随着工业的进步，阀门定位器从最初的气动、机械力平衡式至基于电磁转换的电气调节阀定位器，直到今天的智能型和使用现场总线技术的阀门定位器，其总的趋势是电气化、智能化，并且必将与全数字化工业控制相适应。由于HART协议具有兼容数字信号和模拟信号的特点，提供了一种无风险的智能仪表间的通信解决方案，所以HART仪表的开发与应用发展迅速。本文介绍了一种基于HART协议的低功能智能型电气阀门定位器的设计方案，并就设计过重中硬件和软件相关技术问题进行分析。
一、气动阀门定位器概述
阀门定位器，作为调节阀的主要附件之一，对提高调节阀性能有着至关重要的作用。定位器利用闭环控制原理，将从调节器来的调节或直接的控制信号与从执行器来的阀门位置反馈信号相比较，根据比较后的偏差使调节阀执行机构动作，从而使阀芯准确到位，达到定位的目的。主要包括以下几个部分：①信号调理部分：将输入信号和阀位反馈信号转换为微处理机所能接收的数字信号；根据输入信号所使用通讯协议的不同，信号调理部分的具体电路将有所不同；②阀位反馈装置：检测执行机构的阀杆位移并将其转换为电信号反馈到阀门定位器的信号调理部分；③微处理器控制：微处理器将送入的两个数字信号按照预先设定的流量特性关系进行转换和比较，判断阀门开度是否与设定信号相对应，并根据比较结果输出控制信号至电气转换控制部分；④电气转换控制：将输入的控制电信号转换为气流开关信号送至气动执行机构，推动调节机构动作。
二、智能型电气阀门定位器硬件设计
1、设计目的
智能型电气阀门定位器硬件设计主要包括：（1）实现准确定位，智能型电/气阀门定位器用于控制气动直行程或角行程执行机构，实现阀门的准确定位。（2）实现双向通讯，利用上位监控计算机和HART数字通讯，用户可在中央控制室使用安装在操作站中的现场设备管理软件了解和设置阀门定位器的全部信息，如工作方式、报警信息、设定值与实际运行过程的过程变量。（3）通过组态，实现多种功能。通过对智能阀门定位器的组态，可以实现多种功能，如可以设定行程范围、实现分程控制、设置不同的流量特性等。
2、低功耗设计关键技术分析
所谓二线制仪表，是指电源和信号线共用两根导线的仪表，即不使用任何额外的电源，仪表的供电完全是从控制信号中取出的，目前工业现场最常用的就是符合工业标淮的4~20mA电流信号。二线制仪表由于电源本身即取自信号线，所以在构成本质安全的防爆结构时，具有很大的优势。对于二线制定位器来说，输入电流信号范围为4~20mA，此信号既作为定位信号，又提供定位器所需要的全部功率，因此整个设备要求在低功耗下运行。主要解决方式有：（1）工作电压及工作频率的选用。为了降低单片机系统的功耗，必须降低其供电电压，并且在保证满足响应速度要求的条件下尽可能降低系统的时钟频率。（2）低功耗元器件的选用，电路设计上，尽量减少不必要的功率消耗，提高各部分的供电效率；选用低功耗或微功耗器件。（3）外围器件的电源管理。显示模块、通信模块处在不工作状态时均可由系统选择性的关断，从而降低系统的功耗。
智能式阀门定位器的控制电路主要由中央控制单元、HART接口单元、电源电路、I/P控制电路、保护电路、人机界面接口和阀位反馈电路等部分组成。中央控制单元所采用TI公司的MSP430F449型号单片机，不仅具有超低功耗的特性而且功能强大。电源模块的最终解决方案是采用电感型开关模式DC-DC变换器实现24V电源，利用电荷泵产生3V电源。压电阀将控制指令转换为气动位移增量，当控制偏差很大时（高速区），定位器输出一个连续信号；当控制偏差不大（低速区），定位器输出脉冲连续；当控制器偏差很小时（自适应或可调死区状态），则没有控制指令输出。阀门位置反馈模块的作用是将当前阀门的实际位置通过反馈电位器，以电压信号形式输出到中央控制器，定位器控制的精度与阀门位置反馈模块的设计有着直接的关系，反馈模块设计的科学合理，定位器的控制精度才能得以保障。
三、智能型电气阀门定位器软件设计
基于HART协议的低功耗智能阀门定位器是一种可以远程进行组态和控制的数字式现场设备，同时也可以通过人机接口在现场进行调试。整个定位器系统的运行状态分为自动模式、手动模式、组态模式三种。三种状态间的转换可由系统的功能键进行切换。
1、系统工作时的信号流
自动模式是智能阀门定位器的主要工作方式，自动模式下的系统采用闭环控制，系统对设定值和反馈值进行一系列处理后，调用相应控制算法，控制算法的输出直接驱动压电阀，从而实现对阀位的自动跟踪控制。设定信号和反馈信号的两条不同的通路：一是对设定信号的处理，包括输入范围、作用类型选择、分程控制、流量特性、自动密闭、输入延迟等；二是对阀位反馈信号的处理，包括非线性反馈修正、手动行程设定修正、阀位限制等。
处理后的信号在自整定过程中被同时传入自整定模块，系统通过对这些实时信息的分析，通过计算获得所需运行时参数；在系统处于自动模式和手动模式时，处理后信号被送到控制算法单元，控制算法根据偏差大小及当前阀位位置计算出PWM控制脉冲的占空比及控制周期，进而驱动压电陶瓷阀，实现对气路的闭环控制。
2、运行时参数自整定
传统定位器，整定组态参数时非常繁琐。每个参数都需要进行反复调整，费时费力。智能定位器通过微控制器，做到大部分参数可自动判定。在定位器安装和调试的过程中，用户只需进行很少的设定，实现了整定过程的自动化。运行时参数自整定过程中主要进行以下几个步骤：①确定执行机构作用方向。②确定执行机构的零点和行程。③泄漏量测试。④确定最小化定位增量。⑤瞬时优化响应。
3、带死区的五步开关控制算法
五步开关控制算法首先得到控制量与反馈量的偏差，并对偏差进行分类，偏差较大时，进行粗调；偏差较小时，则输出连续脉冲进行精确调节。由于振动将使阀门定位器进行无休止的精确调节状态，这势必影响调节阀的使用寿命，死区设置使上述问题得到很好解决；另外，还需进行阀门禁闭功能的设置，以避免阀门关不死，即阀门汽缸中有残余的压力。算法首先根据当前误差的大小计算出PWM控制波形的占空比，然后根据误差的正负进行充放气的识别，并调用相应的功能函数直接对压电阀进行充、放气控制。
四、结论
本文研究了基于HART协议的低功耗智能电气阀门定位器采用4~20mA的二线制信号线供电，来自4~20mA的设定信号和来自高精度传感器的阀位反馈信号经过A/D采样后被送入微处理器进行分析、计算，实现气动执行机构对阀门的高精度定位。
