低功耗二線制設(shè)計在電氣閥門定位器中的實現(xiàn)

【摘要】介齠了一種智能=線制電氣閥門定位器的實
現(xiàn)，討論了其控制原理及其控制電路的硬件和軟件結(jié)
拘 ．由于是4～20 mA二線制供電，所以在設(shè)計中采取
了一系列措施來實現(xiàn)系統(tǒng)的低功耗運(yùn)行。
關(guān)鍵詞：閥門定位器，二線制，低功耗
Ab~t]ract：Inligent electrical value locator usi two-wire
system is introduced．the o0nⅡDI principlethe hard—
ware／software structure of the controI circuit 8re described．
For two-wire power supply within 4～20mA，some lil~tsutes
aretakento achievelow—loss opemscn，
leywords：valuelocator，~wo-wire system ，low-loss
氣動調(diào)節(jié)閥就是一種重要的執(zhí)行器，它在眾多的
工業(yè)過程控制系統(tǒng)裝置，尤其是在石化、冶金等工業(yè)的
流量控制中發(fā)揮著不可替代的作用。而氣動閥門定位
器作為它的主要附件之一，可以改善閥門特性、提控
制的度、速度和增加控制的靈活性。
隨著工業(yè)的進(jìn)步，閥門定位器從Z初的純氣動、機(jī)
械力平衡式的。發(fā)展到后來的使用電磁轉(zhuǎn)換的電氣閥
門定位器，直到今天的智能型和使用現(xiàn)場總線技術(shù)的
定位器，其總的趨勢是電氣化、智能化，并且必定要與
將來的全數(shù)字化工業(yè)控制相適應(yīng)。在外，一些在工
業(yè)自動化領(lǐng)域有著多年經(jīng)驗和*勢的大公
司，如西門子、費(fèi)希爾一羅斯蒙特等，相繼研制成功了智
能型兩線制，或者配置有HART總線、FF總線等現(xiàn)場
總線接口的智能電氣閥門定位器。在內(nèi)雖然在這方
面起步較晚。但在這種際大趨勢的帶動下，現(xiàn)在已經(jīng)
逐步認(rèn)識到進(jìn)行工業(yè)現(xiàn)場技術(shù)改造的迫切性。為此，
在消化理解西門子公司同類產(chǎn)品的基礎(chǔ)上。對智能二
線制閥門定位器的研制進(jìn)行了初步的探索。
1 二線制儀表
所謂二線制儀表，是指電源和信號線公用兩根導(dǎo)
線的儀表，即不使用任何額外的電源，儀表的供電*
是從控制信號中取出的，目前工業(yè)現(xiàn)場Z常用的就是
符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的4～2o mA電流信號。二線制儀表由
于電源本身即取自信號線，所以在構(gòu)成本質(zhì)安全的防
爆結(jié)構(gòu)時，有很大的勢。對于二線制定位器來隨．
輸入電流信號范圍為4～20 mA，此信號既作為定位衍
號，叉提供定位器所需要的全部功率，因此整個設(shè)備要
求在低功耗下運(yùn)行。
2 智能定位器的控制原理
該定位器的控制原理見圖1。通過兩個小的控制
閥A和B來控制壓縮空氣進(jìn)出氣動調(diào)節(jié)閥，閥A是進(jìn)
氣閥，閩B是排氣閥，這兩個閥門都只有“開"和“關(guān)"
兩種狀態(tài)。在任一時刻，閥A、B之中只能有一個開
通，另一一個關(guān)閉。當(dāng)A開通時，由于壓縮空氣壓力大
于膜頭內(nèi)壓力，因此壓縮空氣進(jìn)入調(diào)節(jié)閥，閥桿向下移
動；反之當(dāng)B開通時，調(diào)節(jié)閥氣室內(nèi)的壓縮空氣經(jīng)B
排人大氣，閥桿在彈簧的作用下向上移動 在智能閥
門定位器中，為了能與控制電路接口，閥A和B的開
通與關(guān)斷必須能夠用電量來控制 實際中使用的閹
A、B有電磁閥、壓電陶瓷閥等多種類型
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圖1 智能二線制電氣闐門定位器的控制原理
這里使用的是一種壓電陶瓷控制閥，其基本原理是
依據(jù)壓電材料的壓電效應(yīng)。用-d,片特殊制作的壓電
陶瓷片，在它兩側(cè)加上24～30 V電壓，壓電陶瓷片就會
發(fā)生彎曲，總的形變量可達(dá)幾十微米。從而可以堵?。?BR>放開進(jìn)氣口或排氣口，達(dá)到控制氣流的目的。由于壓電
陶瓷的阻抗很，所以這種控制閥的點是功耗極低，
易于實現(xiàn)二線制儀表和本安防爆。此外，它動作速度
快、質(zhì)量輕。因而在震動較大的環(huán)境中仍能工作。

閥位控制采用五接點開關(guān)控制算法。這種算法原
鼻簡單明 ，控制特性較．實現(xiàn)也不復(fù)雜，適合那些基
r微控制器的應(yīng)用系統(tǒng)。所謂五接點開關(guān)，是指把誤差
范圍分正大、正中、死區(qū)、負(fù)中、負(fù)大五個區(qū)域，在不同區(qū)
域中執(zhí)行不同的動作來力圖減小誤差。當(dāng)誤差在正大
和負(fù)大區(qū)時，控制器輸出連續(xù)信號給壓電控制閥，持續(xù)
進(jìn)氣或排氣，使行程快速改變，因此稱這兩個區(qū)為速
區(qū)；在正中和負(fù)中區(qū)，輸出一定寬度的詠沖信號，斷續(xù)進(jìn)
氣或排氣，行程緩慢改變，因此稱這兩個區(qū)為低速區(qū)或
短步區(qū)：在死區(qū)內(nèi)，不輸出信號，行程不改變。
3 智能定位器的硬件構(gòu)成
整個硬件設(shè)計的難點就在于兩線制系統(tǒng)對功耗的
要求苛刻，整個系統(tǒng)包括壓電控制闊的驅(qū)動都應(yīng)能
通過4～20 rnA信號線供電。其原理框圖如圖2所示，
其中，}方虛線框中為控制電路部分。
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圖2 智能二線制電氣閥門定位器的硬件掏成
由于電氣閥門定位器的輸入只是一個電流信號，
而實際電路中需要的是一組不同的電壓，如AIC的輸
入需要與輸入電流成比例的電壓、MCU和ADC的電源
可能需要3．3 V的電壓，以及控制壓電陶瓷閥需要
24 v或更的電壓，因此必須經(jīng)過一定的轉(zhuǎn)換和處理。
電源變換模塊的任務(wù)就是把輸入的電流變換成3．3 V
和24 v兩組電源，供微控制器和其他器件使用。由于
此部分電路轉(zhuǎn)換的成功與否，以及效率的低直接影
響系統(tǒng)的功耗，關(guān)系到整個電路設(shè)計的成敗，因此地位
顯得尤為重要。
這部分電路相當(dāng)于一個簡單的開關(guān)電源，其基本
思想是先將輸入電流轉(zhuǎn)化為一個較低的電壓，再通過
振蕩器產(chǎn)生振蕩，Z后通過整流、濾波以及線性穩(wěn)壓得
至q所需的電壓值，從而起到一個直流變壓DC／DC變
換的作用。在實現(xiàn)時，需要自己繞制變壓器。
由于LCD功耗較低，所以選用它來作為顯示器
件。它和按鍵一起提供了人機(jī)交互接口，用戶可以通
過它們來手動控制閥位，或輸入控制參數(shù)。
一般的微控制器內(nèi)建的ADC都是8位的，用在本應(yīng)
用中顯得不夠，所以在這里選用不帶MC的MCU及外掛
的l2位串行 Dc。本應(yīng)用中要求功耗比較低，同時對速
度要求不是很，所以這樣的ADC應(yīng)能滿足要求。
微控制器選用M0ton山公司的MC68HC05L]6，它
是所有運(yùn)算、控制的核心。但它輸出的脈沖幅度只能
達(dá)到它的電源電壓，不足以驅(qū)動壓電陶瓷闊。所以需
要額外的驅(qū)動電路，把小幅度脈沖3．3 v轉(zhuǎn)變成大幅
度24 V脈沖。
4 智能定位器的軟件構(gòu)成
在軟件設(shè)計時，先實現(xiàn)了一個簡單的基于時鐘
中斷的實時內(nèi)核，在此基礎(chǔ)上，把要完成的功能編制成
不同的任務(wù)模塊，根據(jù)各個任務(wù)所要求的執(zhí)行頻率的
不同進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度，進(jìn)而完成全部系統(tǒng)功能。在軟件
的編制過程中，利用了微控制器的WAIT低功耗節(jié)電
方式來降低系統(tǒng)功耗。軟件主要包括以下幾個模塊：
① AD數(shù)據(jù)處理和壓電闊控制模塊：主要完成
ADC數(shù)據(jù)采樣、處理和閉環(huán)控制
② EEPROM參數(shù)寫入模塊：將系統(tǒng)配置參數(shù)寫入
EEPROM，以使系統(tǒng)斷電后重要參數(shù)得以保存
③ 按鍵掃描和處理模塊：完成按鍵檢測、去抖動、
按鍵時間記錄等功能，并在發(fā)生特定事件時調(diào)用按鍵
功能函數(shù)進(jìn)行處理。
④ LCD顯示模塊：其任務(wù)是將顯示緩沖區(qū)的內(nèi)容
顯示在LCD上，除正常顯示以外，為了實現(xiàn)參數(shù)菜單，
還應(yīng)該可以完成諸如閃爍顯示、交替顯示等功能。
⑤ 系統(tǒng)自整定模塊：其功能是完成系統(tǒng)的自動整
定和調(diào)校。
5 低功耗的實現(xiàn)
由于是二線制系統(tǒng)，因此盡量低的功耗是系統(tǒng)設(shè)
計中所追求的目標(biāo)，也是設(shè)計的主要任務(wù)之一。系統(tǒng)
所允許的Z大功耗可以這樣估算：若允許輸入電流有
10％的波動，信號線上的Z小電流實際上只有3．6 mA。
假定在輸入端能取出lO v電壓，則整個系統(tǒng)的功耗不
應(yīng)太于36 mw。如此低的功耗，要供給MCU、ADC、
LCD、EEPROM運(yùn)放等外圍器件，以及產(chǎn)生電壓驅(qū)動
壓電陶瓷閥，就要求在器件選擇上和系統(tǒng)設(shè)計上多下
功夫 在系統(tǒng)實現(xiàn)上，采取了多種措施來降低功耗。
① 在電路設(shè)計上，盡量減少不必要的功率消耗，
提各部分的供電效率。

② 在電路的實現(xiàn)上，選用低功耗或微功耗器件。
在電路中使用的l2位串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器LTCI594L、運(yùn)
放 1178、線性穩(wěn)壓器LT1521、EEPROM 93LC46A等，
均為低功耗或微功耗器件。
③ 降低器件的工作電壓 MCU及其外圍器件的
工作電壓降低到3．3 v。
④ 降低MCU的工作頻率。微控制器的總線頻率
降低到1。0MHz。
⑤ 充分利用器件的省電方式或空閑方式。很多
器件都有這樣的工作方式，如MC68HC05L16在
W．MT方式下功耗降低6o％；LTC1594L在空閑方式下
的靜態(tài)電流可降低為1 nA。在不用器件時令其進(jìn)入
這種方式，可以大大降低系統(tǒng)的平均功耗。
另一方面，必須認(rèn)識到，低的電壓和功耗與系統(tǒng)的
抗干擾性、度、速度等性能存在著固有的矛盾，在降
低功耗的同時必然意味著其他方面的性能損失，在設(shè)
計時應(yīng)折衷考慮。
6 結(jié)束語
在一般情況下，通過恒流源向系統(tǒng)提供電流，逐漸
減小電流大小，直至1．8 mA時系統(tǒng)仍能正常工作。這
表明，此系統(tǒng)不但達(dá)到了二線制供電的基本要求，由l J
還留有一定的裕度 在對電源電路進(jìn)行必要的改進(jìn)
后，相信系統(tǒng)還可以在更低的電流下工作。也就是 兌
*可以在此基礎(chǔ)上擴(kuò)充系統(tǒng)功能，比如將來的
HART總線或FF總線接口，并且使速度更快、功能更
強(qiáng)的MCU的引入成為可能。
同時，智能定位器控制快速準(zhǔn)確，控制特陲較，
有靈活的控制功能和方便的參數(shù)設(shè)置，并且實現(xiàn)r
參數(shù)的自動整定和調(diào)校 相對于傳統(tǒng)定位器產(chǎn)品。充
分體現(xiàn)出智能設(shè)備的勢。低功耗二線制定位器的實
現(xiàn)，是一個有益的探索，希望它能對二線制儀表的全面
研制和應(yīng)用，起到一定的積極作用。
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