低功耗二线制设计在电气阀门定位器中的实现

【摘要】介龆了一种智能=线制电气阀门定位器的实
现，讨论了其控制原理及其控制电路的硬件和软件结
拘 ．由于是4～20 mA二线制供电，所以在设计中采取
了一系列措施来实现系统的低功耗运行。
关键词：阀门定位器，二线制，低功耗
Ab~t]ract：Intelligent electrical value locator usi two-wire
system is introduced．the o0nⅡDI principle and the hard—
ware／software structure of the controI circuit 8re described．
For two-wire power supply within 4～20mA，some lil~tsutes
aretakento achievelow—loss opemscn，
l(eywords：valuelocator，~wo-wire system ，low-loss
气动调节阀就是一种重要的执行器，它在众多的
工业过程控制系统装置，尤其是在石化、冶金等工业的
流量控制中发挥着不可替代的作用。而气动阀门定位
器作为它的主要附件之一，可以改善阀门特性、提高控
制的精度、速度和增加控制的灵活性。
随着工业的进步，阀门定位器从初的纯气动、机
械力平衡式的。发展到后来的使用电磁转换的电气阀
门定位器，直到今天的智能型和使用现场总线技术的
定位器，其总的趋势是电气化、智能化，并且必定要与
将来的全数字化工业控制相适应。在国外，一些在工
业自动化领域有着多年经验和雄厚技术优势的大公
司，如西门子、费希尔一罗斯蒙特等，相继研制成功了智
能型两线制，或者配置有HART总线、FF总线等现场
总线接口的智能电气阀门定位器。在国内虽然在这方
面起步较晚。但在这种国际大趋势的带动下，现在已经
逐步认识到进行工业现场技术改造的迫切性。为此，
在消化理解西门子公司同类产品的基础上。对智能二
线制阀门定位器的研制进行了初步的探索。
1 二线制仪表
所谓二线制仪表，是指电源和信号线公用两根导
线的仪表，即不使用任何额外的电源，仪表的供电完全
是从控制信号中取出的，目前工业现场常用的就是
符合工业标准的4～2o mA电流信号。二线制仪表由
于电源本身即取自信号线，所以在构成本质**的防
爆结构时，具有很大的优势。对于二线制定位器来随．
输入电流信号范围为4～20 mA，此信号既作为定位衍
号，叉提供定位器所需要的全部功率，因此整个设备要
求在低功耗下运行。
2 智能定位器的控制原理
该定位器的控制原理见图1。通过两个小的控制
阀A和B来控制压缩空气进出气动调节阀，阀A是进
气阀，闽B是排气阀，这两个阀门都只有“开”和“关”
两种状态。在任一时刻，阀A、B之中只能有一个开
通，另一一个关闭。当A开通时，由于压缩空气压力大
于膜头内压力，因此压缩空气进入调节阀，阀杆向下移
动；反之当B开通时，调节阀气室内的压缩空气经B
排人大气，阀杆在弹簧的作用下向上移动 在智能阀
门定位器中，为了能与控制电路接口，阀A和B的开
通与关断必须能够用电量来控制 实际中使用的阉
A、B有电磁阀、压电陶瓷阀等多种类型
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图1 智能二线制电气阗门定位器的控制原理
这里使用的是一种压电陶瓷控制阀，其基本原理是
依据压电材料的压电效应。用-d,片特殊制作的压电
陶瓷片，在它两侧加上24～30 V电压，压电陶瓷片就会
发生弯曲，总的形变量可达几十微米。从而可以堵住／
放开进气口或排气口，达到控制气流的目的。由于压电
陶瓷的阻抗很高，所以这种控制阀的优点是功耗极低，
易于实现二线制仪表和本安防爆。此外，它动作速度
快、质量轻。因而在震动较大的环境中仍能可靠工作。

阀位控制采用五接点开关控制算法。这种算法原
鼻简单明 ，控制特性较好．实现也不复杂，适合那些基
r微控制器的应用系统。所谓五接点开关，是指把误差
范围分正大、正中、死区、负中、负大五个区域，在不同区
域中执行不同的动作来力图减小误差。当误差在正大
和负大区时，控制器输出连续信号给压电控制阀，持续
进气或排气，使行程快速改变，因此称这两个区为高速
区；在正中和负中区，输出一定宽度的咏冲信号，断续进
气或排气，行程缓慢改变，因此称这两个区为低速区或
短步区：在死区内，不输出信号，行程不改变。
3 智能定位器的硬件构成
整个硬件设计的难点就在于两线制系统对功耗的
要求苛刻，整个系统(包括压电控制阔的驱动)都应能
通过4～20 rnA信号线供电。其原理框图如图2所示，
其中，}方虚线框中为控制电路部分。
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图2 智能二线制电气阀门定位器的硬件掏成
由于电气阀门定位器的输入只是一个电流信号，
而实际电路中需要的是一组不同的电压，如AI)C的输
入需要与输入电流成比例的电压、MCU和ADC的电源
可能需要3．3 V的电压，以及控制压电陶瓷阀需要
24 v或更高的电压，因此必须经过一定的转换和处理。
电源变换模块的任务就是把输入的电流变换成3．3 V
和24 v两组电源，供微控制器和其他器件使用。由于
此部分电路转换的成功与否，以及效率的高低直接影
响系统的功耗，关系到整个电路设计的成败，因此地位
显得尤为重要。
这部分电路相当于一个简单的开关电源，其基本
思想是先将输入电流转化为一个较低的电压，再通过
振荡器产生振荡，后通过整流、滤波以及线性稳压得
至q所需的电压值，从而起到一个直流变压(DC／DC变
换)的作用。在实现时，需要自己绕制变压器。
由于LCD功耗较低，所以选用它来作为显示器
件。它和按键一起提供了人机交互接口，用户可以通
过它们来手动控制阀位，或输入控制参数。
一般的微控制器内建的ADC都是8位的，用在本应
用中显得不够，所以在这里选用不带M)C的MCU及外挂
的l2位串行 Dc。本应用中要求功耗比较低，同时对速
度要求不是很高，所以这样的ADC应能满足要求。
微控制器选用M0ton山公司的MC68HC05L]6，它
是所有运算、控制的核心。但它输出的脉冲幅度只能
达到它的电源电压，不足以驱动压电陶瓷阔。所以需
要额外的驱动电路，把小幅度脉冲(3．3 v)转变成大幅
度(24 V)脉冲。
4 智能定位器的软件构成
在软件设计时，首先实现了一个简单的基于时钟
中断的实时内核，在此基础上，把要完成的功能编制成
不同的任务模块，根据各个任务所要求的执行频率的
不同进行统一调度，进而完成全部系统功能。在软件
的编制过程中，利用了微控制器的WAIT低功耗节电
方式来降低系统功耗。软件主要包括以下几个模块：
① AD数据处理和压电阔控制模块：主要完成
ADC数据采样、处理和闭环控制
② EEPROM参数写入模块：将系统配置参数写入
EEPROM，以使系统断电后重要参数得以保存
③ 按键扫描和处理模块：完成按键检测、去抖动、
按键时间记录等功能，并在发生特定事件时调用按键
功能函数进行处理。
④ LCD显示模块：其任务是将显示缓冲区的内容
显示在LCD上，除正常显示以外，为了实现参数菜单，
还应该可以完成诸如闪烁显示、交替显示等功能。
⑤ 系统自整定模块：其功能是完成系统的自动整
定和调校。
5 低功耗的实现
由于是二线制系统，因此尽量低的功耗是系统设
计中所追求的目标，也是设计的主要任务之一。系统
所允许的大功耗可以这样估算：若允许输入电流有
10％的波动，信号线上的小电流实际上只有3．6 mA。
假定在输入端能取出lO v电压，则整个系统的功耗不
应太于36 mw。如此低的功耗，要供给MCU、ADC、
LCD、EEPROM运放等外围器件，以及产生高电压驱动
压电陶瓷阀，就要求在器件选择上和系统设计上多下
功夫 在系统实现上，采取了多种措施来降低功耗。
① 在电路设计上，尽量减少不必要的功率消耗，
提高各部分的供电效率。

② 在电路的实现上，选用低功耗或微功耗器件。
在电路中使用的l2位串行模数转换器LTCI594L、运
放 1178、线性稳压器LT1521、EEPROM 93LC46A等，
均为低功耗或微功耗器件。
③ 降低器件的工作电压 MCU及其外围器件的
工作电压降低到3．3 v。
④ 降低MCU的工作频率。微控制器的总线频率
降低到1。0MHz。
⑤ 充分利用器件的省电方式或空闲方式。很多
器件都具有这样的工作方式，如MC68HC05L16在
W．MT方式下功耗降低6o％；LTC1594L在空闲方式下
的静态电流可降低为1 nA。在不用器件时令其进入
这种方式，可以大大降低系统的平均功耗。
另一方面，必须认识到，低的电压和功耗与系统的
抗干扰性、精度、速度等性能存在着固有的矛盾，在降
低功耗的同时必然意味着其他方面的性能损失，在设
计时应折衷考虑。
6 结束语
在一般情况下，通过恒流源向系统提供电流，逐渐
减小电流大小，直至1．8 mA时系统仍能正常工作。这
表明，此系统不但达到了二线制供电的基本要求，由l J
还留有一定的裕度 在对电源电路进行必要的改进
后，相信系统还可以在更低的电流下工作。也就是 兑
完全可以在此基础上扩充系统功能，比如将来的
HART总线或FF总线接口，并且使速度更快、功能更
强的MCU的引入成为可能。
同时，智能定位器控制快速，控制特陲较好，
具有灵活的控制功能和方便的参数设置，并且实现r
参数的自动整定和调校 相对于传统定位器产品。充
分体现出智能设备的优势。低功耗二线制定位器的实
现，是一个有益的探索，希望它能对二线制仪表的**
研制和应用，起到一定的积极作用。
参考文献
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