國產(chǎn)新型智能閥門定位器的設(shè)計(jì)

蔡 明 白雪蓮 章 英

(北京京儀集團(tuán)有限責(zé)任公司，北京 100022)

0 引言

目前，在對(duì)安全防爆具有較高要求的工控領(lǐng)域中，智能型閥門定位器的應(yīng)用越來越廣泛。按照工作原理及實(shí)現(xiàn)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(jī)電式智能閥門定位器、壓電開關(guān)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(chǎn)品在工程應(yīng)用和市場競爭中各具特色。其中，以壓電開關(guān)式智能閥定位器較為流行［1－2］。

北京京儀集團(tuán)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(zhuǎn)換和氣動(dòng)放大部件，硬件電路設(shè)計(jì)突出超低功耗理念，整體布局采用優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低了硬件電路的電流總消耗。試驗(yàn)證明，在4 mA低電流供電且出現(xiàn)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(shè)計(jì)

新型全電子式智能閥門定位器的系統(tǒng)由前端與電源、反饋(位移傳感器與反饋連桿等)、輸出驅(qū)動(dòng)、I/P轉(zhuǎn)換(壓電閥)、人機(jī)交互(LCD顯示與按鍵)和報(bào)警輸出等幾部分組成［3－4］。整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能閥門定位器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of the smart valve positioner

來自上位機(jī)的4～20 mA(或其他制式信號(hào))電流信號(hào)，利用穩(wěn)壓二極管完成I/V轉(zhuǎn)換和一級(jí)簡單穩(wěn)壓，隨后通過DC-DC線性穩(wěn)壓模塊、電荷泵或開關(guān)式升壓模塊，分別產(chǎn)生3 V、5 V和24 V等幾組電壓，供CPU、外設(shè)硬件電路及壓電閥驅(qū)動(dòng)電路使用。同時(shí)，利用傳感器電路，獲取與輸入電流i呈線性比例關(guān)系的電壓信號(hào)。該信號(hào)通過前向數(shù)據(jù)傳輸通道送往MSP430微處理器片上A/D端口或外接A/D轉(zhuǎn)換器端口，完成控制信號(hào)的采樣與數(shù)據(jù)處理。

氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)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(hào)的采樣與處理。在CPU中，將控制信號(hào)采樣值與反饋信號(hào)采樣值進(jìn)行比較，再經(jīng)過一系列復(fù)雜的控制算法，產(chǎn)生相應(yīng)大小的輸出控制量。該控制量通過MSP430片上模塊實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)輸出，并經(jīng)過由精密放大器件組成的驅(qū)動(dòng)電路直接驅(qū)動(dòng)壓電閥和氣動(dòng)放大器，以調(diào)節(jié)氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的行程，即閥門的開度。

LCD液晶顯示和4個(gè)按鍵則是定位器“人-機(jī)”信息和數(shù)據(jù)交互的窗口，可以完成變量和相關(guān)參數(shù)的初始值設(shè)置、數(shù)據(jù)組態(tài)及實(shí)時(shí)顯示等諸多功能。輸出報(bào)警模塊完成系統(tǒng)異常監(jiān)控，并產(chǎn)生遠(yuǎn)端報(bào)警輸出。

另外，為了增大重要數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)容量，增加了片外EEROM，并利用模擬I2C通信技術(shù)與單片機(jī)實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)交互。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

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(hào)的共同輸入端，是整個(gè)硬件電路的前端和基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)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(hào)及電路板上的各種傳導(dǎo)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(hù)功能。

由于定位器電源電路串接在4～20 mA電流環(huán)路內(nèi)，因此，選用了穩(wěn)壓范圍寬、吸納電流較強(qiáng)的齊納二極管，實(shí)現(xiàn)了I/V轉(zhuǎn)換。這樣即使輸入電流在較大范圍內(nèi)變化時(shí)，輸出電壓仍然能夠穩(wěn)定在規(guī)定值，為后續(xù)的DC-DC變換和升壓模塊提供了比較穩(wěn)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(zhuǎn)換效率的電荷泵完成，其具有很高的電能轉(zhuǎn)換效率(一般在90%以上);24 V升壓部分則利用了DC-DC開關(guān)升壓技術(shù)，利用高性能、低功耗專用芯片作為核心設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。電源模塊采用綜合調(diào)制技術(shù)，不僅降低了靜態(tài)電流的消耗，而且實(shí)現(xiàn)了輸出電流值根據(jù)負(fù)荷大小自動(dòng)調(diào)整的功能。

③ 檢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性檢流元件，以獲取與控制信號(hào)具有近似線性關(guān)系的電壓Uab。該電壓通過差動(dòng)放大調(diào)理后，送入微處理器進(jìn)行采樣與數(shù)據(jù)處理。

為了減少溫漂對(duì)系統(tǒng)測量精度的影響，電流檢測電阻選用了熱穩(wěn)定性好、漂移小的康銅合金檢流器件。此外，設(shè)計(jì)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(bǔ)償電阻，使輸入信號(hào)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(hào)的線性調(diào)理與放大。定位器控制的實(shí)質(zhì)是閉環(huán)負(fù)反饋控制，因此，實(shí)現(xiàn)位移-電壓變換的反饋機(jī)構(gòu)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(dǎo)電塑料電位器等組成，主要完成氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)閥位反饋行程到電壓信號(hào)的轉(zhuǎn)換。其中，精密齒輪組可以將氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)行程的角位移放大若干倍，提高反饋信號(hào)的精度。由于正/反行程的一致性對(duì)控制精度具有較大影響，所以對(duì)工藝設(shè)計(jì)與精密加工技術(shù)提出了較高要求，在軟件實(shí)現(xiàn)部分采取了補(bǔ)償措施。

⑤ 輸出驅(qū)動(dòng)部分，使輸出數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r(shí)同步更新，并能通過高共模抑制比的低功耗驅(qū)動(dòng)單元和I/P轉(zhuǎn)換部件完成對(duì)壓電閥和氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的驅(qū)動(dòng)控制。

⑥ 附屬電路包括按鍵、復(fù)位、液晶顯示和片外EEROM等單元電路。片外EEROM擴(kuò)大了存儲(chǔ)容量，增加了鍵盤-LCD、人-機(jī)交互窗口，使該產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與操作更加智能化和人性化。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)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(tǒng)監(jiān)控和初始化任務(wù)，同時(shí)還具有CPU、各種片上外設(shè)和外圍芯片等的設(shè)置與初始化、系統(tǒng)自檢和PID參數(shù)自整定、人-機(jī)信息交互以及故障報(bào)警輸出等輔助功能。

控制軟件是軟件設(shè)計(jì)的核心和關(guān)鍵環(huán)節(jié)，主要完成信號(hào)實(shí)時(shí)采樣、數(shù)據(jù)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(jī)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，既確保了數(shù)據(jù)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(shè)備控制命令和數(shù)據(jù)的傳輸，采用主從應(yīng)答式通信。為了提高CPU的利用效率，下位機(jī)利用MSP430的串行通信模塊，以中斷方式進(jìn)行命令與數(shù)據(jù)幀的發(fā)送與接收。

在接收中斷程序中，下位機(jī)對(duì)上位機(jī)命令幀進(jìn)行接收、識(shí)別，判斷是否接收到正確的前導(dǎo)符和定界字符以及字符間隔是否超時(shí)，并設(shè)置收到的信息幀的類型，如發(fā)送幀、應(yīng)答幀或突發(fā)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(fā)送中斷程序便將要發(fā)送的應(yīng)答幀或數(shù)據(jù)幀依次送入發(fā)送緩存。當(dāng)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(shù)據(jù)的發(fā)送，若發(fā)送完畢或出現(xiàn)錯(cuò)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(shù)據(jù)幀后，必須停止總線上的FSK載波信號(hào)，以便其他主控設(shè)備、站點(diǎn)占用該通信線路。同時(shí)，為了減小誤碼率，通信中采用了“垂直+水平”的校驗(yàn)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Fig.4 Flowchart of interrupt program

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4 mA甚至更低電流的極限條件下仍能正常、可靠運(yùn)行，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采取了一系列綜合措施，以降低系統(tǒng)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(diǎn)做好低功耗集成運(yùn)放的選型和參數(shù)匹配工作;最后，在程序設(shè)計(jì)中采用了“睡眠 + 中斷喚醒”模式［6－8］。

經(jīng)過綜合測試，系統(tǒng)能正常工作的電流總消耗降低至3 mA左右。

4.2 自適應(yīng)PID控制算法

氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)及閥門是一個(gè)典型的嚴(yán)重非線性、大滯后的控制對(duì)象，要實(shí)現(xiàn)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(guī)格的氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)及閥門，其指標(biāo)參數(shù)往往差異很大，譬如執(zhí)行機(jī)構(gòu)的行程、摩擦力和時(shí)延等，即便是同一套系統(tǒng)，隨著時(shí)間的推移，某些性能參數(shù)也會(huì)發(fā)生較大的改變。

對(duì)此，設(shè)計(jì)中采用了PID自適應(yīng)控制算法。該算法具有很強(qiáng)的自適應(yīng)控制能力，不僅初始參數(shù)能夠在線地自動(dòng)整定，而且閥位調(diào)節(jié)和控制過程為基于系統(tǒng)辨識(shí)的自適應(yīng)控制。根據(jù)控制對(duì)象特性參數(shù)的變化，在線實(shí)時(shí)調(diào)整PID控制策略和KP、KI、KD等控制參數(shù)值，提高了響應(yīng)速度、定位精度和抗干擾能力［9］。

5 結(jié)束語

隨著總線和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程控制的智能型閥門定位器已經(jīng)成為現(xiàn)代過程控制系統(tǒng)中的核心部件之一。因此，發(fā)展全電子式新型智能閥門定位器具有重要的戰(zhàn)略意義。

本項(xiàng)目所研發(fā)的壓電比例式智能閥門定位器屬于實(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(yīng)控制能力;其獨(dú)特的單只壓電閥設(shè)計(jì)，不僅提高了產(chǎn)品運(yùn)行的可靠性，也降低了生產(chǎn)成本，提升了產(chǎn)品的市場競爭能力。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定位器產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起到了積極作用。

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