董學(xué)全（茂名臻能熱電有限公司,廣東　茂名　525000）

基于HART協(xié)議的智能電氣閥門定位器解析

董學(xué)全
（茂名臻能熱電有限公司,廣東茂名525000）

摘要：本文首先對HART協(xié)議以及智能電氣閥門定位器進(jìn)行詳細(xì)的介紹，然后從硬件、軟件兩個方面分析基于HART協(xié)議進(jìn)行智能閥門定位器研制分析，事實(shí)也證明了這種定位器比傳統(tǒng)的閥門定位器性能優(yōu)良。

關(guān)鍵詞：HART協(xié)議；智能電氣閥門；定位器

隨著我國工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，閥門定位器經(jīng)歷了幾次改革，由最初的氣動閥門，到機(jī)械力平衡式閥門定位器，然后再到現(xiàn)在電氣閥門定位器。同時在我國科學(xué)技術(shù)的帶動下，閥門定位器逐漸向著自動化、數(shù)字化的方向發(fā)展，與當(dāng)今全數(shù)字化工業(yè)生產(chǎn)相適應(yīng)。HART協(xié)議具有模擬信號與數(shù)字信號兼容的特點(diǎn)，因此基于HART協(xié)議的電氣閥門也比傳統(tǒng)的閥門性能更加優(yōu)良。

1　HART協(xié)議與智能閥門定位器概述

1.1 HART協(xié)議

所謂的HART協(xié)議，就是可尋址遠(yuǎn)程傳感器高速通道開放通信協(xié)議，該協(xié)議最早出現(xiàn)于美國，用于控制室設(shè)備與現(xiàn)場智能儀表之間的通信協(xié)議。該協(xié)議中，HART裝置具有合適的響應(yīng)時間以及較低寬帶，經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，發(fā)達(dá)國家的HART技術(shù)也已經(jīng)十分成熟，并廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。

HART協(xié)議主要利用FSK頻移鍵控信號，該信號采用標(biāo)準(zhǔn)為Bell202，也就是在4～20毫安的低頻模擬信號之上，疊加幅度為0.5毫安的音頻信號，實(shí)現(xiàn)雙向的數(shù)字通信，具有1.2Mbit/s數(shù)據(jù)的傳輸率。加上FSK平均信號值一般為0，因此在信號傳輸過程中不會對系統(tǒng)模擬信號造成影響，確保模擬信號與現(xiàn)實(shí)信號的兼容性。這種通信協(xié)議利用半雙工通信方式，在模擬信號上實(shí)現(xiàn)數(shù)字化通信，同時采用統(tǒng)一的描述語言（DDL），通過這種語言對設(shè)備的特性進(jìn)行描述，同時完成對描述語言的等級，并將其編寫成描述字典。但是HART技術(shù)采用混合模擬數(shù)字信號，給通信芯片的開發(fā)增加了難度。HART才有的供電方式為總線供電，基本上滿足安全防爆需求。

1.2智能閥門定位器

作為調(diào)節(jié)閥中關(guān)鍵的附件，閥門定位器的性能直接影響調(diào)節(jié)閥整體的使用性能。通常來說，閥門定位器運(yùn)行原理主要是閉環(huán)控制，即對調(diào)節(jié)信號的控制或者是對調(diào)節(jié)器進(jìn)行直接調(diào)節(jié)，同時將執(zhí)行器反饋的信號與控制信號進(jìn)行對比，根據(jù)兩種信號之間的差異性對相關(guān)動作進(jìn)行調(diào)節(jié)，保證閥門芯位置準(zhǔn)確，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位。智能閥門定位器的主要組成部分包括：（1）信號調(diào)理。該部分主要負(fù)責(zé)信號的轉(zhuǎn)換，將閥門位置反饋的信號以及輸入信號反饋成為處理器能夠接收的信號，該部分電路內(nèi)容應(yīng)該根據(jù)輸入信號采用的通信協(xié)議不同進(jìn)行合理選擇。（2）閥門檢測反饋裝置。該部分主要是對閥桿位移進(jìn)行檢測，同時將執(zhí)行機(jī)構(gòu)檢測的信號進(jìn)行反饋；（3）微處理器。該部分將接受到的兩個信號，根據(jù)事先設(shè)置的流量特性，然后將兩個信號進(jìn)行比對，同時進(jìn)行相應(yīng)的信號轉(zhuǎn)換，對閥門開度進(jìn)行檢查，保證其與設(shè)定值一致。最后以信號的形式將最終識別結(jié)果傳輸?shù)街悄茈姎庋b置中；（4）電氣轉(zhuǎn)換控制裝置。該部分就是將控制電信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成為氣流開關(guān)信號，并將其傳輸?shù)綒鈩訄?zhí)行機(jī)構(gòu)，從而為執(zhí)行機(jī)構(gòu)各項動作提供動力。

2　智能電氣閥門定位器設(shè)計

2.1 智能電氣閥門定位器硬件設(shè)計

在進(jìn)行電氣閥門定位器硬件設(shè)計方面，具體包括以下幾個方面的設(shè)計：（1）為了確保閥門定位器定位的準(zhǔn)確性，一般利用角行程或直行程執(zhí)行結(jié)構(gòu)；（2）為了保證智能電氣閥門定位器實(shí)現(xiàn)雙向通信問題，主要利用HART協(xié)議以及上位監(jiān)控計算機(jī)，用戶能夠在控制室中實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場電氣設(shè)備的監(jiān)控，進(jìn)而對定位器工作方式、報警工作信息等全面了解。（3）定位器硬件設(shè)計過程中，可以通過組態(tài)，實(shí)現(xiàn)多種功能，具體的功能包括流量特性設(shè)置、分程控制、行程范圍設(shè)定等等。

2.2 智能電氣閥門定位器軟件設(shè)計

智能電氣閥門定位器作為一種現(xiàn)場的數(shù)字組態(tài)設(shè)備，能夠?qū)崿F(xiàn)對現(xiàn)場的調(diào)試，這種類型的定位器運(yùn)行模式包括組態(tài)、手動以及自動三種模式，并且能夠通過功能鍵實(shí)現(xiàn)三種運(yùn)行方式之間的自由切換。

（1）智能閥門定位器主要運(yùn)行方式是自動模式，主要是利用自動閉環(huán)控制功能，對相關(guān)的控制算法進(jìn)行調(diào)用，給壓電閥提供驅(qū)動力，實(shí)現(xiàn)對閥門位置的跟蹤控制，這一控制過程發(fā)生在設(shè)定值與反饋至處理結(jié)束后。（2）組態(tài)參數(shù)整定如果采用傳統(tǒng)的閥門定位器，過程相對復(fù)雜，需要經(jīng)過多次反復(fù)調(diào)整。而如果利用智能電氣閥門調(diào)節(jié)器進(jìn)行組態(tài)參數(shù)整定，通過微控制器以及微處理器就能夠?qū)崿F(xiàn)對絕大多數(shù)參數(shù)的識別與判定。同時，對于智能電氣閥門定位器安裝以及調(diào)試方面，不用過多的設(shè)定，就能實(shí)現(xiàn)運(yùn)行參數(shù)自動化整定。首先需要弄清執(zhí)行機(jī)構(gòu)作用方向；其次是需要將執(zhí)行結(jié)構(gòu)的行程、零點(diǎn)等進(jìn)行確定；然后測試泄漏量；再次弄清定位增量的最小量；最后對相關(guān)相應(yīng)動作實(shí)施優(yōu)化。（3）在振動作用下，定位器閥門不斷的進(jìn)行狀態(tài)調(diào)整，給調(diào)節(jié)閥門的壽命造成極大的影響，這一問題可以通過死區(qū)設(shè)置進(jìn)行解決。另外，需要對電氣閥門的禁閉功能進(jìn)行智能化設(shè)置，有效的消除閥門無法關(guān)閉的問題，確保閥門氣缸在閥門關(guān)閉口沒有多余的壓力。具體的算法步驟為，首先通過當(dāng)前誤差值對PWM控制波形占空比進(jìn)行計算，得出結(jié)果后利用誤差的正負(fù)，對充放氣狀態(tài)進(jìn)行辨別，同時對相關(guān)功能函數(shù)進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)對閥門充放氣的直接控制。

3　總結(jié)

通過上述分析可知，智能電氣閥門性能更加優(yōu)良，其主要是基于HART數(shù)字化通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了閥門定位器的智能化、數(shù)字化，同時提高了氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)在定位過程中的高精度化。

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作者簡介：董學(xué)全(1982-)，男，山東臨清人，本科，工程師,熱能動力。