[导读] 本文开发了一种基于HART协议的二线制智能阀门定位器。该定位器不仅具有良好的控制品质，而且通信可靠稳定;此外，它还具有参数组态、行程特性修正等功能;利用HART通信功能，它可以实现对现场仪表的远程组态，为故障定位提供更加丰富的诊断信息。
摘要：针对二线制智能阀门定位器的低功耗特性，基于自适应控制理论，设计了一种基于HART协议的智能阀门定位器。分别对HART通信协议、协议接口等技术进行了研究，并具体给出了HART通信的阀门定位器原理和智能阀门定位器的软硬件设计方案。现场运行表明，系统的稳态精度、动态响应特
阀门定位器是调节阀的重要辅助附件之一，它已广泛应用于电力、冶金、石化、轻纺、食品、医药等行业。随着现场总线技术在工业过程控制领域的应用，自动化系统逐渐朝网络化、总线化趋势发展，而原有的智能阀门定位器由4-20mA模拟信号控制圈，不能进行数字通信。HART协议是一种用于现场智能仪表和控制室设备之间的通信协议，兼容数字信号和模拟信号的特点，在不影响模拟信号控制的前提下可以进行数字通信;并且具有现场和远程参数监控的功能;在降低系统成本、提高控制精度和系统可靠性方面具有不可比拟的优势。
本文开发了一种基于HART协议的二线制智能阀门定位器。该定位器不仅具有良好的控制品质，而且通信可靠稳定;此外，它还具有参数组态、行程特性修正等功能;利用HART通信功能，它可以实现对现场仪表的远程组态，为故障定位提供更加丰富的诊断信息。
一、HART通信的阀门定位器原理
基于HART通信的智能型阀门定位器由采样电路、电源电路、人机界面、MCU控制单元、HART通信单元、I/P控制单元(压电阀)和阀位反馈检测单元(位移传感器)构成，其原理如图1所示。
电源电路将4-20mA电流信号转换成电压信号，而该电压信号为HART通信单元、采样电路、MCU控制单元、FP控制单元提供工作电压;采样电路完成控制信号的采样;人机界面用来显示调节阀的工作状态;MCU控制单元根据阀位反馈单元提供的阀位信号和采样电路提供的设定值信息，产生相应的控制策略，以驱动FP控制单元工作;FP控制单元驱动压电阀动作，从而实现调节阀的动作;HART通信单元实现与MCU控制单元的数据交换以及与外界的数字通信。
二、硬件设计方案
基于HART通信的智能阀门定位器主要用于控制气动直行程或角行程执行机构，实现阀门的准确定位。定位器的输入是从调节器送来的阀位设定信号(既可以是从DCS输出的模拟信号，即4-20mA或0-20mA直流信号，也可以是从监控计算机通过HART通信接口接收到的数字通信信号)。它同反馈的实际阀位信号一起通过MCU控制单元控制FP控制单元，以驱动调节阀阀杆运动，形成闭环控制，并驱动气动执行器，实现阀门的准确定位。
2.1MCU控制单元
MCU控制单元采用TI公司生产的MSP430单片机。该单片机内部集成了12位A/D采样模块，可以对4-20mA控制信号和阀位反馈信号进行采样。通过比较两者偏差和偏差变化量，MCU控制单元作出相应的控制策略，并产生相应的PWM控制信号对I/P控制单元进行控制。
I/P控制单元控制压电阀输出气压，从而驱动调节阀的阀杆运动，同时，阀杆行程通过传感器将阀位反馈信号反馈到MCU控制单元。
2.2电源电路
电源电路原理如图2所示。4-20mA电流信号经过抗干扰电路、线性稳压设计后产生6V电压，6V电压通过电荷泵转换成3V电压，为单片机和HART Modem单元供电;同时，6V电压通过BOOST升压电路升压至24v，为压电阀供电。这种电源设计的优点是电源转换效率高，可以保证整个智能阀门定位器系统在低功耗下工作。实验证明，采用该电源电路方案进行供电时，整个系统工作的最小输入电流为2mA。
2.3HART通信单元
HART通信单元主要由HART Modem和变压器构成。HART Modem的主要功能模块包括控制逻辑、载波检测、调制和解调这四部分。它集成了输入滤波和输出整形的功能，可以简化接口电路设计，使系统更具可靠性。数字信号通过变压器藕合到HART通信单元，HART Modem检测到数字信号后作出响应，并通过串口与MCU控制单元进行通信。图3为MCU控制单元与HART Modem芯片的通信接口电路。
HART协议采用标准的Bell202频移键控信号进行通信。其物理层采用两种不同频率(1200H：和2200Hz,分别代表二进制的1和0)的正弦信号叠加4-20mA信号上进行通信。由于正弦信号的均值为0，并不干扰直流信号，因此，模拟信号和数字懈可同时进行双向通信而不会互相干扰。
三、软件设计方案
3.1控制策略
作为一种在自动控制领域应用较为广泛的经典控制理论，PID控制已普遍应用在当今自动控制场合。随着现代工业生产的飞速发展，在进行控制系统设计时，不但要求系统具有很好的动静态性能，还必须保证系统具有良好的鲁棒性。而常规的PID控制存在着动劫静态性能之间的矛盾、鲁棒性和控制性能之间的矛创及设定给定值和抑制干扰的矛盾。由于这些矛盾存在，使得PID控制器不能得到最佳的控制品质。所以，本文从调节阀的实际情况出发，基于常规PID控制器的基本原理，对PID控制器进行了改进和完善。
由于自适应控制系统是一种特殊形式的非线性控制系统，其自身的特性(结构和参数)、环境及干扰特性存在某种不确定性，自适应控制依据的关于模型的先验知识比较少，因此，需要在系统运行过程中不断提取有关模型的信息，使模型逐渐完善。具体地说，可以依据对象的输入输出数据，不断地辨识模型的参数.这个过程称为在线辨识。本文将自适应控制和PID控制两者相结合并应用到智能阀门定位器中，取得较好的效果。图4为控制系统结构图。
3.1.1自适应参数调整
由于执行机构存在气容、行程、正反作用等差异性，因此，需要对其进行模型识别，并对PID参数进行修改。同时，在控制过程中，还需要将输入误差作为系统的状态量来调整PID参数，即根据误差值大小调整HD参数，实现快速响应和跟踪。当误差e(t)很大时，系统就需要快速响应，此时，增大Kp可以实现快速跟踪和良好的动态性能，但是Kp也不能太大，否则系统将不稳定;当误差较小时，则减小Kp或增大积分系数Ti，使误差变化减小而得到小的超调量，从而使系统输出更稳定。参数的变化须根据误差大小来确定，并进行实时学习和自调整。
3.1.2实验结果
系统对调节阀的自适应控制是通过PWM输出控制压电阀来实现的。智能阀门定位器的自整定包括对执行机构正反作用的确定、零点和行程的调节、执行时间的确定、最小脉冲的确定以及瞬时响应的优化。通过对PWM自适应的PID调节，系统可以达到一个较好的控制性能。设定值为15.6mA(阀门开度量为78%)的智能阀门定位器动态响应如图5所示，其中to为与执行机构行程有关的常量。
采用PID控制，系统具有较大的超调量;而采用自适应PID控制，系统具有较小的超调量。此外，引入自适应控制之后，系统的抗扰动能力、稳定性能和稳态精度都得以提高。
3.2 HART通信
智能阀门定位器的HART通信，并采用简化的三层模型结构，即第一层物理层、第二层数据链路层和第七层应用层。物理层规定了信号的传输方法、传输介质;数据链路层规定了HART帧的格式，以实现建立、维护、终结链路通信的功能;应用层规定了HART命令集。命令分为三类，即通用命令、普通命令和专用命令。通用命令提供所有与现场设备有关的功能;常用命令提供常见的多种现场设备中的功能;专用命令提供只针对特殊现场设备的功能，且互相不兼容。
在软件设计过程中，MCU控制单元与HART通信模块数据的接收、发送缓存均由独立的中断实现，并在中断中完成对HART信息帧的各种处理。在帧的接收过程中，每当检测出异常，MCU控制单元会自动设置相应的状态信息;定时器中断则集中处理传输过程中出现的错误、延迟，并根据系统工作模式的不同调用相应的处理过程。信息帧的发送过程与此类似，当系统工作于成组模式时，定位器以一定的时间间隔不断地检测线路上是否有MCU控制单元上传的命令信息，如果没有，则自动把设备运行的相关信息以HART信息帧的形式发送出去;如果恰有MCU控制单元正在通信，则优先执行主机命令，或根据主机命令类型推迟或取消成组数据的发送。
四、结束语
本文所开发的基于HART协议的智能阀门定位器，解决了低功耗控制电路和单片机应用技术、控制软件设计等核心的技术难点问题，达到了HART协议技术规范的要求，实现了数字信号与模拟信号在互不干扰的情况下的双向通信，大大增强了其在控制领域中的作用。现场运行表明，系统运行稳定可靠，安装维护简单，具有较强的自学习、自调整和自适应能力;此外，它还具有较高的响应速度和控制精度，为实现智能阀门定位器的智能化、数字化和网络化作出了有益的探索。