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一种新型现场总线智能阀门定位器(转载) 点击：6300 | 回复：10

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发表于：2003-07-15 22:27:00

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本文作者张军先生，重庆川仪总厂有限公司总工程师。关键词：智能阀门定位器　电压陶瓷　现场总线气动执行器是工业自动化控制系统的重要组成部分，是控制任务的最终执行者。它由气动调节阀和电气转换器构成。目前，我国自行生产的主要以力平衡原理的机械式和模拟电子技术的产品为主。随着智能、网络、通信和控制/管理一体化综合自动化技术的发展，工业控制现场对气动调节阀的智能化要求日益迫切。由于在安全防爆性能方面优于电动执行器，智能化的气动调节阀在石化工业易燃易爆危险场所成为市场需求日盛的新一代产品。一产品技术特点重庆川仪总厂有限公司推出的HVP2000系列智能阀门定位器具备以下特点：(1)采用压电陶瓷的物理/电气特性研制成的高可靠性的电气转换单元，实现了高输入阻抗、低功耗、耐振动和微型化的统一；(2)采用两线制、低功耗、处理功能强的基于80C51系列单片机的控制电路，整机达到ibIICT5本安防爆要求；(3)软件功能强大，可实现多种智能化功能；(4)通过可靠性设计、失效分析、可靠性分配和采取可靠性措施，项目MTBF达到25000h。 1. 整机基本性能：行程10~100mm；基本误差：±0.5%； MTBF：≥16000h。 2. 主要功能整机采用单片机控制，实现了全数字化、智能化，如流量特性修正、自动调零与调量程、报警、故障自诊断、现场显示等都可由软件功能实现。这些特点都是现有同类项目所不具备的，彻底改变了传统的依靠结构各异的零件加工和现场调整来适应现场要求的状况，同时，定位器的数字化、智能化的实现为气动类执行器和调节阀的智能化，进而实现各种现场总线网络通信功能打下了基础，使气动调节阀也成为智能化的网络控制设备，该项技术属国内领先水平。二整机工作原理 HVP2000系列智能阀门定位器由控制单元、电气转换I/P单元、阀位检测反馈单元3部分组成，其原理如图1所示。来自调节器的输入信号与阀位反馈信号一同进入微处理器，进行比较运算，根据两者之间的偏差输出一控制信号到I/P转换单元，控制I/P单元的输出气压及气动调节阀的阀杆运动，阀杆的行程同时反馈到控制单元，由此形成闭环控制。

I/P转换单元可由两个开关控制阀A、B组成。通过两个方向的控制阀A和B来控制压缩空气进出气动调节阀，阀A是进气阀，阀B是排气阀，这两个阀门都只有“开”和“关”两种状态。在任意时刻，阀A、B之中只能有一个开通，另一个处于关闭状态。当A开通时，由于压缩空气的压力大于膜头内的压力，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由B排入大气，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和阀B的开通和关断必须能够用电流或电压来控制，实际中使用的阀A和阀B可以用电磁阀和压电陶瓷阀或是类似功能的部件来实现。三基于压电陶瓷原理的I/P方案进气阀及排气阀的控制是本项目技术实现的关键之一，必须同时能满足低功耗启动、高可靠、长寿命、电流/电压控制→气源压力控制的要求。可选择的方案有：基于电磁感应原理的喷嘴挡板式和基于高效压电效应的压力调节器或电磁阀。以下介绍一种基于压电效应的压力调节器。该压力调节器系利用锆钛酸铅等压电陶瓷“电铁材料”的压电效应来实现压力调节。压电陶瓷通常用的是通过外加足够高的电场，陶瓷晶体中的电偶极子可以发生转向，如图2所示。

如果金属电极敷在材料的表面，电压加在两个电极之间，结果陶瓷体将在电场方向伸长。

用简单的公式表示：S=dE，式中，S=ΔL/L表示陶瓷在某一电场强度E时的应变(相对变形)，d为压电常数。利用压电陶瓷片可以设计“双层压电叠片”，如图3所示。两个薄长条压电陶瓷片粘在一起，其极化方向相反，上面长条在长度方向上伸长，而下面长条在长度方向上缩短，这种不同的应变使陶瓷臂弯曲，并使自由端位移一段距离z，其电—机特性如图4所示。

根据上述的“双层压电叠片”的特性，经过特殊制作可得到需要的压电陶瓷片，在它两侧加上电压，压电陶瓷片就会发生弯曲，总的形变量可达几百微米。从而可以堵住/放开进气口和排气口，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，易于实现两线制仪表和本安防爆。此外，它的动作速度快、质量轻，因而在振动较大的环境中仍能可靠地工作。利用上述原理可设计实现电气转换作用的I/P单元。根据压电陶瓷的压电效应，可以设计出多种电气转换开关。其中之一如图5所示。

当压电陶瓷在不同的电压作用下，其上下位移可分别关断不同的气孔，从而实现电气转换的开关功能。由于压电陶瓷本身还具有极高的阻抗特性，因此，为实现整机的低功耗创造了条件。四控制电路方案 (1)仪表采用两线制总线供电方式进行工作，通过DC/DC获取一组控制电路所需电源电压，用于仪表本身所需能量以及I/P的控制电压。通信部分采用HART协议规程并由相关模板实现其功能，由于HART协议智能阀门定位器的控制主能量来自总线上的直流电流，所以需要获取总线电流值，及需要经过A/D转换，同时也须将阀门当前的位置信息反映上来，并经过A/D转换。在获取了总线电流和阀体位置后，就为CPU智能控制提供了前提。CPU经过计算分析后，向压电阀控制电路不断送出控制信息，从而使仪表得以正常工作。如图6所示。

(2)控制电路可选用80C51系列单片机。MCS-51系列单片机是20世纪80年代美国Intel公司推出的一种高性能的8位单片机。它的片内集成了并行I/O、串行I/O、16位定时器/计数器，片内的RAM和ROM都比较大，RAM可达256B，ROM可达4~8kB；由于片内ROM空间大，BASIC语言等都可以固化在单片机(如8052AH-BASIC芯片等)内。现在MCS-51系列单片机已经有许多品种，应用较多的如8031、8051、8751。 (3)低功耗是实现该技术方案的关键之一，为此设计中采用两线制方案，即电源和信号线公用两根导线的仪表，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，目前工业现场最常用的就是标准化的4~20mA电流信号。两线制仪表由于电源本身取自信号线，所以在构成本质安全的防爆结构时，具有很大的优势。对于两线制定位器来说，输入电流信号范围为4~20mA，此信号既可作为定位器信号，又提供定位器所需要的全部运行功率，为整机运行在低功耗状态下创造了条件，在具体设计中选择了以下一些方案。 (a)选择低泄漏电流的稳压二极管、本安保护二极管，以减少泄放电流。 (b)在确保电路正常工作的前提下，降低自激振荡电路工作电压；提高自激电感品质因素，降低自激电容泄漏电流。 (c)在保证流过变压器初级绕组电流的前提下，减小三极管基极驱动电流以增加放大倍数，减小开关三极管导通压降。 (d)变压器部分：该部分为能量损耗最大的部分。在保证不会出现磁饱和情况的前提下，尽可能地选择导磁率较高的磁介质。各个绕组在绕制的过程中，均要求紧密、整齐绕制。 (e)整流滤波部分：降低整流二极管导通压降，以及反向漏电流。降低本安保护二极管泄漏电流。选择低泄漏稳压二极管。降低滤波电容漏电流，较大容值的电解电容均选用钽电解电容。 (f)选择低功耗元器件，提高元器件利用率，减小元器件数量，尽可能降低元器件在使用时的能量消耗，如降低CPU的工作频率，减小A/D采样速率等。 (g)减少总线噪声：对产生振荡的电路部分选用高阶RC滤波，本电路采用二阶RC滤波。在保证获取充足能量的前提下，增大滤波电阻阻值。在保证本安要求的前提下，增大滤波电容容值。选用电感量较小的电容。 (4)软件功能 (a)自动初始化功能：定位器启动后，自动调整零点和满量程、自动检测执行器或气动系统中的误差信号、选择操作方向、组态需要的阀门特性、在运行中修改调节参数、监察和自诊断、故障报警、软限位开关和位置指示、阀门的全行程自校。 (b)高级的软件功能：可查看阀门的执行机构特性、动态偏差、阶跃响应等信息。另外，阀门的工况也可在其上反映出来。借助这些信息，可以快速地处理故障，通过应用软件建立阀门操作的图表。五结论本课题源于国家“九五”科技攻关计划，项目在电/气转换技术、低功耗(本安)控制电路及单片机应用技术、控制软件设计和HART通信协议的实现等技术难题上取得重大突