智能定位控制器及其调试平台的设计与研究.pdf

硕士论文智能定位控制器及其调试平台的设计与研究 目录 摘要i a b s t r a c t i i l 者论1 1 1 背景及意义1 1 2 国内外技术现状及趋势2 1 2 1 国内外技术现状2 1 2 2 技术发展趋势3 1 3 作者主要工作。3 1 4 论文内容安排。4 2 定位控制器及相关技术一5 2 1 定位控制器类型及其原理5 2 1 1 传统定位控制器5 2 1 2 智能定位控制器6 2 2 定位控制器特性。7 2 3 现场总线技术9 2 3 1 现场总线的基本概念9 2 3 2 几种常见的现场总线9 2 4 电气转换技术1o 2 5 本章小结13 3 智能定位控制器总体设计1 5 3 1 功能与技术指标要求15 3 1 1 功能要求1 5 3 1 2 技术指标要求1 5 3 2 总体方案设计1 6 3 2 1 二线制设计。1 6 3 3 2 数字通讯设计。1 7 ： 3 3 3 总体方案1 8 3 3 本章小结1 9 4 智能定位控制器硬件设计2 1 4 1 控制主板设计21 4 1 1 核心微处理器模块2 1 i i i 目录 硕士论文 4 1 2 滤波限压模块2 3 4 1 3 电源模块2 4 4 1 4 复位模块- 2 6 4 1 5 信号调理模块2 7 4 1 6 线圈驱动模块2 9 4 1 7 人机接口模块3 0 4 2 数字通讯板设计。3 l 4 2 1h a r t 通讯模块31 4 2 2 串口通讯模块3 5 。4 3 本章小结3 6 5 智能定位控制器软件设计3 7 5 1 软件总体规划3 7 5 2 校调整定程序设计。3 8 5 3 参数掉电保护程序设计。3 9 5 4 数据采集及预处理程序设计4 0 5 4 1 数据采集4 l 5 4 2 数据预处理。4 1 5 5 控制算法研究与程序设计4 4 5 5 1 控制算法理论分析4 4 5 5 2 控制算法m a t l a b 仿真4 7 5 5 3 控制算法程序实现。4 8 5 6h a r t 通讯协议分析及程序设计4 9 5 6 1h a r t 通讯模式及组网配置模式4 9 5 6 2h a r t 协议帧结构4 9 5 6 3 i a r t 协议命令o 51 5 6 4h a r t 通讯程序实现51 5 7 本章小结5 3 6 调试平台搭建与系统调试5 5 6 1 调试平台搭建。5 5 6 1 1 硬件平台设计。5 5 6 1 2 软件平台设计5 6 6 2 系统调试6 2 6 2 1 与l a b v i e w 上位机串口通讯调试6 2 6 2 2h a r t 协议通讯调试6 4 硕士论文智能定位控制器及其调试平台的设计与研究 6 3 本章小结6 7 7 工程技术问题讨论6 9 7 1 系统抗干扰问题6 9 7 1 1 硬件抗干扰问题一6 9 7 1 2 软件抗干扰问题6 9 7 2 电气转换工程滞回差补偿问题7 0 7 3 本章小结7 l 8 总结与展望7 3 8 1 总结7 3 8 2 展望7 3 致谢7 5 参考文献7 7 附录：7 9 v 硕士论文 智能定控制器及其调试平台的设计与研究 1 绪论 1 1 背景及意义 工业过程控制系统是指自动控制中以温度、压力、流量、液位( 物位) 、成分、粘 度、湿度以及p h 值( 氢离子浓度) 等为被控量的控制系统【l 】，它涵盖石油、电力、化 工、冶金、机械、轻工、纺织等诸多工业领域，对工业发展起着主导作用，拥有举足轻 重的经济地位。其主要组成部分包括：控制器、执行器、被控对象、传感器检测装置等。 其中执行器( 通常指气动阀门) 是用于调节操纵变量的流量1 2 1 。为了提高气动执行器的 调节控制性能，定位控制器作为其配套产品应运而生。定位控制器主要用于控制气动阀 门的开闭程度，它很大程度上影响着控制系统性能的优劣，对工业产品的质量起着至关 重要的作用。定位控制器的出现使得气动阀门更加便于控制，且精度显著提高，使控制 回路的设计大大简化、执行更加紧凑【4 0 j 。 近年来，微电子以及集成电路技术发展迅速，使得微处理器更加广泛地应用于过程 控制设备( 例如调节阀、变送器等仪器仪表) 中，且其智能化程度逐步提高【l o l 。传统的 定位控制器采用机械式力矩平衡的控制方式，在长期的使用过程中，会造成严重的机械 磨损，从而影响定位控制的精确性，且控制不灵活，自适应性差，不能进行实时的通讯 监控。因此针对传统定位控制器的缺点，需要对其进行数字化改造，从而促使了智能定 位控制器的诞生。智能定位控制器采用微处理器技术，能够实现数据采集处理、状态显 示以及控制性能改善等功能，同时还可以实现控制器的自动校调整定、自诊断以及自定 义流量特性等功能，使控制更加精确、灵活、方便。此外，现场总线技术在智能定位控 制器上的应用也有效提高了其可互操作性以及可维护性。与传统的定位控制器相比，智 能定位控制器无论是在控制精度、响应速度方面，还是在功能扩展、提高气动阀f - j 自动 化控制水平等方面都有着更为广泛的应用前景。因此，定位控制器的数字智能化改造俨 然已经成为了其必然的发展方向。 如今，市场上的智能定位控制器多为国外一些大公司所推出，例如德国s i e m e n s ， 美国f i s h e r ，日本y a m a t a k e 等等。这些自动化技术实力雄厚的国外公司所推出的智能定 位控制器性能稳定、可靠性高且功能多样化，因此应用十分广泛，并占有绝大多数市场 份额。但是这些进口的智能定位控制器的价格相当昂贵，且维修十分困难、不易进行产 品升级等。而我国工业发展起步较晚，目前大多数仍停留在传统定位控制器的阶段，对 智能定位控制器进行自主开发的企业相对较少，大多都采取引进国外技术或合资组装生 产，虽然少数国内企业也研制出成本较低的国产智能定位控制器，但是其中仍存在一些 问题尚未解决，例如控制性能不稳定，成品率低等。因此，智能定位控制器“国产化“ 已成为当今工业社会研究热点之一。 l l 绪论硕士论文 1 2 国内外技术现状及趋势 1 2 1 国内外技术现状 依靠着雄厚的技术优势，国外些大型企业都已经成功生产出各自的智能定位控制 器。德国s i e m e n s 公司推出的s i p a r tp s 2 系列智能定位控制器同时兼备支持h a r t 协 议和p r o f i b u s p a 协议的双向通讯功能，通过公司自行研发的配套软硬件可以保存实际 工程车间里所有智能定位控制器的相关状态信息；美国f i s h e r - r o s e m o u n t 公司推出的 d v c 系列智能定位控制器将控制系统集成到定位控制器中，既可以与传统的模拟控制 系统配套使用( 数字模拟兼容h a r t 协议) ，又可以与新型现场总线控制系统进行数字 通讯( 纯数字化f f 协议) 【2 4 】；日本y 锄a t a k e 制造的s v p 系列智能定位控制器s v p 3 0 0 0 a l p h a p l u s 是以系统控制器输出的直流电流信号为设定量实现对气动阀门定位控制，该 系列定位控制器除了具有最基本功能外，还具有数字通讯、自诊断、自定义程序等功能， 生产过程的效率和可靠性得以大幅度提升。这些国外的智能定位控制器凭借良好的稳定 性、可靠性以及各个企业产品独特的功能特色，已经被广泛应用于工业自动化实际工程 项目中，但这些国外智能定位控制器都有一个共同的不足，那就是其价格十分昂贵【2 5 l ， 应用成本高，增加了特别是中小企业的经济负担。表1 1 为部分国外企业设计的智能定 位控制器。 表1 1 国外部分智能定位控制器 企业名称智能定位控制器型号总线接口名称 f i s h e r - r o s e m o u n td v c 6 0 0 0d v c 6 0 0 0 fh a i 玎f f s i e m e n ss i p a r tp s p s 2h a r tf fp r o f i b u s - p a y a m a t a k es v p3 0 0 0a l p h a p l u sh a r tf f s m a r f y 系列 h a r tf fp r o f i b u s p a s a m s o n 3 7 8 0d i g i t a lp o s i t i o n e rh a r t y o k o g a w a y v pf f 我国工业基础相对落后，国内绝大多数仪表厂家仍以生产传统电气阀门定位器为 主，能够生产智能定位器的厂家相对较少，且技术水平较低，绝大部分依赖国外进口。 例如，重庆川仪研制出的h v p 2 0 0 0 系列智能定位控制器智能化程度不高，自适应性较 差；衡阳光电z p z d 3 1 0 0 系列智能定位控制器的推出对国产智能定位控制器技术的发展 具有标志性的作用，使得企业的选择空间大大地增加【3 9 j ，但美中不足的是其可靠性较差、 成品率较低；宁夏吴忠仪表股份有限公司的a e p 系列智能定位控制器可进行自动设定 及p i d 最佳控制，附带有阀位反馈、h a r t 通讯等功能模块，但与国外同类产品相比， 无论是在控制性能上，还是在设备运行稳定性上都与之存在着一定差距。随着我国经济 持续多年的快速发展，国内工业各行业( 如石油、电力、冶金等) 都纷纷进入了蓬勃发 2 硕士论文 智能定控制器及其调试平台的设计与研究 展阶段。近些年，国家逐步加深对工业行业的重视程度，也更加重视低成本、低污染技 术产品的开发与推广，因此实现智能定位控制器“国产化“ 乃是大势所趋。 1 2 2 技术发展趋势 根据国内外各大企业已推出的新产品以及国内外最新研究动态，总结出智能定位控 制器技术发展趋势如下： 1 、现场总线协议统一 当前国际上多种现场总线协议共存，h a r t 、p r o f i b u s 、f f 、c a n 、l o n w o r k s 等总 线都广泛应用于各个领域。但为了方便实现仪表之间的智能化与网络化，寻求一种统一 的、成本低廉的总线应用到智能定位控制器中成为一种必然趋势。 2 、现场仪表系统化【2 4 】 将各项控制功能以软件开发的方式集成在定位控制器中，例如接收传感器检测变送 信号直接对系统进行控制等。 3 、机械对接接口标准统一 采用统一的对接标准接口，方便在线更换定位控制器，安装简单，大大降低运行成 本。例如西门子公司推出的s i t r a n sv p 3 0 0 智能电气定位控制器具有o p o s 接口，符 合v d i v d e3 8 4 7 标准，定位控制器的安装无需外部管道连接，只要用螺丝将其固定在 执行机构上便可以投入运行。 4 、无线遥感技术的应用【2 4 】 采用无线遥感控制技术，可以节省系统运行所需的大量人力物力，大大降低的系统 运行成本，维护工作更为简单、快捷。尤其是在一些布线困难、环境危险的地方采用此 技术，可以更好的解决实际工程问题。 1 3 作者主要工作 在本课题的研究中，作者主要完成以下几方面的工作： l 、智能定位控制器总体设计 查阅国内外资料，了解目前国内外智能定位控制器的研究现状，对智能定位控制器 有总体的认识，以低功耗、模块化、通用性为设计原则，给出智能定位控制器的总体设 计方案。 2 、智能定位控制器硬件设计 根据智能定位控制器的总体方案设计其硬件原理图并设计制作p c b 板，包括核心 微处理器模块、滤波限压模块、电源模块、信号调理模块、线圈驱动模块、人机接i z l 模 块以及通讯模块等的硬件电路设计。 3 、智能定位控制器软件设计 l 绪论硕士论文 完成智能定位控制器的单片机程序设计，包括校调整定模块、数据采集与预处理模 块、参数掉电保护模块、控制算法模块、通讯模块等的程序设计。 4 、h a r t 协议通讯模块设计 对h a r t 通讯协议各层规范( 物理层、数据链路层、应用层) 进行深入地学习，掌 握h a r t 通讯的收发机制，完成其硬件接口电路、软件程序的设计。 5 、智能定位控制器调试平台的搭建 为智能定位控制器搭建调试平台，包括硬件平台与软件上位机程序( l a b v i e w 调试 上位机以及h a r t 通讯调试上位机) 的设计，并结合所搭建的调试平台对智能定位控制 器进行调试。 6 、电气转换技术的研究 对电气转换及气动放大的原理进行深入地学习，了解电子式i p 转换装置其内部构 造，对其线性度不佳和回程差等工程问题进行了研究讨论。 1 4 论文内容安排 。 本论文总共分为八章内容。 第一章为绪论，主要阐述了智能定位控制器的研究背景、意义以及国内外发展现状 及趋势，并总结了作者的主要工作。 第二章总结了定位控制器的类型及原理，并对其部分重要特性进行说明，最后介绍 了与定位控制器密切相关的现场总线、电气转换技术。 第三章根据智能定位控制器的功能与技术指标要求，给出了其总体设计方案。 第四章详细介绍了智能定位控制器的硬件设计，包括控制主板与数字通讯板的硬件 设计。 第五章首先给出了智能定位控制器软件设计的总体规划，然后重点介绍了部分功能 模块，包括校调整定、掉电参数保护、数据采集及预处理、控制算法、h a r t 通讯等模 块。 第六章首先介绍了智能定位控制器调试平台的搭建，包括硬件平台与软件平台，并 对系统调试过程进行了详细的介绍。 第七章针对设计过程中一些工程技术问题进行了讨论，包括抗干扰问题以及电气转 换工程滞回差问题。 第八章对全文进行总结，并结合本次设计的不足以及智能定位控制器的发展趋势作 出展望。 4 硕士论文 智能定控制器及其调试平台的设计与研究 2 定位控制器及相关技术 2 1 定位控制器类型及其原理 定位控制器是工业控制中用于对气动阀门进行定位的控制仪表。在原有的过程控制 系统中加入定位控制器之后，构成以阀位为副被控参数的副回路，与原来的单回路控制 系统组成了串级控制系纠引，其主被控参数为原过程控制系统的被控参数，如液位、流 量、温度或压力等等。串级控制系统对于副回路产生的二次扰动可进行有效的衰减，对 系统负载变化具有很好的适应性，较好地优化了控制动态特性和控制性能等。图2 1 为 带定位控制器的工业过程控制系统原理框图，其中虚线框中定位控制部分、输出转换部 分、阀位检测部分为定位控制器的三个主要构成部分。 图2 1 带定位控制器的过程控制系统原理框图 从定位控制器的发展历程来看，主要分为传统定位控制器和智能定位控制器，下面 将介绍一下这两种定位控制器的结构及其工作原理。 2 1 1 传统定位控制器 传统定位控制器属于机械式结构，采用“力矩平衡“ 方式实现对气动阀门的定位控 制。根据输入信号的不同，分为气动定位控制器( 输入信号为2 0 1 0 0 k p a 气信号) 和电 气定位控制器( 输入信号为4 , - - 2 0 m ad c 电信号) 两种。传统的气动定位控制器和电气 定位控制器比较相似，气动定位控制器使用纹波管接收输入气信号，而电气定位控制器 使用电磁组件接收电信号输入产生电磁力矩，具有电气转换的功能。其中传统气动定位 控制器结构如图2 2 虚线右边部分所示。 5 2 定位控制器及相关技术硕士论文 气源 图2 2 传统气动定位控制器结构示意图 传统定位控制器在工作运行过程中，当设定信号产生的力矩与阀位反馈的力矩相等 时，这样定位控制器就会进入一个稳定的力矩平衡状态。若在此时改变设定信号大小， 两者产生的力矩差会修正喷嘴挡板之间距离，从而改变定位控制器输出压力大小，该输 出压力驱动执行机构动作，使之重新定位，从而建立起新的力矩平衡状态。而对反馈凸 轮结构形状进行调整可以达到设置调节阀的正反作用、流量特性等的目的。 这种机械式结构的定位控制器在长时间运行工作过程中容易产生磨损，导致行程零 点漂移，严重影响定位控制精度；在投入使用前，需要对其进行反复校调整定，费时费 力；自适应能力差，不能灵活的改变定位控制器的作用特性和流量特性。 2 1 2 智能定位控制器 智能定位控制器采用“数字平衡( 电平衡) “ 方式取代传统的力矩平衡方式，使用 微处理器( c p u ) 为核心控制器，采用先进的数字控制算法完成对气动阀门的精确定位， 并在此基础上对其进行一系列的功能扩展和增强，其结构示意如图2 3 所示。从图2 3 中可以看出，定位控制单元、电气转换单元、阀位反馈单元为智能定位控制器的三个重 要构成单元。 6 4 - 2 0 m a 设定值 被控介质 图2 3 智能定位控制器构成示意图 硕士论文智能定控制器及其调试平台的设计与研究 设定的控制电信号( 4 , - - 2 0d cm a ，即为设定值) 与阀位检测变送器输出的阀位信 号( 即为阀位反馈值) 经过信号采集调理以及a d 转换后送给c p u ，根据设定与反馈 之间的误差值，运用先进控制算法计算出用于修正阀位的控制信号，并将此信号送到i p 转换单元；i p 转换单元将接收到的电信号转换为气信号并放大，用于带动气动执行机 构进行相应的动作，从而使气动阀实现快速、准确、稳定的定位；阀位反馈单元实时检 测当前阀杆位置，将这个位置信号转化为相应的电信号反馈给定位控制器，从而使之构 成闭环控制系统。 智能定位控制器在投入使用前进行校调整定时，根据实际的被控气动执行机构特 性，确定其零点满度、行程范围和作用方向等；自适应能力强，采用先进自适应控制算 法，可根据气动阀门在运行过程中其性能的变化，在线调整控制参数，使之达到最佳控 制性能；通过软件设计可以轻松地实现对定位控制器流量特性的设置；具有数字通讯功 能，从而实现了对重要参数进行远程组态管理以及系统的诊断调试等功能。 2 2 定位控制器特性 要设计出性能良好、可靠的定位控制器，就必须对其特性有着深入的理解与掌握。 常见的特性主要涉及到设定信号、作用方式、流量特性、行程范围( 直行程和角行程) 、 气源压力范围以及耗气量等方面。下面就其中几种特性作一下介绍。 1 、定位控制器设定信号 定位控制器的设定信号一般为4 - 2 0d cm a 电流信号。而当定位控制器用于分程控 制时，其设定值信号范围一般为4 1 2d cm a 和1 2 2 0d cm a ，也可根据实际工程要求 对其分程范围进行自定义设置。 2 、定位控制器作用方式 为配合气动执行机构的正、反两种作用方式，定位控制器也具有正作用和反作用两 种方式。当定位控制器的设定信号增大时，定位控制器的输出到气动薄膜执行机构背压 室的气压相应的增大( 减小) ，此时即为正作用( 反作用) 。两者配合使用时的作用方式 综合效果关系见表2 1 。 表2 1 气动执行机构与定位控制器作用方式综合效果 作用方式( 注：“+ ”为正作用，“一”为反作用) 气动执行机构+ 定位控制器+ 综合使用效果+ 3 、定位控制器设定值与阀位行程关系【1 1 1 2 6 1 1 2 9 1 首先要说明调节阀的结构特性( 流量特性) ，它是指阀位与被控介质流量的输入输 出特性关系。调节阀的结构特性一般分为线性、等百分比、快开和抛物线四种，如图2 4 7 2 定位控制器及相关技术 硕士论文 所示，一旦选定调节阀，那么该调节阀的结构特性也随之被确定。 图2 4 调节阀结构特性曲线图 在实际控制系统中，往往需要根据实际情况改变调节阀的流量特性，这就关系到定 位控制器的特性曲线( 即定位控制器设定值与阀位行程关系) 。 调节阀的静态特性可以表示为： ( 2 1 ) 可以将式( 2 1 ) 改写为： k ：d q q 斌d l i l , , , u ：墨墨 ( 2 2 ) d l k 如“嬲 1 式( 2 2 ) 中墨= 而d q q , = , ，k 2 = 丽d l 云l , , 斌 d o q 麟物料流量的相对变化 d l l e 行程的相对变化 咖”一设定值的相对变化 墨即调节阀的结构特性( 流量特性) ，而k ，为定位控制器的曲线特性( 设定值与阀 位行程之间的关系) 。由式( 2 2 ) 可以看出，调节阀的静态特性k 是由其结构特性k l 与 定位控制器曲线特性k ，共同决定的，倘若气动执行机构不配套使用定位控制器，调节 阀的静态特性k 仅与其结构特性k 相关，因此不易进行修正设置；而对于配套使用定 位控制器的调节阀来说，其静态特性k 可以通过改变定位控制器的性能特性局而进行 相应的设置，正如第2 1 节中所介绍，传统定位控制器通过改变凸轮形状、智能定位控 制器通过软件设计分别完成对其特性曲线的设置。 8 硕士论文智能定控制器及其调试平台的设计与研究 2 3 现场总线技术 现场总线( f i e l d b u s ) 是过程控制技术、仪器仪表技术以及计算机网络技术三者紧 密结合的时代产物【1 0 1 。现场总线技术在智能定位控制器上的应用，实现了定位控制器与 上位机的双向远程通讯，使得定位控制器的可互操作性和可维护性成为现实，增强了其 安全可靠性。因此，现场总线技术在智能定位控制器上的应用具有强大的发展潜能。 2 3 1 现场总线的基本概念 国际电工委员会在i e c 6 1 1 5 8 中给出了现场总线的一个标准定义：安装在制造或过 程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总 线称为现场总线【1 0 】。其主要特点有：1 、串行结构连接，降低了通信成本，增强了通信 可靠性；2 、提高了现场设备的智能化程度，实现了不同设备之间的相互兼容。 2 3 2 几种常见的现场总线 由于还没有建立完善的现场总线统一标准，国际上目前约有四十多种f i e l d b u s 。下 面就介绍一下当前已成功应用在智能定位控制器上的几种常见现场总线。 1 、f f 基金会现场总线( f f ，f i e l d b u sf o u n d a t i o n ) 早期方案设立了低速( h 1 ) 和高速( h 2 ) 两部分网段，h 1 标准的通信速率为3 1 2 5 k b i t s ，总线最长为1 9 0 0 m ；h 2 标准后来被 1 0 0 m b i t s 的高速以太网( h s e ) 所取代。f f 通信模型只使用了i s o o s i 的物理层、数 据链路层和应用层，另外在应用层之上加了一个特定的用户层。它遵循i e c l l 5 8 2 标准， 采用m a n c h e s t e r 编码。用户应用层组织用户所需要的应用程序，使用d d l 规范其功能 块，为数据交换制定统一规则。f f 现场总线满足恶劣、危险的工业环境要求，实现了 现场设备的本质安全，这是其最根本的特点。 美国费希尔公司的d v c 6 0 0 0 f , 日本山武的s v p3 0 0 0a l p h a p l u sa v p 3 0 3 3 0 4 、美国 s m a r 公司的f y 3 0 2 智能定位控制器等都具有f f 总线通讯接口。 2 、p r o f i b u s p r o f i b u s ( 过程现场总线) 主要包括p r o f i b u s f m s 、p r o f i b u s d p 和p r o f i b u s p a 三个 成员，它也只使用了i s o o s i 模型中的物理层、数据链路层和应用层三层。其中 p r o f i b u s f m s 主要适用于车间级智能主站间大量的数据通信，其消息传输的实时性不 高；p r o f i b u s d p 主要用于完成现场级智能设备间的数据通信任务，通信实时性较高； p r o f i b u s p a 只用一根电缆就同时囊括了数据线和电源线的功能，具有本质安全性，满 足了工业过程控制对环境的特殊要求。 美国s m a r 公司的f y 3 0 3 、德国西门子公司的s i p a r tp s 2 系列智能定位控制器就 集成了p r o f i b u s p a 通讯接口。 9 2 定位控制器及相关技术 硕士论文 3 、h a r ：i h a r t 协议是美国r o s e m o u n t 公司于1 9 8 6 年提出的一项标准通讯协议，其全称为 可寻址远程传感器数据通道( h i g h w a ya d d r e s s a b l er e m o t et r a n s d u c e r ) 。h a r t 协议使用 o s i 模型中的物理层、数据链路层、应用层，分别规定了数据传输的介质形式、数据帧 结构、数据通讯收发机制以及规范的协议命令等等。从某种意义上来说，h a r t 并不算 是现场总线，而只是现场总线的一种初始形态，那是因为h a r t 不但支持数字通信，而 且可以兼容传统的4 2 0 m a 模拟信号传输，通常是将f s k 调频数字信号叠加到4 2 0 m a 模拟信号上进行数据传输，两者却互不影响，因此h a r t 协议体现了模拟控制系统向纯 数字化现场总线控制系统的转变趋势。由于h a r t 和现场总线的体系结构较为相似，且 最重要的是，它满足当前控制系统从模拟系统向数字系统过渡转变的这个特殊时期的需 求，因而在智能仪表市场具有很强的竞争力以及占有绝大多数市场份额。因此本课题设 计的智能定位控制器也设计了h a r t 协议的通讯接口，在后面的章节中进行详细的设计 介绍。 美国费希尔公司的d v c 6 0 0 0 、日本山武的s v p3 0 0 0a l p h a p l u sa v p 2 0 2 、美国s m a r 公司的f y 3 0 1 、德国s a m s o n 公司的3 7 8 0 型智能定位控制器等都具有h a r t 协议通 讯接口。 2 4 电气转换技术 电气转换装置( i p 转换单元) 用于将控制单元输出的驱动电流信号转换为相应的 气压信号，并通过功率放大器进行气动放大( 如0 0 2 , - 0 1 m p a ，0 0 4 - 0 2 m p a ， 0 0 8 - 9 2 4 m p a 等) ，使其具有足够大的功率去驱动气动执行机构，它是智能定位控制器 中的重要环节之一。 i p 转换装置按其结构形式具有4 种：线圈力矩马达式、线圈滑阀式、电子式和压 电阀式【1 9 1 。线圈力矩马达式结构简单且成本较低，适用于传统的电气定位控制器；线圈 滑阀式常用于电磁阀；电子式、压电阀式最早分别在y a m a t a k e 、s i e m e n s 公司生产 的智能定位控制器中得以应用，这两种结构可靠性高、功耗低，且能够克服较强的振动， 与工业要求十分吻合，因此在不久的将来，电子式和压电阀式是i p 转换技术的必然走 向。 本次设计采用电子式i p 转换部件，这种i p 转换单元具有以下优点【1 9 】： ( 1 ) 适用环境广 在过程控制工业现场中，各种酸碱腐蚀性的气液体会给长期使用的电气转换器造 成一定程度的腐蚀，从而使之气密性变差。而压电阀式智能定位控制器要求气动调节阀 不能有泄漏，因此在这种情况下压电阀式i p 转换装置不适用。此时采用电子式i p 转 换装置的智能定位控制器有着明显的优势。 1 0 硕士论文 智能定控制器及其调试平台的设计与研究 ( 2 ) 抗振动性强 传统定位控制器的i p 转换装置在工作时，喷嘴与挡板之间距离较大，一旦周围环 境发生较强振动，就会带动挡板一起产生振动，从而致使其输出气压产生“抖动“ 现象， 严重影响了对气动阀门的定位控制效果。而使用了特殊铆接技术的电子式i p 转换装置 是一个只有弹片能够动作的整体，且其喷嘴挡板间距微小，有效地提高了其抗振动性。 ( 3 ) 运行成本低 电子式i p 转换装置的驱动电流范围仅为0 , - - 0 6 m a ，且稳定工作时喷嘴挡板间距微 小，仅有微量排气。因此其功耗量、耗气量很低，直接降低了定位控制器的运行使用成 本。 、 电子式i p 转换装置采用模块化思想以及完全对称结构设计方式，其结构原理图如 图2 5 所示。 3 2 1 线圈2 导磁铁芯3 、1 1 导磁柱4 ，i o 导磁片5 喷嘴6 、1 2 导磁夹板 7 弹片8 ，13 g 动板9 、1 4 永久磁铁1 5 挡板1 6 背压室 图2 5 电子式i p 转换装置构造 电子式i p 转换装置是一种对挡板进行微位移控制的装置，它利用电磁感应原理设 计而成，其工作过程原理如图2 6 所示。当电子式i p 转换装置上电后，线圈( 1 ) 有电 流通入，通过导磁铁芯( 2 ) 与导磁柱( 3 、1 1 ) ，在导磁片( 4 、1 0 ) 和运动板( 8 、1 3 ) 之间将会产生一个微弱磁场，该磁场强度与电流大小相关；而永久磁铁( 9 、1 4 ) 会使 得导磁夹板( 6 、1 2 ) 之间产生一个大小恒定的较强磁场。这两个磁场分别作用在弹片 ( 7 ) 的相反的两个方向上，在这两个磁场的综合作用下，弹片( 7 ) 就会产生偏移动作。 由此可知，若线圈的电流大小发生变化，即弱磁场强度发生变化，则弹片( 7 ) 在两个 磁场的综合用下的所处的平衡状态被打破( 修正其偏转位移) ，进而修正了喷嘴( 5 ) 与 挡板( 1 5 ) 的间距，使其背压室( 1 6 ) 的压力发生变化，再经过气动放大，最终输出用 于驱动执行机构的气压控制信号。 2 定位控制器及相关技术 硕士论文 、 k o 。c 聋日l ei 凸巴e 已i， i 卢乒弋 f 。 i 三弓一n p s a ) 结构原理图b ) 等效原理图 图2 7 喷嘴挡板结构原理图 n 为恒定气源压力，r ，为恒气阻，m 为由喷嘴和运动板组成的变气阻，n 为大气 压力。假定r j 、尼均为线性气阻，则由图2 7 可得背压： 弓2 彘b + 熹巴2 女肼南只 晓3 ) 恐置 由式( 2 3 ) 可知 当i s = 0 ，见一时，p b = i s 当扣，见_ d 时，p b = p a 由此可以看出，当喷嘴挡板间距6 很小时( 趋于o ) ，背压室的密闭性较高，此时 其内部气压约等于进气压力；而反之，当6 很大时( 趋于) ，背压室的空气经喷嘴排 出，其内部气压降至很小，可以几乎为零。从而得出可以通过修正喷嘴挡板间距6 来达 硕士论文智能定控制器及其调试平台的设计与研究 图2 8 喷嘴挡板特性曲线 在实际工业生产中，当6 = d 时，由于制造工艺上的原因，见不可能趋向无穷大；当 6 很大时，由于喷嘴的孔径很小，r 2 也不可能为零。6 有效变化范围由式( 2 4 ) 决定， 其中d 为喷嘴的孔径： 至d 2 z d 8即6 土d( 2 4 ) 44 实际控制系统中，需要将丹与j 两者之间的关系控制在线性度比较好的一段，例 如，图2 8 中口、b 两点之间几乎为线性关系，可选作控制区间。 2 5 本章小结 本章主要总结了定位控制器的两种类型及其工作原理，并对两种定位控制器的特点 进行了分析，介绍了定位控制器几个主要特性，然后对现场总线以及电气转换技术进行 了研究。通过本章内容，对定位控制器有了总体了解，为后期的设计研究奠定了良好的 基础。 卜j | 一 硕士论文智能定控制器及其调试平台的设计与研究 3 智能定位控制器总体设计 3 1 功能与技术指标要求 3 1 1 功能要求 1 、定位控制功能 采用微处理器作为控制器，利用先进的控制算法，无论对于直行程或角行程的气动 执行机构都能够实现快速、稳定、准确地定位控制。 2 、特性选择功能 能够根据实际控制需要实现分程控制，改变调节阀的流量特性，分为线性、快开、 等百分比、抛物线、自定义( 根据用户需求任意设定) ，实现定位控制器的控制多样性。 3 、自适应功能 能够自动识别执行机构的特性参数；在长时间投入工作运行时，能够随着被控对象 的不断变化，利用智能控制算法实时的修正控制参数，使控制效果达到最佳，提高定位 控制器的自适应性。 4 、远程通讯功能 具有远程通讯接口，通过与中央控制室上位机的双向通讯，可以获取和设置定位控 制器的信息，例如识别定位控制器的厂商、设备类型、版本等信息，读写定位控制器的 参数等，实现远程组态监控，便于在系统故障时做出快速诊断。 5 、现场调试功能 具有现场调试接口，用户或者技术人员能够通过上位机软件发送命令查看定位控制 器状态参数、监控定位控制器控制曲线以及组态定位控制器流量特性参数，进行现场调 试。 6 、人机接口功能 具有良好的人机接口，通过键盘操作实现对智能定位控制器的手动校调及整定，并 通过l c d 显示智能定位控制器各项参数信息。 7 、防火防爆功能 减少能源消耗，实现低功耗要求，降低整体成本，能够满足工业过程控制场合的本 质安全的防火防爆要求。 3 1 2 技术指标要求 智能定位控制器的性能往往通过它的一些主要技术指标来判断和衡量。在表3 1 中 列出了智能定位控制器主要的几项技术指标要求。 3 智能定位控制器总体设计硕士论文 表3 1 智能定位控制器主要技术指标要求 指标项目指标内容要求 输入信号范围 4 2 0 m a d c 最小工作电流3 5 m a d c 直行程 1 0 m m - 1 0 0 m m 额定行程范围 角行程 5 0 。 9 0 。 控制精度 0 5 f s 气源压力14 0 k p a 一7 0 0k p a 输出压力 2 0 k p a 2 8 0 k p a 气源压力为1 4 0 k p a 时 4 n l m i n 耗气量 气源压力为2 8 0 k p a 时 5 n l m i n 气源压力为5 0 0 k p a 时6 l 、，m i n 温度 - 4 0 “ 1 2 - 8 0 环境要求 湿度 9 0 抗震性 2 9 ( 5 - - , 4 0 0 h z ) 防爆标志e x i a i i c t 6 3 2 总体方案设计 3 2 1 二线制设计 在石油、冶金、化工等典型工业控制领域中，对现场仪表和设备的防火防爆要求十 分严格。为了满足这种严格的工业要求，本次设计采用二线制供电方案。二线制仪表没 有专门的电源线，它是从两根信号线上( 一般指工业标准的4 - - 2 0 m a 的环路电流信号线) 提取系统供电电源。二线制方案在实现本质安全防爆结构时具有很明显的优势，同时也 节省了能耗和电缆铺设，大大降低了产品成本。 从信号线上提取的电源要给微处理器、集成运放以及通讯调制解调芯片等外围器件 供电，这就意味着对整个系统的功耗要求十分严格，因此在进行系统设计时，必须考虑 如何在满足所有功能要求的前提下实现功耗最低。为了实现这一目标，就要在系统硬件 和软件设计上多下功夫。通常采取以下几种措施来降低功耗： l 、尽量选择一些低功耗或微功耗的芯片元器件，例如在微处理器、集成运放、电 源管理芯片、通讯调制解调芯片等的选择上要多作比较，选择功耗较低的元器件。 2 、尽量降低系统的工作电压以及微处理器的工作频率。因为数字系统的功耗基本 符合公式p = c v 2 f ，其中c 为系统负载电容( 通常不可控) ，v 为系统工作电压，厂为 系统工作频率 2 7 1 。从公式可以看出，系统的功耗p 的高低主要与工作电压y 的大小以 1 6 硕士论文智能定控制器及其调试平台的设计与研究 及工作频率厂的高低相关，因此在设计过程中，需要选择合适的工作电压与工作频率， 即在系统功能不受影响的条件下使工作电压和时钟频率尽可能的低，这样可以有效的降 低系统功耗。 3 、充分利用微处理器片上资源，例如使用微处理器内部自带的a d 转换器、f l a s h 存储器以及看门狗定时器等，避免外接芯片器件带来的功耗损失。 4 、从软件上降低系统功耗，以软代硬，尽可能将硬件功能利用软件程序实现。充 分利用c p u 的空闲模式，例如m s p 4 3 0 单片机有五种低功耗模式，在低功耗模式下c p u 处于禁止状态，同时可以关闭时钟，通过不同的模式组合使系统达到最低的功耗以及发 挥最优的系统性能。 3 3 2 数字通讯设计 智能型仪表一个十分重要的标志就是能够进行数字通讯。相对于模拟传输技术，数 字传输的抗干扰能力强、保密性好，因此数字通讯更加顺应当前计算机技术迅速发展的 时代背景，在智能型仪表领域有着相当广阔的发展前景。 在当前的智能仪表市场中，仪表制造厂商所推出的产品很大一部分带有h a r t 通讯一 接口。根据第2 3 2 节中关于h a r t 协议的介绍，可知h a r t 虽然不算是真正意义上的 现场总线，但现场总线的出现，无论在现有或新的产品设备上都不会很快取代h a r t 协 议。因为h a r t 协议不但通讯结构和功能与现场总线相似，更重要的是它能够与传统 4 2 0 m a 模拟系统互相兼容，是一种过渡期协议。h a r t 协议使得企业用户在不必更换 整个系统的前提下，实现设备远程通讯以及现场诊断的功能，从而大大的节省了成本。 因此本课题采用h a r t 协议通讯方式作为智能定位控制器的数字通讯方式。 另外为了方便技术人员对定位控制器进行现场调试，采用r s 2 3 2 方式设计一个现场 调试接口。r s 2 3 2 是目前最常用的串行通讯方式，它是由美国e i a ( e l e c t r o n i ci n d u s t r i e s a s s o c i a t i o n ，电子工业协会) 所制定的异步串