董學(xué)全（茂名臻能熱電有限公司,廣東　茂名　525000）

基于HART協(xié)議的智能電氣閥門定位器解析

董學(xué)全
（茂名臻能熱電有限公司,廣東茂名525000）

摘要：本文首先對(duì)HART協(xié)議以及智能電氣閥門定位器進(jìn)行詳細(xì)的介紹，然后從硬件、軟件兩個(gè)方面分析基于HART協(xié)議進(jìn)行智能閥門定位器研制分析，事實(shí)也證明了這種定位器比傳統(tǒng)的閥門定位器性能優(yōu)良。

關(guān)鍵詞：HART協(xié)議；智能電氣閥門；定位器

隨著我國(guó)工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，閥門定位器經(jīng)歷了幾次改革，由最初的氣動(dòng)閥門，到機(jī)械力平衡式閥門定位器，然后再到現(xiàn)在電氣閥門定位器。同時(shí)在我國(guó)科學(xué)技術(shù)的帶動(dòng)下，閥門定位器逐漸向著自動(dòng)化、數(shù)字化的方向發(fā)展，與當(dāng)今全數(shù)字化工業(yè)生產(chǎn)相適應(yīng)。HART協(xié)議具有模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)兼容的特點(diǎn)，因此基于HART協(xié)議的電氣閥門也比傳統(tǒng)的閥門性能更加優(yōu)良。

1　HART協(xié)議與智能閥門定位器概述

1.1 HART協(xié)議

所謂的HART協(xié)議，就是可尋址遠(yuǎn)程傳感器高速通道開放通信協(xié)議，該協(xié)議最早出現(xiàn)于美國(guó)，用于控制室設(shè)備與現(xiàn)場(chǎng)智能儀表之間的通信協(xié)議。該協(xié)議中，HART裝置具有合適的響應(yīng)時(shí)間以及較低寬帶，經(jīng)過(guò)數(shù)十年的發(fā)展，發(fā)達(dá)國(guó)家的HART技術(shù)也已經(jīng)十分成熟，并廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。

HART協(xié)議主要利用FSK頻移鍵控信號(hào)，該信號(hào)采用標(biāo)準(zhǔn)為Bell202，也就是在4～20毫安的低頻模擬信號(hào)之上，疊加幅度為0.5毫安的音頻信號(hào)，實(shí)現(xiàn)雙向的數(shù)字通信，具有1.2Mbit/s數(shù)據(jù)的傳輸率。加上FSK平均信號(hào)值一般為0，因此在信號(hào)傳輸過(guò)程中不會(huì)對(duì)系統(tǒng)模擬信號(hào)造成影響，確保模擬信號(hào)與現(xiàn)實(shí)信號(hào)的兼容性。這種通信協(xié)議利用半雙工通信方式，在模擬信號(hào)上實(shí)現(xiàn)數(shù)字化通信，同時(shí)采用統(tǒng)一的描述語(yǔ)言（DDL），通過(guò)這種語(yǔ)言對(duì)設(shè)備的特性進(jìn)行描述，同時(shí)完成對(duì)描述語(yǔ)言的等級(jí)，并將其編寫成描述字典。但是HART技術(shù)采用混合模擬數(shù)字信號(hào)，給通信芯片的開發(fā)增加了難度。HART才有的供電方式為總線供電，基本上滿足安全防爆需求。

1.2智能閥門定位器

作為調(diào)節(jié)閥中關(guān)鍵的附件，閥門定位器的性能直接影響調(diào)節(jié)閥整體的使用性能。通常來(lái)說(shuō)，閥門定位器運(yùn)行原理主要是閉環(huán)控制，即對(duì)調(diào)節(jié)信號(hào)的控制或者是對(duì)調(diào)節(jié)器進(jìn)行直接調(diào)節(jié)，同時(shí)將執(zhí)行器反饋的信號(hào)與控制信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)兩種信號(hào)之間的差異性對(duì)相關(guān)動(dòng)作進(jìn)行調(diào)節(jié)，保證閥門芯位置準(zhǔn)確，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位。智能閥門定位器的主要組成部分包括：（1）信號(hào)調(diào)理。該部分主要負(fù)責(zé)信號(hào)的轉(zhuǎn)換，將閥門位置反饋的信號(hào)以及輸入信號(hào)反饋成為處理器能夠接收的信號(hào)，該部分電路內(nèi)容應(yīng)該根據(jù)輸入信號(hào)采用的通信協(xié)議不同進(jìn)行合理選擇。（2）閥門檢測(cè)反饋裝置。該部分主要是對(duì)閥桿位移進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)將執(zhí)行機(jī)構(gòu)檢測(cè)的信號(hào)進(jìn)行反饋；（3）微處理器。該部分將接受到的兩個(gè)信號(hào)，根據(jù)事先設(shè)置的流量特性，然后將兩個(gè)信號(hào)進(jìn)行比對(duì)，同時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的信號(hào)轉(zhuǎn)換，對(duì)閥門開度進(jìn)行檢查，保證其與設(shè)定值一致。最后以信號(hào)的形式將最終識(shí)別結(jié)果傳輸?shù)街悄茈姎庋b置中；（4）電氣轉(zhuǎn)換控制裝置。該部分就是將控制電信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成為氣流開關(guān)信號(hào)，并將其傳輸?shù)綒鈩?dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從而為執(zhí)行機(jī)構(gòu)各項(xiàng)動(dòng)作提供動(dòng)力。

2　智能電氣閥門定位器設(shè)計(jì)

2.1 智能電氣閥門定位器硬件設(shè)計(jì)

在進(jìn)行電氣閥門定位器硬件設(shè)計(jì)方面，具體包括以下幾個(gè)方面的設(shè)計(jì)：（1）為了確保閥門定位器定位的準(zhǔn)確性，一般利用角行程或直行程執(zhí)行結(jié)構(gòu)；（2）為了保證智能電氣閥門定位器實(shí)現(xiàn)雙向通信問(wèn)題，主要利用HART協(xié)議以及上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)，用戶能夠在控制室中實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)電氣設(shè)備的監(jiān)控，進(jìn)而對(duì)定位器工作方式、報(bào)警工作信息等全面了解。（3）定位器硬件設(shè)計(jì)過(guò)程中，可以通過(guò)組態(tài)，實(shí)現(xiàn)多種功能，具體的功能包括流量特性設(shè)置、分程控制、行程范圍設(shè)定等等。

2.2 智能電氣閥門定位器軟件設(shè)計(jì)

智能電氣閥門定位器作為一種現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)字組態(tài)設(shè)備，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)試，這種類型的定位器運(yùn)行模式包括組態(tài)、手動(dòng)以及自動(dòng)三種模式，并且能夠通過(guò)功能鍵實(shí)現(xiàn)三種運(yùn)行方式之間的自由切換。

（1）智能閥門定位器主要運(yùn)行方式是自動(dòng)模式，主要是利用自動(dòng)閉環(huán)控制功能，對(duì)相關(guān)的控制算法進(jìn)行調(diào)用，給壓電閥提供驅(qū)動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)對(duì)閥門位置的跟蹤控制，這一控制過(guò)程發(fā)生在設(shè)定值與反饋至處理結(jié)束后。（2）組態(tài)參數(shù)整定如果采用傳統(tǒng)的閥門定位器，過(guò)程相對(duì)復(fù)雜，需要經(jīng)過(guò)多次反復(fù)調(diào)整。而如果利用智能電氣閥門調(diào)節(jié)器進(jìn)行組態(tài)參數(shù)整定，通過(guò)微控制器以及微處理器就能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)絕大多數(shù)參數(shù)的識(shí)別與判定。同時(shí)，對(duì)于智能電氣閥門定位器安裝以及調(diào)試方面，不用過(guò)多的設(shè)定，就能實(shí)現(xiàn)運(yùn)行參數(shù)自動(dòng)化整定。首先需要弄清執(zhí)行機(jī)構(gòu)作用方向；其次是需要將執(zhí)行結(jié)構(gòu)的行程、零點(diǎn)等進(jìn)行確定；然后測(cè)試泄漏量；再次弄清定位增量的最小量；最后對(duì)相關(guān)相應(yīng)動(dòng)作實(shí)施優(yōu)化。（3）在振動(dòng)作用下，定位器閥門不斷的進(jìn)行狀態(tài)調(diào)整，給調(diào)節(jié)閥門的壽命造成極大的影響，這一問(wèn)題可以通過(guò)死區(qū)設(shè)置進(jìn)行解決。另外，需要對(duì)電氣閥門的禁閉功能進(jìn)行智能化設(shè)置，有效的消除閥門無(wú)法關(guān)閉的問(wèn)題，確保閥門氣缸在閥門關(guān)閉口沒(méi)有多余的壓力。具體的算法步驟為，首先通過(guò)當(dāng)前誤差值對(duì)PWM控制波形占空比進(jìn)行計(jì)算，得出結(jié)果后利用誤差的正負(fù)，對(duì)充放氣狀態(tài)進(jìn)行辨別，同時(shí)對(duì)相關(guān)功能函數(shù)進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)對(duì)閥門充放氣的直接控制。

3　總結(jié)

通過(guò)上述分析可知，智能電氣閥門性能更加優(yōu)良，其主要是基于HART數(shù)字化通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了閥門定位器的智能化、數(shù)字化，同時(shí)提高了氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)在定位過(guò)程中的高精度化。

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作者簡(jiǎn)介：董學(xué)全(1982-)，男，山東臨清人，本科，工程師,熱能動(dòng)力。