摘要：針對二線制智能閥門定位器的低功耗特性，基于自適應控制理論，設計了一種基于HART協(xié)議的智能閥門定位器。分別對HART通信協(xié)議、協(xié)議接口等技術進行了研究，并具體給出了HART通信的閥門定位器原理和智能閥門定位器的軟硬件設計方案。現(xiàn)場運行表明，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度、動態(tài)響應特

 

　　閥門定位器是調(diào)節(jié)閥的重要輔助附件之一，它已廣泛應用于電力、冶金、石化、輕紡、食品、醫(yī)藥等行業(yè)。隨著現(xiàn)場總線技術在工業(yè)過程控制領域的應用，自動化系統(tǒng)逐漸朝網(wǎng)絡化、總線化趨勢發(fā)展，而原有的智能閥門定位器由4-20mA模擬信號控制圈，不能進行數(shù)字通信。HART協(xié)議是一種用于現(xiàn)場智能儀表和控制室設備之間的通信協(xié)議，兼容數(shù)字信號和模擬信號的特點，在不影響模擬信號控制的前提下可以進行數(shù)字通信;并且具有現(xiàn)場和遠程參數(shù)監(jiān)控的功能;在降低系統(tǒng)成本、提高控制精度和系統(tǒng)可靠性方面具有不可比擬的優(yōu)勢。

 

　　本文開發(fā)了一種基于HART協(xié)議的二線制智能閥門定位器。該定位器不僅具有良好的控制品質(zhì)，而且通信可靠穩(wěn)定;此外，它還具有參數(shù)組態(tài)、行程特性修正等功能;利用HART通信功能，它可以實現(xiàn)對現(xiàn)場儀表的遠程組態(tài)，為故障定位提供更加豐富的診斷信息。

 

　　一、HART通信的閥門定位器原理

 

　　基于HART通信的智能型閥門定位器由采樣電路、電源電路、人機界面、MCU控制單元、HART通信單元、I/P控制單元(壓電閥)和閥位反饋檢測單元(位移傳感器)構(gòu)成，其原理如圖1所示。

 

　　

 

 

 

 

　　電源電路將4-20mA電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，而該電壓信號為HART通信單元、采樣電路、MCU控制單元、FP控制單元提供工作電壓;采樣電路完成控制信號的采樣;人機界面用來顯示調(diào)節(jié)閥的工作狀態(tài);MCU控制單元根據(jù)閥位反饋單元提供的閥位信號和采樣電路提供的設定值信息，產(chǎn)生相應的控制策略，以驅(qū)動FP控制單元工作;FP控制單元驅(qū)動壓電閥動作，從而實現(xiàn)調(diào)節(jié)閥的動作;HART通信單元實現(xiàn)與MCU控制單元的數(shù)據(jù)交換以及與外界的數(shù)字通信。

 

　　二、硬件設計方案

 

　　基于HART通信的智能閥門定位器主要用于控制氣動直行程或角行程執(zhí)行機構(gòu)，實現(xiàn)閥門的準確定位。定位器的輸入是從調(diào)節(jié)器送來的閥位設定信號(既可以是從DCS輸出的模擬信號，即4-20mA或0-20mA直流信號，也可以是從監(jiān)控計算機通過HART通信接口接收到的數(shù)字通信信號)。它同反饋的實際閥位信號一起通過MCU控制單元控制FP控制單元，以驅(qū)動調(diào)節(jié)閥閥桿運動，形成閉環(huán)控制，并驅(qū)動氣動執(zhí)行器，實現(xiàn)閥門的準確定位。

 

　　2.1MCU控制單元

 

　　MCU控制單元采用TI公司生產(chǎn)的MSP430單片機。該單片機內(nèi)部集成了12位A/D采樣模塊，可以對4-20mA控制信號和閥位反饋信號進行采樣。通過比較兩者偏差和偏差變化量，MCU控制單元作出相應的控制策略，并產(chǎn)生相應的PWM控制信號對I/P控制單元進行控制。

 

　　I/P控制單元控制壓電閥輸出氣壓，從而驅(qū)動調(diào)節(jié)閥的閥桿運動，同時，閥桿行程通過傳感器將閥位反饋信號反饋到MCU控制單元。

 

2.2電源電路

 

　　電源電路原理如圖2所示。4-20mA電流信號經(jīng)過抗干擾電路、線性穩(wěn)壓設計后產(chǎn)生6V電壓，6V電壓通過電荷泵轉(zhuǎn)換成3V電壓，為單片機和HART Modem單元供電;同時，6V電壓通過BOOST升壓電路升壓至24v，為壓電閥供電。這種電源設計的優(yōu)點是電源轉(zhuǎn)換效率高，可以保證整個智能閥門定位器系統(tǒng)在低功耗下工作。實驗證明，采用該電源電路方案進行供電時，整個系統(tǒng)工作的最小輸入電流為2mA。

 

　　

 

 

 

 

　　2.3HART通信單元

 

　　HART通信單元主要由HART Modem和變壓器構(gòu)成。HART Modem的主要功能模塊包括控制邏輯、載波檢測、調(diào)制和解調(diào)這四部分。它集成了輸入濾波和輸出整形的功能，可以簡化接口電路設計，使系統(tǒng)更具可靠性。數(shù)字信號通過變壓器藕合到HART通信單元，HART Modem檢測到數(shù)字信號后作出響應，并通過串口與MCU控制單元進行通信。圖3為MCU控制單元與HART Modem芯片的通信接口電路。

 

　　

 

 

 

 

　　HART協(xié)議采用標準的Bell202頻移鍵控信號進行通信。其物理層采用兩種不同頻率(1200H：和2200Hz,分別代表二進制的1和0)的正弦信號疊加4-20mA信號上進行通信。由于正弦信號的均值為0，并不干擾直流信號，因此，模擬信號和數(shù)字懈可同時進行雙向通信而不會互相干擾。

 

　　三、軟件設計方案

 

　　3.1控制策略

 

　　作為一種在自動控制領域應用較為廣泛的經(jīng)典控制理論，PID控制已普遍應用在當今自動控制場合。隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的飛速發(fā)展，在進行控制系統(tǒng)設計時，不但要求系統(tǒng)具有很好的動靜態(tài)性能，還必須保證系統(tǒng)具有良好的魯棒性。而常規(guī)的PID控制存在著動劫靜態(tài)性能之間的矛盾、魯棒性和控制性能之間的矛創(chuàng)及設定給定值和抑制干擾的矛盾。由于這些矛盾存在，使得PID控制器不能得到最佳的控制品質(zhì)。所以，本文從調(diào)節(jié)閥的實際情況出發(fā)，基于常規(guī)PID控制器的基本原理，對PID控制器進行了改進和完善。

 

　　由于自適應控制系統(tǒng)是一種特殊形式的非線性控制系統(tǒng)，其自身的特性(結(jié)構(gòu)和參數(shù))、環(huán)境及干擾特性存在某種不確定性，自適應控制依據(jù)的關于模型的先驗知識比較少，因此，需要在系統(tǒng)運行過程中不斷提取有關模型的信息，使模型逐漸完善。具體地說，可以依據(jù)對象的輸入輸出數(shù)據(jù)，不斷地辨識模型的參數(shù).這個過程稱為在線辨識。本文將自適應控制和PID控制兩者相結(jié)合并應用到智能閥門定位器中，取得較好的效果。圖4為控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

 

　　

 

 

 

 

　　3.1.1自適應參數(shù)調(diào)整

 

　　

 

 

 

 

由于執(zhí)行機構(gòu)存在氣容、行程、正反作用等差異性，因此，需要對其進行模型識別，并對PID參數(shù)進行修改。同時，在控制過程中，還需要將輸入誤差作為系統(tǒng)的狀態(tài)量來調(diào)整PID參數(shù)，即根據(jù)誤差值大小調(diào)整HD參數(shù)，實現(xiàn)快速響應和跟蹤。當誤差e(t)很大時，系統(tǒng)就需要快速響應，此時，增大Kp可以實現(xiàn)快速跟蹤和良好的動態(tài)性能，但是Kp也不能太大，否則系統(tǒng)將不穩(wěn)定;當誤差較小時，則減小Kp或增大積分系數(shù)Ti，使誤差變化減小而得到小的超調(diào)量，從而使系統(tǒng)輸出更穩(wěn)定。參數(shù)的變化須根據(jù)誤差大小來確定，并進行實時學習和自調(diào)整。

 

　　3.1.2實驗結(jié)果

 

　　系統(tǒng)對調(diào)節(jié)閥的自適應控制是通過PWM輸出控制壓電閥來實現(xiàn)的。智能閥門定位器的自整定包括對執(zhí)行機構(gòu)正反作用的確定、零點和行程的調(diào)節(jié)、執(zhí)行時間的確定、最小脈沖的確定以及瞬時響應的優(yōu)化。通過對PWM自適應的PID調(diào)節(jié)，系統(tǒng)可以達到一個較好的控制性能。設定值為15.6mA(閥門開度量為78%)的智能閥門定位器動態(tài)響應如圖5所示，其中to為與執(zhí)行機構(gòu)行程有關的常量。

 

　　

 

 

 

 

　　采用PID控制，系統(tǒng)具有較大的超調(diào)量;而采用自適應PID控制，系統(tǒng)具有較小的超調(diào)量。此外，引入自適應控制之后，系統(tǒng)的抗擾動能力、穩(wěn)定性能和穩(wěn)態(tài)精度都得以提高。

 

　　3.2 HART通信

 

　　智能閥門定位器的HART通信，并采用簡化的三層模型結(jié)構(gòu)，即第一層物理層、第二層數(shù)據(jù)鏈路層和第七層應用層。物理層規(guī)定了信號的傳輸方法、傳輸介質(zhì);數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)定了HART幀的格式，以實現(xiàn)建立、維護、終結(jié)鏈路通信的功能;應用層規(guī)定了HART命令集。命令分為三類，即通用命令、普通命令和專用命令。通用命令提供所有與現(xiàn)場設備有關的功能;常用命令提供常見的多種現(xiàn)場設備中的功能;專用命令提供只針對特殊現(xiàn)場設備的功能，且互相不兼容。

 

　　在軟件設計過程中，MCU控制單元與HART通信模塊數(shù)據(jù)的接收、發(fā)送緩存均由獨立的中斷實現(xiàn)，并在中斷中完成對HART信息幀的各種處理。在幀的接收過程中，每當檢測出異常，MCU控制單元會自動設置相應的狀態(tài)信息;定時器中斷則集中處理傳輸過程中出現(xiàn)的錯誤、延遲，并根據(jù)系統(tǒng)工作模式的不同調(diào)用相應的處理過程。信息幀的發(fā)送過程與此類似，當系統(tǒng)工作于成組模式時，定位器以一定的時間間隔不斷地檢測線路上是否有MCU控制單元上傳的命令信息，如果沒有，則自動把設備運行的相關信息以HART信息幀的形式發(fā)送出去;如果恰有MCU控制單元正在通信，則優(yōu)先執(zhí)行主機命令，或根據(jù)主機命令類型推遲或取消成組數(shù)據(jù)的發(fā)送。

 

　　四、結(jié)束語

 

　　本文所開發(fā)的基于HART協(xié)議的智能閥門定位器，解決了低功耗控制電路和單片機應用技術、控制軟件設計等核心的技術難點問題，達到了HART協(xié)議技術規(guī)范的要求，實現(xiàn)了數(shù)字信號與模擬信號在互不干擾的情況下的雙向通信，大大增強了其在控制領域中的作用?，F(xiàn)場運行表明，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，安裝維護簡單，具有較強的自學習、自調(diào)整和自適應能力;此外，它還具有較高的響應速度和控制精度，為實現(xiàn)智能閥門定位器的智能化、數(shù)字化和網(wǎng)絡化作出了有益的探索。