【摘要】介齠了一種智能=線制電氣閥門定位器的實
現，討論了其控制原理及其控制電路的硬件和軟件結
拘 ．由于是4～20 mA二線制供電，所以在設計中采取
了一系列措施來實現系統的低功耗運行。
關鍵詞：閥門定位器，二線制，低功耗
Ab~t]ract：Intelligent electrical value locator usi two-wire
system is introduced．the o0nⅡDI principle and the 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，
l(eywords：valuelocator，~wo-wire system ，low-loss
氣動調節閥就是一種重要的執行器，它在眾多的
工業過程控制系統裝置，尤其是在石化、冶金等工業的
流量控制中發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、提高控
制的精度、速度和增加控制的靈活性。
隨著工業的進步，閥門定位器從*初的純氣動、機
械力平衡式的。發展到后來的使用電磁轉換的電氣閥
門定位器，直到今天的智能型和使用現場總線技術的
定位器，其總的趨勢是電氣化、智能化，并且必定要與
將來的全數字化工業控制相適應。在國外，一些在工
業自動化領域有著多年經驗和雄厚技術優勢的大公
司，如西門子、費希爾一羅斯蒙特等，相繼研制成功了智
能型兩線制，或者配置有HART總線、FF總線等現場
總線接口的智能電氣閥門定位器。在國內雖然在這方
面起步較晚。但在這種國際大趨勢的帶動下，現在已經
逐步認識到進行工業現場技術改造的迫切性。為此，
在消化理解西門子公司同類產品的基礎上。對智能二
線制閥門定位器的研制進行了初步的探索。
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
線的儀表，即不使用任何額外的電源，儀表的供電完全
是從控制信號中取出的，目前工業現場*常用的就是
符合工業標準的4～2o mA電流信號。二線制儀表由
于電源本身即取自信號線，所以在構成本質**的防
爆結構時，具有很大的優勢。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，因此整個設備要
求在低功耗下運行。
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來控制壓縮空氣進出氣動調節閥，閥A是進
氣閥，閩B是排氣閥，這兩個閥門都只有“開”和“關”
兩種狀態。在任一時刻，閥A、B之中只能有一個開
通，另一一個關閉。當A開通時，由于壓縮空氣壓力大
于膜頭內壓力，因此壓縮空氣進入調節閥，閥桿向下移
動；反之當B開通時，調節閥氣室內的壓縮空氣經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
依據壓電材料的壓電效應。用-d,片特殊制作的壓電
陶瓷片，在它兩側加上24～30 V電壓，壓電陶瓷片就會
發生彎曲，總的形變量可達幾十微米。從而可以堵住／
放開進氣口或排氣口，達到控制氣流的目的。由于壓電
陶瓷的阻抗很高，所以這種控制閥的優點是功耗極低，
易于實現二線制儀表和本安防爆。此外，它動作速度
快、質量輕。因而在震動較大的環境中仍能可靠工作。
閥位控制采用五接點開關控制算法。這種算法原
鼻簡單明 ，控制特性較好．實現也不復雜，適合那些基
r微控制器的應用系統。所謂五接點開關，是指把誤差
范圍分正大、正中、死區、負中、負大五個區域，在不同區
域中執行不同的動作來力圖減小誤差。當誤差在正大
和負大區時，控制器輸出連續信號給壓電控制閥，持續
進氣或排氣，使行程快速改變，因此稱這兩個區為高速
區；在正中和負中區，輸出一定寬度的詠沖信號，斷續進
氣或排氣，行程緩慢改變，因此稱這兩個區為低速區或
短步區：在死區內，不輸出信號，行程不改變。
3 智能定位器的硬件構成
整個硬件設計的難點就在于兩線制系統對功耗的
要求苛刻，整個系統(包括壓電控制闊的驅動)都應能
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AI)C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或更高的電壓，因此必須經過一定的轉換和處理。
電源變換模塊的任務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
此部分電路轉換的成功與否，以及效率的高低直接影
響系統的功耗，關系到整個電路設計的成敗，因此地位
顯得尤為重要。
這部分電路相當于一個簡單的開關電源，其基本
思想是先將輸入電流轉化為一個較低的電壓，再通過
振蕩器產生振蕩，*后通過整流、濾波以及線性穩壓得
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。
一般的微控制器內建的ADC都是8位的，用在本應
用中顯得不夠，所以在這里選用不帶M)C的MCU及外掛
的l2位串行 Dc。本應用中要求功耗比較低，同時對速
度要求不是很高，所以這樣的ADC應能滿足要求。
微控制器選用M0ton山公司的MC68HC05L]6，它
是所有運算、控制的核心。但它輸出的脈沖幅度只能
達到它的電源電壓，不足以驅動壓電陶瓷闊。所以需
要額外的驅動電路，把小幅度脈沖(3．3 v)轉變成大幅
度(24 V)脈沖。
4 智能定位器的軟件構成
在軟件設計時，首先實現了一個簡單的基于時鐘
中斷的實時內核，在此基礎上，把要完成的功能編制成
不同的任務模塊，根據各個任務所要求的執行頻率的
不同進行統一調度，進而完成全部系統功能。在軟件
的編制過程中，利用了微控制器的WAIT低功耗節電
方式來降低系統功耗。軟件主要包括以下幾個模塊：
① AD數據處理和壓電闊控制模塊：主要完成
ADC數據采樣、處理和閉環控制
② EEPROM參數寫入模塊：將系統配置參數寫入
EEPROM，以使系統斷電后重要參數得以保存
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，并在發生特定事件時調用按鍵
功能函數進行處理。
④ LCD顯示模塊：其任務是將顯示緩沖區的內容
顯示在LCD上，除正常顯示以外，為了實現參數菜單，
還應該可以完成諸如閃爍顯示、交替顯示等功能。
⑤ 系統自整定模塊：其功能是完成系統的自動整
定和調校。
5 低功耗的實現
由于是二線制系統，因此盡量低的功耗是系統設
計中所追求的目標，也是設計的主要任務之一。系統
所允許的*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*小電流實際上只有3．6 mA。
假定在輸入端能取出lO v電壓，則整個系統的功耗不
應太于36 mw。如此低的功耗，要供給MCU、ADC、
LCD、EEPROM運放等外圍器件，以及產生高電壓驅動
壓電陶瓷閥，就要求在器件選擇上和系統設計上多下
功夫 在系統實現上，采取了多種措施來降低功耗。
① 在電路設計上，盡量減少不必要的功率消耗，
提高各部分的供電效率。
② 在電路的實現上，選用低功耗或微功耗器件。
在電路中使用的l2位串行模數轉換器LTCI594L、運
放 1178、線性穩壓器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
器件都具有這樣的工作方式，如MC68HC05L16在
W．MT方式下功耗降低6o％；LTC1594L在空閑方式下
的靜態電流可降低為1 nA。在不用器件時令其進入
這種方式，可以大大降低系統的平均功耗。
另一方面，必須認識到，低的電壓和功耗與系統的
抗干擾性、精度、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
計時應折衷考慮。
6 結束語
在一般情況下，通過恒流源向系統提供電流，逐漸
減小電流大小，直至1．8 mA時系統仍能正常工作。這
表明，此系統不但達到了二線制供電的基本要求，由l J
還留有一定的裕度 在對電源電路進行必要的改進
后，相信系統還可以在更低的電流下工作。也就是 兌
完全可以在此基礎上擴充系統功能，比如將來的
HART總線或FF總線接口，并且使速度更快、功能更
強的MCU的引入成為可能。
同時，智能定位器控制快速準確，控制特陲較好，
具有靈活的控制功能和方便的參數設置，并且實現r
參數的自動整定和調校 相對于傳統定位器產品。充
分體現出智能設備的優勢。低功耗二線制定位器的實
現，是一個有益的探索，希望它能對二線制儀表的**
研制和應用，起到一定的積極作用。
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