[導讀] 本文開發了一種基于HART協議的二線制智能閥門定位器。該定位器不僅具有良好的控制品質，而且通信可靠穩定;此外，它還具有參數組態、行程特性修正等功能;利用HART通信功能，它可以實現對現場儀表的遠程組態，為故障定位提供更加豐富的診斷信息。
摘要：針對二線制智能閥門定位器的低功耗特性，基于自適應控制理論，設計了一種基于HART協議的智能閥門定位器。分別對HART通信協議、協議接口等技術進行了研究，并具體給出了HART通信的閥門定位器原理和智能閥門定位器的軟硬件設計方案。現場運行表明，系統的穩態精度、動態響應特
閥門定位器是調節閥的重要輔助附件之一，它已廣泛應用于電力、冶金、石化、輕紡、食品、醫藥等行業。隨著現場總線技術在工業過程控制領域的應用，自動化系統逐漸朝網絡化、總線化趨勢發展，而原有的智能閥門定位器由4-20mA模擬信號控制圈，不能進行數字通信。HART協議是一種用于現場智能儀表和控制室設備之間的通信協議，兼容數字信號和模擬信號的特點，在不影響模擬信號控制的前提下可以進行數字通信;并且具有現場和遠程參數監控的功能;在降低系統成本、提高控制精度和系統可靠性方面具有不可比擬的優勢。
本文開發了一種基于HART協議的二線制智能閥門定位器。該定位器不僅具有良好的控制品質，而且通信可靠穩定;此外，它還具有參數組態、行程特性修正等功能;利用HART通信功能，它可以實現對現場儀表的遠程組態，為故障定位提供更加豐富的診斷信息。
一、HART通信的閥門定位器原理
基于HART通信的智能型閥門定位器由采樣電路、電源電路、人機界面、MCU控制單元、HART通信單元、I/P控制單元(壓電閥)和閥位反饋檢測單元(位移傳感器)構成，其原理如圖1所示。
電源電路將4-20mA電流信號轉換成電壓信號，而該電壓信號為HART通信單元、采樣電路、MCU控制單元、FP控制單元提供工作電壓;采樣電路完成控制信號的采樣;人機界面用來顯示調節閥的工作狀態;MCU控制單元根據閥位反饋單元提供的閥位信號和采樣電路提供的設定值信息，產生相應的控制策略，以驅動FP控制單元工作;FP控制單元驅動壓電閥動作，從而實現調節閥的動作;HART通信單元實現與MCU控制單元的數據交換以及與外界的數字通信。
二、硬件設計方案
基于HART通信的智能閥門定位器主要用于控制氣動直行程或角行程執行機構，實現閥門的準確定位。定位器的輸入是從調節器送來的閥位設定信號(既可以是從DCS輸出的模擬信號，即4-20mA或0-20mA直流信號，也可以是從監控計算機通過HART通信接口接收到的數字通信信號)。它同反饋的實際閥位信號一起通過MCU控制單元控制FP控制單元，以驅動調節閥閥桿運動，形成閉環控制，并驅動氣動執行器，實現閥門的準確定位。
2.1MCU控制單元
MCU控制單元采用TI公司生產的MSP430單片機。該單片機內部集成了12位A/D采樣模塊，可以對4-20mA控制信號和閥位反饋信號進行采樣。通過比較兩者偏差和偏差變化量，MCU控制單元作出相應的控制策略，并產生相應的PWM控制信號對I/P控制單元進行控制。
I/P控制單元控制壓電閥輸出氣壓，從而驅動調節閥的閥桿運動，同時，閥桿行程通過傳感器將閥位反饋信號反饋到MCU控制單元。
2.2電源電路
電源電路原理如圖2所示。4-20mA電流信號經過抗干擾電路、線性穩壓設計后產生6V電壓，6V電壓通過電荷泵轉換成3V電壓，為單片機和HART Modem單元供電;同時，6V電壓通過BOOST升壓電路升壓至24v，為壓電閥供電。這種電源設計的優點是電源轉換效率高，可以保證整個智能閥門定位器系統在低功耗下工作。實驗證明，采用該電源電路方案進行供電時，整個系統工作的最小輸入電流為2mA。
2.3HART通信單元
HART通信單元主要由HART Modem和變壓器構成。HART Modem的主要功能模塊包括控制邏輯、載波檢測、調制和解調這四部分。它集成了輸入濾波和輸出整形的功能，可以簡化接口電路設計，使系統更具可靠性。數字信號通過變壓器藕合到HART通信單元，HART Modem檢測到數字信號后作出響應，并通過串口與MCU控制單元進行通信。圖3為MCU控制單元與HART Modem芯片的通信接口電路。
HART協議采用標準的Bell202頻移鍵控信號進行通信。其物理層采用兩種不同頻率(1200H：和2200Hz,分別代表二進制的1和0)的正弦信號疊加4-20mA信號上進行通信。由于正弦信號的均值為0，并不干擾直流信號，因此，模擬信號和數字懈可同時進行雙向通信而不會互相干擾。
三、軟件設計方案
3.1控制策略
作為一種在自動控制領域應用較為廣泛的經典控制理論，PID控制已普遍應用在當今自動控制場合。隨著現代工業生產的飛速發展，在進行控制系統設計時，不但要求系統具有很好的動靜態性能，還必須保證系統具有良好的魯棒性。而常規的PID控制存在著動劫靜態性能之間的矛盾、魯棒性和控制性能之間的矛創及設定給定值和抑制干擾的矛盾。由于這些矛盾存在，使得PID控制器不能得到最佳的控制品質。所以，本文從調節閥的實際情況出發，基于常規PID控制器的基本原理，對PID控制器進行了改進和完善。
由于自適應控制系統是一種特殊形式的非線性控制系統，其自身的特性(結構和參數)、環境及干擾特性存在某種不確定性，自適應控制依據的關于模型的先驗知識比較少，因此，需要在系統運行過程中不斷提取有關模型的信息，使模型逐漸完善。具體地說，可以依據對象的輸入輸出數據，不斷地辨識模型的參數.這個過程稱為在線辨識。本文將自適應控制和PID控制兩者相結合并應用到智能閥門定位器中，取得較好的效果。圖4為控制系統結構圖。
3.1.1自適應參數調整
由于執行機構存在氣容、行程、正反作用等差異性，因此，需要對其進行模型識別，并對PID參數進行修改。同時，在控制過程中，還需要將輸入誤差作為系統的狀態量來調整PID參數，即根據誤差值大小調整HD參數，實現快速響應和跟蹤。當誤差e(t)很大時，系統就需要快速響應，此時，增大Kp可以實現快速跟蹤和良好的動態性能，但是Kp也不能太大，否則系統將不穩定;當誤差較小時，則減小Kp或增大積分系數Ti，使誤差變化減小而得到小的超調量，從而使系統輸出更穩定。參數的變化須根據誤差大小來確定，并進行實時學習和自調整。
3.1.2實驗結果
系統對調節閥的自適應控制是通過PWM輸出控制壓電閥來實現的。智能閥門定位器的自整定包括對執行機構正反作用的確定、零點和行程的調節、執行時間的確定、最小脈沖的確定以及瞬時響應的優化。通過對PWM自適應的PID調節，系統可以達到一個較好的控制性能。設定值為15.6mA(閥門開度量為78%)的智能閥門定位器動態響應如圖5所示，其中to為與執行機構行程有關的常量。
采用PID控制，系統具有較大的超調量;而采用自適應PID控制，系統具有較小的超調量。此外，引入自適應控制之后，系統的抗擾動能力、穩定性能和穩態精度都得以提高。
3.2 HART通信
智能閥門定位器的HART通信，并采用簡化的三層模型結構，即第一層物理層、第二層數據鏈路層和第七層應用層。物理層規定了信號的傳輸方法、傳輸介質;數據鏈路層規定了HART幀的格式，以實現建立、維護、終結鏈路通信的功能;應用層規定了HART命令集。命令分為三類，即通用命令、普通命令和專用命令。通用命令提供所有與現場設備有關的功能;常用命令提供常見的多種現場設備中的功能;專用命令提供只針對特殊現場設備的功能，且互相不兼容。
在軟件設計過程中，MCU控制單元與HART通信模塊數據的接收、發送緩存均由獨立的中斷實現，并在中斷中完成對HART信息幀的各種處理。在幀的接收過程中，每當檢測出異常，MCU控制單元會自動設置相應的狀態信息;定時器中斷則集中處理傳輸過程中出現的錯誤、延遲，并根據系統工作模式的不同調用相應的處理過程。信息幀的發送過程與此類似，當系統工作于成組模式時，定位器以一定的時間間隔不斷地檢測線路上是否有MCU控制單元上傳的命令信息，如果沒有，則自動把設備運行的相關信息以HART信息幀的形式發送出去;如果恰有MCU控制單元正在通信，則優先執行主機命令，或根據主機命令類型推遲或取消成組數據的發送。
四、結束語
本文所開發的基于HART協議的智能閥門定位器，解決了低功耗控制電路和單片機應用技術、控制軟件設計等核心的技術難點問題，達到了HART協議技術規范的要求，實現了數字信號與模擬信號在互不干擾的情況下的雙向通信，大大增強了其在控制領域中的作用。現場運行表明，系統運行穩定可靠，安裝維護簡單，具有較強的自學習、自調整和自適應能力;此外，它還具有較高的響應速度和控制精度，為實現智能閥門定位器的智能化、數字化和網絡化作出了有益的探索。