【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-wiresystem 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~tsutesaretakento 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· ：二= 二：一— — ]蕊 — — —广 一lL T ≮广— J-—： 一气室竺!【 !! l i 一图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。警¨ 膊兰 i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准确，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1 绦爱钧．智能化测量控制仪表原理与设计北京 北京航宅 j：太出版杜．19952 谢怀仁．智能型电气阀门定位器化12自动化及仪袁．1995I2)51553 邵毋咀，刘慧银等微控制器原理与开发技术北京：清华大学 版社，19974 何为民低功耗单片微机系统设计北京：北京航空航天大学出版社．1994
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