HART协议智能阀门定位器的设计与实现

　　1 引言

　　气动调节阀是一种重要的工业过程控制系统装置，尤其是在石油、化工、化纤、轻纺、冶金、电力等行业的流量控制中发挥着不可替代的作用。气动阀门定位器作为智能气动调节阀的主要部件之一，可以改善阀门特性，提高控制精度、速度和增加控制的灵活性。

　　目前，国内广泛使用的定位器是采用模拟信号和力平衡原理生产的产品，随着生产过程控制的不断发展，对控制性能的要求越来越高，传统的定位器已难以满足工业控制的需要。近年来，由于电子技术的快速发展，国外一些著名公司相继推出了基于现场总线的智能阀门定位器，实现了定位器的数字化、智能化、网络化，大大提高了阀门定位器的控制性能，满足了生产实际的需要，代表了阀门定位器的主流发展方向。但目前国内市场大部分依赖进口，价格昂贵，维修和产品升级困难。

　　本文研究开发了一种基于HART协议的ZPZD3100系列智能式阀门定位器,实际应用效果良好。ZPZD3100系列智能式阀门定位器除具备一般定位器将输入电流信号变动气动压力信号的基本功能外，还可以通过中央控制单元对定位器进行配置，改变调节阀的流量特性;利用其通讯能力实现对现场仪表远程组态，并为故障定位提供丰富的诊断信息。

　　2 阀门控制系统工作原理

　　ZPZD3100 系列智能阀门定位器由控制电路单元、电气转换 I/P 单元、阀位检测反馈执行单元 3 部分组成。智能阀门定位器接收控制器输出的 4~20mA 信号或 DCS 计算机控制信号，采用两线制的信号传输，整机电源取自输入 4~20mA 的信号，为整机微处理器和电路供电。定位器由超低功耗的微处理器，I/P 转换模块与高精度的位移传感器和气动功率放大器以模块化的结构组合。

　　气动阀门和执行机构组成一个反馈回路，其控制系统原理如图 1 所示。来自外调节仪表或控制系统的4~20mA 电流信号送入智能阀门定位器，定位器取出其中一部分的电流信号作为工作电源，其余的电流信号经运算放大器等电路处理后送入微处理器。微处理器以调节阀位置反馈信号作为控制的变量，将它与给定信号进行比较处理，通过偏差信号来控制 I/P 转换单元的输出压力，计算后可得设定的阀门定位信号。

　　3硬件设计方案

　　智能阀门定位器的控制电路主要由中央控制单元、电源电路、I/P 控制电路、HART 接口单元、人机界面接口和阀位反馈电路等部分组成，如图 2 所示。

　　3.1 中央控制单元

　　中央控制单元采用 IT 公司的 MSP430F135 单片机。MSP430F135 单片机是一种超低功耗的混合信号控制器，具有 16 位 RISC 结构，125ns 指令周期，内部含硬件乘法器，从待机到唤醒的响应时间不超过 6s，CPU 具有很高的指令执行速度和效率;内部集成有 12 位精度 A/D 转换器，可选择同步或异步串行通信接口;还有高达 60kb 的 Flash ROM 以及 2kb 的RAM，集成度高，功耗极低，可在线编程，可直接与键盘、液晶显示等对接，内置温度测试电路，可方便地实现传感器的温度补偿，从而大大简化硬件电路的设计, 节约系统的功耗。