低功耗二线制智能阀门控制器的设计

低功耗二线制智能阀门控制器的设计

印书范1,刘汉忠2

(11南京工程学院材料工程学院,江苏南京　211167)

(21南京工程学院自动化学院,江苏南京　211167)

摘要:为了使阀门控制器不仅能实现高精度定位控制,还能对流量、压力等过程控制量实现准确

控制,针对石油、化工、生物制药等工控领域严格的防火防爆要求,设计开发了一种基于MSP430F 单片机的低功耗二线制智能阀门控制器。首先详细介绍了主要典型硬件电路,给出了定位控制、过程控制的控制方法,最后结合试验结果分析表明,该智能阀门控制器功耗低、精度高、动态性能好,能满足一些特殊工控领域的要求。关键词:阀门控制器;低功耗;二线制中图分类号:TM301 文献标识码:A 文章编号:1672-1616(2009)

17-0040-05 气动系统因其具有结构简单、价格低廉、以空气为介质、不污染环境等特点,使气动调节阀成为工业过程控制中一种重要的执行部件,但由于空气介质的压缩性大、精度小,如何获得高精度的位置控制是当前气动技术的一大难点;其次,在石油、化工、生物医药等工业控制中,对防火防爆的要求非常严格,因此如何实现阀门控制安全也是目前的研究热点;另外过程控制不仅仅只局限于定位控制,而且还需要对流量、压力等过程量进行控制,目前这类高精度、安全、低功耗控制器主要来自进口,如德国的Burkert 、美国ABB 等。基于这种背景,本文设计了一种基于4～20mA 电流控制信号的低功耗二线制智能阀门控制器[1～3]。

1　系统工作原理

如图1所示,阀门控制器控制电路主要由中央

控制单元、控制信号检测单元、位置检测单元、显示以及键盘单元、压电阀控制电路、电源电路等部分组成。阀门控制器接收来自调节器的设定阀门开度的电流信号(4～20mA ),用这个信号与从调节阀阀杆反馈回来的实际开度信号进行比较,如果微处理器得到一个偏差信号,就利用这个信号去控制压电阀,使一定量的压缩空气经过压电阀进入到调节阀的执行机构的气室,推动阀芯的移动或转动,从而达到阀芯的准确定位,最终实现过程控制系统中过程量(压力或流量等)的准确控制。

图1　控制系统结构示意图

2　过程控制器硬件设计

2.1　二线制简介

所谓二线制是指在仪表中电源和信号线公用

2根导线,不使用任何额外的电源,供电完全是从控制信号中取出,目前工业现场最常用的就是符合工业标准的4～20mA 电流信号。在石油、化工等工业控制中,对防火防爆的要求非常严格,而二线制仪表由于电源本身即取自信号线,不需要另外提供电源,所以在构成本质安全的防爆结构时具有很大的优势[1,4]。

2.2　主控单片机选取

对于二线制控制器来说,输入电流信号范围为4～20mA ,此信号既作为控制信号,又提供控制器

所需要的全部功率,因此该控制器要求在4mA 电流下也能正常工作,这就要求该控制器设计时需要充分考虑各器件的功率消耗。控制器所用的微处理器选取的是超低功耗的MSP430F135单片机,

收稿日期:2009-07-09

作者简介:印书范(1968-),男,江苏泰兴人,南京工程学院讲师,主要从事模具产品开发及相关课程的教学工作。

局部电路和功能软件设计采用中断唤醒超低功耗工作方式,该单片机包含12位A/D 转换器、硬件乘法器、定时器、看门狗、串行通信模块、I/O 端口等丰富的片上资源,可实现在线编程[5]。

2.3　电源电路

如前所述,控制器采取二线制结构,控制电压取自4～20mA 电流环路,同时该信号还是控制信

号,因此必须把4～20mA 电流信号转换成电压信号,具体电源电路如图2所示。

2.4　控制信号检测单元

信号放大电路如图3所示,R 1为采样电阻,其一端接地,另一端电压与电流成正比,该电压经低功耗运放MAX4044放大后输入到单片机A/D 口

。

图2　

电源电路图

图3　信号放大电路图

2.5　位置检测单元

由于反馈电位器易磨损、寿命短,所以位置检测单元选用导电塑料电子尺,其功能是把一个机械位移信号转换成电气信号,

并且该信号与机械运动成正比,单片机对电子尺输出电信号进行A/D 转

换,从而实现阀位检测。

2.6　压电阀控制部分

控制系统采用德国HOERB IGER -ORIG A 公司先进的压电阀和气动放大器作为气压驱动装置,压电阀片的响应时间小于2ms ,压电气动放大器响

应时间小于20ms ,由此可见,阀门可以达到很高的调节精度和较快的响应时间,阀门一旦定位完成,其耗气量可以忽略不计。压电阀工作电压是24V ,因此必须把3.3V 电压信号升压至24V ,这里选择低功耗升压芯片MAX629,MAX629是美国MAX 2IN 公司生产的,其组成的升压DC -DC 转换器输

入电压很低,输出电压可达±28V ,仅有80μA 的静态电流,特别适合为低功耗、高电压设备供电,升压电路如图4所示。

2.7　信号输出电路

按照工控要求,仪表或设备通常需要输出4～20mA 标准信号,该阀门控制器4～20mA 电流信

号输出使用的是美国ADI 公司推出的单片高性能数/模转换器AD421,它由电流环路供电,16位数字信号SPI 串行输入,4～20mA 电流输出。电流输出信号可用来表示阀门的开度或者回路中压力、流量等过程值的大小,输出什么信号由单片机根据需要,把采集到的不同信号值通过SPI 总线送至AD421进行数模转换,具体4～20mA 电流信号输

出电路如图5所示。

显示单元采用超低功耗的NJ U6433芯片并定制成专用字符液晶显示模块,可以设置菜单和各种

图4　

升压电路图

图5　4～20mA 电流信号输出电路图

控制参数,按键部分不在此详述。

3　过程控制器控制软件设计

3.1　过程控制系统结构图

液压回路中,压力或者流量会随着阀门开度的

改变而改变,对压力或者流量的精确控制,实际上可以转换为定位控制,

因此过程控制回路可以表示成双闭环控制系统,过程控制系统结构如图6所示,过程量(压力或者流量等)控制回路的输出作为定位控制回路的输入,内环为定位器控制回路,外环为过程量控制回路,定位控制回路控制的好坏直接影响到整个控制回路中压力、流量等的精确控制

。

图6　过程控制系统结构图

3.2　定位控制软件设计

让控制器工作在定位模式,定位控制结构如图7所示,压电阀驱动由控制信号1,2决定,两者都

为高电平时,则压电阀工作在进气状态;当两者都为低电平时,则压电阀工作在排气状态;当控制信号1为低电平,控制信号2为高电平时,则压电阀状态保持不变。压电阀具有很高的调节精度和较快的响应时间的功能,能在20ms 内完成状态改变。用单片机两IO 口输出控制信号,取控制信号周期为20ms ,在定位器控制算法中,文献[2]提出了采用积分分离的PID 算法。试验表明,该压电阀在20ms 内可以完成一次进气,但完成一次排气至少需要100ms ,因此相同的进气和排气时间对行程的作用效果是不一样的。如果在偏差范围内采取PID 控制,定位点处控制效果实际并不理想。反复试验表明,采取分段、不对称进排气控制的算

法较理想,每次执行算法前,需要对给定值和实际值进行预处理,即标度转换,目的是使控制器能适