低功耗二线制智能阀门控制器的设计

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1、402009年9月中国制造业信息化第38卷第17期低功耗二线制智能阀门控制器的设计印书范，刘汉忠(1．南京工程学院材料工程学院，江苏南京211167)(2．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

2、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图1控制系统结构示意图究热点；另外过程控制不仅仅只

3、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2过程控制器硬件设计这类高精度、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2．1二线制简介文设计了一种基于4～20mA电流控制信号的低功所谓二线制是指在仪表中电源和信号线公用耗二线制智能阀门控制器L1』。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1系统工作原理工业标准的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，而二线如图1所示，阀门控制器控制电路主要

4、由中央控制单元、控制信号检测单元、位置检测单元、显示制仪表由于电源本身即取自信号线，不需要另外提以及键盘单元、压电阀控制电路、电源电路等部分供电源，所以在构成本质安全的防爆结构时具有很组成。阀门控制器接收来自调节器的设定阀门开大的优势1。度的电流信号(4～20mA)，用这个信号与从调节阀2．2主控单片机选取阀杆反馈回来的实际开度信号进行比较，如果微处对于二线制控制器来说，输人电流信号范围为理器得到一个偏差信号，就利用这个信号去控制压4～20mA，此信号既作为控制信号，又提供控制器电阀，使一定量的压缩空气经过压电阀进入到调节所需要

5、的全部功率，因此该控制器要求在4mA电阀的执行机构的气室，推动阀芯的移动或转动，从流下也能正常工作，这就要求该控制器设计时需要而达到阀芯的准确定位，最终实现过程控制系统中充分考虑各器件的功率消耗。控制器所用的微处过程量(压力或流量等)的准确控制。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。·智能控制技术·印书范刘汉忠低功耗二线制智能阀门控制器的设计41局部电路和功能软件设计采用中断唤醒超

6、低功耗号，因此必须把4～20mA电流信号转换成电压信工作方式，该单片机包含12位A／D转换器、硬件号，具体电源电路如图2所示。乘法器、定时器、看门狗、串行通信模块、I／O端口2．4控制信号检测单元等丰富的片上资源，可实现在线编程_5j。信号放大电路如图3所示，R，为采样电阻，其2．3电源电路一端接地，另一端电压与电流成正比，该电压经低如前所述，控制器采取二线制结构，控制电压功耗运放MAX4044放大后输入到单片机A／I)取自4～20mA电流环路，同时该信号还是控制信口图2电源电路图图3信号放大电路图2．5位置检测单元入电压很低，

7、输出电压可达±28V，仅有80的静由于反馈电位器易磨损、寿命短，所以位置检态电流，特别适合为低功耗、高电压设备供电，升压测单元选用导电塑料电子尺，其功能是把一个机械电路如图4所示。位移信号转换成电气信号，并且该信号与机械运动2．7信号输出电路成正比，单片机对电子尺输出电信号进行A／D转按照工控要求，仪表或设备通常需要输出4～换，从而实现阀位检测。20mA标准信号，该阀门控制器4～20mA电流信2．6压电阀控制部分号输出使用的是美国ADI公司推出的单片高性能控制系统采用德国HOERBIGER～ORIGA公数／N转换器AD421，它

8、由电流环路供电，16位数司先进的压电阀和气动放大器作为气压驱动装置，字信号SPI串行输人，4～20mA电流输出。电流压电阀片的响应时间小于2ms，压电气动放大器响输出信号可用来表示阀门的开度或者回路中压力、应时间小于20ms，由此可见，阀门可以达到很高的流量等过