HVP型智能阀门定位器设计

    工业过程控制对气动执行器的智能化要求日益迫切，而智能阀门定位器是实现气动执行器智能化的关键附件。现场总线技术的迅速发展和日趋完善，加速助推了智能阀门定位器产品的研究。在国外，FISHER、ABB、SIEMENS、AZBIL、SAMSON等公司已经生产成熟的智能阀门定位器产品，并广泛应用于冶金、石化、电力等行业。国内的主导产品仍基于力平衡原理的机械式电气阀门定位器，智能阀门定位器的研发尚处于初级阶段，开发出的几款数字式阀门定位器不能满足现场总线及开放式控制系统对智能阀门定位器的要求。研发高性能、高可靠性和低成本的国产智能阀门定位器非常必要，HVP系列智能阀门定位器就是在这一环境下而设计。

    1 控制系统总体结构

    在控制系统中，调节器、定位器、执行器、变送器等构成了一个闭环控制网络（见图1）。

图1 控制器总体结构示意图

    图1中r是被调量的设定值；u是来自DCS系统调节器的阀位控制信号；f是定位器的输出信号；y是气动执行器的输出行程；c是位置反馈信号；y_m是被调量的实际测量值。定位器对调节器过来的调节信号（4～20mA）与执行器反馈回来的阀门位置信号进行比较，判断其是否与预期的关系相匹配，如果相匹配，则定位器将执行器维持在此位置，否则将使执行器动作直至两信号相匹配，实现对阀门的精确控制和定位。

    2 定位器硬件部分设计

    定位器硬件系统的设计框图如图2所示。

图2 定位器硬件系统框图

    2.1 超低功耗电源电路的设计

    HVP智能阀门定位器是基于二线制4～20mA电流信号输入方式，实际电路中需要获取一组控制电路所需的电源电压，这些电源电压均取自4～20mA输入信号，故要求系统必须在极低的功耗下工作。

    2.2 数据采集和处理电路的设计

    智能阀门定位器需要采集来自调节器的4～20mA控制信号和阀位反馈杆反馈回来的阀位信号，因此，为提高系统的整体性能，要求数据的采集和处理具有精度高、运算速度快、功耗低的特点。

    2.3 二线制仪表

    整个控制系统的电源、控制信号都来自于两根导线上传输来的4～20mA环路电流，这就是所谓的二线制仪表（图3）。二线制仪表的最大特点就是电源和信号线共用两根导线，整个仪表的供电均从控制信号中提取，不使用任何其他外部电源。采用二线制设计的优势在于，系统能够满足工业过程控制中基本的安全防爆要求，定位器工作的安全性和可靠性有所提高，定位器的使用范围扩大，整体成本降低。

图3 二进制阀门定位器控制单元构成

    3 HART通讯设计

    HART协议是基于Bell202标准通信基础上发展起来的通信协议，使用频移键控FSK（FrequencyShiftKeying）技术，将HART信号叠加在标准4～20mA过程控制模拟信号上，它成功地使模拟信号与数字信号同时双向通信，而不相互干扰。HART还可以在一根双绞线上以全数字的方式通信，支持15个现场设备的多站网络，并且能清楚地描述现场仪表的各项特性。

图4 基于HART协议的智能阀门定位器控制结构框图

    由智能阀门定位器控制结构（图4）可以发现，MCU与HARTModem的接口设计是实现HART通信的关键，只有在MCU与HARTModem之间成功通信之后，智能仪表才能成为具有HART功能的现场仪表，才能实现HART协议的远程通信和参数组态等功能。

    4 系统关键技术

    4.1 输入信号滤波电路设计

    由于工业现场环境一般比较恶劣，各种干扰较多，智能阀门定位器在此环境下正常工作时需要有EMI抗干扰设计。EMC（电磁兼容）是指在有限的空间、时间和频谱范围内，各种电气设备共存而不引起性能下降。一台具备良好电磁兼容性能的设备，应该既不受周围电磁环境的影响也不对周围造成电磁骚扰。输入信号滤波电路（图5）的使用使得智能阀门定位器可以在恶劣的工况下正常、稳定的工作，不受外界干扰的影响。

图5 输入信号滤波电路

    4.2 DC/DC电源模块设计

    智能阀门定位器的输入仅为4～20mA电流信号而无额外的电源供给，但系统正常工作时，需要一组电源电压提供给系统各个部分，这就要求系统有电源转换装置来实现IV转换。鉴于定位器的低功耗要求和控制单元体积的限制，电源模块的设计尤为关键。HVP系列智能阀门定位器采用的是变压器隔离DCDC，它能随着负载的变化自动调整占空比，从而能在较大的动态负载变化下保持极好的输出稳定性和极高的效率（可达85%）。此外，它的整个工作温度范围频率变化不超过10%，温度的变化几乎不影响其输出电压和效率。

    （1）能量获取。当总线电流经过DCDC模块输入端时，由于输入端与7.5V稳压二级管并联，则进入模块的最小理想能量为W：W=7.5×3.6=27（mW）。变压器效率约为70%，所以最小理想能量约为W=27×70%=18.9（mW），其中7.5V为稳压二级管实际稳压值，3.6mA为保证仪表正常工作的最小输入电流。

    （2）隔离变压器。变压器输入电压：Ui=7.5－0.3=7.2（V）（不考虑变压器内阻），开关管电压U_ceo=0.3V。认为变压器为理想变压器，则3V绕组输出电压：

    28V绕组输出电压：

    反馈电压：

    其中N为变压器各绕组匝数，分别为48，22，180，8匝。

    HVP智能阀门定位器采用的DCDC由自激电路、隔离变压器、缓冲输出3部分组成（图6），包括数字电路电源输出部分和驱动电路电源输出部分（线圈控制部分）。

图6 HVP智能阀门定位器组成

    5 结语

    本文介绍了重庆川仪调节阀有限公司自主研发的HVP型压电阀式智能阀门定位器。在消化吸收国外同类产品的基础上，自主创新，在国产化智能阀门定位器的研制方面作了探索和尝试，成功研制出了完整的具备通讯功能的智能阀门定位器控制系统。设计了阀门定位器与HART协议的接口电路和通讯程序，使得阀门定位器具有现场总线的接口，可以实现现场或远程控制，使用控制室上位机或手操器可以对阀门定位器进行组态、调试和诊断。

    实践证明，该系列定位器控制系统的各项性能优秀，在某些方面（石墨填料阀门的控制过程中，控制效果明显超过了一些国外产品）达到或超过了国外产品的性能。该系列产品现已通过国家相关技术鉴定，从2002年至今，HVP系列智能阀门定位器经历了多次升级换代，不断更新，现已有数万台定位器正在现场使用，主要分布在冶金、化工、电力、炼油等行业，已经成为国内智能阀门定位器的领导品牌。