基于HART通讯的智能电气阀门定位器制造技术

本发明专利技术涉及一种基于ＨＡＲＴ通讯的智能阀门定位器，作为核心的微处理器通过ＨＡＲＴ通讯接口接收外界数据，可使数字信号与模拟信号在互不干扰的情况下同时进行传送，实现双向通讯，除具有普通智能阀门定位器丰富的软件功能外，还可查看阀门的执行机构特性、动态偏差、阶跃响应等信息。并且便于安装、调校、维护以及控制，节省了大量费用，提高了智能阀门定位器的控制精度和利用率，大大增强了其在控制领域中的作用。

Intelligent electric valve positioner based on HART communication

The invention relates to an intelligent valve positioner based on HART communication, as the core of the microprocessor receives external data through the HART communication interface, can simultaneously transmit on mutual interference under the condition of the digital signal and analog signal, to achieve two-way communication, in addition to a common intelligent valve positioner rich software function, but also actuator the valve characteristics, dynamic error and step response information. The utility model has the advantages of convenient installation, adjustment, maintenance and control, saves a great deal of cost, improves the control precision and utilization rate of the intelligent valve positioner, and greatly enhances the function of the intelligent valve positioner in the control field.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种阀门控制领域，具体涉及一种基于HART通讯的智能电 气阀门定位器。技术背景阀门定位器是调节阀的重要辅助附件之一，广泛应用于电力、冶金、石 化、轻纺、食品、医药等行业。随着现场总线技术在工业过程控制领域的应 用，自动化系统的网络化、总线化是大的趋势，原有的智能阀门定位器通过 4 20mA模拟信号控制，不能进行数字通讯，不能满足现代工业系统的要 求。由于HART协议具有兼容数字信号和模拟信号的特点，在不影响模拟信 号控制的前提下可以进行数字通讯，具有现场和远程参数监控功能，在降低 系统成本、提高控制精度和系统可靠性方面具有不可比拟的优势。目前具有HART协议的智能仪表在国内市场上一直被国外公司的产品所 垄断，由于其高昂的价格和技术的垄断，使国内企业的生产成本大大增加， 降低了企业的竞争能力，因此研发具有自主知识产权的基于HART通讯的智 能阀门定位器具有很大的现实意义。
技术实现思路
本专利技术是针对现有智能阀门定位器无法实现数字通讯的问题，提出了一 种基于HART通讯的智能电气阀门定位器，在二线制智能阀门定位器基础上 增加了数字通信功能，采用Bel1202 FSK信号标准，可使数字信号与模拟信 号在互不干扰的情况下同时进行传送，实现双向通讯，可选择地实现组态、调试、诊断和数据管理等功能。除具有普通智能阀门定位器丰富的软件功能 外，还可查看阀门的执行机构特性、动态偏差、阶跃响应等信息。此外，定 位器的数字通讯能以极快的速度提供大量的信息，这对于系统发生故障时的 快速诊断十分重要，并可通过对过程数据的比较和评估，方便而迅捷地确定 故障位置及原因，并提出修复方案，大大增强了其在控制领域中的作用。本专利技术的技术方案为 一种基于HART通讯的智能阀门定位器，包括MCU 控制单元、阀位反馈单元、1/P转换单元和HART通讯接口， MCU控制单元包 括微处理器、电源电路、采样电路和人机界面；阀位反馈单元包括反馈电位 器和阀位反馈杠杆；1/P转换单元包括两个压电阀及其组成的气路控制和放 大部分；HART通讯接口由MOJ接口和变压器耦合接口构成，电源电路为微处 理器提供电源，来自采样电路的信号与来自阀位反馈单元的模拟信号经过微 处理器进行比较运算，根据两者偏差输出控制信号到I/P转换单元，1/P转换 单元输出控制阀杆运动，阀杆的行程同时通过阀位反馈单元反馈到微处理器 形成闭环控制，外界数字信号通过HART调制解调器处理后通过HART通讯接口 将信号送入微处理器，人机界面设定参数输出微处理器，微处理器输出状态 值给人机界面显示。所述HART通讯接口发送的数据经运算放大器放大再经过变压器耦合到 4 20mA直流信号上送入微处理器。本专利技术的有益效果在于本专利技术基于HART协议的智能阀门定位器，首 先，原有的电缆布置和控制策略可继续发挥作用；其次，可增加额外的数字 信息(主要有设备参数、二次变量、量程与开度、控制、诊断信息等)，便 于安装、调校、维护以及控制，从而节省了大量费用，同时又提高了智能阀门定位器的控制精度和利用率，大大增强了其在控制领域中的作用。 附图说明图1为本专利技术基于HART通讯接口的智能电气阀门定位器原理框图； 图2为本专利技术基于HART通讯接口的智能电气阀门定位器结构示意图； 图3为本专利技术基于HART通讯接口的智能电气阀门定位器通讯接口连接图。具体实施方式如图l、 2所示基于HART通讯的智能阀门定位器原理框图和结构示意图， 包括以微处理器8为核心的MCU控制单元1、阀位反馈单元4、 1/P转换单元3和 HART通讯接口6， MCU控制单元1还包括电源电路7、采样电路9和人机界面2; 阀位反馈单元4还包括反馈电位器和阀位反馈杠杆；1/P转换单元3还包括两 个压电阀及其组成的气路控制和放大部分；HART通讯接口6由MCU接口和变压 器耦合接口构成。电源电路7为微处理器8提供电源，来自采样电路9的信号 与来自阀位反馈单元4的模拟信号经过微处理器8进行比较运算，根据两者偏 差输出控制信号到I/P转换单元3， VP转换单元3输出控制阀杆5运动，阀杆5 的行程同时通过阀位反馈单元4反馈到微处理器8形成闭环控制，外界信号通 过HART调制解调器处理后通过HART通讯接口6将信号送入微处理器8，人机界 面2设定参数输出微处理器8，微处理器8输出状态值给人机界面2显示。本专利技术通过设置HART通讯接口、 MCU控制单元，4 20mA模拟输入信号 与来自阀位反馈单元4的模拟信号经过MCU控制电路单元，进行比较运算， 根据两者偏差输出控制信号到VP转换单元3，实现智能阀门定位器的定位 并带动阀杆5运动，阀杆5的行程同时通过阀位反馈单元4反馈到MCU控制 单元形成闭环控制；同时，HART通讯接口电路检测叠加在4 20mA直流信号上的频率信号，通过MODEM解调出数字信号，传送给MCU进行处理；处理的 结果经过HART通讯接口电路调制转换为HART信号要求的交变信号并叠加在 直流信号上，从而实现与外界信息的数字通讯。本专利技术中，主要的变量和控 制信息由4 20mA传送，在需要的情况下，其他过程参数、设备组态、校准 和组态信息通过HART协议以数字通信的方式访问。(1) MCU控制单元MCU控制单元内部集成12位AD转换器、具有超低功耗并可以直接驱动 LCD,高达60KB的FLASH存储器以及2KB的RAM可以节省许多外围芯片，大大简化硬件电路设计。(2) HART通信接口该接口用MCU和HART MODEM芯片开发基于HART通讯的智能阀门定位 器，简单方便，縮小了空间和成本。HART MODEM的主要功能模块由控制逻 辑、载波检测、调制和解调四部分组成。它集成了输入滤波和输出整形的功 能，可以简化接口电路设计实现系统的可靠性。HART协议采用标准的Bel1202移频键控信号以1200波特率进行通信。 其物理层采用两种不同频率(1200Hz和2200Hz，分别代表二进制的1和 0)的正弦信号，叠加在4 20mA信号上进行通信，由于正弦信号的均值 为0，因此不会影响电流值。采用这种方式可使模拟信号和数字信号能同时 进行双向通信而不互相干扰。HART通讯接口主要由MODEM接口和变压器耦合接口构成。MCU本身带有 串口可作为其与HART MODEM的通讯接口 。如图3所示为MCU与HART通讯接口连接图，HART通信采用半双工的主从模式，本产品作为从设备只有接收到地址匹配的请求帧才会响应。平时无通信总线空闲时，HART MODEM检测不到通信信号，载波检测输出OCD引脚始 终为低电平；当总线(4 20mA直流信号)上出现1200(士10)Hz或2200(士 20)Hz的频率信号时，HART MODEM芯片A5191的带通滤波器可以截取这段范 围的频率信号，因此就能检测到HART通信信号，A5191的OCD脚输出为高 电平，同时解调电路将输入的频率信号解调为逻辑电平信号通过ORXD引脚 输出。MCU的PI. 6脚和串口接收脚分别与A5191的OCD和ORXD相连，MCU 检测到PI. 6由低到高电平跳变后，启动串口接收，将请求帧数据用接收中 断方式按字节一个个接收；当总线上HART频率信号结束，OCD回复至低电 平，MCU本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于ＨＡＲＴ通讯的智能阀门定位器，包括ＭＣＵ控制单元、阀位反馈单元、Ｉ／Ｐ转换单元和ＨＡＲＴ通讯接口，其特征在于，ＭＣＵ控制单元包括微处理器、电源电路、采样电路和人机界面；阀位反馈单元包括反馈电位器和阀位反馈杠杆；Ｉ／Ｐ转换单元包括两个压电阀及其组成的气路控制和放大部分；ＨＡＲＴ通讯接口由ＭＣＵ接口和变压器耦合接口构成，电源电路为微处理器提供电源，来自采样电路的信号与来自阀位反馈单元的模拟信号经过微处理器进行比较运算，根据两者偏差输出控制信号到Ｉ／Ｐ转换单元，Ｉ／Ｐ转换单元输出控制阀杆运动，阀杆的行程同时通过阀位反馈单元反馈到微处理器形成闭环控制，外界数字信号通过ＨＡＲＴ调制解调器处理后通过ＨＡＲＴ通讯接口将信号送入微处理器，人机界面设定参数输出微处理器，微处理器输出状态值给人机界面显示。

【技术特征摘要】
1、一种基于HART通讯的智能阀门定位器，包括MCU控制单元、阀位反馈单元、I/P转换单元和HART通讯接口，其特征在于，MCU控制单元包括微处理器、电源电路、采样电路和人机界面；阀位反馈单元包括反馈电位器和阀位反馈杠杆；I/P转换单元包括两个压电阀及其组成的气路控制和放大部分；HART通讯接口由MCU接口和变压器耦合接口构成，电源电路为微处理器提供电源，来自采样电路的信号与来自阀位反馈单元的模拟信号经过微处理器进行比较运算，根据两者偏...

【专利技术属性】
技术研发人员：李倩如，
申请(专利权)人：上海自动化仪表股份有限公司，
类型：发明
国别省市：31[]