智能閥門定位器關(guān)鍵技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn)

吳寧勝

摘 要： 閥門定位器是工業(yè)管道控制系統(tǒng)的關(guān)鍵儀表之一。為了提高定位器的控制性能，以AVR單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)基于HART通信協(xié)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(tǒng)設(shè)計(jì)中的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。對(duì)于低功耗設(shè)計(jì)、閥位控制算法、抗干擾及可靠性設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)提出了可行的實(shí)現(xiàn)方案，在實(shí)際應(yīng)用中取得了很好的效果。所論述的關(guān)鍵技術(shù)及實(shí)現(xiàn)方法對(duì)相關(guān)產(chǎn)品的研制有重要的指導(dǎo)意義。

關(guān)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(hào)： TN919?34； TH863 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 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(dòng)調(diào)節(jié)閥的核心配套儀表，實(shí)現(xiàn)閥門開度控制，在石化、輕紡、冶金等工業(yè)管道系統(tǒng)應(yīng)用日益廣泛。傳統(tǒng)的閥門定位器是基于機(jī)械力平衡或者電磁轉(zhuǎn)換的儀表，存在著精度低、難調(diào)試和控制不靈活等諸多缺點(diǎn)。以微處理器技術(shù)為基礎(chǔ)的智能閥門定位器能克服上述缺點(diǎn)，正逐步取代傳統(tǒng)閥門定位器。本文結(jié)合基于HART通信協(xié)議的智能閥門定位器開發(fā)和設(shè)計(jì)，探討幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)及其實(shí)現(xiàn)方法。

1 智能閥門定位器的組成和工作原理

基于HART通信協(xié)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(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，為系統(tǒng)其他各功能模塊提供穩(wěn)定的工作電壓。控制信號(hào)取樣電路完成閥位設(shè)定信號(hào)的采樣。人機(jī)交互模塊主要顯示控制閥的工作狀態(tài)和輸入工作參數(shù)。MCU 控制單元將閥門位置反饋電路檢測(cè)的閥位信號(hào)和控制信號(hào)取樣電路提供的設(shè)定值信號(hào)比較，將偏差信號(hào)進(jìn)行一定的控制算法運(yùn)算，包括流量特性的修正補(bǔ)償，其輸出驅(qū)動(dòng)I/P電氣轉(zhuǎn)換及放大單元工作，從而實(shí)現(xiàn)被控閥的動(dòng)作。HART通信接口實(shí)現(xiàn)MCU控制單元與外界的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。壓力傳感器用于氣動(dòng)閥工作狀態(tài)的監(jiān)視和故障診斷。

2 智能閥門定位器的關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1 系統(tǒng)低功耗設(shè)計(jì)

基于HART通信協(xié)議的智能閥門定位器為二線制設(shè)計(jì)，與外部的連接只有兩條物理連線，4～20 mA 電流信號(hào)既是給定的閥門位置目標(biāo)控制信號(hào)，也是整個(gè)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(hào)經(jīng)過(guò)抗干擾濾波電路、HART通信接口電路和線性穩(wěn)壓電路后產(chǎn)生低紋波系數(shù)的直流穩(wěn)定電壓。為了從控制信號(hào)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(wěn)壓電路輸出的穩(wěn)定電壓通常就為6.6 V。所以定位器從控制信號(hào)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）?？紤]到定位器應(yīng)在3.5 mA左右就必須正常工作，因此系統(tǒng)低功耗設(shè)計(jì)是智能閥門定位器研制的基礎(chǔ)和關(guān)鍵技術(shù)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(shù)據(jù)采集、控制、人機(jī)交互、通信和系統(tǒng)初始化等。數(shù)據(jù)采集程序完成控制電流與閥位及氣動(dòng)閥壓力的實(shí)時(shí)采樣、轉(zhuǎn)換和數(shù)字濾波等任務(wù)?？刂瞥绦蛑饕强刂扑惴ǖ木唧w實(shí)現(xiàn)。人機(jī)交互程序主要完成LCD顯示、用戶按鍵處理、故障分析與報(bào)警。通信程序完成HART通信協(xié)議的數(shù)據(jù)打包與解包、命令的解析等任務(wù)。系統(tǒng)初始化程序的任務(wù)是微處理器I/O與外圍芯片初始化、重要數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與掉電保護(hù)設(shè)置等。

數(shù)據(jù)采集程序、人機(jī)交互程序和系統(tǒng)初始化程序跟其他智能儀表程序設(shè)計(jì)思路和流程基本相似，但是控制程序卻有很大區(qū)別。不同規(guī)格的氣動(dòng)控制閥，其特征參數(shù)差異較大，非線性和大滯后是其標(biāo)志性的特點(diǎn)?？刂瞥绦蛩鶎?shí)現(xiàn)的控制算法，直接決定了閥門定位器的控制精度及控制穩(wěn)定性。

2.3 消除HART通信對(duì)控制實(shí)時(shí)性的影響

HART協(xié)議通信是一種半雙工通信模式，由主控設(shè)備（上位機(jī)）發(fā)通信請(qǐng)求，智能閥門定位器作為從機(jī)響應(yīng)。根據(jù)ISO的OSI參考模型，HART協(xié)議分物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。物理層涉及硬件接口；數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)定了波特率1 200 b/s、1位起始位、8位數(shù)據(jù)位、1位奇校驗(yàn)位、1位停止位以及數(shù)據(jù)幀的格式與校驗(yàn)等內(nèi)容；應(yīng)用層則對(duì)各種命令代碼做統(tǒng)一的規(guī)范。

依據(jù)HART協(xié)議的通信格式可以計(jì)算出傳送一個(gè)字符的時(shí)間大約9 ms。如果采用程序循環(huán)延時(shí)等待、連續(xù)發(fā)送的方式，一幀長(zhǎng)數(shù)據(jù)就可能需要消耗0.5～1 s的CPU時(shí)間，閥位控制的實(shí)時(shí)性無(wú)法保證。

2.4 系統(tǒng)抗干擾及可靠性設(shè)計(jì)

低的電壓和功耗與系統(tǒng)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(shí)必然意味著其他方面的性能損失。由于工作環(huán)境比較惡劣，智能閥門定位器所受到的干擾要遠(yuǎn)比在一般的工作環(huán)境中所受的干擾復(fù)雜。智能閥門定位器一旦被干擾，通常有3種問(wèn)題出現(xiàn)：第一是采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)失真，造成閥位控制擾動(dòng)及相關(guān)數(shù)據(jù)記錄錯(cuò)誤；第二是單片機(jī)程序跑飛，使程序陷入死循環(huán)而“死機(jī)”；第三種是程序跑飛導(dǎo)致系統(tǒng)存儲(chǔ)的重要數(shù)據(jù)被改寫。因此，為了確?？煽窟\(yùn)行，提出并采取行之有效的抗干擾措施及可靠性設(shè)計(jì)也是智能閥門定位器研制的關(guān)鍵技術(shù)。

3 關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

3.1 低功耗實(shí)現(xiàn)

智能電位器的低功耗實(shí)現(xiàn)與其他電池供電系統(tǒng)的低功耗實(shí)現(xiàn)有較大區(qū)別。電池供電系統(tǒng)中低功耗設(shè)計(jì)目的是實(shí)現(xiàn)電池的最長(zhǎng)時(shí)間供電，設(shè)計(jì)依據(jù)是長(zhǎng)期的功耗指標(biāo)（或平均功耗）；而智能閥門定位器是一個(gè)實(shí)時(shí)工作系統(tǒng)，低功耗設(shè)計(jì)目的是保證系統(tǒng)在3.5 mA電流輸入情況下各功能模塊均工作正常，設(shè)計(jì)依據(jù)是瞬時(shí)的最大功耗。在具體實(shí)現(xiàn)上，本設(shè)計(jì)采取了以下方法：

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

（2） 選擇超低功耗器件。采用基于AVR內(nèi)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(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

（3） 外圍器件的電源管理。硬件設(shè)計(jì)方面，每個(gè)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(diào)度程序模塊的執(zhí)行，盡可能地減少在同一時(shí)刻處于工作狀態(tài)的電路模塊數(shù)量。MCU選擇性的關(guān)斷未處于工作狀態(tài)電路模塊的電源供給，從而降低系統(tǒng)的瞬時(shí)功耗。

3.2 控制算法實(shí)現(xiàn)

經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，本文選擇積分分離PID算法取得較好的控制特性?？刂平Y(jié)構(gòu)及流程如圖3所示。

其基本思想是：根據(jù)設(shè)定值與反饋值的誤差e之正負(fù)確定執(zhí)行器膜頭進(jìn)氣還是排氣。根據(jù)e的絕對(duì)值大小采用不同的控制策略。在誤差e大于規(guī)定值時(shí)，微控制器切除積分項(xiàng)，PWM輸出脈寬較大，閥位快速向設(shè)定值靠近；在誤差e小于規(guī)定值時(shí)，微控制器引入積分項(xiàng)，PWM輸出脈寬逐漸收窄，閥位緩慢接近設(shè)定值，直到誤差e低于設(shè)定的死區(qū)，PWM不再輸出信號(hào)，閥門位置保持不變。為適應(yīng)應(yīng)用要求，還設(shè)置流量特性補(bǔ)償環(huán)節(jié)，用多段折線實(shí)現(xiàn)非線性補(bǔ)償。

3.3 HART通信與實(shí)時(shí)控制兼容的實(shí)現(xiàn)

消除HART通信對(duì)控制實(shí)時(shí)性的影響，本文采取的方法是：通信數(shù)據(jù)的每一個(gè)字節(jié)收發(fā)都采用中斷方式實(shí)現(xiàn)，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(duì)上位機(jī)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行識(shí)別和判斷，判斷依據(jù)是接收到的前導(dǎo)符0xFF個(gè)數(shù)以及字符間隔是否超時(shí)。發(fā)送中斷程序則是將已傳入發(fā)送緩存的數(shù)據(jù)逐個(gè)發(fā)送。接收數(shù)據(jù)幀的解析及發(fā)送數(shù)據(jù)幀的打包在主程序中實(shí)現(xiàn)。

3.4 抗干擾及可靠性設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

本文設(shè)計(jì)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(hào)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(guò)壓、防過(guò)流、防浪涌、濾除共模干擾等功能。

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

（3） 采用“看門狗”技術(shù)?？撮T狗技術(shù)就是通過(guò)不斷監(jiān)視程序循環(huán)運(yùn)行時(shí)間，若發(fā)現(xiàn)時(shí)間超過(guò)已知的循環(huán)設(shè)定時(shí)間，則強(qiáng)迫單片機(jī)程序返回到復(fù)位入口，使系統(tǒng)正常運(yùn)行。它分為軟件型、無(wú)獨(dú)立時(shí)鐘硬件型和有獨(dú)立時(shí)鐘硬件型。大量的實(shí)驗(yàn)表明，軟件看門狗和無(wú)獨(dú)立時(shí)鐘的硬件看門狗都有可能因?yàn)閱纹瑱C(jī)程序本身的故障而關(guān)閉失效。本文設(shè)計(jì)的智能閥門定位器采用了Atmega644PV單片機(jī)，其內(nèi)部有一個(gè)帶獨(dú)立時(shí)鐘且不受程序關(guān)閉的硬件看門狗，真正解決了智能閥門定位器“死機(jī)”的難題。

（4） 采用雙E2PROM存儲(chǔ)芯片技術(shù)。智能型閥門定位器因采用微控制器為核心，可通過(guò)程序內(nèi)設(shè)參數(shù)極大地增強(qiáng)了控制的靈活性。但是，程序跑飛導(dǎo)致系統(tǒng)存儲(chǔ)的重要數(shù)據(jù)被改寫的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，反而降低了閥門定位器的可靠性。其他文獻(xiàn)提出的諸如軟件鎖、數(shù)據(jù)備份、數(shù)據(jù)校驗(yàn)與恢復(fù)、單片機(jī)BOD設(shè)置等措施，都只能減少該現(xiàn)象的發(fā)生。本文設(shè)計(jì)的雙E2PROM存儲(chǔ)芯片技術(shù)，較好地解決了這個(gè)難題。如圖6所示，外部擴(kuò)展的E2PROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需要人工按鍵使能，杜絕了程序跑飛導(dǎo)致重要數(shù)據(jù)改寫的可能性；出廠校準(zhǔn)、用戶設(shè)置等重要參數(shù)均存儲(chǔ)在該芯片中。AVR單片機(jī)內(nèi)部的E2PROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)不需要人工使能；定位器運(yùn)行中的一些過(guò)程狀態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在此。

4 結(jié) 語(yǔ)

在筆者開發(fā)的基于HART通信協(xié)議的智能閥門定位器中運(yùn)用前述方法， 獲得了良好的系統(tǒng)性能。經(jīng)過(guò)批量試用測(cè)試，該智能閥門定位器即使在惡劣的環(huán)境下運(yùn)行穩(wěn)定可靠。證明了本文所論述的關(guān)鍵技術(shù)及實(shí)現(xiàn)方法具有可行性和先進(jìn)性，對(duì)相關(guān)產(chǎn)品的研制有重要的指導(dǎo)意義。

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