国产新型智能阀门定位器的设计

　　0 引言

　　目前，在对安全防爆具有较高要求的工控领域中，智能型阀门定位器的应用越来越广泛。按照工作原理及实现方式的不同，主流智能型阀门定位器大体上分为喷嘴挡板机电式智能阀门定位器、压电开关式智能阀门定位器和压电比例式智能阀门定位器 3 大类型上述产品在工程应用和市场竞争中各具特色。其中，以压电开关式智能阀定位器较为流行[1 -2]。北京京仪集团研制的全电子式智能阀门定位器，采用比例式压电阀作为 I/P 转换和气动放大部件，硬件电路设计突出超低功耗理念，整体布局采用优化设计，降低了硬件电路的电流总消耗。试验证明，在4 mA低电流供电且出现 10% 波动的情况下，硬件电路仍能正常工作，大大提高了定位器工作的可靠性。

　　1 总体设计

　　新型全电子式智能阀门定位器的系统由前端与电源、反馈( 位移传感器与反馈连杆等) 、输出驱动、I/P转换( 压电阀) 、人机交互( LCD 显示与按键) 和报警输出等几部分组成[3 -4]。整个系统结构如图 1 所示。

　　图 1 智能阀门定位器结构图

　　Fig. 1 Structure of the smart valve positioner

　　来自上位机的 4 ～ 20 mA( 或其他制式信号) 电流信号，利用稳压二极管完成 I/V 转换和一级简单稳压，随后通过 DC-DC 线性稳压模块、电荷泵或开关式升压模块，分别产生 3 V、5 V 和 24 V 等几组电压，供 CPU、外设硬件电路及压电阀驱动电路使用。同时，利用传感器电路，获取与输入电流 i 呈线性比例关系的电压信号。该信号通过前向数据传输通道送往 MSP430 微处理器片上 A/D 端口或外接 A/D 转换器端口，完成控制信号的采样与数据处理。

　　气动执行机构阀位位移反馈量通过反馈连杆、齿轮组和精密位移式电位器来完成位移-电压变换，并通过反馈传输通道，完成反馈信号的采样与处理。在CPU 中，将控制信号采样值与反馈信号采样值进行比较，再经过一系列复杂的控制算法，产生相应大小的输出控制量。该控制量通过 MSP430 片上模块实现实时输出，并经过由精密放大器件组成的驱动电路直接驱动压电阀和气动放大器，以调节气动执行机构的行程，即阀门的开度。

　　LCD 液晶显示和 4 个按键则是定位器“人-机”信息和数据交互的窗口，可以完成变量和相关参数的初始值设置、数据组态及实时显示等诸多功能。输出报警模块完成系统异常监控，并产生远端报警输出。另外，为了增大重要数据的存储容量，增加了片外EEROM，并利用模拟 I2C 通信技术与单片机实现双向数据交互。

　　2 硬件电路设计

　　智能阀门定位器硬件电路原理如图 2 所示[3]。