（机械电子工程专业论文）基于现场总线的数字阀门控制器开发.pdf

中文摘要 现场总线的应用已成为控制系统的发展趋势，它改变了传统控制系统的结 构，形成了新型的网络集成式全分布控制系统。现场总线控制系统的逐步推广和 普及对下层的执行设备也提出了新的要求。新的总线型执行设备除了完成基本的 控制功能外，还应该具有双向通信能力，能够通过上位机对其进行组态和在线诊 断。 数字阀门控制器是智能气动阀门控制器的新一代产品，将传统型阀门控制器 的功能和数字通讯技术结合起来，性能有了很大突破，诸如提高了控制的精度、 速度和增加控制的灵活性。数字阀门控制器数字化、通信化、智能化以及支持现 场总线的特性，给工业自动化生产带来了深刻的变革。 本文中介绍的数字控制器是基h a r t 总线接口的二线制阀门控制器。总体 设计以满足二线制仪表本质安全防爆特性和实现基于h a r t 总线的通讯为中心， 主要研究内容和成果如下： ( 1 ) 为满足二线制仪表本安特性要求，设计开发了超低功耗的控制板软硬 件系统，包括： 1 ) 低功耗的二线制电流源系统； 2 ) 利用m s p 4 3 0 单片机的超低功耗特性，优化了控制系统设计，降低整 体应用系统的功耗； 3 ) 数据采样电路中选用低功耗的传感器及微功耗单电源运放来降低功耗； 4 ) 结合基于模块化思想的系统软件包设计，进一步降低系统电路的功耗。 ( 2 ) h a r t 总线的通讯线路设计及信号处理，包括： 1 ) 符合h a r t 协议物理层规范的硬件设计； 2 ) 解决了通信环路中数字信号在模拟信号的叠加和分离问题。 ( 3 ) 开发制作了基于h a r t 总线的二线制数字控制器样机电路板。 关键词：数字阀j - j 控制器超低功耗二线制本质安全h a r t 总线 a b s t r a c t a san e wd e v e l o p m e n td i r e c t i o no ft h ei n d u s t r i a lp r o c e s sc o n t r 0 1 t h ea p p l i c a t i o n o ff i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ( f c s ) h a s c h a n g e dt h es t r u c t u r eo fc o n v e n t i o n a lp r o c e s s c o n t r o ls y s t e ma n ds h a p e dan e wg e n e r a t i o nn a m e di n t e g r a t e dd i s t r i b u t i o nc o n t r o l s y s t e m t h ed e v e l o p m e n to ff c sb r i n g sf o r w a r dn e wr e q u i r e m e n t sf o rs l a v ea c t o r s n e wf i e l d b u sd e v i c e ss h o u l dh a v et h ec a p a c i t i e sn o to n l yf o rm e a s u r i n g ，b u ta l s of o r a l t e r n a t e l yc o m m u n i c a t i n g t h r o u 曲m a s t e rc o m p u t e r s ，t h e yc a l lb ec o n f g u r e da n d d i a g n o s e do nl i n e d i g i t a lv a l v ec o n t r o l l e r ( d v c ) i st h en e wg e n e r a t i o np r o d u c t i o no ft h es m a r t p n e u m a t i cv a l v ec o n t r o l l e r s b ya d d i n gt h ed i g i t a lc o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u et ot h e c o n v e n t i o n a lc o n t r o l l e r s ，t h ep e r f o r m a n c ei n m a n ya s p e c t ss u c ha sm e a s u r e m e n t p r e c i s i o n s p e e da n df l e x i b i l i t y , h a sb e e ns i g n i f i c a n t l yi m p r o v e d w i t ht h ei n t e l l i g e n t s t r u c t u r e ，d i g i t a lc o m m u n i c a t i o np e r f o r m a n c e a n dt h ec a p a c i t yo fc o n n e c t i n gw i t l l f i e l d b u s ，t h ed i g i t a lv a l v ec o n t r o l l e ri sb e c o m i n ga ni n c r e a s i n g l yi m p o r t a n t t e c h n i q u e a n dp r o m o t i n gt h ei n d u s t r ya u t o m a t i o nc o n t r o ld r a m a t i c a l l y t h ed i g i t a lv a l v ec o n t r o l l e ri n t r o d u c e di nt h i sp a p e l i st h et w o - w i r es y s t e mb a s e d o nh a r tc o n 咂n u n i c a t i o n sp r o t o c 0 1 t h ef o c u sp r o b l e mi sa b o u th o wt of u l f i l lt h e i n t r i n s i cs a f e t yp e c u l i a r i t yo ft h et w o - w i r ei n s t r u m e n t sa n dr e a l i z et h eh a r r c o m m u n i c a t i o ns y s t e m i nt h er e s e a r c h ，t h ef o l l o w i n ga c h i e v e m e n t sh a v eb e e nm a d e ( 1 ) t os a t i s f yt h ed e m a n df o ri n t r i n s i cs a f e t y p e c u l i a r i t yo ft h et w o w i r e i n s t r u m e n t s ，t h eu l t r al o w - p o w e rs y s t e mh a sb e e nd e s i g n e d ，i n c l u d i n g ： 1 ) d e s i g n e dl o w p o w e rc u r r e n ts u p p l yu n i tf o rt h et w o - w i r es y s t e m ； r e s o l v e dt h ep r o b l e mo fl o w p o w e rc o n s u m p t i o n 2 ) w i t ht h ea p p l i c a t i o no fm s p 4 3 0s i n g l ep r o c e s s o r , t h ec o n l l o ls y s t e mh a s b e e no p t i m i z e da n dt h ec o n s u m e dp o w e rh a sb e e nd e c r e a s e d 3 ) r e s o l v e dt h el o w - p o w e rc o n s u m p t i o np r o b l e mo fd a t aa c q u i s i t i o na b o u t c u r r e n t , a i rp r e s s u r e ，t e m p e r a t u r e ，v a l v ep o s i t i o nb yc h o o s i n gt h e l o w e r - p o w e rp a r t s 4 ) d e v e l o p e d t h es y s t e ms o f t w a r ep a c k a g ew i t hm o d u l a r i t y , w h i c hi n c l u d e s af u n c t i o n a lm o d u l ea n dah a r tc o m m u n i c a t i o np r o g r a m a n dm a d et h e p o w e rc o n s u m p t i o nl o w e r ( 2 ) d e s i g n e dt h eh a r tp r o c e s sc o n t r o l l o o p b yw h i c ht h ed i g i t a lc o n t r o l l e rc a l l c o m m u n i c a t ew i t ht h em a s t e rd e v i c eu n d e rt h ec o n t r o lo f m c u i n c l u d i n g ： 5 ) d e v e l o p e dt h eh a r d w a r es y s t e mw h i c hs a t i s f i e dt h eh a r tf s kp h y sic a l l a y e rs p e c i f i c a t i o n 6 ) r e s o l v e dt h ep r o b l e ma b o u ts e p a r a t i n go rm i ) 【i n gd i g i t a ls i g n a l sa n d a n a l o gs i g n a l si nt h ep r o c e s sl o o p ( 3 ) p r o d u c e dt h ed e m oo f t h ed i g i t a lc o n t r o l l e ru s i n gt w o - w i r es y s t e mb a s e do n h a r t p r o t o c 0 1 k e y w o r d s ：d i g i t a lv a l v ec o n t r o l l e r ；u l t r al o w - p o w e rc o n s u m p t i o n ； t w o - w i r es y s t e m ； i n t r i n s i cs a f e t y ；h a r tf i e i d b u s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名衷助季签字嗍伽7 年，月多日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 囊莎辉 签字日期：如7 年，月乡日 导师签名： 王刚 n 签字日期：豇矽年厂月乡日 l 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题国内外发展现状1 卜【1 0 】 1 1 1 现场总线控制系统综述 现场总线是近十年来发展起来的一项热门工业自动化新技术，是3 c ( 计算机、 通信、控制) 技术的汇合，也是数字化、智能化、网络化向现场设备的发展，或 者说是信息技术对现场设备的改造，并导致了新一代控制系统体系结构f c s ( f i e l dc o n t r o ls y s t e m ) 的出现。 7 0 年代中期，工业过程控制仪表发展成为统一的两线$ m j 4 - - - 2 0 m h 标准信号， 促进了工业过程控制系统的发展。从8 0 年代开始，随着微电子学的发展，大量 含有微处理器的智能变送器、控制器和集散系统( d c s ) 得到了普遍应用。现场设 备与控制室自动化设备间需要传输的信息量也急剧增加。由于原有的4 - - 2 0 m h 模 拟电流回路，只能在一根两芯电缆中单向传输一个参数，已经不能适应这种要求， 故而在现场设备和控制系统之间，迫切需要一种全数字化的、双向、多变量的通 信规程来代替现有的4 - - 一2 0 m h 模拟传输方式。在这种需求的推动下，随着计算机 网络技术的不断进步，现场总线技术得到了迅速发展。 现场总线是连接现场智能设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支 结构的通信网络。现场总线控制系统是新型的自动化系统，又是低宽带的底层控 制网络，它可与互联网( i n t e r n e t ) 、企业网( i n t r a n e t ) 相连，且位于生产控制和网络 结构的底层，因而有人称之为底层网( i n f r a n e t ) 。它作为网络系统最显著的特征 是具有开放统一的通信协议，肩负着生产运行一线测量、控制的特殊任务。 现场总线打破了传统控制系统的结构形式，传统模拟控制系统采用一对一 的设备连线，按控制回路分别进行连接，位于现场的变送器与位于控制室的控制 器之间，控制器与位于现场的执行器、开关、电机之间均为一对一的物理连接。 现场总线系统由于采用了智能现场设备，能够把原先d c s 系统中处于控制室的 控制模块、各输入输出模块置入现场设备。加上具备通信能力，现场的测量变送 仪表可以与阀门控制器等执行机构直接传送信号。因而控制系统的功能能够不依 赖控制室的计算机或控制仪表，直接在现场完成，实现了彻底的分散控制。 近几年来，随着社会的不断进步和科学技术的迅猛发展，我国的石油、化 工、冶金工业领域对自动化控制程度和水平的要求越来越高。对这些领域所涉及 第一章绪论 的各类仪表产品不论从性能、精度、功能和可靠性上都提出了更高的要求。同时， 现在被很多企业采用的d c s 集散控制系统，测量变送仪表一般为模拟仪表，它 实际是一种模拟数字混合系统。这种系统在功能、性能上比模拟仪表、集中式数 字控制系统有了很大的进步，可在此基础上实现装置级、车间级的优化控制。但 是，在d c s 系统形成的过程中，由于受到计算机系统早期存在的系统封闭这一 缺陷的影响，各大厂家的产品自成系统，不同厂家的设备不能相互连在一起，难 以实现互换和互操作，因此组成范围更大的信息共享网络系统存在着很大困难。 新型的现场总线控制系统突破了d c s 系统中通讯由专用网络封闭系统来实 现的缺陷，把基于封闭、专用于某一项工程的解决方案变成了基于公开化、标准 化的解决方案，可以把不同厂商而遵从同一协议规范的自动化设备，通过现场总 线网络连成系统，实现综合自动化的各种功能。同时把d c s 集中与分散相结合 的集散系统结构，变成了新型全分布式结构，把控制功能彻底下放到现场，依靠 现场智能设备来实现控制功能。现场总线阀门控制器就在这种情况下诞生了。现 场总线智能阀门控制是一种具有组态标定和自诊断等智能化功能的智能网络数 字化产品。 为了给智能现场仪表提供远程调校、诊断和管理的手段。r o s e m o u n t 公司提 出一个h a r t ( 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 ) 通信协议，并将它转移 给h a r t 用户组( h u g ) ：后改为h a r t 通信基金会( 耶c ) 。它采用了国际化 标准组织i s o 的开放系统互联( o s i ) 7 层模型中的物理层、数据链路层和应用 层。物理层采用了美国电信标准b e l l - - 2 0 2 的频移键控技术( f s k ) 。 h a r t 协议支持点对点连接和总线式连接( 一条总线最多1 5 台设备) 。h a r t 协议支持“广播”式通信和“主从”式通信。h a r t 协议的特点是和4 - - 一2 0 m a 模拟信号兼容，保持两线制供电和本质安全防爆传统。 但h a r t 协议的速度较慢，且功能简单，不能满足复杂控制功能的需要， 只能用于仪表的远程调校、诊断、数据采集和管理。因此从严格意义上来讲，它 至多只能算做“过渡的现场总线”。 1 1 2 阀门控制器的发展现状 气动调节阀是一种重要的执行器，其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。而阀门控制器作为 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。 因而，阀门控制器数字化、智能化的实现为气动类执行器和调节阀的智能化提供 了条件，进而为实现各种现场总线网络通信功能奠定了基础，使气动调节阀也成 为智能化的网络控制设备。 2 第一章绪论 阀门控制器是一种与气动执行机构配套使用的辅助仪表，基本功能是接受调 节器的输出信号，然后以它的输出信号去控制气动执行机构，当气动执行机构动 作时，阀杆的位移又通过机械装置反馈到阀门控制器，因此控制器和执行器组成 了一个闭环回路。 阀门控制器从产生起，经历了不同的发展阶段。最初是利用力平衡原理的完 全气动的控制器，这种控制器在使用过程中易磨损，且精度不能保证。安装调校 时通常需反复调节一系列弹簧螺钉以达到力平衡，过程繁琐复杂，控制不够灵活， 不能方便地配合不同行程形式的阀门。但这种结构多年来，一直在气动控制器产 品中占主导地位，目前我国使用的控制器仍然以此为主。 电一气阀门控制器是随着工业控制的电气化应运而生，它允许使用诸如 4 - - - 2 0 m a 之类的电流作为输入的设定信号，而不用2 0 - - - 1 0 0 k p a 的气动信号。这类 控制器结构与上述大同小异，不同之处仅在于把波纹管换成了电磁铁。 微控制器一出现，就在很短的时间内渗透到人们生产和生活的各个方面。特 别是近年来半导体技术的迅猛发展，使微控制器的集成度成倍提高、功能日趋强 大，而成本则大幅度下降。以微控制器构成工控装置，尤其是现场仪表，其方便、 可靠与灵活是显而易见的，阀门控制器当然也不例外。引入微处理器后，整个控 制器的行为完全由m c u 编程决定，容易实现和修改部分功能而无需改动硬件， 大大增加了灵活性。此外，与现代先进的控制算法相结合，可使调校过程自动化， 简化了安装与投运过程。 由于数字阀门控制器具有许多传统阀门控制器无可比拟的优点，所以在国 外，传统阀门控制器正在逐渐地并越来越快地被数字阀门控制器所取代和淘汰。 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，如德国的西门子 公司、美国的费希尔一罗斯蒙特、a b b 公司、日本山武公司等，相继研制成功 了智能型两线制电饩阀门控制器( 即带有微处理器的控制器) ，或者配置有h a r t 总线、p r o f i b u s 总线、f f 总线等现场总线接口的数字式电气阀门控制器，其数字 化、通信化、智能化以及支持现场总线的特性，大大提高了阀门控制器的控制性 能，是阀门控制器发展的主流。 数字阀门控制器的发展和现场总线技术的成熟，给工业自动化生产带来了深 刻的变革，代表了气动执行器技术的发展方向。而国内在这方面的研究才刚刚起 步，在国外大仪表公司开发新型数字控制器并抢占中国市场的同时，我们必须高 起点投入，开发智能化产品，早日实现自主规模生产。 虽然h a r t 协议只是一种由模拟系统向数字系统转变过程中的过渡协议，但是 由于h a r t 协议是唯一向后兼容的智能仪表解决方案，即它可以在提供现场总线的 优越性的同时，保留对现有4 - - - 2 0 m a 系统的兼容性。而且与模拟仪表相比，h a r t 第一章绪论 智能仪表在成本不增加太大的前提下，具有易于调试维护和更高的精度的优点， 因而在当前的过渡时期具有较强市场竞争力，在目前智能仪表市场上占有很大的 份额，已经成为一种事实上的工业标准。据业内人士估计，h a r t 协议在国际上 的使用寿命为1 5 2 0 年，国内由于客观因素所限，使用寿命还会更长一些。因 此，在今后相当长一段时间里，h a r t 协议产品仍具有十分广阔的市场。 1 1 3 数字阀门控制器的发展方向 ( 1 ) 随着仪表的快速发展，仪表之间相互替代的性能，可以通过更换通讯板 的方法实现。或者新的替代协议将会出现，多种协议并存，通用协议统一的现象 将在今后一段时间出现。 ( 2 ) 作为衡量调节阀偏离度的主要指标，死区需要进一步消除，虽然阀位反 馈使用了电阻信号，但仍然是将位移信号通过机械转换实现的，需要进一步改进。 用电气测量阀位的方法可以消除反馈杆自身存在的死区。 ( 3 ) 调节阀整体属性化开发，将完整的仪表属性储存在存储器中，通过控制 器可以查看各种属性参数，对过程控制和维修更换等带来更多的方便。 ( 4 ) 现场仪表系统化，通过不断开发应用软件，将控制功能集成在控制器中， 实现各种控制，如接受变送器信号直接实现系统控制等。 ( 5 ) 遥感测控技术在仪表中应用。仪表安装在现场，尤其是易燃易爆场所， 现在对现场仪表的检查需要打开接线盒进行，使电气接线部分裸露，造成不安全 隐患。使用遥感测控技术可以彻底消除这一缺陷，提高应用范围。 本课题在消化吸收国外同类产品的基础上，对数字阀门控制器的研制进行了 研究探索，利用h a r t 协议实现了远程通讯，实现了阀门控制器真正达到数字 化、通讯化、智能化。 1 2 课题的重点 ( 1 ) h a r t 总线的通讯线路设计及信号处理 1 ) 使硬件设计完全符合h a r t 协议物理层规范是硬件设计的难点之一。只 有做到这一点，才能使本控制器和h a r t 产品之间实现完全的互操作。 该数字控制器负责对气动阀门进行参数设置，数据采集等工作，因此它是 h a r t 协议定义的从设备。因此上要完全符合h a r t 协议物理层的要求，再加上 隔离供电和隔离通讯的实现，为该控制器与其它h a r t 产品之间的互操作奠定 了坚实的基础。 4 第一章绪论 2 ) 信号处理也是通讯设计中的难点之一，它包括： a 模拟信号处理：h a r t 数字通信速度比较缓慢，保留4 - - - 2 0m a 模拟信号的 过程量，参与系统的实时控制，模拟量信号处理包括滤波和模数转换； b 数字信号处理：从叠加在模拟过程量上的h a r t 规范频率信号和数字处理 电路中的数字量信号，电平和频率的转换需要进行调制和解调。h a r t 信号处理 的功能电路以调制解调器为中心，还包括信号滤波和整形电路； c 混合信号处理：频率信号在模拟信号上叠加和分离； ( 2 ) 超低功耗电路设计 。 对于二线制控制器，输入电流信号范围为4 - 2 0 m a ，此信号既作为定位信 号，又必须提供控制器所需要的能源。系统的总电流消耗必须小于回路的最小电 流要求( 即保证在最小电流4 m a 的条件下电路仍然能够正常工作) 。为了留有 一定的裕量，同时为了兼容基于h a r t 协议的智能变送器，则设计整个电路的 最大消耗电流的上限为3 5 m a 。 1 ) 电源电路的设计 电气阀门控制器的输入为4 一- 2 0 m a 电流信号，而实际电路中需要获取一组 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。i p 转换 单元使用的是压电陶瓷控制阀，它需要2 4 v 或更高的电压。因此电源模块的任 务需将输入的电流变换成3 v 和2 4 v 两组电源。电源电路是控制电路设计的核 心之一，其成功与否以及效率的高低直接影响到系统的功耗。 2 ) 数据采集电路的设计 数据采集电路包括调节器的控制阀门开度的电流信号( 4 - - - 2 0 m a ) 、温度、 压力、以及阀位反馈数据。取样电阻以及温度、压力、位移传感器将采集的电压 信号通过仪用放大器放大，送入微处理器进行采样，这样就存在以下难点： a 为降低功耗，运放需选用单电源，从而导致可用信号范围的减小； b 温度、压力以及位移传感器需选用低功耗的元件，灵敏度及采样精度降低； 3 ) 超低功耗m s p 4 3 0 单片机系统的设计 使用低功耗单片机的目的是降低整个单片机应用系统的功耗，因此单片机系 统外围电路的设计和外围器件的选择以及接口设计是实现低功耗的重要因素，所 以单纯讲单片机本身的功耗是没有意义的。这就要求： a 优化系统设计，充分利用单片机的低功耗特性； b 低功耗设计必须结合整个系统电路及软件设计进行。 4 ) 进气阀及排气阀的控制( 1 p 转换单元) i p 转换单元也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。设计出优良的i p 转换 第一章绪论 单元是实现阀门控制器智能化的重要步骤之一。 1 3 本文的主要工作 主要研究内容和成果如下： ( 1 ) 为满足二线制仪表本安防爆特性要求， 软硬件系统，包括： 1 ) 低功耗的二线制电流源系统； 2 ) 利用m s p 4 3 0 单片机的超低功耗特性， 用系统的功耗； 设计开发了超低功耗的控制板 优化了系统设计，降低整体应 3 ) 数据采样电路中选用低功耗的传感器及微功耗单电源运放； 4 ) 结合基于模块化思想的系统软件包设计，进一步降低系统电路的功耗。 ( 2 ) h a r t 总线的通讯线路设计及信号处理，包括： 1 ) 符合h a r t 协议物理层规范的硬件设计； 2 ) 通信环路中，数字信号、模拟信号及混合信号的处理。 ( 3 ) 开发制作了基于h a r t 总线的二线制数字控制器样机电路板。 1 4 本文的内容安排 本文一共分六章。 第一章：绪论。介绍了数字阀门控制器的发展历史、现状和趋势；在此基础 上提出了课题内容和课题设计难点；简单介绍了本文的主要工作。 第二章：系统的基本原理和总体结构设计。介绍了数字阀门控制器的基本理 论；讨论了数字阀门控制器与传统阀门控制器的对比；分析了数字控制器的软硬 件构成原理；分析了数字控制器的总体结构；系统的基本硬件结构；控制系统设 计；通讯系统设计。 第三章：系统的硬件电路。介绍了系统的硬件电路具体构成；电源电路设计； 控制电路设计：数据采集电路设计。 第四章：通讯电路和p c b 制板。h a r t 通讯原理；h a r t 协议简介；通讯 接口线路设计；p c b 制板的注意事项； 第五章：系统的软件设计。系统整体软件设计结构；控制部分软件设计；采 集数据部分软件设计；通讯部分软件设计； 第六章：结论与展望。对课题研究工作进行总结，并展望了课题的前景。 6 第二章系统的基本原理及总体结构设计 第二章系统的基本原理及总体结构设计 2 1 系统的基本原理 2 1 1 阀门控制器的控制原理 阀门控制器亦即阀门定位器，是气动阀的主要附件。它利用闭环控制原理， 将阀位输出量反馈回来与输入量( 调节器的输出信号) 比较，即反馈的阀位信号直 接与阀位控制信号比较，然后据此改变气室压力推动阀杆动作。控制器还可以通 过阀位反馈装置形成局部控制闭环，使阀位控制更加精确稳定。 2 1 1 1 阀门控制器在过程控制中的作用【l l j 阀门控制器在过程控制系统中的作用如图2 1 所示。 图2 1 阀门控制器在控制系统中的作用 图中x 为被调量的设定值；y 为被调量；y m 为被调量的测量值；s 为调节器的 输出信号( 与执行器即调节阀的开度成一定的关系) ：c 为控制器的输出信号；r 为阀门位置信号。控制器利用闭环控制原理，将从调节器来的调节信号与从执行 器来的阀门反馈位置信号相比较，根据比较后的偏差使调节阀执行机构动作，从 而使阀芯准确定位，达到定位的目的。 2 1 1 2 阀门控制器的控制原理l l 2 j 控制系统主要由m c u 控制单元、电气转换i p 单元、阀位检测反馈单元 组成，其控制原理如图2 2 所示。 7 第二章系统的基本原理及总体结构设计 被控介质 图2 2 阀门控制器的控制原理图 气 该控制器和执行器构成一个反馈回路，输入单元接受来自控制器的4 - 2 0m a 电流信号。调节阀位置反馈信号作为被控变量与给定信号值在微处理器中比较， 其偏差通过主控板的输出口发出不同长度的脉冲，控制i p 转换单元的输出压 力，从而驱动调节阀动作。 该控制器的控制原理是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，阀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 排入大气，阀杆在弹簧的作 用下向上移动。实际中使用的阀a 、b 有电磁阀、压电陶瓷阀等多种类型。 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。用一小片特殊制作的压电陶瓷片，在它两侧加上2 4 - - 3 0 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。这种算法原理简单明了，控制特性较好， 实现也不复杂，适合那些基于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，输出一定宽度的脉冲信号，断续进气或排气，行程缓慢改变，因此称这两 第二章系统的基本原理及总体结构设计 个区为低速区或短步区；在死区内，不输出信号，行程不改变。 2 1 2 数字阀门控制器基本构成 数字阀门控制器是基于微处理器的，通过双向远程通讯，可选择地实现组态、 调试、诊断和数据管理等功能的智能阀门控制器。 。 智能阀门控制器有的只接受4 - - - 2 0 m a 直流电流信号；有的既接受4 - - 2 0m a 的模拟信号又接受数字信号，如h a r t 通讯的数字阀门控制器；还有只进行数 字信号传输的现场总线阀门控制器，它们均用以控制薄膜式或活塞式气动调节 阀。 2 1 2 1 阀门控制器的基本构成原理 数字阀门控制器的基本构成如图2 3 所示。 被控介质谓节一( 调节毒分) 图2 3 数字阀门控制器的基本组成 它以微处理器为核心，采用的是数字定位技术，即将从调节器传来的控制信 号( 4 2 0 m a ) 转换成数字信号后送入微处理器，同时，将阀门开度信号也通过a d 转换后反馈回微处理器，微处理器将这两个数字信号按照预先设定的性能特性关 系进行比较，判断阀门开度是否与控制信号相匹配( 即阀杆是否移动到位) ，如果 正好匹配即偏差为零，系统处于稳定状态，则切断气源，即使两阀( 可以是电磁 阀或压电阀) 均处于切断状态( 两阀均只有通和断两种状态) ，否则根据偏差的大 小和类别( 正偏差或负偏差) 决定两阀的动作，从而使阀芯准确定位。 9 第二章系统的基本原理及总体结构设计 同时，数字控制器通过h a r tm o d e m 通过通讯环路与外界上位机进行通讯， 通过在4 , - - 2 0 m a 的模拟信号的环路上叠加的数字信号，完成上位机对主要变量 和测量、过程参数、设备组态、校准及诊断信息的访问。 2 1 2 2 基本硬件构成 数字阀门控制器的硬件电路由中央控制单元、h a r t 接口单元、电源电路、 i p 控制电路、人机界面接口和阀位反馈电路等部分组成。 两插li 南 ，【。一 l i 1 一 卯控制电路j 卜一j il 反馈电路 图2 _ 4 数字阀门控制器的结构原理图 如图2 - 4 所示，数字阀门控制器的电路主要包括： ( 1 ) 取样电路：将输入信号、温度压力测量数据和阀位反馈信号转换为微 处理机所能接受的数字信号，根据接受的输入信号和通讯协议的不同，信号调理 部分的具体电路将有所不同； ( 2 ) 中央控制单元：微处理机将送入的两个数字信号按照预先设定的特性 关系进行比较，判断阀门开度是否与设定信号相对应，并输出控制信号至电气转 换控制部分； ( 3 ) i p 控制电路：将控制电信号转换为气压信号送至气动执行机构，推 动调节机构动作； ( 4 ) 阀位反馈装置：检测执行机构的阀杆位移并将其转换为电信号反馈到 阀门控制器的信号调理部分。 ( 5 ) h a r t 接口单元：主要完成数字信号到模拟电流信号的转换，并实现上 位机( 第一主设备) 和手持通讯器( 第二主设备) 对主要变量、过程参数、设备 组态、校准及诊断信息的设置和访问。通过上位机或手操器，实现远程设定零点、 量程等，由软件完成补偿功能。该控制器可就地完成零点、量程设置。可与上位 机连接成点对点方式。 ( 6 ) 人机界面接口单元：数字阀门控制器通常都有l c d 显示屏和手动操作 按钮，显示屏用于显示阀门控制器的各种状态信息，按钮则用于输入组态数据和 手动操作。 1 0 第二章系统的基本原理及总体结构设计 2 1 2 3 基本软件构成 软件主要由监控程序和功能模块两部分组成，前者使阀门控制器各硬件电路 能正常工作并实现所规定的功能；后者提供各种功能，供用户选择使用，即进行 组态设定。其功能主要包括： ( 1 ) 自动初始化功能：控制器启动后，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。 ( 2 ) 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。 2 2 系统的总体结构设计 2 2 1 基本硬件结构 设计出的数字阀门控制器基本结构如图2 5 所示： 图2 - 5 数字阀门控制器基本结构 第二章系统的基本原理及总体结构设计 数字控制器系统机构由控制电路部分和通讯线路部分构成。控制电路部分 主要包括微处理器、按键和l c d 显示( 人机接口) 、模数转换以及压电阀驱动电 路四个部分。 由于l c d 功耗较低且可达到较佳的人机对话效果，被选作显示器件。l c d 和按键一起提供人机交互接口，显示器用于显示阀门控制器的各种状态信息，按 键用于输入组态数据和手动操作。 微控制器是所有运算、控制的核心，它通过软件将阀位信号y 经过必要的 修正后，与设定值w 进行比较得到误差信号e ，并根据e 值输出相应的脉冲 信号以进行进气或排气操作。但它输出的脉冲幅度只能达到它的电源电压，不足 以驱动压电陶瓷阀，所以需要额外的驱动电路把小幅度脉冲( 3 v ) 转变成能驱 动压电陶瓷阀所需的大幅度( 2 4 v ) 脉冲。 通讯部分则完成控制器与外界设备的通讯功能，继而真正体现设备的数字 化、通讯化、智能化。 2 2 2 二线制仪表的低功耗设计 所谓二线制仪表，是指电源和信号线共用两根导线的仪表，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，目前工业现场最常用的就 是符合工业标淮的4 - 2 0 m a 电流信号。二线制仪表由于电源本身即取自信号 线，所以在构成本质安全的防爆结构时，具有很大的优势。 但另一方面，由于基于h a r t 总线的数字控制器电源线和信号线复用，控 制器本身电路功耗电流加上0 5 m a 的h a r t 正弦调制波信号电流不得超过4 m a 的回路电流，即控制器本身功耗电流必须小于3 5 m a 。系统所允许的最大功耗可 以这样估算：假定在输入端能取出1 0v 电压则整个系统的功耗不应大于 3 5 m w 。 因此需要在器件选择和系统设计上多下功夫，采取多种措施来降低功耗。 2 2 2 1低功耗系统硬件实现措施 ( 1 ) 存储器的低功耗方式 因存储器实际读写时间很短，大约只有几百n s 几m s ，而电流较大，因此， 当存储器不工作时，就使其处于待机工作方式，降低功耗。设计中m s p 4 3 0 f 4 4 9 内 带f l a s h 存储器，可以减少外接e e p 2 r o m 所带来的电流消耗。 ( 2 ) 降低工作电压及工作频率 为了降低单片机系统的功耗，必须降低其供电电源，并且在保证满足响应速 度要求条件下使系统的平均时钟频率降低。设计选用超低功耗的单片机 1 2 第二章系统的基本原理及总体结构设计 m s p 4 3 0 f 4 4 9 ，在3v 供电下可稳定工作，达到降低功耗的目的，并且内部集成了 高速系统主时钟、辅助时钟、子系统时钟，且能根据需要按一定比例降低c p u 主 时钟频率。根据不同的运算速度要求，由软件改变c p u 的时钟频率或进行主、辅 时钟的切换，最大限度地降低功耗。使用锁相环技术和内部倍频技术使内部总线 速度大大高于时钟频率。由于系统对实时性要求不严格，所以主要操作模块均采 用低频振荡器产生的a c l k = 3 2k h z 作为时钟源。 ( 3 ) 选用l c d 液晶显示 系统选用的l c d 为专门定制，具有较小的尺寸，功耗很低，仅耗电4 0ua ， 且功能强大。所以，系统设计时，采用利用m s p 4 3 0 单片机内置的液晶驱动模块， 避免因添加外部驱动器而导致功耗增加。 ( 4 ) 电路设计 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；选用低 功耗或微功耗器件。微处理器采用m s p 4 3 0 f 4 4 9 超低功耗单片机，h a r tm o d e m 选 用h t 2 0 1 5 。温度传感器、压力传感器、位移传感器、运算放大器、线性稳压器、 d c d c 转换器等均为低功耗或微功耗器件；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。 2 2 2 2 低功耗系统的软件分析 ( 1 ) 单片机系统中，c p u 的运行时间对系统功耗影响较大，故应尽可能缩短 c p u 的工作时间，一般使其处于低功耗模式下工作，通过中断唤醒c p u ，使其在 尽可能短的时间完成对信息或数据的处理。 ( 2 ) 通信时，若通信的数据量较大，应提高传输的波特率，缩短通信时间。 采用高效率的编码方式，发送和接收时无需循环等待，采用外部中断处理。 ( 3 ) 为了充分降低功耗，l c d 不工作时将其关闭。可以利用按键中断，在组 态时同时接通l c d ，显示组态过程和运行参数，当一段时间内，系统未检测到有 按键操作，将其关闭，减少电流消耗。 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，设 计时需折衷考虑。 2 2 3h a r t 总线通讯设计 h a r t 通信模块完成执行器和上位机的通讯，关键元件是调制解调m o d e m ， m o d e m 必须符合h a r t 协议的物理层标准。它一端与c p u 进行双向串行数字通讯， 一端与信号调理电路相连，输入输出符合h a r t 协议信号标准的信号。h a r t 通 第二章系统的基本原理及总体结构设计 讯模块检测到叠加在4 - 一2 0m a 环路上的f s k 频移键控信号后，由m o d e m 将1 2 0 0h z 信号解调为“1 ”，2 2 0 0h z 信号解调为“0 ”，供c p u 处理。同样c p u 送出的数 字信号由m o d e m 调制成相应的1 2 0 0h z 和2 2 0 0 h z 的f s k 频移键控信号，叠加在环 路上发出。 h a r t 控制环路是从传统过程控制环路改进而来的，通过查看如何改进可 以更好的理解h a r t 总线控制。图2 - 6 为常用传统模拟电流环路的简化图。 吧挥i t l( 2 4 v ) 去 r 嘲4 蕾融陬盯圈 电漉环 l ；控制薯 变送毒 图2 - 6 传统过程控制环路 图中，变送器( p r o c e s st r a n s m i t t e r ) 通过改变流过自身的电流量来传送信 号。控制器( c o n t r o l l e r ) 通过测量电流采样电阻( c u r r e n ts e n s er e s i s t e r ) 两端 电压的变化检测环路电流的变化。环路电流在4 2 0 m a 变动，频率低于1 0 h z 。 图2 7 为h a r t 的控制环路。 图2 7h a r t 控制环路 在环路两端，都增加一个接收放大器( r e c e i v e a m p l i f i e r ) 。接收放大器的输 入阻抗相当高，因此几乎没有电流流过，对环路没有附加任何负载。变送器附加 有一个交变电流源而控制器则附加一个交变电压源。h a r t 控制器中，交变电压 源佩带的开关通常处于打开状态。h a r