[導(dǎo)讀] 本文開(kāi)發(fā)了一種基于HART協(xié)議的二線制智能閥門(mén)定位器。該定位器不僅具有良好的控制品質(zhì)，而且通信可靠穩(wěn)定;此外，它還具有參數(shù)組態(tài)、行程特性修正等功能;利用HART通信功能，它可以實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)儀表的遠(yuǎn)程組態(tài)，為故障定位提供更加豐富的診斷信息。
摘要：針對(duì)二線制智能閥門(mén)定位器的低功耗特性，基于自適應(yīng)控制理論，設(shè)計(jì)了一種基于HART協(xié)議的智能閥門(mén)定位器。分別對(duì)HART通信協(xié)議、協(xié)議接口等技術(shù)進(jìn)行了研究，并具體給出了HART通信的閥門(mén)定位器原理和智能閥門(mén)定位器的軟硬件設(shè)計(jì)方案。現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行表明，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度、動(dòng)態(tài)響應(yīng)特
閥門(mén)定位器是調(diào)節(jié)閥的重要輔助附件之一，它已廣泛應(yīng)用于電力、冶金、石化、輕紡、食品、醫(yī)藥等行業(yè)。隨著現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在工業(yè)過(guò)程控制領(lǐng)域的應(yīng)用，自動(dòng)化系統(tǒng)逐漸朝網(wǎng)絡(luò)化、總線化趨勢(shì)發(fā)展，而原有的智能閥門(mén)定位器由4-20mA模擬信號(hào)控制圈，不能進(jìn)行數(shù)字通信。HART協(xié)議是一種用于現(xiàn)場(chǎng)智能儀表和控制室設(shè)備之間的通信協(xié)議，兼容數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)的特點(diǎn)，在不影響模擬信號(hào)控制的前提下可以進(jìn)行數(shù)字通信;并且具有現(xiàn)場(chǎng)和遠(yuǎn)程參數(shù)監(jiān)控的功能;在降低系統(tǒng)成本、提高控制精度和系統(tǒng)可靠性方面具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)。
本文開(kāi)發(fā)了一種基于HART協(xié)議的二線制智能閥門(mén)定位器。該定位器不僅具有良好的控制品質(zhì)，而且通信可靠穩(wěn)定;此外，它還具有參數(shù)組態(tài)、行程特性修正等功能;利用HART通信功能，它可以實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)儀表的遠(yuǎn)程組態(tài)，為故障定位提供更加豐富的診斷信息。
一、HART通信的閥門(mén)定位器原理
基于HART通信的智能型閥門(mén)定位器由采樣電路、電源電路、人機(jī)界面、MCU控制單元、HART通信單元、I/P控制單元(壓電閥)和閥位反饋檢測(cè)單元(位移傳感器)構(gòu)成，其原理如圖1所示。
電源電路將4-20mA電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，而該電壓信號(hào)為HART通信單元、采樣電路、MCU控制單元、FP控制單元提供工作電壓;采樣電路完成控制信號(hào)的采樣;人機(jī)界面用來(lái)顯示調(diào)節(jié)閥的工作狀態(tài);MCU控制單元根據(jù)閥位反饋單元提供的閥位信號(hào)和采樣電路提供的設(shè)定值信息，產(chǎn)生相應(yīng)的控制策略，以驅(qū)動(dòng)FP控制單元工作;FP控制單元驅(qū)動(dòng)壓電閥動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)閥的動(dòng)作;HART通信單元實(shí)現(xiàn)與MCU控制單元的數(shù)據(jù)交換以及與外界的數(shù)字通信。
二、硬件設(shè)計(jì)方案
基于HART通信的智能閥門(mén)定位器主要用于控制氣動(dòng)直行程或角行程執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)閥門(mén)的準(zhǔn)確定位。定位器的輸入是從調(diào)節(jié)器送來(lái)的閥位設(shè)定信號(hào)(既可以是從DCS輸出的模擬信號(hào)，即4-20mA或0-20mA直流信號(hào)，也可以是從監(jiān)控計(jì)算機(jī)通過(guò)HART通信接口接收到的數(shù)字通信信號(hào))。它同反饋的實(shí)際閥位信號(hào)一起通過(guò)MCU控制單元控制FP控制單元，以驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)閥閥桿運(yùn)動(dòng)，形成閉環(huán)控制，并驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)執(zhí)行器，實(shí)現(xiàn)閥門(mén)的準(zhǔn)確定位。
2.1MCU控制單元
MCU控制單元采用TI公司生產(chǎn)的MSP430單片機(jī)。該單片機(jī)內(nèi)部集成了12位A/D采樣模塊，可以對(duì)4-20mA控制信號(hào)和閥位反饋信號(hào)進(jìn)行采樣。通過(guò)比較兩者偏差和偏差變化量，MCU控制單元作出相應(yīng)的控制策略，并產(chǎn)生相應(yīng)的PWM控制信號(hào)對(duì)I/P控制單元進(jìn)行控制。
I/P控制單元控制壓電閥輸出氣壓，從而驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)閥的閥桿運(yùn)動(dòng)，同時(shí)，閥桿行程通過(guò)傳感器將閥位反饋信號(hào)反饋到MCU控制單元。
2.2電源電路
電源電路原理如圖2所示。4-20mA電流信號(hào)經(jīng)過(guò)抗干擾電路、線性穩(wěn)壓設(shè)計(jì)后產(chǎn)生6V電壓，6V電壓通過(guò)電荷泵轉(zhuǎn)換成3V電壓，為單片機(jī)和HART Modem單元供電;同時(shí)，6V電壓通過(guò)BOOST升壓電路升壓至24v，為壓電閥供電。這種電源設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是電源轉(zhuǎn)換效率高，可以保證整個(gè)智能閥門(mén)定位器系統(tǒng)在低功耗下工作。實(shí)驗(yàn)證明，采用該電源電路方案進(jìn)行供電時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)工作的最小輸入電流為2mA。
2.3HART通信單元
HART通信單元主要由HART Modem和變壓器構(gòu)成。HART Modem的主要功能模塊包括控制邏輯、載波檢測(cè)、調(diào)制和解調(diào)這四部分。它集成了輸入濾波和輸出整形的功能，可以簡(jiǎn)化接口電路設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)更具可靠性。數(shù)字信號(hào)通過(guò)變壓器藕合到HART通信單元，HART Modem檢測(cè)到數(shù)字信號(hào)后作出響應(yīng)，并通過(guò)串口與MCU控制單元進(jìn)行通信。圖3為MCU控制單元與HART Modem芯片的通信接口電路。
HART協(xié)議采用標(biāo)準(zhǔn)的Bell202頻移鍵控信號(hào)進(jìn)行通信。其物理層采用兩種不同頻率(1200H：和2200Hz,分別代表二進(jìn)制的1和0)的正弦信號(hào)疊加4-20mA信號(hào)上進(jìn)行通信。由于正弦信號(hào)的均值為0，并不干擾直流信號(hào)，因此，模擬信號(hào)和數(shù)字懈可同時(shí)進(jìn)行雙向通信而不會(huì)互相干擾。
三、軟件設(shè)計(jì)方案
3.1控制策略
作為一種在自動(dòng)控制領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛的經(jīng)典控制理論，PID控制已普遍應(yīng)用在當(dāng)今自動(dòng)控制場(chǎng)合。隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的飛速發(fā)展，在進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，不但要求系統(tǒng)具有很好的動(dòng)靜態(tài)性能，還必須保證系統(tǒng)具有良好的魯棒性。而常規(guī)的PID控制存在著動(dòng)劫靜態(tài)性能之間的矛盾、魯棒性和控制性能之間的矛創(chuàng)及設(shè)定給定值和抑制干擾的矛盾。由于這些矛盾存在，使得PID控制器不能得到最佳的控制品質(zhì)。所以，本文從調(diào)節(jié)閥的實(shí)際情況出發(fā)，基于常規(guī)PID控制器的基本原理，對(duì)PID控制器進(jìn)行了改進(jìn)和完善。
由于自適應(yīng)控制系統(tǒng)是一種特殊形式的非線性控制系統(tǒng)，其自身的特性(結(jié)構(gòu)和參數(shù))、環(huán)境及干擾特性存在某種不確定性，自適應(yīng)控制依據(jù)的關(guān)于模型的先驗(yàn)知識(shí)比較少，因此，需要在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中不斷提取有關(guān)模型的信息，使模型逐漸完善。具體地說(shuō)，可以依據(jù)對(duì)象的輸入輸出數(shù)據(jù)，不斷地辨識(shí)模型的參數(shù).這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為在線辨識(shí)。本文將自適應(yīng)控制和PID控制兩者相結(jié)合并應(yīng)用到智能閥門(mén)定位器中，取得較好的效果。圖4為控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
3.1.1自適應(yīng)參數(shù)調(diào)整
由于執(zhí)行機(jī)構(gòu)存在氣容、行程、正反作用等差異性，因此，需要對(duì)其進(jìn)行模型識(shí)別，并對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行修改。同時(shí)，在控制過(guò)程中，還需要將輸入誤差作為系統(tǒng)的狀態(tài)量來(lái)調(diào)整PID參數(shù)，即根據(jù)誤差值大小調(diào)整HD參數(shù)，實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)和跟蹤。當(dāng)誤差e(t)很大時(shí)，系統(tǒng)就需要快速響應(yīng)，此時(shí)，增大Kp可以實(shí)現(xiàn)快速跟蹤和良好的動(dòng)態(tài)性能，但是Kp也不能太大，否則系統(tǒng)將不穩(wěn)定;當(dāng)誤差較小時(shí)，則減小Kp或增大積分系數(shù)Ti，使誤差變化減小而得到小的超調(diào)量，從而使系統(tǒng)輸出更穩(wěn)定。參數(shù)的變化須根據(jù)誤差大小來(lái)確定，并進(jìn)行實(shí)時(shí)學(xué)習(xí)和自調(diào)整。
3.1.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果
系統(tǒng)對(duì)調(diào)節(jié)閥的自適應(yīng)控制是通過(guò)PWM輸出控制壓電閥來(lái)實(shí)現(xiàn)的。智能閥門(mén)定位器的自整定包括對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)正反作用的確定、零點(diǎn)和行程的調(diào)節(jié)、執(zhí)行時(shí)間的確定、最小脈沖的確定以及瞬時(shí)響應(yīng)的優(yōu)化。通過(guò)對(duì)PWM自適應(yīng)的PID調(diào)節(jié)，系統(tǒng)可以達(dá)到一個(gè)較好的控制性能。設(shè)定值為15.6mA(閥門(mén)開(kāi)度量為78%)的智能閥門(mén)定位器動(dòng)態(tài)響應(yīng)如圖5所示，其中to為與執(zhí)行機(jī)構(gòu)行程有關(guān)的常量。
采用PID控制，系統(tǒng)具有較大的超調(diào)量;而采用自適應(yīng)PID控制，系統(tǒng)具有較小的超調(diào)量。此外，引入自適應(yīng)控制之后，系統(tǒng)的抗擾動(dòng)能力、穩(wěn)定性能和穩(wěn)態(tài)精度都得以提高。
3.2 HART通信
智能閥門(mén)定位器的HART通信，并采用簡(jiǎn)化的三層模型結(jié)構(gòu)，即第一層物理層、第二層數(shù)據(jù)鏈路層和第七層應(yīng)用層。物理層規(guī)定了信號(hào)的傳輸方法、傳輸介質(zhì);數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)定了HART幀的格式，以實(shí)現(xiàn)建立、維護(hù)、終結(jié)鏈路通信的功能;應(yīng)用層規(guī)定了HART命令集。命令分為三類(lèi)，即通用命令、普通命令和專(zhuān)用命令。通用命令提供所有與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備有關(guān)的功能;常用命令提供常見(jiàn)的多種現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中的功能;專(zhuān)用命令提供只針對(duì)特殊現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的功能，且互相不兼容。
在軟件設(shè)計(jì)過(guò)程中，MCU控制單元與HART通信模塊數(shù)據(jù)的接收、發(fā)送緩存均由獨(dú)立的中斷實(shí)現(xiàn)，并在中斷中完成對(duì)HART信息幀的各種處理。在幀的接收過(guò)程中，每當(dāng)檢測(cè)出異常，MCU控制單元會(huì)自動(dòng)設(shè)置相應(yīng)的狀態(tài)信息;定時(shí)器中斷則集中處理傳輸過(guò)程中出現(xiàn)的錯(cuò)誤、延遲，并根據(jù)系統(tǒng)工作模式的不同調(diào)用相應(yīng)的處理過(guò)程。信息幀的發(fā)送過(guò)程與此類(lèi)似，當(dāng)系統(tǒng)工作于成組模式時(shí)，定位器以一定的時(shí)間間隔不斷地檢測(cè)線路上是否有MCU控制單元上傳的命令信息，如果沒(méi)有，則自動(dòng)把設(shè)備運(yùn)行的相關(guān)信息以HART信息幀的形式發(fā)送出去;如果恰有MCU控制單元正在通信，則優(yōu)先執(zhí)行主機(jī)命令，或根據(jù)主機(jī)命令類(lèi)型推遲或取消成組數(shù)據(jù)的發(fā)送。
四、結(jié)束語(yǔ)
本文所開(kāi)發(fā)的基于HART協(xié)議的智能閥門(mén)定位器，解決了低功耗控制電路和單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)、控制軟件設(shè)計(jì)等核心的技術(shù)難點(diǎn)問(wèn)題，達(dá)到了HART協(xié)議技術(shù)規(guī)范的要求，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)在互不干擾的情況下的雙向通信，大大增強(qiáng)了其在控制領(lǐng)域中的作用。現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行表明，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，安裝維護(hù)簡(jiǎn)單，具有較強(qiáng)的自學(xué)習(xí)、自調(diào)整和自適應(yīng)能力;此外，它還具有較高的響應(yīng)速度和控制精度，為實(shí)現(xiàn)智能閥門(mén)定位器的智能化、數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化作出了有益的探索。