國產(chǎn)新型智能閥門(mén)定位器的設計

　　智能型閥門(mén)定位器已經(jīng)成為現代過(guò)程控制系統的關(guān)鍵設備之一。為了進(jìn)一步提高定位器的控制性能，研制了一款新型全電子式智能閥門(mén)定位器，介紹了該款定位器的主要組成部分和關(guān)鍵核心技術(shù)。此定位器采用比例式壓電閥作為氣動(dòng)放大與驅動(dòng)部件，利用自適應等多種智能控制技術(shù)，提高了智能閥門(mén)定位器的定位精度和抗干擾性能。該定位器具有功耗低、集成度高和運行可靠性好等優(yōu)點(diǎn)，推動(dòng)了國產(chǎn)電子式智能閥門(mén)定位器產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

　　目前，在對安全防爆具有較高要求的工控領(lǐng)域中，智能型閥門(mén)定位器的應用越來(lái)越廣泛。按照工作原理及實(shí)現方式的不同，主流智能型閥門(mén)定位器大體上分為噴嘴擋板機電式智能閥門(mén)定位器、壓電開(kāi)關(guān)式智能閥門(mén)定位器和壓電比例式智能閥門(mén)定位器3大類(lèi)型。上述產(chǎn)品在工程應用和市場(chǎng)競爭中各具特色。其中，以壓電開(kāi)關(guān)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(mén)定位器，采用比例式壓電閥作為I/P轉換和氣動(dòng)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(yōu)化設計，降低了硬件電路的電流總消耗。試驗證明，在4mA低電流供電且出現10%波動(dòng)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(mén)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(dòng)、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(gè)系統結構如圖1所示。

圖1 智能閥門(mén)定位器結構圖

　　來(lái)自上位機的4～20mA(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(jiǎn)單穩壓，隨后通過(guò)DC-DC線(xiàn)性穩壓模塊、電荷泵或開(kāi)關(guān)式升壓模塊，分別產(chǎn)生3V、5V和24V等幾組電壓，供CPU、外設硬件電路及壓電閥驅動(dòng)電路使用。同時(shí)，利用傳感器電路，獲取與輸入電流i呈線(xiàn)性比例關(guān)系的電壓信號。該信號通過(guò)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(dòng)執行機構閥位位移反饋量通過(guò)反饋連桿、齒輪組和精密位移式電位器來(lái)完成位移-電壓變換，并通過(guò)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(jìn)行比較，再經(jīng)過(guò)一系列復雜的控制算法，產(chǎn)生相應大小的輸出控制量。該控制量通過(guò)MSP430片上模塊實(shí)現實(shí)時(shí)輸出，并經(jīng)過(guò)由精密放大器件組成的驅動(dòng)電路直接驅動(dòng)壓電閥和氣動(dòng)放大器，以調節氣動(dòng)執行機構的行程，即閥門(mén)的開(kāi)度。

　　LCD液晶顯示和4個(gè)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(guān)參數的初始值設置、數據組態(tài)及實(shí)時(shí)顯示等諸多功能。輸出報警模塊完成系統異常監控，并產(chǎn)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(shù)與單片機實(shí)現雙向數據交互。

2、硬件電路設計

　　智能閥門(mén)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

　　各單元電路組成及功能如下。

　�、贋V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(gè)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(xiàn)繞電感，有效抑制了4～20mA電流信號及電路板上的各種傳導干擾和高頻干擾。同時(shí)，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4～20mA電流環(huán)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(shí)現了I/V轉換。這樣即使輸入電流在較大范圍內變化時(shí)，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。

　�、陔娫茨�塊，電子式智能型閥門(mén)定位器需要3V、5V和24V等幾組電壓源。3～5V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);24V升壓部分則利用了DC-DC開(kāi)關(guān)升壓技術(shù)，利用高性能、低功耗專(zhuān)用芯片作為核心設計實(shí)現。電源模塊采用綜合調制技術(shù)，不僅降低了靜態(tài)電流的消耗，而且實(shí)現了輸出電流值根據負荷大小自動(dòng)調整的功能。

　�、蹤z流與前向輸入通道采用低端檢測法，同時(shí)串聯(lián)了一個(gè)具有良好溫度特性的線(xiàn)性檢流元件，以獲取與控制信號具有近似線(xiàn)性關(guān)系的電壓Uab。該電壓通過(guò)差動(dòng)放大調理后，送入微處理器進(jìn)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(shí)，添加了補償電阻，使輸入信號的偏移誤差降低到最小。

　�、芪恢梅答侂娐返闹饕�功能是反饋信號的線(xiàn)性調理與放大。定位器控制的實(shí)質(zhì)是閉環(huán)負反饋控制，因此，實(shí)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(dòng)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(dòng)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(shù)提出了較高要求，在軟件實(shí)現部分采取了補償措施。

　�、葺敵鲵寗�(dòng)部分，使輸出數據能夠實(shí)時(shí)同步更新，并能通過(guò)高共模抑制比的低功耗驅動(dòng)單元和I/P轉換部件完成對壓電閥和氣動(dòng)調節閥的驅動(dòng)控制。

　�、薷綄匐娐钒�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(pán)-LCD、人-機交互窗口，使該產(chǎn)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(mén)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(wù)，同時(shí)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(guān)鍵環(huán)節，主要完成信號實(shí)時(shí)采樣、數據處理和控制算法處理等核心任務(wù)。

　　通信軟件的任務(wù)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(xié)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(xié)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(jìn)行數據的發(fā)送和接收，既確保了數據的實(shí)時(shí)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

　　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(jìn)行命令與數據幀的發(fā)送與接收。

　　在接收中斷程序中，下位機對上位機命令幀進(jìn)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(shí)，并設置收到的信息幀的類(lèi)型，如發(fā)送幀、應答幀或突發(fā)幀等，接著(zhù)接收信息幀的其余部分，直到接收完畢。一旦接收完畢，發(fā)送中斷程序便將要發(fā)送的應答幀或數據幀依次送入發(fā)送緩存。當已經(jīng)建立鏈接且物理層允許發(fā)送時(shí)，CPU自動(dòng)啟動(dòng)信息或數據的發(fā)送，若發(fā)送完畢或出現錯誤，則進(jìn)入終止發(fā)送狀態(tài)，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(xiàn)上的FSK載波信號，以便其他主控設備、站點(diǎn)占用該通信線(xiàn)路。同時(shí)，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(zhì)量。

　　HART通信中斷程序流程如圖4所示。

圖4 中斷程序流程圖

4、關(guān)鍵及核心技術(shù)

　　4.1、超低功耗技術(shù)

　　為了使定位器在4mA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(guò)程的能量損耗問(wèn)題;其次，重點(diǎn)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(jīng)過(guò)綜合測試，系統能正常工作的電流總消耗降低至3mA左右。

　　4.2、自適應PID控制算法

　　氣動(dòng)執行機構及閥門(mén)是一個(gè)典型的嚴重非線(xiàn)性、大滯后的控制對象，要實(shí)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(dòng)執行機構及閥門(mén)，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(shí)延等，即便是同一套系統，隨著(zhù)時(shí)間的推移，某些性能參數也會(huì )發(fā)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(xiàn)地自動(dòng)整定，而且閥位調節和控制過(guò)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(xiàn)實(shí)時(shí)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(yǔ)

　　隨著(zhù)總線(xiàn)和網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的發(fā)展，能夠實(shí)現遠程控制的智能型閥門(mén)定位器已經(jīng)成為現代過(guò)程控制系統中的核心部件之一。因此，發(fā)展全電子式新型智能閥門(mén)定位器具有重要的戰略意義。

　　本項目所研發(fā)的壓電比例式智能閥門(mén)定位器屬于實(shí)用新型產(chǎn)品。該產(chǎn)品具有優(yōu)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(chǎn)品運行的可靠性，也降低了生產(chǎn)成本，提升了產(chǎn)品的市場(chǎng)競爭能力。該產(chǎn)品的研發(fā)，為推動(dòng)國產(chǎn)新型全電子式智能閥門(mén)定位器產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起到了積極作用。

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