基于HART协议的智能电气阀门定位器

制造业自动化基于ＨＡＲＴ协议的智能电气阀门定位器王化祥，　马 敏，　肖素枝（天津大学　电气与自动化工程学院，　天津　３０００７２）摘要：二线制智能电气阀门定位器是阀门定位器的主流发展方向。

本文详细阐述了基于ＭＳＰ４３０单片机的智能阀门定位器软硬件设计，给出了ＨＡＲＴ协议通讯的实现方法，提出了阀门定位器低功耗设计中应采取的软硬件技术措施。

实际应用表明，该定位器的主要技术性能明显优于传统的阀门定位器。

关键词：二线制；智能电气阀门定位器；压电陶瓷阀；ＨＡＲＴ协议；ＨＴ２０１５；ＭＳＰ４３０中图分类号：ＴＨ８６文献标识码：Ａ 文章编号：１００９－０１３４（２００６）０２－００２７－０４Intelligent electrical valve positioner based on HART protocolＷＡＮＧ　Ｈｕａ－ｘｉａｎｇ，　ＭＡ　ｍｉｎ，　ＸＩＡＯ　Ｓｕ－ｚｈｉ（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　ａｎｄ　Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，　Ｔｉａｎｊｉｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，　Ｔｉａｎｊｉｎ　３０００７２，　Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：　Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　ｅｌｅｃｔｒｏ－ｐｎｅｕｍａｔｉｃ　ｖａｌｖｅ　ｐｏｓｉｔｉｏｎｅｒ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｗｏ－ｗｉｒｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ｏｎｅ　ｏｆ　ｍａｉｎｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ　ｔｒｅｎｄ　ｏｆ　ｖａｌｖｅ　ｐｏｓｉｔｉｏｎｅｒｓ．　Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｄｅｓｃｒｉｂｅｓ　ｉｎ　ｄｅｔａｉｌ　ｔｈｅ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ａｎｄｈａｒｄｗａｒｅ　ｄｅｓｉｇｎｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　ｖａｌｖｅ　ｐｏｓｉｔｉｏｎｅｒ　ｕｓｉｎｇ　ＭＳＰ４３０　ｓｉｎｇｌｅ　ｃｈｉｐ　ｃｏｍｐｕｔｅｒ，ｇｉｖｅｓ　ｔｈｅ　ｒｅａｌｉｚｉｎｇ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＨＡＲＴ　ｐｒｏｔｏｃｏｌ，　ａｎｄ　ｐｒｏｐｏｓｅｓ　ｔｈｅｓｏｆｔｗａｒｅ　ａｎｄ　ｈａｒｄｗａｒｅ　ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　ｓｔｒａｔｅｇｅｓ　ｆｏｒ　ｌｏｗ　ｐｏｗｅｒ　ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｔｗｏ－ｗｉｒｅｖａｌｖｅ　ｐｏｓｉｔｉｏｎｅｒ．　Ｔｈｅ　ｐｒａｃｔｉｃａｌ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｓｈｏｗｓ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｍａｉｎ　ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ａｒｅｏｂｖｉｏｕｓｌｙ　ｓｕｐｅｒｉｏｒ　ｔｏ　ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ｖａｌｖｅ　ｐｏｓｉｔｉｏｎｅｒｓ．Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：　ｔｗｏ－ｗｉｒｅ　ｓｙｓｔｅｍ；　ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　ｖａｖｌｅ　ｐｏｓｉｔｉｏｎｅｒ；　ｐｉｅｚｏ－ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　ｃｅｒａｍｉｃ　ｃｏｎｔｒｏｌｖａｌｖｅ；　ＨＡＲＴ　ｐｒｏｔｏｃｏｌ；　ＨＴ２０１５；　ＭＳＰ４３０收稿日期：２００５－０９－３０作者简介：王化祥（１９４４－），男，教授，博士生导师，天津大学电气与自动化工程学院。

０ 引言调节阀作为控制系统的执行部件，被广泛地应用于工业自动化控制系统。

气动调节阀由于具有本质安全防爆，可靠性高，维修方便等突出优点，一直是执行器的主流产品，在轻纺、冶金、电力、化工等行业得到了广泛应用。

阀门定位器作为气动调节阀的主要附件，可改善阀门特性，提高控制的精度和速度，并可实现控制的灵活性。

目前，国内广泛使用的定位器是采用模拟信号和力平衡原理生产的产品，随着生产过程控制的不断发展，对控制性能的要求越来越高，传统的定位器已难以满足工业控制的需要。

近年来，由于电子技术的快速发展，国外一些著名公司相继推出了基于现场总线的智能阀门定位器，实现了定位器的数字化、智能化、网络化，大大提高了阀门定位器的控制性能，满足了生产实际的需要，代表了阀门定位器的主流发展方向［１］。

作者在借鉴国外几家产品的基础上，研究开发了基于ＨＡＲＴ协议的智能电气阀门定位器。

１ 工作原理基于ＨＡＲＴ协议的智能电气阀门定位器以微处理器为核心，采用电平衡（数字平衡）原理代替传统的力平衡原理，将电控指令转换为气动定位增量，实现对阀位的精确控制，增强并扩展了定位器的功能，并实现了二线制供电以及与上位机的双向通信。

该定位器由微处理器、Ｉ／Ｐ转换、ＬＣＤ显示及键盘、阀位反馈、ＨＡＲＴ通信、报警模块等部分组成，原理图如图１所示。

来自调节器的４～２０ｍＡ电流既是输入信号又作为电路的电源，与阀位反馈信号一同进入微处理器，通过比较运算，根据两者的偏差输出一控制信号到Ｉ／Ｐ转换单元，控制其气压的输出及气动调节阀的阀杆运动，阀杆的行程同时反馈到微处理器，形成闭环控制；ＬＣＤ和键盘部分，可实现人机交互，人工输入工作参数和命令，显示定位器的工作状态参数；ＨＡＲＴ通信部分，实现与上位机的通信，可实现组态、调试、诊断和数据管理等功能；上位机可监测定位器的工作参数，并可发出命令。

由于实现制造业自动化了数字化、智能化，定位器在初始化时，可根据输入参数，自动确定执行器的零点、最大行程、作用方向和定位速度，大大节省了投运时间。

工作时，可根据阀门的机械性能变化，自动修改控制参数，补偿阀门老化、磨损等误差。

２ 整机电路设计由于该定位器配置ＨＡＲＴ总线，采用二线制总线供电方式，其电路所需电源由调节器输出的４－２０ｍＡ电流提供，因此整个电路的功耗必须尽量降低。

要达此目的，必须选取尽量低的电路电源电压、选择较低时钟频率和合适的电路工作方式［２］。

另外，Ｉ／Ｐ转换部分选用功耗非常低的压电陶瓷元件作为进气／排气阀门，以实现整个电路的低功耗。

选取电路的电源电压为３Ｖ，而压电陶瓷阀门的控制电压为２４Ｖ，因此需由４～２０ｍＡ电流产生３Ｖ和２４Ｖ两个电源电压。

用稳压二极管并接在４～２０ｍＡ信号输入端，产生６Ｖ直流电压。

以该６Ｖ电压为电源，采用电荷泵ＤＣ－ＤＣ变换电路产生３Ｖ电压为电路供电，用电感型ＤＣ－ＤＣ变换器产生２４Ｖ电压控制压电陶瓷阀门［３，７］。

智能阀门定位器的电路简图如图２所示。

２．１ 单片机及其外围电路为尽量降低功耗，提高整机性能，选用了工作电压低（３Ｖ）、所需外围扩展器件少、具有多种工作模式、功能强大的ＭＳＰ４３０Ｆ４４Ｘ型单片机（ＴＩ公司生产）。

该单片机具有１６位ＲＩＳＣ结构，ＣＰＵ中有１６个寄存器和常数发生器，使其可达到高的代码转换效率；灵活的时钟源可使器件消耗的功率达到最低；具有１６个中断源，可以任意嵌套，使用灵活方便；数字振荡器（ＤＣ）可使器件在少于６µｓ的时间从低功耗模式迅速唤醒；多个常用的ＣＰＵ外围模块集成在片内；８通道１２位的Ａ／Ｄ转换器，３个捕获比较器的１６位定时器，２ＫＢＲＡＭ内存和６４ＫＢ的ＦｌａｓｈＭｅｍｏｒｙ，２个串行通讯口ＵＳＡＲＴ０／１。

因此，ＭＳＰ４３０Ｆ４４Ｘ是一种功耗极低，功能强大，外围电路设计简单的单片机［４－６］。

为进一步降低功耗，选用较低的工作频率；但为快速响应外部事件，设计两个频率高低不同的时钟，根据需要在两个频率之间切换。

ＣＰＵ之外选用低速、低功耗，频率准确的ＬＦＸＴ１时钟源，使用频率为３２．７６８ＨＺ的晶振生成辅助时钟ＡＣＬＫ，可满足低频率应用场合（如采样等）的要求；在ＣＰＵ内部使用数字控制振荡器ＤＣＯ（高速、低功耗、频率不准确）的锁频环技术（ＦＬＬ），将ＡＣＬＫ倍频升高，作为系统的主时钟ＭＣＬＫ，满足高速实时的需要。

通过软体设计，使系统在大部分时间工作于低功耗模式３（ＣＰＵ置位ＯＦＦ，从而停止活动，ＭＣＬＫ的锁频环控制和ＭＣＬＫ停止工作，ＤＣＯ和ＤＣ发生器关闭，但ＡＣＬＫ信号仍保持活动，外围模块继续工图　１ 智能电气阀门定位器原理图图２ 智能阀门定位器电路简图制造业自动化作），主要控制功能靠片内的定时器中断唤醒。

这样，既将功耗降至最小，又能对系统硬件请求和事件做出快速反应，完全满足了应用的需要。

定位器要求单片机能够接收来自调节器的控制阀门开度的４－２０ｍＡ电流信号。

为此，在６Ｖ电源电路前端串联一取样电阻，取样电阻上的电压反映设定信号电流的大小，此电压经单电源运算放大器放大后，送入单片机Ｐ６．４脚进行采样。

为了减少温漂对系统采样精度的影响，取样电阻选用热稳定性好的锰铜丝制作；为了提高共模抑制比（ＣＭＲＲ），差动运放的输入电阻以及外围电阻应尽量匹配［３］。

ＬＣＤ显示和按键提供人机交互接口，显示器用于显示阀门定位器的各类状态信息，按键用于输入组态数据和手动操作。

选用低功耗的４位８段液晶显示模块，并采用基于Ｉ２Ｃ总线方式与单片机连接（单片机的Ｐ４．３～　Ｐ　４．６脚），以节省单片机的Ｉ／Ｏ端口；三个按键配合使用，可完成工作模式的设置、手动控制阀位、控制参数的设定，按键采用定时器中断方式工作，这样既提高了单片机的效率，又避免了延时消除抖动的过程。

通过刚性连接的连杆，与调节阀杆无间隙配合，从而把调节阀的行程转换为反馈电位器的转角，进而将电位器的转角转化为电压信号，经变压器隔离后，再经电压／电流转换电路，最后以电流信号输入单片机的Ｐ６．３脚，供单片机识别当前阀门位置。

反馈电位器装有球轴承和耐用的电阻薄片，可长期可靠运行。

２．２ 基于压电陶瓷阀门的Ｉ／Ｐ转换控制Ｉ／Ｐ转换部分的作用是将电信号转换成气动信号，通过放大喷咀的背压和气体流量控制，推动调节阀。

由于压电陶瓷阀门其阻抗很高，功耗非常小，质量很轻，动作速度快，使用中几乎不磨损， 非常适合在要求低功耗，长寿命，高可靠性的场合使用。

该定位器是针对无弹簧复位气动执行机构，由于这种执行机构在膜头压力减小时无法自动回位，必须借助外部动力，因此设计了双气动系统，需使用４个压电陶瓷阀门（只有开通和关闭两种状态），由单片机的输出信号经驱动后加以控制，其工作原理与单气动系统（如图１所示）定位器相同。

利用单片机的定时器Ａ０、Ａ１、Ｂ０、Ｂ１产生不同宽度的脉冲并经场效应管驱动后控制四个压电陶瓷阀门，使其开通或关闭，以控制进入调节阀的压缩空气，使阀杆向上或向下移动，从而调整阀门的开度。

２．３ ＨＡＲＴ通信电路ＨＡＲＴ通信协议是从模拟量通信到数字量通信转变的一个过渡性协议。

目前，它已成为一个事实上的工业标准。

该协议规范为三层结构：物理层，数据链路层和应用层。

物理层使用ＦＳＫ技术，在４－２０ｍＡ模拟信号上叠加一个均值为０的频率信号，以不同频率的交流信号代替数字信号的“０”和“１”，使得数字量和模拟量同时传输而互不干扰。

数据链路层规定了数据通信格式。

应用层以各种ＨＡＲＴ命令完成各项功能。

通信介质的选择视传输距离长短而定，通常采用双绞线作为传输介质，最大传输距离可达１５００ｍ，可满足工业生产过程控制的需要。

芯片ＨＴ２０１５是ＳＭＡＲ公司专为实现ＨＡＲＴ协议而设计的低功耗调制解调器。

它由以下４个功能模块组成：时钟模块、调制器模块、解调器模块、载波检测模块，其结构原理如图３所示。