新型智能阀门定位器的软硬件设计与探讨

发布时间:2011-03-28  点击数:2843
    从20世纪80年代末开始,以Fisher、ABB、Siemens、日本山武公司等为代表的一些外国大型调节阀和自动化设备供应商,陆续开发出系列智能阀门定位器,广泛应用于石油炼化、电厂、化工等行业。
    ZPZD3100型系列智能阀门定位器,是由隶属于中国兵器工业集团的衡阳北方光电信息技术有限公司自主开发,拥有自主知识产权的一款新型智能阀门定位器,填补了国内空白。并进入2004年信息产业部企业技术进步和产业升级专项项目。
一、原理及其构成
    1、系统组成
    智能阀门定位器是现代气动调节阀的主要附件。在工控系统中,系统控制器、定位器、调节阀、回路检测仪表等组成了如图1所示闭环控制网络。

   图1 阀门定位器与过程控制系统
    图中i是来自DCS调节器的阀位控制信号;c是位置反馈信号;f则是气动执行机构的输出行程。智能阀门定位器正是利用位置反馈信号构成了一个闭环负反馈控制系统。i与c在定位器的CPU中进行比较,根据其极性及偏差的大小经过特定控制算法运算,控制单片机的输出。该输出再经过I/P部件和气体放大器完成电气转换和功率放大,最终通过气动执行机构实现对调节阀的精确定位控制。
    2、智能阀门定位器工作原理
    智能阀门定位器的硬件组成框图如图2所示。

       图2 智能阀门定位器原理框图
    来自调节仪表或控制系统的(4~20)mA电流信号,经过瞬时脉冲保护、滤波、限压等电路后,产生8.2V左右非稳定电压信号。其中一部分进入电源稳压电路,经过稳压变换实现稳定的5V输出,再经过AAT3221电压稳压模块,最终获得3.3V的工作电压供MSP430单片机以及整个电路使用。
    同时,来自调节仪表或控制系统的电流控制信号经过一系列的滤波、限压、差动放大等环节处理后,送入微处理器的P6.1I/O端口,作为MSP430的采样输入信号进行采样,完成电流控制信号———阀位设定值的离散化过程。
    另一方面,气动执行器机构部分的直行程或角行程的变化,经反馈连接杆带动高灵敏度的阀位检测反馈传感器旋转(10k精密电阻式传感器),从而引起其电压的变化,此变化量经差动运放等电路处理后,送入微处理器进行AD采样,经“归一化”数据处理,得到对应的实际阀位变量值。
    在CPU处理器中,阀位设定值与实际阀位变量值经软件计算、比较得到一定的差值量,据此差值的大小,通过综合控制算法,利用片上的PWM模块产生不同脉宽的PWM波形电流,经驱动放大电路输出到电磁线圈,产生电磁作用力,从而推动I/P部件中的喷嘴挡板产生0~0.15mm左右的微位移。
    根据气动放大器背压工作原理,喷嘴挡板所产生的微小位移使气体放大器产生相应的气体输出量,从而推动气动阀的阀杆产生相应的位移量。
    根据(4~20)mA控制信号,在MSP430单片机的控制下,利用定位器-气动执行机构-反馈阀杆等组成的闭环控制网络,不断修正气动执行机构阀杆的位移量,从而完成了气动阀的闭环控制过程。
    由于采用了优化的PID积分分离控制算法,在提高了控制系统响应速度的同时,减少了超调量,抑制了波动,大大提高了定位速度和定位精度。
    所用微处理器为MSP430F14X系列超低功耗单片机,其包含12位A/D转换、FLASHROM、RAM、PWM模块、硬件乘法器、定时器、看门狗等丰富的片上资源,集成度高,功耗极低,可实现在线编程等。同时,该单片机内置温度测试电路可方便地实现传感器的温度补偿,大大减少了外围电路。
    此外,在电路的设计中,保留了专用测试端口、端子,可以与手操器对接,方便地更改内部参数设置,实现现场在线调校。
二、软件设计
    软件的总体设计采用超低功耗模式,在主程序初始化工作完成后,进入低功耗等待状态,内外部事件可以随时唤醒,使之进入工作状态。主程序主要完成单片机及周围模块的初始化工作,同时开启中断,进入低功耗等待状态。流程如图3所示。

 图3 主程序流程图
    在软件设计中,应用了Timer-A,Timer-B两个定时器,其中,后者用来完成PWM脉宽数据的实时装载任务。
    在Timer-B中断子程序中,首先对中断向量进行判断,当TBIV=14时,完成实时数据的装载,使相关数据及时更新,从而实时控制输出PWM脉宽。
    按键是进行参数设定与调整的重要手段,ZPZD3100型系列智能阀门定位器,仍然采用按键作为人机交流的主要工具。两个按键结合控制信号标志,巧妙地完成了定位器一系列的初始化设置与参数调整。上、下两个按键,对应不同的I/O端口,通过设置端口中断使能功能,使按键可以随时产生中断响应。在按键中断子程序中,首先对上、下键进行判别,然后再对控制信号标志进行辨析。不同的按键,在不同的控制信号下,可以进行不同的功能设置与参数数据调整。这样,利用最少的按键,完成了较为复杂的定位器的参数设置与修改过程。
三、关键技术与部件
    1、I/P转换器
    I/P转换器的加工制造工艺及其电磁转换技术,是ZPZD3100型系列智能阀门定位器的核心。与压电陶瓷式智能阀门定位器不同,喷嘴挡板式定位器是在(4~20)mA控制信号电流的驱动下,靠I/P部件喷嘴挡板的微位移来实现对喷嘴气流的调节,从而控制气动放大器的输出,最终实现对阀门行程的调节与控制。
    由于I/P转换器喷嘴挡板的最大微位移距离只有0.15mm左右,所以对于其中特殊金属材料,譬如软磁合金、无磁不锈钢、特殊塑料材料的选择,以及精密加工、特殊铆接、精密装调等方面提出了很高的要求。
    2、位置无间隙反馈感应技术
    位置感应传感器是获取位置实时反馈信号的核心部件。本产品采用了进口精密级电位器,电位器输出的信号,通过放大与A/D采样,进入数据处理程序。由于采用了精密电位器无间隙反馈结构,也保证了阀杆正反方向运动的一致性。
    3、PID优化控制算法
    为了实现气动调节阀的快速准确定位,减少超调量,控制软件中采用了PID综合控制算法,其中之一便是“积分分离”模糊控制算法[5],即在控制运算中,实时采集、比较、位置反馈与系统控制信号差值的大小。
    当该差值较大时,取消PID运算中的积分项,以免进入积分饱和区,同时适当增大比例项的系数,加快调节速度;当该差值进入较小范围时,积分项重新投入运算,以消除静差。采用综合PID控制算法后,消除了输出超调量较大、震荡、系统不稳定等不良现象,经中石化多家企业挂网运行,效果良好。

 图4 PID优化控制算法原理图

四、结论
    ZPZD3100型系列阀门定位器是衡阳北方采用军工技术,并参照国军标的相关标准研制的新型智能阀门定位器。目前,该产品已经开始进入大型炼化、化工、发电等行业领域,并得到了广大用户的认可和好评。在喷嘴挡板式智能阀门定位器的国产化工程应用领域,取得了国内领先优势。
    随着石油化工、化纤、电力等行业的飞速发展,以及信息技术的日益普及,总线型智能阀门定位器的市场需求越来越大,在未来几年内,将以10%以上的速度递增。高品质的智能阀门定位器,正面临新的发展机遇期。