智能閥門定位器關鍵技術的研究與實現

吳寧勝

摘 要： 閥門定位器是工業管道控制系統的關鍵儀表之一。為了提高定位器的控制性能，以AVR單片機為核心設計基于HART通信協議的智能閥門定位器。介紹智能閥門定位器的組成和工作原理，分析系統設計中的幾個關鍵問題。對于低功耗設計、閥位控制算法、抗干擾及可靠性設計等關鍵技術提出了可行的實現方案，在實際應用中取得了很好的效果。所論述的關鍵技術及實現方法對相關產品的研制有重要的指導意義。

關鍵詞： 智能閥門定位器； 低功耗； 閥位控制算法； 抗干擾

中圖分類號： TN919?34； TH863 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）08?0139?03

Research and realization of key technology for intelligent valve positioner

WU Ning?sheng

（Zhejiang Vocational College of Commerce， Hangzhou 310053， China）

Abstract： Valve positioner is one of the key instruments in industrial pipeline control system. In order to enhance its control performance， a valve positioner based on HART protocol with AVR microcontroller as the core was designed. Structure and working principle of the intelligent valve positioner are introduced. Several key points such as low?power consumption design， valve position control algorithms， design of anti?interference and reliability design are analyzed. Some effective methods are presented to solve them. Good results has been gained in practical application of the system. The research is of significance to develop the related products.

Keywords： intelligent valve positioner； low power consumption； valve position control algorithm； anti?interference

閥門定位器是氣動調節閥的核心配套儀表，實現閥門開度控制，在石化、輕紡、冶金等工業管道系統應用日益廣泛。傳統的閥門定位器是基于機械力平衡或者電磁轉換的儀表，存在著精度低、難調試和控制不靈活等諸多缺點。以微處理器技術為基礎的智能閥門定位器能克服上述缺點，正逐步取代傳統閥門定位器。本文結合基于HART通信協議的智能閥門定位器開發和設計，探討幾個關鍵技術難點及其實現方法。

1 智能閥門定位器的組成和工作原理

基于HART通信協議的智能閥門定位器原理框圖如圖1所示。其中，超低功耗電源電路用于4～20 mA電流信號轉換成電壓信號，為系統其他各功能模塊提供穩定的工作電壓。控制信號取樣電路完成閥位設定信號的采樣。人機交互模塊主要顯示控制閥的工作狀態和輸入工作參數。MCU 控制單元將閥門位置反饋電路檢測的閥位信號和控制信號取樣電路提供的設定值信號比較，將偏差信號進行一定的控制算法運算，包括流量特性的修正補償，其輸出驅動I/P電氣轉換及放大單元工作，從而實現被控閥的動作。HART通信接口實現MCU控制單元與外界的數據轉換。壓力傳感器用于氣動閥工作狀態的監視和故障診斷。

2 智能閥門定位器的關鍵技術分析

2.1 系統低功耗設計

基于HART通信協議的智能閥門定位器為二線制設計，與外部的連接只有兩條物理連線，4～20 mA 電流信號既是給定的閥門位置目標控制信號，也是整個定位器硬件電路正常工作的電源。電源電路原理框圖如圖2所示。

4～20 mA 電流信號經過抗干擾濾波電路、HART通信接口電路和線性穩壓電路后產生低紋波系數的直流穩定電壓。為了從控制信號攝取盡可能大的能量，按照4～20 mA輸入電路能取出10 V電壓估算，再減去HART通信接口電路的工作電壓壓降，線性穩壓電路輸出的穩定電壓通常就為6.6 V。所以定位器從控制信號攝取的最小功率是26.4 mW（6.6 V×4 mA），最大功率是132 mW（6.6 V×20 mA）。考慮到定位器應在3.5 mA左右就必須正常工作，因此系統低功耗設計是智能閥門定位器研制的基礎和關鍵技術之一。

2.2 閥位控制算法

軟件是智能儀表的靈魂。智能閥門定位器軟件主要完成的功能主要有數據采集、控制、人機交互、通信和系統初始化等。數據采集程序完成控制電流與閥位及氣動閥壓力的實時采樣、轉換和數字濾波等任務。控制程序主要是控制算法的具體實現。人機交互程序主要完成LCD顯示、用戶按鍵處理、故障分析與報警。通信程序完成HART通信協議的數據打包與解包、命令的解析等任務。系統初始化程序的任務是微處理器I/O與外圍芯片初始化、重要數據存儲與掉電保護設置等。

數據采集程序、人機交互程序和系統初始化程序跟其他智能儀表程序設計思路和流程基本相似，但是控制程序卻有很大區別。不同規格的氣動控制閥，其特征參數差異較大，非線性和大滯后是其標志性的特點。控制程序所實現的控制算法，直接決定了閥門定位器的控制精度及控制穩定性。

2.3 消除HART通信對控制實時性的影響

HART協議通信是一種半雙工通信模式，由主控設備（上位機）發通信請求，智能閥門定位器作為從機響應。根據ISO的OSI參考模型，HART協議分物理層、數據鏈路層和應用層。物理層涉及硬件接口；數據鏈路層規定了波特率1 200 b/s、1位起始位、8位數據位、1位奇校驗位、1位停止位以及數據幀的格式與校驗等內容；應用層則對各種命令代碼做統一的規范。

依據HART協議的通信格式可以計算出傳送一個字符的時間大約9 ms。如果采用程序循環延時等待、連續發送的方式，一幀長數據就可能需要消耗0.5～1 s的CPU時間，閥位控制的實時性無法保證。

2.4 系統抗干擾及可靠性設計

低的電壓和功耗與系統的抗干擾性、速度等性能存在著固有的矛盾，在降低功耗的同時必然意味著其他方面的性能損失。由于工作環境比較惡劣，智能閥門定位器所受到的干擾要遠比在一般的工作環境中所受的干擾復雜。智能閥門定位器一旦被干擾，通常有3種問題出現：第一是采集的實時數據失真，造成閥位控制擾動及相關數據記錄錯誤；第二是單片機程序跑飛，使程序陷入死循環而“死機”；第三種是程序跑飛導致系統存儲的重要數據被改寫。因此，為了確保可靠運行，提出并采取行之有效的抗干擾措施及可靠性設計也是智能閥門定位器研制的關鍵技術。

3 關鍵技術的實現

3.1 低功耗實現

智能電位器的低功耗實現與其他電池供電系統的低功耗實現有較大區別。電池供電系統中低功耗設計目的是實現電池的最長時間供電，設計依據是長期的功耗指標（或平均功耗）；而智能閥門定位器是一個實時工作系統，低功耗設計目的是保證系統在3.5 mA電流輸入情況下各功能模塊均工作正常，設計依據是瞬時的最大功耗。在具體實現上，本設計采取了以下方法：

（1） 降低工作電壓，提高電源轉換效率。MCU及其外圍器件的工作電壓降低到3.3 V。通過電荷泵DC/DC而非低壓差LDO模塊，將6.6 V轉換成3.3 V電壓，最大限度地提高電源轉換效率。同時，6.6 V電壓通過DC?DC升壓電路升壓至24 V，為I/P電氣轉換單元供電。

（2） 選擇超低功耗器件。采用基于AVR內核的8位低功耗控制器Atmega644PV，它有多種低功耗模式。在1 MHz，1.8 V低電壓工作條件下，它的正常工作電流為0.4 mA，能很好地滿足系統設計要求。

（3） 外圍器件的電源管理。硬件設計方面，每個功能模塊電路均有電源上電使能控制線，可由MCU控制；軟件方面，合理安排和調度程序模塊的執行，盡可能地減少在同一時刻處于工作狀態的電路模塊數量。MCU選擇性的關斷未處于工作狀態電路模塊的電源供給，從而降低系統的瞬時功耗。

3.2 控制算法實現

經過多次試驗，本文選擇積分分離PID算法取得較好的控制特性。控制結構及流程如圖3所示。

其基本思想是：根據設定值與反饋值的誤差e之正負確定執行器膜頭進氣還是排氣。根據e的絕對值大小采用不同的控制策略。在誤差e大于規定值時，微控制器切除積分項，PWM輸出脈寬較大，閥位快速向設定值靠近；在誤差e小于規定值時，微控制器引入積分項，PWM輸出脈寬逐漸收窄，閥位緩慢接近設定值，直到誤差e低于設定的死區，PWM不再輸出信號，閥門位置保持不變。為適應應用要求，還設置流量特性補償環節，用多段折線實現非線性補償。

3.3 HART通信與實時控制兼容的實現

消除HART通信對控制實時性的影響，本文采取的方法是：通信數據的每一個字節收發都采用中斷方式實現，提高CPU處理的效率。中斷程序流程圖如圖4所示。在接收中斷程序中，定位器對上位機數據幀進行識別和判斷，判斷依據是接收到的前導符0xFF個數以及字符間隔是否超時。發送中斷程序則是將已傳入發送緩存的數據逐個發送。接收數據幀的解析及發送數據幀的打包在主程序中實現。

3.4 抗干擾及可靠性設計實現

本文設計的智能閥門定位器采取了以下措施。

（1） 串入4～20 mA電流信號輸入接口濾波電路。濾波電路如圖5所示。該電路具有防反接、防過壓、防過流、防浪涌、濾除共模干擾等功能。

（2） 軟件數字濾波。數字濾波技術是比較成熟和行之有效的抗干擾措施，具體可參考相關文獻。

（3） 采用“看門狗”技術。看門狗技術就是通過不斷監視程序循環運行時間，若發現時間超過已知的循環設定時間，則強迫單片機程序返回到復位入口，使系統正常運行。它分為軟件型、無獨立時鐘硬件型和有獨立時鐘硬件型。大量的實驗表明，軟件看門狗和無獨立時鐘的硬件看門狗都有可能因為單片機程序本身的故障而關閉失效。本文設計的智能閥門定位器采用了Atmega644PV單片機，其內部有一個帶獨立時鐘且不受程序關閉的硬件看門狗，真正解決了智能閥門定位器“死機”的難題。

（4） 采用雙E2PROM存儲芯片技術。智能型閥門定位器因采用微控制器為核心，可通過程序內設參數極大地增強了控制的靈活性。但是，程序跑飛導致系統存儲的重要數據被改寫的現象時有發生，反而降低了閥門定位器的可靠性。其他文獻提出的諸如軟件鎖、數據備份、數據校驗與恢復、單片機BOD設置等措施，都只能減少該現象的發生。本文設計的雙E2PROM存儲芯片技術，較好地解決了這個難題。如圖6所示，外部擴展的E2PROM數據存儲需要人工按鍵使能，杜絕了程序跑飛導致重要數據改寫的可能性；出廠校準、用戶設置等重要參數均存儲在該芯片中。AVR單片機內部的E2PROM數據存儲不需要人工使能；定位器運行中的一些過程狀態數據存儲在此。

4 結 語

在筆者開發的基于HART通信協議的智能閥門定位器中運用前述方法， 獲得了良好的系統性能。經過批量試用測試，該智能閥門定位器即使在惡劣的環境下運行穩定可靠。證明了本文所論述的關鍵技術及實現方法具有可行性和先進性，對相關產品的研制有重要的指導意義。

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