智能电气阀门定位器的研制.PDF

王化祥 马敏 肖素枝 （天津大学电气与自动化工程学院，天津 300072） 摘 要 本文详细阐述了基于 MSP430 单片机的智能阀门定位器软硬件设计，给出了 HART 协议通信的实现方法， 提出了阀门定位器低功耗设计中应采取的软硬件技术措施。实际使用表明，该定位器的主要技术性能明显优于传 统的阀门定位器，而且功能也得到扩展。 关键词 智能电气阀门定位器 MSP430 HART 协议 Abstract This paper describes in detail software and hardware designs of the MSP40 single chip processor based intelligent valve positioner, gives implementing method of HART protocol commanication, and proposes the software and hardware measures for low power consumption design of two-wire valve positioner. The practical application shows that are more excellent, compared with traditional valve positioners and its functions are also extensible. Keywords intelligent valve positioner MSP430 HART protocol 0 引言 阀门定位器作为气动调节阀的主要附件，能改善阀门特性，提高控制的精度和速度，并 可增加控制的灵活性。目前，国内广泛使用的定位器是采用模拟信号和力平衡原理生产的产 品，随着生产过程控制的不断严格，对控制性能的要求越来越高，传统的定位器已经不能满 足工业控制的需要。近年来，由于电子技术的快速发展，国外一些著名公司相继推出了基于 现场总线的智能阀门定位器，实现了定位器的数字化、智能化、网络化，大大提高了阀门定 位器的控制性能，满足了生产实际的需要，也代表了阀门定位器的主流发展方向[1]。 鉴于此，我们在借鉴国外几家产品的基础上，研究开发了基于 HART 协议的智能电气阀 门定位器。 1 工作原理 基于 HART 协议的智能电气阀门定位器以微处理器为核心，采用电平衡（数字平衡）原 理代替传统的力平衡原理，将电控指令转换为气动定位增量实现对阀位的精确控制，显著增 强并扩展了定位器的功能，并实现了二线制供电以及与上位机的双向通信。 智能阀门定位器由控制单元、电气转换 I/P 单元、阀位检测反馈单元等 3 部分组成，其 原理如图 1所示。 来自调节器的 4～20mA电流既是输入信号又作为电路的电源，与阀位反馈信号一同进入 微处理器，通过比较运算，根据两者的偏差输出一控制信号到 I/P 转换单元，控制其气压的 输出及气动调节阀的阀杆运动，阀杆的行程同时反馈到微处理器，形成闭环控制；LCD 和键 盘部，可实现人机交互，人工输入工作参数和命令，显示定位器的工作状态参数；HART 通信 部分实现与上位机的通信，可有选择地实现组态、调试、诊断和数据管理等功能，上位机可 监测定位器的工作参数，并可发来命令。由于实现了数字化、智能化，定位器在初始化时可 1 根据输入参数自动确定执行器的零点、最大行程、作用方向和定位速度，大大节省了投运时 间。工作时，可根据阀门的机械性能变化自动修改控制参数，补偿阀门老化、磨损等误差。 图 1 智能电气阀门定位器原理图 2 整机电路设计 由于该定位器配置 HART总线，采用两线制总线供电方式工作，其电路所需电源也由调 节器输出的 4～20mA 电流提供，因此整个电路的功耗必须尽量低。要达此目的，必须选取尽