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发展，对控制性能的要求越来越高，传统的定位器已难以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，大大提高了调节阀定位器的控制性能，满足了生产实际的需要，代表了阀门定位器的主流发展方向。但目前国内市场大部分依赖进口，价格昂贵，维修和产品升级困难。
本文研究开发了一种基于HART协议的ZPZD3100系列智能式阀门定位器，实际应用效果良好。ZPZD3100系列智能式阀门定位器除具备一般定位器将输入电流信号变动气动压力信号的基本功能外，还可以通过中央控制单元对定位器进行配置，改变调节阀的流量特性；利用其通讯能力实现对现场仪表远程组态，并为故障定位提供丰富的诊断信息。
一、阀门控制系统工作原理
ZPZD3100系列智能阀门定位器由控制电路单元、电气转换I/P单元、阀位检测反馈执行单元3部分组成。智能阀门定位器接收控制器输出的4~20mA信号或DCS计算机控制信号，采用两线制的信号传输，整机电源取自输入4~20mA的信号，为整机微处理器和电路供电。定位器由超低功耗的微处理器，I/P转换模块与高精度的位移传感器和气动功率放大器以模块化的结构组合。
气动阀门和执行机构组成一个反馈回路，其控制系统原理如图1所示。来自外调节仪表或控制系统的4~20mA电流信号送入智能阀门定位器，定位器取出其中一部分的电流信号作为工作电源，其余的电流信号经运算放大器等电路处理后送入微处理器。微处理器以调节阀位置反馈信号作为控制的变量，将它与给定信号进行比较处理，通过偏差信号来控制I/P转换单元的输出压力，计算后可得设定的阀门定位信号。
图1 气动阀门控制系统原理框图
二、硬件设计方案
智能阀门定位器的控制电路主要由中央控制单元、电源电路、I/P控制电路、HART接口单元、人机界面接口和阀位反馈电路等部分组成，如图2所示。
图2 智能阀门定位器控制电路框图
1、中央控制单元
中央控制单元采用IT公司的MSP430F135单片机。MSP430F135单片机是一种超低功耗的混合信号控制器，具有16位RISC结构，125ns指令周期，内部含硬件乘法器，从待机到唤醒的响应时间不超过6s，CPU具有很高的指令执行速度和效率；内部集成有12位精度A/D转换器，可选择同步或异步串行通信接口；还有高达60kb的FlashROM以及2kb的RAM，集成度高，功耗极低，可在线编程，可直接与键盘、液晶显示等对接，内置温度测试电路，可方便地实现传感器的温度补偿，从而大大简化硬件电路的设计，节约系统的功耗。
2、电源电路
智能阀门定位器的输入为4~20mA电流信号，而实际电路中需要获取一组控制电路所需电源电压，用于仪表以及I/P的控制电压。系统工作时，电源电路提供3V和24V两路电压信号，分别作为I/P控制电路和其它模块的工作电压。
3、I/P转换电路
I/P转换电路主要是将电信号成比例转换成气动信号，通过放大喷嘴的背压和流量控制，送入具备宽带输出的气动功率放大器，其输出气压推动执行机构使阀杆移动，从而引起反馈信号的变化使其有足够的功
率操作气动调节阀。
4、采样电路
阀门定位器要求单片机能够接收来自调节器的设定阀门开度的电流信号（4~20mA），所以要设计采样电路，以调节阀位置反馈信号作为控制变量，将它与给定信号在微处理器中进行逻辑运算，通过偏差信号来控制I/P转换单元的输出压力，经过反复计算来实现阀门的精确定位。
5、人机界面接口
LCD和按鍵一起提供人机交互接口，显示器用于显示阀门定位器的各种状态信息，按鍵用于输入组态数据和手动操作。
6、阀位反馈电路
阀位反馈电路由霍尔效应传感器、特殊电位器和非接触式旋转角度传感器组成，可实现非接触式定位检测。
7、HART接口单元
HART协议是Fisher-Rosemount公司在1986年提出的现场总线过渡性通讯协议，它在4~20mA的模拟信号上叠加了正弦调制信号以实现数字通信。由于HART协议智能阀门定位器的控制主要来自总线上的直流电流，所以需要获取总线电流值；同时需反映阀门当前的位置信息，并经过A/D转换，为微处理器智能控制提供信息。微处理器经过反复分析计算后，向压电阀控制电路不断送出控制信号，从而实现阀门的精确定位。
A、调制解调器HT2015
HT2015是HART协议物理层电路推出的专为HART设备设计的第2代低功耗调制解调器，只需外接少量元件即可构成完整的HART信号的调制解调器。HT2015内部包含5个主要模块：振荡器模块、控制逻辑模块、载波检测模块、调制及发送波形整形模块、接收滤波器及解调模块。在实际应用中，当HT2015的载波检测模块检测到叠加在4~20mA直流信号上的外部控制信号时，解调模块将分离出叠加的数字信号，传送给CPU进行处理；处理的结果经其调制模块转换为HART信号要求的交变信号并叠加在直流信号上，从而实现与外界信息的交互。
B、MSP430F135与HT2015的接口设计
MSP430通过其串行通信端口TXD、RXD与HT2015的串行通信端口ITXD、ORXD进行数据通信。
C、 HT2015与外部总线的接口设计
MAX4164是MAXIM公司推出的一款微功耗、单电源、满摆幅输入/输出运算放大器，单运放仅消耗不到25A的静态电流。这些特性使其成为低功耗、单电源产品的理想芯片。
三、定位器的软件设计
智能电气阀门定位器的系统程序由控制、管理及通信3部分组成。
（1）控制程序的主要任务是完成对过程变量的采样、数据处理及根据控制算法和控制方式进行计算，并输出控制信号。
（2）管理程序主要完成LCD显示及管理、处理用户按键中断、事故报警，对重要数据进行掉电保护，对系统进行自诊断等。
（3）通信程序完成HART通信协议的数据链路层和应用协议规范所规定的具体任务，即生成HART协议的通信数据，对HART命令进行编码和解码，使单片机可通过上述命令辨识对方信息。本系统采用模块化结构的程序设计方法，便于编写、调试、修改以及今后的功能扩展。
1、控制模块
定位器使用前必须进行初始化，初始化过程分为手动和自动。自动初始化过程中会自动检测出定位器的作用方向、最小化定位增量、死区及最佳响应时间等过程参数。定位器正常工作时，以一定的定时周期
循环检测设定值与反馈值的大小，并根据两个值偏差的大小和方向输出不同宽度的脉冲，控制I/P单元输出不同的压力，从而驱动调节阀动作，达到准确、快速定位的目的。
2、管理模块
阀门定位器在实际应用过程中需要设置组态信息，这些组态信息的录入均由3个按键完成：1号为功能键，完成不同组态内容的切换；2号和3号为增减键，用以设置每个组态的具体设定值。按照传统方法编写程序，随着组态信息的增多将有大量重复按键处理代码。链表的使用使得用通用代码完成信息的显示及存储成为可能，从而使代码结构清晰，通用性好，易于维护。
3、通信模块
HART协议是一套通信标准，协议采用标准的Bell202移频键控信号以1200波特率进行通信。它可使模拟信号和数字信号同时进行双向通信而不互相干扰。
A、HART信息帧
HART协议设备的通信模式主要有两种：一种是问答式；另一种是成组式。在参数组态时用问答模式。智能电气阀门定位器在正常工作时主要是控制执行机构的行程，因此，执行机构的行程和智能电气阀门定位器的状态是最重要的。在设计中，对这两种信息量采取成组模式，使主机能时时检测现场智能电气阀门定位器的状态以及其控制的阀位。
B、HART通信的具体实现
在软件设计中，智能阀门定位器对主机信号的接收采用中断方式。等主机消息到来时，通过触发串行中断来接收主机发来的数据。由于HART协议规定的数据传送速率是1200bps，每传送一个字符的时间接近10ms，而指令执行速度为几百万条指令每秒。所以采用中断的方式收发数据，其余时间可以使CPU进入低功耗状态或处理其它事务，等数据接收完后，对数据进行处理，然后根据数据的正误及命令做出一定的处理，再组装成响应帧发给主机。
MSP430的UART模块的接收、发送缓存均可产生独立的中断，程序在该中断中完成对HART信息帧的各种处理。以接收中断为例，其程序的简要流程如图3所示。
图3 HART帧接收中断流程图
在帧的接收过程中，每当检测出异常就会自动设置相应状态信息，程序在定时器中断集中处理传输过程中出现的错误、延迟，并根据系统工作模式的不同调用相应的处理过程。信息帧的发送过程与此类似。
当系统工作于成组模式时，定位器以一定的时间间隔不断地检测线路上是否有主机上传的命令信息，如果没有，则会自动把设备运行的相关信息以HART信息帧的形式发送出去；如果恰有主机正在通信，则优先执行主机命令，或根据主机命令类型推迟或取消成组数据的发送。
四、结论
智能电气阀门定位器是新一代气动调节阀的核心部分，本文在MSP430单片机、控制方法、HART通信协议和两线制低功耗设计等方面展开研究，提出了基于HART协议的智能阀门定位器的解决方案。本系统与传统的机械式气动阀门定位器相比，性能上明显提高，详见表1。
实际应用表明，该系统在满足两线制系统低功耗要求的同时，具有结构简单、可靠性高、适应性好和安装调试方便等特点，它不仅提高了调节阀的响应速度和定位器控制精度（控制精度达到±0.5%），而且为实现气动阀门定位器的智能化、数字化和网络化做了有益的探索。
表1 两种气动阀门定位器性能的比较表
