【摘要】介齠了一種智能=線制電氣閥門定位器的實現，討論了其控制原理及其控制電路的硬件和軟件結拘 ．由于是4～20 mA二線制供電，所以在設計中采取了一系列措施來實現系統的低功耗運行。關鍵詞：閥門定位器，二線制，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氣動調節閥就是一種重要的執行器，它在眾多的工業過程控制系統裝置，尤其是在石化、冶金等工業的流量控制中發揮著不可替代的作用。而氣動閥門定位器作為它的主要附件之一，可以改善閥門特性、提高控制的精度、速度和增加控制的靈活性。隨著工業的進步，閥門定位器從*初的純氣動、機械力平衡式的。發展到后來的使用電磁轉換的電氣閥門定位器，直到今天的智能型和使用現場總線技術的定位器，其總的趨勢是電氣化、智能化，并且必定要與將來的全數字化工業控制相適應。在國外，一些在工業自動化領域有著多年經驗和雄厚技術優勢的大公司，如西門子、費希爾一羅斯蒙特等，相繼研制成功了智能型兩線制，或者配置有HART總線、FF總線等現場總線接口的智能電氣閥門定位器。在國內雖然在這方面起步較晚。但在這種國際大趨勢的帶動下，現在已經逐步認識到進行工業現場技術改造的迫切性。為此，在消化理解西門子公司同類產品的基礎上。對智能二線制閥門定位器的研制進行了初步的探索。1 二線制儀表所謂二線制儀表，是指電源和信號線公用兩根導線的儀表，即不使用任何額外的電源，儀表的供電完全是從控制信號中取出的，目前工業現場*常用的就是符合工業標準的4～2o mA電流信號。二線制儀表由于電源本身即取自信號線，所以在構成本質**的防爆結構時，具有很大的優勢。對于二線制定位器來隨．輸入電流信號范圍為4～20 mA，此信號既作為定位衍號，叉提供定位器所需要的全部功率，因此整個設備要求在低功耗下運行。2 智能定位器的控制原理該定位器的控制原理見圖1。通過兩個小的控制閥A和B來控制壓縮空氣進出氣動調節閥，閥A是進氣閥，閩B是排氣閥，這兩個閥門都只有“開”和“關”兩種狀態。在任一時刻，閥A、B之中只能有一個開通，另一一個關閉。當A開通時，由于壓縮空氣壓力大于膜頭內壓力，因此壓縮空氣進入調節閥，閥桿向下移動；反之當B開通時，調節閥氣室內的壓縮空氣經B排人大氣，閥桿在彈簧的作用下向上移動 在智能閥門定位器中，為了能與控制電路接口，閥A和B的開通與關斷必須能夠用電量來控制 實際中使用的閹A、B有電磁閥、壓電陶瓷閥等多種類型· ：二= 二：一— — ]蕊 — — —廣 一lL T ≮廣— J-—： 一氣室竺!【 !! l i 一圖1 智能二線制電氣闐門定位器的控制原理這里使用的是一種壓電陶瓷控制閥，其基本原理是依據壓電材料的壓電效應。用-d,片特殊制作的壓電陶瓷片，在它兩側加上24～30 V電壓，壓電陶瓷片就會發生彎曲，總的形變量可達幾十微米。從而可以堵住／放開進氣口或排氣口，達到控制氣流的目的。由于壓電陶瓷的阻抗很高，所以這種控制閥的優點是功耗極低，易于實現二線制儀表和本安防爆。此外，它動作速度快、質量輕。因而在震動較大的環境中仍能可靠工作。
閥位控制采用五接點開關控制算法。這種算法原鼻簡單明 ，控制特性較好．實現也不復雜，適合那些基r微控制器的應用系統。所謂五接點開關，是指把誤差范圍分正大、正中、死區、負中、負大五個區域，在不同區域中執行不同的動作來力圖減小誤差。當誤差在正大和負大區時，控制器輸出連續信號給壓電控制閥，持續進氣或排氣，使行程快速改變，因此稱這兩個區為高速區；在正中和負中區，輸出一定寬度的詠沖信號，斷續進氣或排氣，行程緩慢改變，因此稱這兩個區為低速區或短步區：在死區內，不輸出信號，行程不改變。3 智能定位器的硬件構成整個硬件設計的難點就在于兩線制系統對功耗的要求苛刻，整個系統(包括壓電控制闊的驅動)都應能通過4～20 rnA信號線供電。其原理框圖如圖2所示，其中，}方虛線框中為控制電路部分。警¨ 膊蘭 i圖2 智能二線制電氣閥門定位器的硬件掏成由于電氣閥門定位器的輸入只是一個電流信號，而實際電路中需要的是一組不同的電壓，如AI)C的輸入需要與輸入電流成比例的電壓、MCU和ADC的電源可能需要3．3 V的電壓，以及控制壓電陶瓷閥需要24 v或更高的電壓，因此必須經過一定的轉換和處理。電源變換模塊的任務就是把輸入的電流變換成3．3 V和24 v兩組電源，供微控制器和其他器件使用。由于此部分電路轉換的成功與否，以及效率的高低直接影響系統的功耗，關系到整個電路設計的成敗，因此地位顯得尤為重要。這部分電路相當于一個簡單的開關電源，其基本思想是先將輸入電流轉化為一個較低的電壓，再通過振蕩器產生振蕩，*后通過整流、濾波以及線性穩壓得至q所需的電壓值，從而起到一個直流變壓(DC／DC變換)的作用。在實現時，需要自己繞制變壓器。由于LCD功耗較低，所以選用它來作為顯示器件。它和按鍵一起提供了人機交互接口，用戶可以通過它們來手動控制閥位，或輸入控制參數。一般的微控制器內建的ADC都是8位的，用在本應用中顯得不夠，所以在這里選用不帶M)C的MCU及外掛的l2位串行 Dc。本應用中要求功耗比較低，同時對速度要求不是很高，所以這樣的ADC應能滿足要求。微控制器選用M0ton山公司的MC68HC05L]6，它是所有運算、控制的核心。但它輸出的脈沖幅度只能達到它的電源電壓，不足以驅動壓電陶瓷闊。所以需要額外的驅動電路，把小幅度脈沖(3．3 v)轉變成大幅度(24 V)脈沖。4 智能定位器的軟件構成在軟件設計時，首先實現了一個簡單的基于時鐘中斷的實時內核，在此基礎上，把要完成的功能編制成不同的任務模塊，根據各個任務所要求的執行頻率的不同進行統一調度，進而完成全部系統功能。在軟件的編制過程中，利用了微控制器的WAIT低功耗節電方式來降低系統功耗。軟件主要包括以下幾個模塊：① AD數據處理和壓電闊控制模塊：主要完成ADC數據采樣、處理和閉環控制② EEPROM參數寫入模塊：將系統配置參數寫入EEPROM，以使系統斷電后重要參數得以保存③ 按鍵掃描和處理模塊：完成按鍵檢測、去抖動、按鍵時間記錄等功能，并在發生特定事件時調用按鍵功能函數進行處理。④ LCD顯示模塊：其任務是將顯示緩沖區的內容顯示在LCD上，除正常顯示以外，為了實現參數菜單，還應該可以完成諸如閃爍顯示、交替顯示等功能。⑤ 系統自整定模塊：其功能是完成系統的自動整定和調校。5 低功耗的實現由于是二線制系統，因此盡量低的功耗是系統設計中所追求的目標，也是設計的主要任務之一。系統所允許的*大功耗可以這樣估算：若允許輸入電流有10％的波動，信號線上的*小電流實際上只有3．6 mA。假定在輸入端能取出lO v電壓，則整個系統的功耗不應太于36 mw。如此低的功耗，要供給MCU、ADC、LCD、EEPROM運放等外圍器件，以及產生高電壓驅動壓電陶瓷閥，就要求在器件選擇上和系統設計上多下功夫 在系統實現上，采取了多種措施來降低功耗。① 在電路設計上，盡量減少不必要的功率消耗，提高各部分的供電效率。
② 在電路的實現上，選用低功耗或微功耗器件。在電路中使用的l2位串行模數轉換器LTCI594L、運放 1178、線性穩壓器LT1521、EEPROM 93LC46A等，均為低功耗或微功耗器件。③ 降低器件的工作電壓 MCU及其外圍器件的工作電壓降低到3．3 v。④ 降低MCU的工作頻率。微控制器的總線頻率降低到1。0MHz。⑤ 充分利用器件的省電方式或空閑方式。很多器件都具有這樣的工作方式，如MC68HC05L16在W．MT方式下功耗降低6o％；LTC1594L在空閑方式下的靜態電流可降低為1 nA。在不用器件時令其進入這種方式，可以大大降低系統的平均功耗。另一方面，必須認識到，低的電壓和功耗與系統的抗干擾性、精度、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，在設計時應折衷考慮。6 結束語在一般情況下，通過恒流源向系統提供電流，逐漸減小電流大小，直至1．8 mA時系統仍能正常工作。這表明，此系統不但達到了二線制供電的基本要求，由l J還留有一定的裕度 在對電源電路進行必要的改進后，相信系統還可以在更低的電流下工作。也就是 兌完全可以在此基礎上擴充系統功能，比如將來的HART總線或FF總線接口，并且使速度更快、功能更強的MCU的引入成為可能。同時，智能定位器控制快速準確，控制特陲較好，具有靈活的控制功能和方便的參數設置，并且實現r參數的自動整定和調校 相對于傳統定位器產品。充分體現出智能設備的優勢。低功耗二線制定位器的實現，是一個有益的探索，希望它能對二線制儀表的**研制和應用，起到一定的積極作用。參考文獻1 絳愛鈞．智能化測量控制儀表原理與設計北京 北京航宅 j：太出版杜．19952 謝懷仁．智能型電氣閥門定位器化12自動化及儀袁．1995I2)51553 邵毋咀，劉慧銀等微控制器原理與開發技術北京：清華大學 版社，19974 何為民低功耗單片微機系統設計北京：北京航空航天大學出版社．1994
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