基于HART協議的智能電氣閥門定位器解析

董學全（茂名臻能熱電有限公司,廣東　茂名　525000）

基于HART協議的智能電氣閥門定位器解析

董學全
（茂名臻能熱電有限公司,廣東茂名525000）

摘要：本文首先對HART協議以及智能電氣閥門定位器進行詳細的介紹，然后從硬件、軟件兩個方面分析基于HART協議進行智能閥門定位器研制分析，事實也證明了這種定位器比傳統的閥門定位器性能優良。

關鍵詞：HART協議；智能電氣閥門；定位器

隨著我國工業技術的發展，閥門定位器經歷了幾次改革，由最初的氣動閥門，到機械力平衡式閥門定位器，然后再到現在電氣閥門定位器。同時在我國科學技術的帶動下，閥門定位器逐漸向著自動化、數字化的方向發展，與當今全數字化工業生產相適應。HART協議具有模擬信號與數字信號兼容的特點，因此基于HART協議的電氣閥門也比傳統的閥門性能更加優良。

1　HART協議與智能閥門定位器概述

1.1 HART協議

所謂的HART協議，就是可尋址遠程傳感器高速通道開放通信協議，該協議最早出現于美國，用于控制室設備與現場智能儀表之間的通信協議。該協議中，HART裝置具有合適的響應時間以及較低寬帶，經過數十年的發展，發達國家的HART技術也已經十分成熟，并廣泛應用于工業生產中。

HART協議主要利用FSK頻移鍵控信號，該信號采用標準為Bell202，也就是在4～20毫安的低頻模擬信號之上，疊加幅度為0.5毫安的音頻信號，實現雙向的數字通信，具有1.2Mbit/s數據的傳輸率。加上FSK平均信號值一般為0，因此在信號傳輸過程中不會對系統模擬信號造成影響，確保模擬信號與現實信號的兼容性。這種通信協議利用半雙工通信方式，在模擬信號上實現數字化通信，同時采用統一的描述語言（DDL），通過這種語言對設備的特性進行描述，同時完成對描述語言的等級，并將其編寫成描述字典。但是HART技術采用混合模擬數字信號，給通信芯片的開發增加了難度。HART才有的供電方式為總線供電，基本上滿足安全防爆需求。

1.2智能閥門定位器

作為調節閥中關鍵的附件，閥門定位器的性能直接影響調節閥整體的使用性能。通常來說，閥門定位器運行原理主要是閉環控制，即對調節信號的控制或者是對調節器進行直接調節，同時將執行器反饋的信號與控制信號進行對比，根據兩種信號之間的差異性對相關動作進行調節，保證閥門芯位置準確，實現準確定位。智能閥門定位器的主要組成部分包括：（1）信號調理。該部分主要負責信號的轉換，將閥門位置反饋的信號以及輸入信號反饋成為處理器能夠接收的信號，該部分電路內容應該根據輸入信號采用的通信協議不同進行合理選擇。（2）閥門檢測反饋裝置。該部分主要是對閥桿位移進行檢測，同時將執行機構檢測的信號進行反饋；（3）微處理器。該部分將接受到的兩個信號，根據事先設置的流量特性，然后將兩個信號進行比對，同時進行相應的信號轉換，對閥門開度進行檢查，保證其與設定值一致。最后以信號的形式將最終識別結果傳輸到智能電氣裝置中；（4）電氣轉換控制裝置。該部分就是將控制電信號進行轉換，轉換成為氣流開關信號，并將其傳輸到氣動執行機構，從而為執行機構各項動作提供動力。

2　智能電氣閥門定位器設計

2.1 智能電氣閥門定位器硬件設計

在進行電氣閥門定位器硬件設計方面，具體包括以下幾個方面的設計：（1）為了確保閥門定位器定位的準確性，一般利用角行程或直行程執行結構；（2）為了保證智能電氣閥門定位器實現雙向通信問題，主要利用HART協議以及上位監控計算機，用戶能夠在控制室中實現對現場電氣設備的監控，進而對定位器工作方式、報警工作信息等全面了解。（3）定位器硬件設計過程中，可以通過組態，實現多種功能，具體的功能包括流量特性設置、分程控制、行程范圍設定等等。

2.2 智能電氣閥門定位器軟件設計

智能電氣閥門定位器作為一種現場的數字組態設備，能夠實現對現場的調試，這種類型的定位器運行模式包括組態、手動以及自動三種模式，并且能夠通過功能鍵實現三種運行方式之間的自由切換。

（1）智能閥門定位器主要運行方式是自動模式，主要是利用自動閉環控制功能，對相關的控制算法進行調用，給壓電閥提供驅動力，實現對閥門位置的跟蹤控制，這一控制過程發生在設定值與反饋至處理結束后。（2）組態參數整定如果采用傳統的閥門定位器，過程相對復雜，需要經過多次反復調整。而如果利用智能電氣閥門調節器進行組態參數整定，通過微控制器以及微處理器就能夠實現對絕大多數參數的識別與判定。同時，對于智能電氣閥門定位器安裝以及調試方面，不用過多的設定，就能實現運行參數自動化整定。首先需要弄清執行機構作用方向；其次是需要將執行結構的行程、零點等進行確定；然后測試泄漏量；再次弄清定位增量的最小量；最后對相關相應動作實施優化。（3）在振動作用下，定位器閥門不斷的進行狀態調整，給調節閥門的壽命造成極大的影響，這一問題可以通過死區設置進行解決。另外，需要對電氣閥門的禁閉功能進行智能化設置，有效的消除閥門無法關閉的問題，確保閥門氣缸在閥門關閉口沒有多余的壓力。具體的算法步驟為，首先通過當前誤差值對PWM控制波形占空比進行計算，得出結果后利用誤差的正負，對充放氣狀態進行辨別，同時對相關功能函數進行調整，實現對閥門充放氣的直接控制。

3　總結

通過上述分析可知，智能電氣閥門性能更加優良，其主要是基于HART數字化通信協議，實現了閥門定位器的智能化、數字化，同時提高了氣動執行機構在定位過程中的高精度化。

參考文獻：

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作者簡介：董學全(1982-)，男，山東臨清人，本科，工程師,熱能動力。