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智能阀门设计与控制方法分析摘要：阀门作为管道系统中的控制元件，其应用领域非常广泛，而且其结构、性能、用途等也在不断的发生变化。
智能阀门就是根据对阀门的性能、状态、故障等进行分析，并实现对阀门控制过程的智能化。
智能阀门具有一定的智能控制能力，能自动调节管道流量、压力等参数，满足工艺要求。
同时，在生产过程中能有效降低能源消耗，提高经济效益。
此外，在智能阀门设计过程中还需要考虑到其成本问题。
关键词：智能阀门；设计；控制方法；分析智能阀门是一个由电子部件和机械部件组成的复杂系统。
电子部件包括：传感器、执行器、控制器等。
机械部件包括：阀体、阀芯、密封面等。
阀门是工业生产过程中重要的一种控制元件，其控制质量将直接影响到整个工业生产过程的运行效率及产品质量。
因此，在阀门设计与控制过程中必须对其进行智能化改造，以提高其自动化水平和工作效率。
智能阀门是通过对阀门进行智能化设计与控制来提高其自动化水平和工作效率的。
1、电子部件概述智能阀门包括：电子部件、执行机构、控制系统等几部分构成。
其中，传感器是智能阀门中最重要的部件，它对阀门的性能和状态起着至关重要的作用，能将阀门的状态转变成电信号传递给执行机构，根据这些电信号来进行动作。
传感器包括：压力、流量、温度等。
执行器是智能阀门中重要的部件，它是控制系统与阀门之间的“桥梁”。
执行器可以根据所接收到的信号来改变自身的动作，从而使阀门达到相应的操作目的。
执行器作为智能阀门中重要的部件，其性能直接影响到智能阀门在整个系统中的作用。
在实际应用过程中，通常会将执行器设计成具有多种功能的部件，以满足不同情况下的控制需求。
控制器是智能阀门中重要的部件，它是通过对控制系统发出指令来控制执行机构动作的，它能根据不同情况来控制执行器实现对阀门开度和流量等参数进行调节。
控制器通常包括：上位机系统、下位机系统以及传感器三部分组成。
在智能阀门中，传感器是非常重要且必不可少的部件之一，它直接决定了智能阀门是否能正常运行。
信息技术的阀门智能控制系统的设计和分析摘要：工业向着智能化方向发展过程中，阀门控制系统并不是单纯局限机械手动阀门，对于机械手动阀门来讲，控制工作效率不高，并且安全性相对较差，不能展开智能操作。
在科技不断发展过程中，阀门智能控制逐渐将机械阀门控制渠道。
在进行阀门智能控制过程中，应注重对智能控制系统的设计运用，需保证其可以展开自动、手动切换，对故障做出判断，抗干扰性较强，能实现远程操作。
关键词：信息技术；智能控制系统；设计和分析信息技术不断发展中，广泛运用在各行业，阀门针对智能控制系统进行设计过程中，应加强对信息技术的运用，系统中可以将控制器作为基本核心，使阀门控制、检测、调节、执行进行组装，形成一体化结构。
系统在运行中，结合反馈机制，将控制、反馈信号之间展开对比，确保门阀控制的智能性[1]。
一、结合信息技术设计的阀门方面智能控制系统本研究当中，阀门方面智能控制系统，可以使控制、执行机体之间进行组合，结合控制系统将直接控制电机以及远程控制信号自动启动，能够使远程信号控制实现自动操作，也能展开现场控制操作，在操作结束以后，将获得的操作结果向上位机上传，判断操作结果，进而将反馈信号发送出来，优化阀门智能控制。
（一）硬件设计在进行硬件设计过程中，主要涉及到单元控制器、CAN通信接口以及控制器节点。
结合微控制器技术，展开阀门智能控制以及数字控制，通过CAN总线技术，建立两级总线系统，进而实施阀门远程控制以及集中控制。
系统当中运用的为CAN收发器与控制器之间进行结合通信接口，促进智能控制器与单元控制器开展节点通信，对于控制器来讲，型号为SJA1000，对于收发器来讲，型号为PCA82C250，可以实现对信号的快速发送以及接受，在微处理器方面，结合的为AT89C52单片机，并且在模块中，通过光电隔离电路运用，防止总线对系统产生干扰与影响。
就单元控制器来件，其在模块中使用了CPU框架，框架为两个。
在一级CPU当中，包含两个CAN接口，连接通信系统，并且和一、二级总线之间连接，其中两个总线进行传播时，速率可以存在差异。
智能电气阀门定位器的研制王志刚俞利明胡孟杰薛斌刘军（浙江中控自动化仪表有限公司）摘要提出一种智能阀门定位器设计方案,给出了软硬件和机械系统设计方法,并利用实验对其定位精度进行了验证。
结果表明：该智能电气阀门定位器具有操作简单、功耗低及定位精度高等特点，实现了控制阀产品的智能化。
关键词阀门定位器调节阀智能控制中图分类号TQ056.2文献标识码B文章编号1000-3932（2020）02-0127-04在工业自动化过程控制领域中，变送器、调节器和调节阀可以组成一个常见的控制回路,调节阀作为最终的控制执行元件,在很大程度上决定了过程控制性能的优劣。
阀门定位器与阀门、执行机构共同构成调节阀，经由输入和反馈,形成闭环控制回路。
阀门定位器的优劣可影响阀门静态特性%动态特性、控制精度、速度和控制的灵活性$1智能电气阀门定位器按输入信号，阀门定位器可分为气动阀门定位器和电气阀门定位器⑴。
电气阀门定位器以压缩空气为动力源，接收来自DCS系统（或调节器）的电信号,与阀位反馈机构获得的位置反馈信号相比较，判断与设定的流量特性关系是否相符,进行闭环控制，调节进入气动执行机构的气压,从而调整阀门开度，其控制回路如图1所示。
图1调节阀控制回路由浙江某公司研制的SPVP2000型压电阀式智能电气阀门定位器，可根据控制系统提供的4" 20mA输入信号,经软件算法处理后,输出PWM 信号,控制阀门开度,并依据反馈值调整阀门位置。
该定位器具有操作简单%功耗低及定位精度高等特点，实现了控制阀产品的智能化。
2系统总体设计智能电气阀门定位器主要包括压电驱动放大单元%气路模块%控制主板%传感模块及反馈机构等，其结构组成如图2所示。
作者简介:王志刚（1993-）,助理工程师,从事物联网%仪器仪表等相关行业的产品设计%开发工作,wz g0724@163.com反馈机构调整机构图2智能电气阀门定位器结构组成智能电气阀门定位器的工作原理为：来自DCS系统（或调节器）的4〜20mA控制量电信号作为调节阀位的设定值！，与来自阀位反馈机构中角度传感器传来的阀位实测值匕二者通过A/D转换器输入至CPU模块，在CPU模块处理过后，比较求得二者偏差,若偏差值超过定位精度,再利用控制算法求得阀位控制量#,输出指令控制压电阀进气或排气,从而调节进入执行机构的压缩空气流量,推动阀杆做直线运动或转动改变阀位开度，该位移再通过反馈机构和角度传感器将位移量实测值Y反馈回至CPU模块，从而进行闭环控制％当流量特性曲线偏差很大时，定位器输出连续信号；当偏差不大时,输出脉冲信号,偏差越小,脉宽越小；当偏差调节至阀门调节精度范围内,则不输出控制指令,使压电阀处于保持状态。
基于微控制器的智能阀门定位器控制系统的设计【摘要】本文主要围绕着基于微控制器的智能阀门定位器控制系统展开分析，探讨了智能阀门定位器控制系统的设计思路和具体的设计方法，以期可以为智能阀门定位器控制系统的设计提供参考。
【关键词】微控制器；智能阀门定位器；控制系统；设计一、前言智能阀门定位器控制系统的设计必须要符合其使用的需要，目前，从微控制器的角度出发，对智能阀门定位器控制系统进行设计是较为科学和有效的方法，值得探讨。
二、智能阀门定位器控制系统设计概述气动系统因其结构简单、价格低廉、以空气为介质，不污染环境等特点，使气动调节阀成为工业过程控制中的一种重要的执行部件，但由于空气介质的压缩性大、精度小，获得高精度的位置控制是当前气动技术的一大难点。
阀门定位器是气动调节阀的核心控制附件。
它的智能化可以显著改善阀门的特性，提高控制精度、速度和灵活性。
目前该产品因其低功耗、总线供电、本质安全等要求大多采用进口。
该器件原理为将电信号转化为气信号结合气动执行机构最终来控制阀门。
此外，定位器有总线供电，本质安全等要求，其关键技术为如何实现低功耗。
定位器能够增大执行器的输出功率,减少调节信号的传递滞后,加快阀杆的移动速度,提高调节速度,克服阀杆移动中产生的摩擦力和阀芯不平衡力,以提高调节阀的精度。
通过更换反馈元件可以实现对调节阀整体流量特性的变换。
三、智能阀门定位器的特点1、智能阀门定位器的控制精度较高可以实现控制阀的精确控制，从而提高系统的控制水平。
另外，智能阀门定位器可以方便设置阀门特性曲线，比如等百分比特性，西门子PS2系列就提供了1：25、1：33、1：50三种特性，ABB公司提供了1：25、1：50两种特性。
另外，如果用户对定位器内置阀门特性不满意或有特殊要求，可以通过自定义特性曲线功能进行自定义阀门特性曲线的设置。
各公司智能阀门定位器提供10~20段曲线的设置。
2、省气、节约能耗，保持气源压力的稳定常规定位器的稳态耗气量在350升/小时，智能定位器稳态耗气量在30升/小时，一方面可节约运行成本，另一方面保持仪表风压力的稳定，保证装置的可靠运行。
阀门控制器结构设计随着工业自动化的发展，传统的手工机械调节的方式在许多场合已不再适用，要实现管网系统的工业自动化管理, 离不开自动阀门这个管网系统中的执行机构。
阀门的种类也很多，下面的模型是其中一种——球阀，如图1所示。
图1 球阀由于阀门的应用非常广，手工机械调节的方式在许多场合已不再适用，本设计能够在较安全的情况下工作，而且效率提高了几倍，故设计智能阀门控制装置具有实际的意义。
电动执行器是工业过程控制系统中一个十分重要的现场驱动装置,其能源取用方便、安装调试简单,在电力、冶金、石油、化工等工业部门得到越来越广泛的应用。
2 原理阀门控制器由电动机驱动，通过蜗轮蜗杆减速，带动空心输出轴转动。
在该减速箱中，具有手动/自动机构(手动机构可独立进行操作)。
当切换手柄处于手动位置时，操作手轮，带动空心输出轴转动。
当电动操作执行机构时，手动机构处于断开状态，由电动机驱动空心输出轴。
传动机构的结构详如图2所示。
图2 传动机构结构图3 涡轮蜗杆设计由于此处的蜗轮蜗杆有特殊的要求，故自己设计并进行校核(此处用专用软件进行设计)。
设计的蜗杆仅仅是螺旋部分。
根据库存材料的情况，并考虑到蜗杆传动传递的功率不大，速度中等，但蜗杆在传动中起到相当重要的作用，故蜗杆用45Cr;因希望效率高些，耐磨性好些，故蜗杆螺旋齿面要求淬火，硬度为45—55HRC。
蜗杆用ZCuSn10P1，金属膜铸造。
设计完成后的模型如下图3：图3 蜗杆蜗杆各个参数如下：蜗杆输入功率：8.05kW蜗杆类型：阿基米德蜗杆(ZA型)蜗杆转速n1：1460r/min蜗轮转速n2：73r/min使用寿命：8000小时理论传动比：20蜗杆头数z1：2蜗轮齿数z2：40实际传动比i：20************蜗杆蜗轮材料************蜗杆材料：40Cr蜗杆热处理类型：淬火蜗轮材料：ZCuSn10P1蜗轮铸造方法：离心铸造疲劳接触强度最小安全系数SHmin;1.1弯曲疲劳强度最小安全系数SFmin;1.2转速系数Zn：0.749寿命系数Zh;1.21材料弹性系数Ze：147N^0.5/mm蜗轮材料接触疲劳极限应力σHlim：425N/mm^2 蜗轮材料许用接触应力[σH]：349.914N/mm^2 蜗轮材料弯曲疲劳极限应力σFlim：190N/mm^2蜗轮材料许用弯曲应力[σF]：158.333N/mm^2************蜗轮材料强度计算************ 蜗轮轴转矩T2:842.493N.m蜗轮轴接触强度要求:m^2d1≥1161.145mm^3模数m:5mm蜗杆分度圆直径d1:90mm。
上海交通大学硕士学位论文智能阀门控制器的嵌入式设计与开发姓名：梁海峰申请学位级别：硕士专业：控制理论与控制工程指导教师：谢剑英20070101智能阀门控制器的嵌入式设计与开发摘要阀门电动执行机构近年来逐渐取代机械式执行机构，成为工业控制系统中不可或缺的一个执行单元。
它是一个闭环控制系统，以电动机为动力源，将控制信号转换成相应的动作来控制阀门的位置。
论文首先对国内外阀门电动执行机构的研发现状和发展趋势作了详尽的分析，结合了智能型电动执行机构的功能要求，对执行机构的各个单元进行了设计和开发。
论文利用机电一体化的思想开发了阀门电动执行机构的机械结构部分，并在此基础上设计开发了安全、可靠、方便、先进的阀门电动控制系统。
阀门控制系统是电动执行机构的的核心单元。
论文引入了嵌入式开发技术进行该系统的软件设计，基于瀑布式软件开发模型在单片机ATMega64L和微型PLC上分别开发了友善的人机交互单元和可靠的电机控制单元，两个单元之间通过串行通讯交换信息。
人机界面单元方便而友善，不仅选用了非接触式的磁控开关和红外遥控器，而且显示部分采用了128×64的图形点阵式液晶屏，实现了高效的人机通信。
信号检测单元是阀门控制系统的重要组成部分，本课题采用高精度的轮辐式压力传感器检测执行机构的转矩，利用掉电可记忆的绝对式光电旋转编码器测量阀门的位置，实现了快速而准确的阀门定位。
总线技术是电动执行机构智能化的一个重要体现，本课题根据标准的Modbus和Profibus通讯协议开发了Modbus和Profibus总线模块，供用户选择。
此外，为了增强系统的抗干扰能力，本文在软硬件设计时采取了一系列的抗干扰措施，提高了系统运行时的可靠性。
现场运行试验表明，本课题研发的新型电动执行机构操作相当简便，菜单信息极其丰富，包含阀门的运行信息、故障报警、误操作提示信息等，控制单元具有故障诊断和自修复故障功能，运行相当平稳可靠。
关键词：人机交互单元，轮辐式压力传感器，绝对式光电旋转编码器，Modbus和Profibus总线EMBEDDED DESIGN AND DEVELOPMENT OFINTELLIGENT ELECTRIC V ALVE ACTUATORABSTRACTElectric valve actuator has replaced the mechanial valve actuator and becomes indispensable execution unit of the industrial control system. It is a closed-loop control system, which is drived by motor and position the valve by the control signal. Firstly, this paper analyzes the development circumstance and tendacy of overseas and domestic electric valve actuator. In addtion to the functional requirement of intelligent electric valve actuator, we design and develop each unit of the actuator respectively.The project develops the mechanical structure by mechanical & electrical integration and devises safe, reliable, convenient, advanced electric motor control system. Motor control system is kernel unit of electric valve actuator. This paper introduces the embedded development technique to design the sofeware of the project and utilize improved waterfall model to explore friendly human - machine interactive unit based on Microcontroller ATMega64L and reliable motor control unit based on mini - PLC. These two units exchange message by serial communication. The human - machine unit is convenient and efficientlycommunicated between human and machine, it is not only because that the unit use magnetic switch and infrared remote controller, but also use 128×64 Liquid Crystal Displayer. Signal detection part is an important part in motor control system. This project uses spoke - type force transducer with high precision to measure the torque of actuator, utilize the absolute optical rotary encoder to measuer the position of valve. Fieldbus is representative of intelligence of actuator. The project devised Modbus and Profibus module according to the standard Modbus and Profibus communication protocol. Besides, this paper presents a series of anti - interference action in order to strengthen the anti - interference capacity of the whole system and improve operatal reliability.On - site operation indicates that new electric valve actuator devised by this project is conveniently operated and presents abundant menu content. LCD displays all kinds of running information including malfunction alarm, operation mistake warning and so on. The motor control unit possesses malfunction diagnosis and self - maintainence to make the whole system operate very well.KEY WORDS:Human – Machine Interactive Unit, Spoke - Type Force Transducer, Absolute Optical Rotary Encoder, Modbus and Profibus智能阀门控制器的嵌入式设计与开发原创性声明上海交通大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。
阀门电动执行器控制模块设计
一、引言
二、设计目标
本设计的目标是实现阀门电动执行器的控制功能，包括远程控制、状态反馈以及安全保护等。
同时，要考虑到系统的可靠性和稳定性，并尽量减少功耗。
三、硬件部分设计
1.电源电路设计
2.控制电路设计
控制电路是阀门电动执行器的核心部分，它包括电机驱动电路、控制信号输入电路等。
电机驱动电路一般采用MOS管或者IGBT，输入控制信号可以由PLC、DCS或者远程监控系统发出。
3.信号采集电路设计
四、软件部分设计
1.状态监测与控制算法设计
2.通信协议设计
3.软件测试与调试
软件测试是保证阀门电动执行器控制模块工作正常的关键环节。
通过对软件进行调试和测试，可以发现和解决潜在的问题，确保系统的稳定性和可靠性。
五、系统安全保护设计
六、系统性能测试
为了验证阀门电动执行器控制模块的性能，需要进行全面的性能测试。
主要包括静态性能测试和动态性能测试，通过测试结果可以评估系统的功
能和性能是否达到设计要求。
七、总结
通过阀门电动执行器控制模块的设计，可以实现阀门的自动控制和远
程监测，提高系统的可靠性和稳定性。
同时，要注意选择合适的硬件和软
件组件，并采用合适的安全保护措施，确保系统运行的安全性。
电动阀门智能控制器的设计首先，硬件设计方面，电动阀门智能控制器需要具备以下功能：1.与电动阀门的连接：控制器需要提供与电动阀门连接的接口，以便实现对阀门的控制。
常见的接口包括直流电源接口、电机驱动接口等。
2.电源供应：控制器需要提供合适的电源供应接口，以保证控制器的稳定工作。
电源供应可以采用交流电源或者直流电源，也可以考虑使用电池供电。
3.数据采集：控制器需要实时采集电动阀门的工作状态、温度、压力等参数，以便根据实时数据做出相应的控制决策。
数据采集可以通过传感器实现。
4.数据处理：控制器需要使用合适的算法对采集到的数据进行处理，以提取有效信息。
例如，使用滤波算法去除噪声，使用PID算法进行控制。
5.通信功能：控制器需要具备通信功能，以便与其他设备进行数据交换和控制命令传输。
常见的通信方式有以太网、Wi-Fi、蓝牙等。
6.用户界面：控制器需要提供用户界面，用于显示实时数据、设置参数、进行操作等。
可以采用LCD屏幕、按键等元件来实现用户界面。
7.故障诊断与报警：控制器需要监测电动阀门的工作状态，一旦发生故障需要及时报警，并提供合适的诊断信息以便快速排除故障。
8.安全保护：控制器需要提供安全保护功能，以防止电动阀门的过载、过压、过流等情况，并采取相应的保护措施。
接下来，软件设计方面1.控制算法：根据采集到的数据，控制器需要编写合适的控制算法，实现对电动阀门的开关控制。
例如，使用PID算法实现闭环控制。
2.数据处理和存储：控制器需要对采集到的数据进行处理，并将处理后的数据存储到内部存储器或外部存储器中，以便以后分析和使用。
3. 通信协议：控制器需要定义合适的通信协议，以便与其他设备进行数据交换和控制命令传输。
可以采用现有的通信协议，如Modbus、CAN 等，也可以自行设计通信协议。
4.用户界面设计：控制器需要设计合适的用户界面，以方便用户进行参数设置、操作控制等。
界面设计应该简洁明了，并具备友好的交互性。
智能电动阀门控制器的设计与实现摘要：随着科技的进步和社会的发展，自动化控制技术在工业领域中的应用越来越广泛。
在自动化控制中，电动阀门是重要的组成部分。
与其他控制系统相比，电动阀门具有成本低、可靠性高、维护方便等优点，在石油化工、电力和冶金等行业中得到了广泛应用。
目前，电动阀门控制系统普遍采用单片微机作为控制器和测量仪表的核心。
随着微电子技术及嵌入式系统等高新技术的不断发展和广泛应用，传统的单片微机系统由于受计算机资源及成本的限制，已无法满足人们对控制精度、实时性、灵活性、可靠性等方面越来越高的要求。
因此，电动阀门的智能控制成为自动化领域一个重要研究方向。
关键词：智能，电动阀门；控制器智能电动阀门控制器的设计，可以在现场各种恶劣环境下，通过控制驱动电机的转速，改变阀门的开度，实现对电动阀门的自动控制，提高了控制系统的可靠性和准确性。
同时，在智能电动阀门控制系统中加入了监控软件，实现了对电机转速、电流、温度等参数的监控及故障报警。
该智能电动阀门控制器采用模块化设计结构，功能由现场用户根据自身需要选择；具有控制参数在线修改功能，可以通过人机界面实现对阀门开度、电流、温度等参数的设置。
智能电动阀门控制器与其他电动阀门控制器相比，具有良好的可靠性和稳定性，适合在各种恶劣环境下使用。
一、控制系统总体设计系统总体主要包括以下几个部分：（一）控制器硬件设计，包括 CPU、存储器、A/D转换器、数据输入输出通道、电机驱动模块等。
其中， CPU选用 Intel公司的C8051F020型单片机，主要完成控制和数据采集功能；存储器选用16×16的AT24C64型 Flash存储器，主要用于存储数据和程序；A/D转换器选用美国 ADI公司的ADC0809型；数据输入输出通道选择RS232或RS485方式。
系统采用模块化结构设计，具体芯片选型由现场应用环境决定[1]。
（二）控制软件设计，包括程序设计和底层驱动程序的编写。
低功耗射频智能锁控阀设计李文涛;王洪亮【摘要】以MSP430F4152为核心，结合T5557射频卡和125kHz射频技术实现了供暖管道阀门的智能控制。
同时，介绍了T5557射频卡的结构及工作原理，提出一种以分立器件实现射频卡读写的设计方法。
调试结果验证了方案的可行性和系统的稳定性，该设计可广泛应用于供暖系统中。
%Taking MSP430F4152 as the core, combined achieves intelligent control of the heating pipes valves. At the card are introduced, and a design method of adopting discrete given. And the possibility of the project and the stability of system. with the T5557 RF card and 125 kHz RF technology, this paper same time, the structure and work principle of T5557 radio frequency components to carry out the radio frequency card reads and writes is the system are verified, which can extensively be applied to heating【期刊名称】《微型机与应用》【年(卷),期】2012(031)024【总页数】3页(P26-28)【关键词】MSP430单片机;射频技术;锁控阀;低功耗【作者】李文涛;王洪亮【作者单位】内蒙古科技大学信息工程学院,内蒙古包头014010;内蒙古科技大学信息工程学院,内蒙古包头014010【正文语种】中文【中图分类】TP29近年来,为确保实现“十二五”节能减排目标，国家针对北方供热制定了供热分户计量、按照用热量收费的制度。
超低功耗二线制智能阀门定位器设计
周朋;刘甘霖
【期刊名称】《制造业自动化》
【年(卷),期】2024(46)3
【摘要】针对现代气动智能定位阀必须在低功耗下实现高精度工作,设计了以STM32L151为控制器的二线制智能定位器。
通过采样二线制中模拟量信号得到给定,线性位移传感器感应阀芯位置,改进的PID自整定算法获得适应现场的最佳控制参数。
执行机构采用电气转换单元及控制阀实现定位。
最后以阀门控制器为被控对象,HART手操器现场操作定位器验证输出性能。
结果表明PID自整定算法能够满足现场控制要求,具有良好的动态性能和灵活性,显著提高了人机交互性能,控制更加方便,符合本安防爆特性。
【总页数】5页(P212-216)
【作者】周朋;刘甘霖
【作者单位】深圳和而泰智能控制股份有限公司;湖北工业职业技术学院智能工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TP273
【相关文献】
1.二线制智能阀门定位器研究与设计
2.低功耗二线制设计在电气阀门定位器中的实现
3.基于HART协议的二线制智能阀门定位器
4.低功耗二线制智能阀门控制器的设计
5.低功耗二线制智能阀门控制器的设计
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收稿日期:2004-02-19作者简介:肖素枝(1979-),女,河北邢台人,硕士,主要从事智能式仪表设计与开发。
基于HART 协议的二线制智能阀门定位器肖素枝,王化祥(天津大学自动化学院,天津300072) 摘要:介绍了基于H ART 协议的二线制智能阀门定位器系统硬件、软件设计及H ART 通信,并重点讨论实现系统的低功耗设计措施。
该系统可与智能现场设备或上位机进行双向通信,具有自诊断、远程参数设定等功能。
关键词:H ART 协议;智能阀门定位器;二线制;低功耗中图分类号:TP273;TP336 文献标识码:B 文章编号:100020682(2005)022*******A tw o 2wire smart valve positioner based on the HART protocolXI AO Su 2zhi ,W ANG Hua 2xiang(Tianjin University ,Tianjin 300072,China ) Abstract :This paper presents a smart valve positioner based on the H ART protocol and the design of its hardware and s oftware as well as the im plementation of the H ART communication for the positioner.The paper als o discusses the strategy of achieving low 2power consum ption.This system can perform bidirectional communi 2cation with a field bus ,transmitters or a m onitoring com puter ,and posseses the functions of rem ote 2setting oper 2ating parameters ,self 2diagnosis and s o on.K ey w ords :H ART protocol ;smart valve positioner ;tw o 2wire system ;low 2power consum ption0 引 言 笔者研制的基于H ART 协议的智能阀门定位器在兼容原有模拟信号传输的基础上,增加了与上位机和现场设备的通信功能。
1智能型双电源开关控制器的设计教程来源：微型机与应用作者：未知点击：74次时间：2011-2-17 11:43:01 随着科技的进步和社会的发展，人们的生活水平不断地提高，各行业对供电的可靠性、安全性、连续性提出了越来越高的要求，很多场合需要采用两路电源来保证供电的可靠性和连续性。
例如商场、银行、医院、通信部门、交通部门以及国防军事等部门都要求能连续不间断地安全供电。
而智能型双电源开关控制器能够很好地解决上述问题，为可靠、连续地供电提供强有力的保证。
目前在很多企业和领域都使用了智能型双电源开关控制器，它有着广阔的市场前景和应用价值。
本文介绍的智能型双电源开关控制器主要由控制单元(PIC16F884单片机)和执行机构(两台三极或四极塑壳断路器)组成。
控制单元主要负责各种信号的辨识检测、运算处理和控制输出。
执行机构则快速准确地响应控制单元的各种控制命令，从而构成一个功能强大、工作稳定、可靠的控制系统。
1 工作原理智能型双电源开关控制器以单片机PIC16F884为核心，对两路供电电源(常用电源和备用电源)的电压、频率和相位进行实时检测。
当其中一路电源(常用电源或备用电源)的电压发生过压、欠压或是缺相时，控制器就会发出电机切换命令，使供电电源自动切换到另一路电源(备用电源或常用电源)上，以此来保障供电的连续性。
控制器的工作方式主要有自动方式和手动方式两种。
控制器的结构框图如图1所示，组成模块如图2所示。
1.1 自动工作模式自动工作模式可分为：自投自复、自投不自复和电网-发电机三种方式。
其中，前两种主要应用于电网-电网供电模式，而第三种则是应用于电网和发电机供电模式。
(1)自投自复模式：控制器对两路电源进行监控，当两路电源都正常工作时，则负载由常用电源供电；当常用电源发生故障(过压、欠压或缺相)时，控制器发出电机切换命令使电源自动切换到备用电源，此时负载由备用电源供电；当常用电源恢复正常时，控制器再次发出电机切换命令使负载供电由备用电源返回到常用电源。
低功耗二线制智能阀门控制器的设计印书范1,刘汉忠2(11南京工程学院材料工程学院,江苏南京 211167)(21南京工程学院自动化学院,江苏南京 211167)摘要:为了使阀门控制器不仅能实现高精度定位控制,还能对流量、压力等过程控制量实现准确控制,针对石油、化工、生物制药等工控领域严格的防火防爆要求,设计开发了一种基于MSP430F 单片机的低功耗二线制智能阀门控制器。
首先详细介绍了主要典型硬件电路,给出了定位控制、过程控制的控制方法,最后结合试验结果分析表明,该智能阀门控制器功耗低、精度高、动态性能好,能满足一些特殊工控领域的要求。
关键词:阀门控制器;低功耗;二线制中图分类号:TM301 文献标识码:A 文章编号:1672-1616(2009)17-0040-05 气动系统因其具有结构简单、价格低廉、以空气为介质、不污染环境等特点,使气动调节阀成为工业过程控制中一种重要的执行部件,但由于空气介质的压缩性大、精度小,如何获得高精度的位置控制是当前气动技术的一大难点;其次,在石油、化工、生物医药等工业控制中,对防火防爆的要求非常严格,因此如何实现阀门控制安全也是目前的研究热点;另外过程控制不仅仅只局限于定位控制,而且还需要对流量、压力等过程量进行控制,目前这类高精度、安全、低功耗控制器主要来自进口,如德国的Burkert 、美国ABB 等。
基于这种背景,本文设计了一种基于4～20mA 电流控制信号的低功耗二线制智能阀门控制器[1～3]。
1 系统工作原理如图1所示,阀门控制器控制电路主要由中央控制单元、控制信号检测单元、位置检测单元、显示以及键盘单元、压电阀控制电路、电源电路等部分组成。
阀门控制器接收来自调节器的设定阀门开度的电流信号(4～20mA ),用这个信号与从调节阀阀杆反馈回来的实际开度信号进行比较,如果微处理器得到一个偏差信号,就利用这个信号去控制压电阀,使一定量的压缩空气经过压电阀进入到调节阀的执行机构的气室,推动阀芯的移动或转动,从而达到阀芯的准确定位,最终实现过程控制系统中过程量(压力或流量等)的准确控制。
图1 控制系统结构示意图2 过程控制器硬件设计2.1 二线制简介所谓二线制是指在仪表中电源和信号线公用2根导线,不使用任何额外的电源,供电完全是从控制信号中取出,目前工业现场最常用的就是符合工业标准的4～20mA 电流信号。
在石油、化工等工业控制中,对防火防爆的要求非常严格,而二线制仪表由于电源本身即取自信号线,不需要另外提供电源,所以在构成本质安全的防爆结构时具有很大的优势[1,4]。
2.2 主控单片机选取对于二线制控制器来说,输入电流信号范围为4～20mA ,此信号既作为控制信号,又提供控制器所需要的全部功率,因此该控制器要求在4mA 电流下也能正常工作,这就要求该控制器设计时需要充分考虑各器件的功率消耗。
控制器所用的微处理器选取的是超低功耗的MSP430F135单片机,收稿日期:2009-07-09作者简介:印书范(1968-),男,江苏泰兴人,南京工程学院讲师,主要从事模具产品开发及相关课程的教学工作。
局部电路和功能软件设计采用中断唤醒超低功耗工作方式,该单片机包含12位A/D 转换器、硬件乘法器、定时器、看门狗、串行通信模块、I/O 端口等丰富的片上资源,可实现在线编程[5]。
2.3 电源电路如前所述,控制器采取二线制结构,控制电压取自4～20mA 电流环路,同时该信号还是控制信号,因此必须把4～20mA 电流信号转换成电压信号,具体电源电路如图2所示。
2.4 控制信号检测单元信号放大电路如图3所示,R 1为采样电阻,其一端接地,另一端电压与电流成正比,该电压经低功耗运放MAX4044放大后输入到单片机A/D 口。
图2 电源电路图图3 信号放大电路图2.5 位置检测单元由于反馈电位器易磨损、寿命短,所以位置检测单元选用导电塑料电子尺,其功能是把一个机械位移信号转换成电气信号,并且该信号与机械运动成正比,单片机对电子尺输出电信号进行A/D 转换,从而实现阀位检测。
2.6 压电阀控制部分控制系统采用德国HOERB IGER -ORIG A 公司先进的压电阀和气动放大器作为气压驱动装置,压电阀片的响应时间小于2ms ,压电气动放大器响应时间小于20ms ,由此可见,阀门可以达到很高的调节精度和较快的响应时间,阀门一旦定位完成,其耗气量可以忽略不计。
压电阀工作电压是24V ,因此必须把3.3V 电压信号升压至24V ,这里选择低功耗升压芯片MAX629,MAX629是美国MAX 2IN 公司生产的,其组成的升压DC -DC 转换器输入电压很低,输出电压可达±28V ,仅有80μA 的静态电流,特别适合为低功耗、高电压设备供电,升压电路如图4所示。
2.7 信号输出电路按照工控要求,仪表或设备通常需要输出4～20mA 标准信号,该阀门控制器4～20mA 电流信号输出使用的是美国ADI 公司推出的单片高性能数/模转换器AD421,它由电流环路供电,16位数字信号SPI 串行输入,4～20mA 电流输出。
电流输出信号可用来表示阀门的开度或者回路中压力、流量等过程值的大小,输出什么信号由单片机根据需要,把采集到的不同信号值通过SPI 总线送至AD421进行数模转换,具体4～20mA 电流信号输出电路如图5所示。
显示单元采用超低功耗的NJ U6433芯片并定制成专用字符液晶显示模块,可以设置菜单和各种图4 升压电路图图5 4～20mA 电流信号输出电路图控制参数,按键部分不在此详述。
3 过程控制器控制软件设计3.1 过程控制系统结构图液压回路中,压力或者流量会随着阀门开度的改变而改变,对压力或者流量的精确控制,实际上可以转换为定位控制,因此过程控制回路可以表示成双闭环控制系统,过程控制系统结构如图6所示,过程量(压力或者流量等)控制回路的输出作为定位控制回路的输入,内环为定位器控制回路,外环为过程量控制回路,定位控制回路控制的好坏直接影响到整个控制回路中压力、流量等的精确控制。
图6 过程控制系统结构图3.2 定位控制软件设计让控制器工作在定位模式,定位控制结构如图7所示,压电阀驱动由控制信号1,2决定,两者都为高电平时,则压电阀工作在进气状态;当两者都为低电平时,则压电阀工作在排气状态;当控制信号1为低电平,控制信号2为高电平时,则压电阀状态保持不变。
压电阀具有很高的调节精度和较快的响应时间的功能,能在20ms 内完成状态改变。
用单片机两IO 口输出控制信号,取控制信号周期为20ms ,在定位器控制算法中,文献[2]提出了采用积分分离的PID 算法。
试验表明,该压电阀在20ms 内可以完成一次进气,但完成一次排气至少需要100ms ,因此相同的进气和排气时间对行程的作用效果是不一样的。
如果在偏差范围内采取PID 控制,定位点处控制效果实际并不理想。
反复试验表明,采取分段、不对称进排气控制的算法较理想,每次执行算法前,需要对给定值和实际值进行预处理,即标度转换,目的是使控制器能适用于不同行程的阀门,位置标度公式如下:biao she =she -she minshe max -she min(1)biaoshi =shi -shi min shi max -shi min(2)图7 定位控制结构图 位置给定值为4～20mA ,转变成相应电压并由单片机A/D 转换,两极限A/D 值分别是she min ,she max ,每次采样给定值she 按式(1)标度转换成biao she ,同样位置反馈值也由单片机A/D 口读取。
由于电子尺实际可检测行程大于阀门的行程,因此控制器会通过完全进气和排气记录阀门2个极限位置时的A/D 转换值,分别是shi min ,shi max ,每次采样实际值shi 按式(2)标度转换成biaoshi ,定位器控制流程如图8所示。
图8 定位器控制流程图 经反复试验,定位器都能在2s 以内快速到达设定值,并且没有超调。
3.3 过程控制软件设计如3.2节所述,由于定位器都能在2s 内到达给定值,因此每2s 采集压力或流量传感器的值,过程控制回路调节周期取2s ,控制方法采用增量式PI 算法,具体公式可参考文献[6]。
PI 调节的输出值作为定位器的给定值,定时器中断程序流程图如图9所示,过程控制子程序流程图如图10所示。
4 试验结果按上述控制方法进行压力控制试验和流量控制试验,试验中采集压力或者流量值,送至PC 端,绘制的流量控制曲线图和压力控制曲线图分别如图11、图12所示。
图11中直线表示给定流量值,曲线表示实际流量值,从图中可以看出,当给定流量值发生10%的突变后,大约经过50s 就使控制实际流量到达给定值,并且稳态误差很小,能控制在1%以内。
图12中直线表示给定压力值,曲线表示实际压力值,从图中可以看出,当给定压力值发生40%的突变后,大约经过30s 就可以使实际压力到达给定值,并且稳态误差很小。
通过对试验数据分析表明,稳态误差能控制在1%以内,说明这种控制方法是有效可行的。
图9 定时器中断程序流程图图10 过程控制子程序流程图图11 流量控制曲线图5 结束语阀门控制器从4～20mA 电流环取电,功耗低、精度高,能很好地满足防火防爆的特殊要求,目图12 压力控制曲线图前该控制器已应用在生物制药过程控制系统中,对其流量或压力实现了准确控制,并且性能优越,控制可靠。
参考文献:[1] 顾 筠.二线制智能阀门定位器研究与设计[J ].人民长江,2007,38(6):60-62.[2] 武自才,郭万军.智能阀门定位器控制系统设计[J ].仪表与计量技术,2006(6):39-41.[3] 邓 湘.两线制环路供电流量显示表研究[J ].仪器仪表学报,2003(8):646-648.[4] 邵贝贝,王暹辉.低功耗二线制设计在电气阀门定位器中的实现[J ].测控技术,2000(10):47-49.[5] 魏小龙.MSP430系列Flash 型超低功耗16位单片机[M ].北京:北京航空航天大学版社,2002.[6] 任彦硕.自动控制系统[M ].北京:北京邮电出版社,2006.Design of Electrical V alve Controller B ased on Low Loss and Tw o Wire FormYIN Shu -fan ,L IU Han -zhong(Nanjing Institute of Technology ,Jiangsu Nanjing ,211167,China )Abstract :In order to design valve controller used to high -precision position ,flow and pressure control spots ,fire and explosion protection in the industrial fields such as petroleum ,chemical and biological ,it introduces the design of electrical valve controller based on low loss and two wire form with MSP430F microprocessor ,describes the hardware circuits and control methods.The results of test indicate that the valve controller can meet some special requirements of industrial fields and have good performance of low power ,high -precision.K ey w ords :Valve Controller ;Low Loss ;Two Wire (上接第39页)the system frame of distributed joint collaborative development by multi -plants and institutes collaborative platform.It discusses the three kinds of collaborative pattern ,such as collaborative design ,collaborative man 2ufacturing and collaborative design and manufacturing ,analyzes the working range for each of them ,studies the organization and implementation of parallel working ,the construction of collaborative work platform and engineering data center.This research solves the technical difficulties in constructing the aero engine digital collaborative platform effectively.K ey w ords :Aero Engine ;Digital Collaborative Platform ;Collaborative Design and Manufacture ;Engineering Data Center。
