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。