基于HART协议的智能电气阀门定位器解析

基于HART协议的智能电气阀门定位器解析
本文首先对HART协议以及智能电气阀门定位器进行详细的介绍，然后从硬件、软件两个方面分析基于HART协议进行智能阀门定位器研制分析，事实也证明了这种定位器比传统的阀门定位器性能优良。

标签：HART协议；智能电气阀门；定位器
随着我国工业技术的发展，阀门定位器经历了几次改革，由最初的气动阀门，到机械力平衡式阀门定位器，然后再到现在电气阀门定位器。

同时在我国科学技术的带动下，阀门定位器逐渐向着自动化、数字化的方向发展，与当今全数字化工业生产相适应。

HART协议具有模拟信号与数字信号兼容的特点，因此基于HART协议的电气阀门也比传统的阀门性能更加优良。

1 HART协议与智能阀门定位器概述
1.1 HART协议
所谓的HART协议，就是可寻址远程传感器高速通道开放通信协议，该协议最早出现于美国，用于控制室设备与现场智能仪表之间的通信协议。

该协议中，HART装置具有合适的响应时间以及较低宽带，经过数十年的发展，发达国家的HART技术也已经十分成熟，并广泛应用于工业生产中。

HART协议主要利用FSK频移键控信号，该信号采用标准为Bell202，也就是在4～20毫安的低频模拟信号之上，叠加幅度为0.5毫安的音频信号，实现双向的数字通信，具有1.2Mbit/s数据的传输率。

加上FSK平均信号值一般为0，因此在信号传输过程中不会对系统模拟信号造成影响，确保模拟信号与现实信号的兼容性。

这种通信协议利用半双工通信方式，在模拟信号上实现数字化通信，同时采用统一的描述语言（DDL），通过这种语言对设备的特性进行描述，同时完成对描述语言的等级，并将其编写成描述字典。

但是HART技术采用混合模拟数字信号，给通信芯片的开发增加了难度。

HART才有的供电方式为总线供电，基本上满足安全防爆需求。

1.2 智能阀门定位器
作为调节阀中关键的附件，阀门定位器的性能直接影响调节阀整体的使用性能。

通常来说，阀门定位器运行原理主要是闭环控制，即对调节信号的控制或者是对调节器进行直接调节，同时将执行器反馈的信号与控制信号进行对比，根据两种信号之间的差异性对相关动作进行调节，保证阀门芯位置准确，实现准确定位。

智能阀门定位器的主要组成部分包括：（1）信号调理。

该部分主要负责信号的转换，将阀门位置反馈的信号以及输入信号反馈成为处理器能够接收的信号，该部分电路内容应该根据输入信号采用的通信协议不同进行合理选择。

（2）阀门检测反馈装置。

该部分主要是对阀杆位移进行检测，同时将执行机构检测的信号
进行反馈；（3）微处理器。

该部分将接受到的两个信号，根据事先设置的流量特性，然后将两个信号进行比对，同时进行相应的信号转换，对阀门开度进行检查，保证其与设定值一致。

最后以信号的形式将最终识别结果传输到智能电气装置中；（4）电气转换控制装置。

该部分就是将控制电信号进行转换，转换成为气流开关信号，并将其传输到气动执行机构，从而为执行机构各项动作提供动力。

2 智能电气阀门定位器设计
2.1 智能电气阀门定位器硬件设计
在进行电气阀门定位器硬件设计方面，具体包括以下几个方面的设计：（1）为了确保阀门定位器定位的准确性，一般利用角行程或直行程执行结构；（2）为了保证智能电气阀门定位器实现双向通信问题，主要利用HART协议以及上位监控计算机，用户能够在控制室中实现对现场电气设备的监控，进而对定位器工作方式、报警工作信息等全面了解。

（3）定位器硬件设计过程中，可以通过组态，实现多种功能，具体的功能包括流量特性设置、分程控制、行程范围设定等等。

2.2 智能电气阀门定位器软件设计
智能电气阀门定位器作为一种现场的数字组态设备，能够实现对现场的调试，这种类型的定位器运行模式包括组态、手动以及自动三种模式，并且能够通过功能键实现三种运行方式之间的自由切换。

（1）智能阀门定位器主要运行方式是自动模式，主要是利用自动闭环控制功能，对相关的控制算法进行调用，给压电阀提供驱动力，实现对阀门位置的跟踪控制，这一控制过程发生在设定值与反馈至处理结束后。

（2）组态参数整定如果采用传统的阀门定位器，过程相对复杂，需要经过多次反复调整。

而如果利用智能电气阀门调节器进行组态参数整定，通过微控制器以及微处理器就能够实现对绝大多数参数的识别与判定。

同时，对于智能电气阀门定位器安装以及调试方面，不用过多的设定，就能实现运行参数自动化整定。

首先需要弄清执行机构作用方向；其次是需要将执行结构的行程、零点等进行确定；然后测试泄漏量；再次弄清定位增量的最小量；最后对相关相应动作实施优化。

（3）在振动作用下，定位器阀门不断的进行状态调整，给调节阀门的寿命造成极大的影响，这一问题可以通过死区设置进行解决。

另外，需要对电气阀门的禁闭功能进行智能化设置，有效的消除阀门无法关闭的问题，确保阀门气缸在阀门关闭口没有多余的压力。

具体的算法步骤为，首先通过当前误差值对PWM控制波形占空比进行计算，得出结果后利用误差的正负，对充放气状态进行辨别，同时对相关功能函数进行调整，实现对阀门充放气的直接控制。

3 总结
通过上述分析可知，智能电气阀门性能更加优良，其主要是基于HART数字化通信协议，实现了阀门定位器的智能化、数字化，同时提高了气动执行机构在定位过程中的高精度化。

参考文献：
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[3]李倩茹，赖庆峰，王晓明，郑毅.HART协议的智能阀门定位器的设计和实现[J].自动化技术，2013，38（14）：147-148.
[4]高马雄，刘伟.智能电气阀门定位器开发与研制分析[J].自动化程序控制，2011，14（02）：488-489.
作者简介：董学全（1982-），男，山东临清人，本科，工程师，热能动力。