本文介绍了一种基于HART协议的低功耗智能型电-气阀门定位器，用于控制气动直行程和角行程执行器，实现调节阀的准确定位。同时可与现场设备或上位机进行双向通信，具有自诊断、远程组态等功能。
1、工作原理
智能型电气阀门定位器以微处理器为核心，采用电平衡数字平衡原理代替传统的力平衡方式，将电控指令转换成气动定位增量实现对阀位的精确控制，拓展了定位器的功能。
智能阀门定位器由控制单元、电气转换I/P单元、阀位检测反馈单元、HART通信单元组成，其原理如图1所示。
根据偏差输出一控制信号送I/P转换单元，控制I/P单元的输出气压及气动调节阀的阀杆运动，阀杆的行程同时反馈给控制单元，形成闭环控制。HART通信单元增强并扩展了定位器功能，实现了二线制供电以及与上位机的双向通信[1]。
2、整机电路设计
采用二线制总线供电方式，其电路所需来自调节器的输入信号与阀位反馈信号进人微处理器，经比较运算，由于该定位器配置HART总线，电源由调节器输出的4~20mA电流提供，因此整个电路的功耗必须尽可能降低。为达此目的，必须选取尽量低的电源工作电压、较低时钟频率和适当的电路工作模式。而I/P转换部分则选用功耗极低的压电陶瓷元件作为进气排气阀门[2]，以实现整个电路的低功耗。智能阀门定位器的电路图如图2所示。该系统由单片机、键盘驱动、子显示、阀位反馈、转换及通信等单元组成。
3、HART通信电路
HART通信协议是从模拟量通信到数字量通信转变的一个过渡性协议，目前已成为一个事实上的工业标准。物理层使用FSK技术，在一模拟信号上叠加一个均值为0的频率信号，用1200Hz和2200Hz的交流信号分别代表“0”和“1”，使数字量和模拟量同时传输而互不干扰。
芯片HT2015是SMAR公司专为实现HART协议而设计的低功耗调制解调器。它由以下4个功能模块组成时钟模块、调制器模块、解调器模块、载波检测模块，其接口电路如图3所示[3]。
单片机通过其串行通信端口TXD、RXD与HT2015芯片的串行通信端口ITXD、ORXD进行数据通信。当INRTS引脚为低电平时，调制器工作，解调器关闭。调制器模块接收到ITXD端的数字信号，生成FSK调制信号由OTXA端输出。当ITXD脚为高电平时，OTXA引脚输出1200Hz梯形波；反之，OTXA引脚输出2200Hz的梯形波。当INRTS引脚为高电平时，解调器工作，调制器关闭，接收到的FSK信号由解调器解调出数字信号，由ORXD端送给单片机进行处理。单片机的OCD脚负责检测外部信号，单片机可由此判断HART协议总线状态[4]。
HART通信单元实现与上位机的通信，可实现组态、调试、诊断和数据管理等功能上位机可监测定位器的工作参数，并可发出命令。
二、智能阀门定位器软件设计
1、主程序流程图
智能电气阀门定位器系统软件设计为控制、管理及通信子程序。控制子程序主要完成对过程变量的采样、数据处理并根据控制算法及控制方式进行计算，同时输出控制信号管理子程序主要完成LCD显示及管理、处理用户按键中断，对系统进行自诊断等通信子程序完成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。本系统采用了模块化结构的程序设计方法，主程序如图4所示。
2、气动阀门参数自整定
传统定位器，组态参数整定过程繁琐，需反复调整，费时费力。阀位自动控制过程中其运行参数，随着环境变化而变化[3]。本文提出的自整定方法可自动辨识系统优化控制所需的正、反方向、零点、行程、泄漏量、最小化定位增量、稳态误差及死区等参数，提高了控制阀定位速度和精度。
参数自整定最重要的是确定最小化定位增量。最小化定位增量参数直接决定了定位器的定位速度和精度，否则容易产生超调和振荡。
充放气过程中，充、放气最小定位增量不同，同样占空比的PWM控制波产生的控制效果不一样，（见图5（a）、（b）），图中横轴为时间轴，纵轴表示反馈电阻位置，即调节阀开度。可见，当驱动阀门的PWM波形占空比较小时，系统反应过于缓慢，不利于对阀门的快速定位，较大的占空比具有快速响应且较平稳，但会出现较大的振动和超调。
为确定最小化定位增量，根据实验，调节阀开度为30%时，预先计算出延时对应的调节阀位置变化的最小值，即
式中：T为控制周期，△P为单周期阀门开度的期望变化量。
（b）放气过程实验
图5 充放气过程实验
当阀门实际开度与设定开度相差较小时，采用最小化定位增量可使阀门快速定位到误差允许范围内。通常，需要充气时是由于微量气体泄漏导致阀门产生向下的滑动，流程图中模拟充放气过程，使最小增量的测量尽量接近实际工作状态，放气时最小化定位增量可作类似处理。
同样，检测阀门开度在50%、70%等位置的最小化定位增量，通过采用分段线性化方法，即可计算出任一开度下最小定位增量。
图6（a）为改进最小位置增量自整定算法后控制效果，图中虚线表示当设定开度为30%时，测得调节阀位置随时间变化实际曲线；与图6（b）比较可知：
图6（a）中折线平行于时间轴部分更接近于设定值，表明改进后算法明显减少了定位误差，提高了控制精度。
图6（b）中平行于时间轴部分的折线存在一定起伏，表明实际阀位值和设定值存在一定误差，系统不断地用最小定位增量驱动调节阀，以期减小定位误差。但最小定位增量值过小，当系统存在泄漏时，将出现反复调节过程而形成毛刺。相比之下，图6（a）中曲线相对平滑，表明当定位误差大于误差允许值时，精确整定的最小定位增量在一个控制周期内即可将调节阀驱动到误差允许范围内，当设定
值一定时，调节次数大为减少。
三、结论
系统利用MSP430单片机丰富的片内外设和快速的代码处理功能，结合HART2015的调制解调，实现了气动阀门的智能化、数字化、网络化，同时改进了参数自整定过程，大大提高了系统的定位速度和精度。该系统可选择地实现组态、调试、诊断和数据管理等功能，显示阀门的执行机构特性、动态偏差、阶跃响应等信息，并可根据定位器的数字通讯模块提供的信息，实现系统故障时的快速诊断，通过对过程数据的比较分析，准确快速地确定故障位置及原因并提出修复方案。
