吳寧勝

(浙江商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州 310053)

基于HART通信協(xié)議的智能閥門定位器設(shè)計(jì)

吳寧勝

(浙江商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州 310053)

閥門定位器是與氣動(dòng)控制閥配套使用的現(xiàn)場(chǎng)儀表。為了提高定位器的控制性能，以AVR單片機(jī)為核心，設(shè)計(jì)了基于HART通信協(xié)議的智能閥門定位器。給出了詳細(xì)的原理框圖和軟硬件設(shè)計(jì)方案，研究了兩線制總線供電、低功耗設(shè)計(jì)、閥位控制算法、HART通信接口等技術(shù)問(wèn)題。該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了閥門定位器的智能化、數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化，具有廣闊的應(yīng)用前景，對(duì)相關(guān)產(chǎn)品的研制有重要的指導(dǎo)意義。

智能閥門定位器 總線供電 低功耗 PID控制 積分分離 HART協(xié)議

0 引言

閥門定位器是與氣動(dòng)控制閥配套使用的現(xiàn)場(chǎng)儀表，用于實(shí)現(xiàn)溫度、流量、壓力等過(guò)程變量的控制，其廣泛應(yīng)用在石化、電力、冶金、輕紡等自動(dòng)化行業(yè)[1]。傳統(tǒng)的閥門定位器是基于機(jī)械力平衡的儀表，存在精度低、調(diào)試難、故障率高、控制不靈活等諸多缺點(diǎn)。隨著計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在工業(yè)過(guò)程控制領(lǐng)域的應(yīng)用, 以微處理器技術(shù)為基礎(chǔ)的智能閥門定位器能克服上述缺點(diǎn)，正逐步取代傳統(tǒng)閥門定位器[2]。

本文以AVR單片機(jī)為核心，設(shè)計(jì)了基于HART通信協(xié)議的智能閥門定位器。該定位器既可傳輸模擬信號(hào)，也可傳輸現(xiàn)場(chǎng)總線的數(shù)字信號(hào)，實(shí)現(xiàn)與控制中心的信息交互。該設(shè)計(jì)無(wú)需更改原有控制系統(tǒng)架構(gòu)與工程布線，可直接連接智能閥門定位器，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化控制和管理，為工業(yè)4.0提供有效手段。同時(shí)，它采用總線供電，較好地解決了閥門定位器的本安防爆問(wèn)題。

1 工作原理與總體設(shè)計(jì)

基于HART通信協(xié)議的智能閥門定位器原理框圖如圖1所示[2-4]。

圖1 智能閥門定位器原理圖Fig.1 Schematic diagram of the intelligent valve positioner

圖1中，超低功耗電源電路將4～20 mA電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，為HART通信接口電路、控制信號(hào)取樣電路、MCU控制單元、I/P轉(zhuǎn)換單元、閥門位置檢測(cè)電路提供穩(wěn)定的工作電壓。控制信號(hào)取樣電路完成控制信號(hào)的采樣。人機(jī)交互模塊主要顯示控制閥的工作狀態(tài)和輸入工作參數(shù)。MCU 控制單元將閥門位置反饋電路檢測(cè)的閥位信號(hào)與控制信號(hào)取樣電路提供的設(shè)定值信號(hào)進(jìn)行比較，對(duì)偏差信號(hào)進(jìn)行一定的控制算法運(yùn)算，包括流量特性的修正補(bǔ)償，運(yùn)算輸出驅(qū)動(dòng)I/P電氣轉(zhuǎn)換及放大單元工作，從而實(shí)現(xiàn)被控閥的動(dòng)作。HART通信接口電路實(shí)現(xiàn)MCU控制單元與外界的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 電源電路

基于HART通信協(xié)議的智能閥門定位器為二線制設(shè)計(jì)，與外部的連接只有兩條物理連線。4～20 mA電流信號(hào)既是給定的閥門位置目標(biāo)控制信號(hào)，也是整個(gè)定位器硬件電路正常工作的電源[5]。因此，電源電路的設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。電源電路如圖2所示。

圖2 電源電路原理圖Fig.2 Schematic diagram of the circuit of power supply

電源電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是從4～20 mA模擬電流信號(hào)攝取合格的電源。4～20 mA電流信號(hào)經(jīng)過(guò)抗干擾濾波電路、線性穩(wěn)壓電路后產(chǎn)生低紋波系數(shù)的直流6.6 V電壓。線性穩(wěn)壓電路決定了定位器從控制信號(hào)攝取的最小功率為26.4 mW(6.6 V×4 mA)，最大功率為132 mW(6.6 V×20 mA)。因此，后續(xù)各單元電路的設(shè)計(jì)必須將低功耗作為首要考慮的因素?？紤]到定位器正常工作的電流為3.5 mA，單片機(jī)、閥門位置反饋、取樣電路和HART通信接口單元的供電均統(tǒng)一通過(guò)電荷泵(而非低壓差LDO模塊)，將6.6 V轉(zhuǎn)換成3.3 V電壓，最大限度地提高電源轉(zhuǎn)換效率。同時(shí)，6.6 V電壓通過(guò)DC-DC升壓電路升壓至24 V，為I/P電氣轉(zhuǎn)換單元供電[6]。

2.2 微控制器MCU單元及人機(jī)接口

根據(jù)電源電路部分的論述和設(shè)計(jì)，常用的MCU正常工作電流都在10 mA以上，無(wú)法滿足要求。因此，選擇超低功耗微控制器是本單元設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

需指出的是，本低功耗設(shè)計(jì)與電池供電系統(tǒng)中的低功耗設(shè)計(jì)有較大區(qū)別。電池供電系統(tǒng)中低功耗設(shè)計(jì)的目的是實(shí)現(xiàn)電池的最長(zhǎng)時(shí)間供電，設(shè)計(jì)依據(jù)是長(zhǎng)期的功耗指標(biāo)(或用平均功耗)，所以，關(guān)注點(diǎn)是微控制器在空閑和休眠模式時(shí)的最小工作電流。而智能閥門定位器是一個(gè)實(shí)時(shí)工作系統(tǒng)，低功耗設(shè)計(jì)的目的是保證微控制器正常工作電流不超過(guò)電源電路分配的最大值，設(shè)計(jì)依據(jù)是瞬時(shí)的正常功耗。本設(shè)計(jì)采用基于AVR內(nèi)核的8位低功耗控制器ATMEGA644PV。它具有多種低功耗模式；在1 MHz、1.8 V低電壓工作條件下，正常工作電流為0.4 mA，能很好地滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

LCD液晶顯示和4個(gè)按鍵是定位器人機(jī)信息和數(shù)據(jù)交互的窗口，可以完成參數(shù)的初始值設(shè)置、數(shù)據(jù)組態(tài)及實(shí)時(shí)顯示等諸多功能。

2.3 控制信號(hào)取樣與閥門位置反饋電路

控制信號(hào)取樣電路如圖3所示。

圖3 控制信號(hào)取樣及放大電路圖Fig.3 Circuitry of the control signal sampling and amplification

本單元電路采用低端檢測(cè)法，串聯(lián)一個(gè)低溫漂特性(溫度系數(shù)25×10-6)的線性檢流電阻R1，攝取與控制信號(hào)具有近似線性關(guān)系的電壓。該電壓通過(guò)反向放大電路調(diào)理后，送入A/D轉(zhuǎn)換器和微處理器進(jìn)行采樣與數(shù)據(jù)處理。

圖3中，U1B為超低功耗滿擺幅運(yùn)放，R11、R12為低溫漂精密電阻。這里R11、R12的取值不能過(guò)小，否則會(huì)造成不可忽略的取樣誤差。

閥門位置反饋電路的任務(wù)是閥門閥桿的實(shí)時(shí)位移檢測(cè)。本設(shè)計(jì)采用高精度線性電位器作為反饋主要部件，將閥門位置轉(zhuǎn)換為電位器的轉(zhuǎn)角，并輸出對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后送微處理器。

2.4I/P轉(zhuǎn)換單元

I/P轉(zhuǎn)換單元的作用是將微控制器MCU輸出的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成氣動(dòng)信號(hào)，以驅(qū)動(dòng)控制閥閥桿移動(dòng)。基于壓電效應(yīng)的I/P轉(zhuǎn)換單元，只需提供足夠電壓便能正常工作，其電流幾乎為零，特別適合對(duì)功耗有嚴(yán)格要求場(chǎng)合的應(yīng)用。同時(shí)，它能接收較高頻率的控制信號(hào)，可直接對(duì)接微處理器中常見(jiàn)的PWM模塊，在智能電氣閥門定位器中得到了廣泛應(yīng)用[6]。本文設(shè)計(jì)的智能閥門定位器使用OEM廠家提供的壓電閥式I/P轉(zhuǎn)換模塊，極大地提高了產(chǎn)品的穩(wěn)定性。

2.5 HART通信接口電路

HART協(xié)議用于現(xiàn)場(chǎng)智能儀表和主機(jī)設(shè)備之間的雙向通信。它是在4～20 mA模擬信號(hào)上疊加正弦調(diào)制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字通信，數(shù)據(jù)率為1 200 bit/s。數(shù)字信號(hào)“1”調(diào)制成頻率為1 200 Hz的信號(hào)，“0”調(diào)制成2 200 Hz的信號(hào)。數(shù)字信號(hào)幅度為0.5 mA，平均值為0。只要在原有模擬信號(hào)電路上增加相應(yīng)濾波器，就不會(huì)對(duì)原有模擬信號(hào)產(chǎn)生干擾[7]。HART通信接口電路如圖4所示。

圖4 HART通信接口電路Fig.4 The HART communication interface circuit

HART通信接口電路主要由HART Modem、發(fā)送驅(qū)動(dòng)和發(fā)送/接收轉(zhuǎn)換等構(gòu)成。HART Modem內(nèi)部集成符合Bell202標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)制器、解調(diào)器、接收濾波器、發(fā)送信號(hào)整形電路、載波檢測(cè)等電路，簡(jiǎn)化了接口電路設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)更具可靠性。該芯片載波信號(hào)輸出功率有限，為此，本設(shè)計(jì)特別增加由運(yùn)放U201構(gòu)成的載波發(fā)送驅(qū)動(dòng)電路，較好地滿足了通信網(wǎng)絡(luò)低阻抗情況下的可靠通信。HART通信是一種半雙工通信模式，因此本設(shè)計(jì)還配置了發(fā)送/接收轉(zhuǎn)換電路。HART Modem芯片需要460.8 kHz時(shí)鐘源，但460.8 kHz晶振是非標(biāo)準(zhǔn)的，不容易購(gòu)買到。本設(shè)計(jì)中，設(shè)置微控制器的PWM模塊工作于CTC模式，經(jīng)軟件編程分頻即可得到460.8 kHz時(shí)鐘信號(hào)。該方法有很好的靈活性，降低了成本。

3 軟件設(shè)計(jì)

本文研制的智能閥門定位器程序采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要由數(shù)據(jù)采集、控制、人機(jī)交互、通信和系統(tǒng)初始化等部分組成。數(shù)據(jù)采集程序完成控制電流與閥位的實(shí)時(shí)采樣、轉(zhuǎn)換和數(shù)字濾波等任務(wù)?？刂瞥绦蛑饕强刂扑惴ǖ木唧w實(shí)現(xiàn)。人機(jī)交互程序主要完成LCD顯示、用戶按鍵處理、故障分析與報(bào)警。通信程序完成HART通信協(xié)議的數(shù)據(jù)打包與解包、命令的解析等任務(wù)。系統(tǒng)初始化程序的任務(wù)是微處理器I/O與外圍芯片初始化、重要數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與掉電保護(hù)設(shè)置等。軟件設(shè)計(jì)的核心與關(guān)鍵環(huán)節(jié)是控制程序與HART通信程序。

3.1 控制程序

不同規(guī)格的氣動(dòng)控制閥，其特征參數(shù)差異較大，非線性和大滯后是其標(biāo)志性的特點(diǎn)[8-9]。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，本文選擇積分分離PID算法來(lái)取得較好的控制特性。本算法的基本思想是：根據(jù)設(shè)定值與反饋值的誤差e來(lái)確定執(zhí)行器膜頭進(jìn)氣還是排氣。根據(jù)e的絕對(duì)值大小采用不同的控制策略。當(dāng)誤差e大于規(guī)定值時(shí)，微控制器切除積分項(xiàng)，PWM輸出脈寬較大，閥位快速向設(shè)定值靠近；當(dāng)誤差e小于規(guī)定值時(shí)，微控制器引入積分項(xiàng)，PWM輸出脈寬逐漸收窄，閥位緩慢接近設(shè)定值，直到誤差e低于設(shè)定死區(qū)，PWM不再輸出信號(hào)，閥門位置保持不變[10]。

為適應(yīng)應(yīng)用要求，還設(shè)置流量特性補(bǔ)償環(huán)節(jié)，用多段折線實(shí)現(xiàn)非線性補(bǔ)償。

3.2 HART協(xié)議通信程序

HART協(xié)議通信是一種半雙工通信模式，由主控設(shè)備(上位機(jī))發(fā)通信請(qǐng)求，智能閥門定位器作為從機(jī)響應(yīng)。根據(jù)ISO的OSI參考模型，HART協(xié)議分物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。物理層涉及硬件接口；數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)定了波特率1 200 bit/s、1位起始位、8位數(shù)據(jù)位、1位奇校驗(yàn)位、1位停止位以及數(shù)據(jù)幀的格式與校驗(yàn)等內(nèi)容；應(yīng)用層則對(duì)各種命令代碼作統(tǒng)一的規(guī)范。

依據(jù)HART協(xié)議的通信格式，可以計(jì)算出傳送一個(gè)字符的時(shí)間大約9 ms。如果采用延時(shí)等待連續(xù)發(fā)送的方式，一幀長(zhǎng)數(shù)據(jù)就可能需要消耗0.5～1 s的CPU時(shí)間，控制的實(shí)時(shí)性無(wú)法保證。因此，HART協(xié)議通信程序設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是每一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)的收發(fā)都必須采用中斷方式實(shí)現(xiàn)。中斷程序流程圖如圖5所示。

圖5 HART收/發(fā)中斷程序流程圖Fig.5 Flowchart of HART Rx/Tx interrupt program

在接收中斷程序中，定位器對(duì)上位機(jī)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行識(shí)別和判斷，判斷依據(jù)是接收到的前導(dǎo)符0xFF個(gè)數(shù)以及字符間隔是否超時(shí)(超時(shí)，則觸發(fā)定時(shí)器溢出中斷，一幀數(shù)據(jù)接收完成)。發(fā)送中斷程序則是將已傳入發(fā)送緩存的數(shù)據(jù)逐個(gè)發(fā)送。接收數(shù)據(jù)幀的解析及發(fā)送數(shù)據(jù)幀的打包在主程序中實(shí)現(xiàn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以超低功耗AVR單片機(jī)ATMEGA644PV為核心，設(shè)計(jì)了基于HART通信協(xié)議的智能閥門定位器，實(shí)現(xiàn)了氣動(dòng)閥門定位器的智能化、數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化。實(shí)際應(yīng)用表明, 該系統(tǒng)具有使用簡(jiǎn)單、可靠性高、功能更加完善、適應(yīng)性好等特點(diǎn)。經(jīng)測(cè)試，系統(tǒng)定位精度可以達(dá)到閥門最大行程的±0.5%。

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Design of the Intelligent Valve Positioner Based on HART Protocol

Valve positioner is one of the field instruments supporting the use of pneumatic control valves. In order to enhance the control performance of the positioner, the intelligent valve positioner based on HART communication protocol has been designed with AVR single chip computer as the core. Detail schematic block diagram and design scheme of hardware and software are given. Several technical issues including two-wire bus power supply, low power consumption design, valve position control algorithm and HART communication interface, etc., are researched. The design realizes intellectualization, digitization and networking of the valve positioners; it possesses broad application prospects and important guiding significance for the development of related products.

Intelligent valve positioner Bus power supply Low power consumption PID control Integral separation HART protocol

浙江省教育廳科研基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：Y201018912)。

TH863

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201506025

修改稿收到日期：2015-01-09。

作者吳寧勝(1978-)，男，2004年畢業(yè)于桂林電子工業(yè)學(xué)院機(jī)械制造及其自動(dòng)化專業(yè)，獲碩士學(xué)位，講師；主要從事機(jī)電技術(shù)、自動(dòng)化控制、智能儀表等方面的研究。