器，其基礎思想是將輸入電流轉換為低電壓，再通過發電機產生振動。最后通過整流、濾波以及獲得所需的電壓值，進行過濾，使線性電壓穩定，促進了直流電的轉換(DC/DC變換)。為了實現這一點，需要做自己的變壓器巡視。由于LO消耗的能量較少，選擇它作為一個顯示，可以提供一個互動的界面與鍵盤，用戶可以手動控制閥位置或輸入控制參數[2]。

4.電氣閥門定位器的軟件構成

軟件開發主要是實現了一個簡單的實時內核，取決于中斷的時間。在這個基礎上，功能應該是在執行任務的不同頻率下，在不同的任務模塊中開發完成任務的不同頻率。為了實現所有的系統功能，在開發過程中，降低系統的能源消耗，使用低成本的節約措施。該閥門定位器軟件主要由以下模塊組成：

（1）AD數據處理和電動壓力閥控制模塊。主要完成取樣、ADC數據處理和閉路控制。

（2）將EPROM參數納入模塊。將系統配置參數納入EPROM，以便在斷電后保持系統的重要參數。

（3）單擊按鈕來掃描和處理模塊。履行鍵控功能，消除抖動，記錄時間，當你按下一個鍵，并在特定的事件發生時調用一個鍵。

（4）LC顯示模塊。它的任務是顯示剪貼板的內容在LCD。除了正常的顯示，還可以在設置菜單中執行閃爍、交替顯示等功能。

（5）自動調整模塊。其功能是完成自動調整和系統設置。

5.低功耗的實現

正是由于兩條線路的系統，以最小的能源使用是主要目標，也是在設計整個系統結構時應遵循的程序。如果系統允許在信號輸入輸出功率波動時，信號輸出線的最低輸入電流實際上是3.6MHz。假設每個輸入容器的一端可以產生10V的電壓，整個系統的輸出功率不應超過36MW。如此低的能耗，提供給外圍供電設備，如MCU、ADC、LED、EEPROM并運輸，以及能夠產生低頻和高壓電流的陶瓷電磁閥。以下是為了實現控制系統的功能效率一系列上大幅減少能源使用的有效措施。

（1）在低較大功耗直流電路的基本設計上，盡量減少不必要的較大功率電路消耗，提高各電路部分的直流供電運行效率。低功率能耗橋式二線制動器設計在工業電氣控制閥門自動定位器系統中的應用實現。

（2）在微型集成電路和低功耗的器件實現上，選擇一種低成本功耗或微型低功耗的集成器件。

（3）控制要減少器件的運行電壓，MCU及其外部元器件的正常工作電壓可以減少至3.3V。

（4）減少MCU的工作頻率。將微控制器的總線信號頻率下調至1.0MHz。

（5）要盡量充分利用元器件的省電或者是有空閑的方式。

另一個方面，系統的運行速度和其他的性能，在大大降低了功耗的情況下，必然也就意味著系統各個方面都會受到一定性能上的損失，在進行設計過程中應該慎重考慮。

6.結語

工業科技在被不斷創新，低功耗的二線制設計越來越趨于精細化，在電氣閥門定位器中已經實現了定位器的控制快捷、控制性能比較優良、具備靈活多變的性能，并且還可以實現對參數進行自動化的整定和調校。低功耗的二線制電氣閥門定位器的設計與實現，是一個有益的研究探索，對于二線制電氣儀表的全方位研制與應用，起到一定的積極推動作用，為我國經濟社會發展工業高效進步貢獻了力量。