低功耗二線制設(shè)計(jì)在電氣閥門定位器中的實(shí)現(xiàn)

（浙江鋒源儀表有限公司，浙江富陽 311400）

0.引言

社會(huì)促進(jìn)工業(yè)進(jìn)步，閥門自動(dòng)定位器從最初使用的純氣動(dòng)、機(jī)械化，發(fā)展到后來的電動(dòng)閥及閥門自動(dòng)開關(guān)定位器，再到目前的智能型和廣泛使用數(shù)字總線控制技術(shù)及自動(dòng)定位系統(tǒng)，這些發(fā)展的未來總趨勢必然電氣化、智能化、知識(shí)化，而且也要必須適應(yīng)未來的全面數(shù)字控制的時(shí)代工業(yè)過程。雖說在我們國家這個(gè)領(lǐng)域的研究發(fā)展開始時(shí)間較晚，但目前隨著國際化，在各大國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的趨勢下，我國已經(jīng)快速發(fā)展起來了。人們也日益認(rèn)識(shí)和了解到加速工業(yè)設(shè)施現(xiàn)代化設(shè)備的技術(shù)改造能帶給生活便利。為此，基于深刻地消化和完全理解某公司開發(fā)同系列產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，對(duì)使用低功耗二線電氣閥門定位器的開發(fā)研制進(jìn)行了初步的技術(shù)探索工作[1]。

1.電氣閥門定位器的控制原理

電氣閥門定位器的控制原理見。經(jīng)過2個(gè)小的氣動(dòng)控制器后閥a和閥門b是用來分別控制兩個(gè)壓縮空氣門的進(jìn)出氣動(dòng)溫度調(diào)節(jié)控制閥，閥a用的是氣動(dòng)進(jìn)氣閥，閥b用的是氣動(dòng)排氣閥，這2個(gè)小的閥門都只有“開”和“關(guān)”兩種工作狀態(tài)。在任一特定時(shí)刻，閥a、b之中它都只能保證有一個(gè)可以開通，另一個(gè)不能關(guān)閉。當(dāng)調(diào)節(jié)a主閥開通時(shí)，由于調(diào)節(jié)壓縮氣和空氣內(nèi)的壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于調(diào)節(jié)膜頭內(nèi)部的壓力，因此壓縮空氣大量進(jìn)入氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥主閥，閥桿從上向下傾斜移動(dòng)；反之，則當(dāng)調(diào)節(jié)b主閥開通時(shí)，調(diào)節(jié)閥主閥氣室內(nèi)的大量壓縮氣和空氣經(jīng)調(diào)節(jié)b主閥排入調(diào)節(jié)大氣，閥桿在液壓彈簧的推動(dòng)作用下閥桿向上傾斜移動(dòng)。在這種電氣閥門自動(dòng)定位器中，為了足夠能與自動(dòng)控制電路同時(shí)接口，閥a和閥門b的自動(dòng)開關(guān)同時(shí)接通與自動(dòng)關(guān)斷必須做到能夠用一定電量信號(hào)來進(jìn)行控制。

我們?nèi)粘Ｊ褂玫膲弘姶砰y主要是一種新型壓力式電磁性金屬陶瓷材料電磁自動(dòng)控制閥，其正常工作時(shí)的基本原理也就是磁閥通過依據(jù)各種不同壓電磁性陶瓷材料的不同磁性比和壓力將電磁化產(chǎn)生效應(yīng)。用一個(gè)納米大小片特殊金屬材料焊接制作的小型的經(jīng)壓電后的變形成型陶瓷片，在它兩側(cè)分別要再加上4V～30V值的額定電壓，壓電后的變形陶瓷片就很有可能會(huì)自然然地發(fā)生彎曲，總的折彎形狀和壓電變量最大長度可達(dá)幾十微米。從而保證用戶隨時(shí)可以完全放松堵住/暫時(shí)完全放松打開車內(nèi)室外進(jìn)氣口或完全關(guān)閉車內(nèi)排氣口，達(dá)到完全實(shí)時(shí)控制車內(nèi)進(jìn)出氣流的主要使用目的。閥位控制采用五接點(diǎn)開關(guān)控制算法，這種算法原理簡單明了，控制特性較好，實(shí)現(xiàn)也不復(fù)雜，適合那些基于微控制器的應(yīng)用系統(tǒng)。

2.二線制儀表

二線制式的儀表就是指無線電源和儀表信號(hào)控制線之間公用兩根圓形導(dǎo)線的控制儀表，即不需要使用任何額外的無線電源，儀表的電源供電完全可以是從電源控制器的信號(hào)中直接取出的。對(duì)于一種二線程控制定位器來說，輸入輸出電流源的信號(hào)頻率范圍一般為4mA～20mA，此電流信號(hào)既可以作為一個(gè)定位輸出信號(hào)，又可以提供整個(gè)定位器所使用需要的全部輸出功率，因此整個(gè)定位設(shè)備性能要求在低頻率功耗下正常運(yùn)行?，F(xiàn)如今在石油、化工等工業(yè)控制中，對(duì)防火防爆的要求非常嚴(yán)格，而二線制儀表由于電源本身可以取信號(hào)線，不需要另外提供電源，所以在構(gòu)成本質(zhì)安全的防爆結(jié)構(gòu)里具有很大的優(yōu)勢。

3.電氣閥門定位器的硬件構(gòu)成

整個(gè)硬件設(shè)計(jì)的困難在于雙線系統(tǒng)對(duì)能源的使用要求很嚴(yán)格，整個(gè)系統(tǒng)（包括壓力控制閥驅(qū)動(dòng)）應(yīng)能通過4mA～20mA的報(bào)警線路供電。

由于電動(dòng)閥定位器的引入僅僅只是電流信號(hào)，實(shí)際電路需要不同的電壓。例如，一個(gè)與MCU和ADC電壓輸入電流相當(dāng)?shù)腁DC輸入電壓可能需要3.3V，a在壓力下工作的陶瓷電磁閥的控制需要24V以上的電壓，這些都需要一定的轉(zhuǎn)換和處理。電源轉(zhuǎn)換模塊的任務(wù)是將輸入電流轉(zhuǎn)換成2個(gè)電源組：3V和24V的微處理器和其他裝置。由于成功轉(zhuǎn)換電路的這一部分，以及效率水平直接影響系統(tǒng)的功率，從而影響整體設(shè)計(jì)的電路成功或失敗，所以位置是特別重要的。

這部分電路對(duì)應(yīng)于一個(gè)簡單的開關(guān)控制器，其基礎(chǔ)思想是將輸入電流轉(zhuǎn)換為低電壓，再通過發(fā)電機(jī)產(chǎn)生振動(dòng)。最后通過整流、濾波以及獲得所需的電壓值，進(jìn)行過濾，使線性電壓穩(wěn)定，促進(jìn)了直流電的轉(zhuǎn)換(DC/DC變換)。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，需要做自己的變壓器巡視。由于LO消耗的能量較少，選擇它作為一個(gè)顯示，可以提供一個(gè)互動(dòng)的界面與鍵盤，用戶可以手動(dòng)控制閥位置或輸入控制參數(shù)[2]。

4.電氣閥門定位器的軟件構(gòu)成

軟件開發(fā)主要是實(shí)現(xiàn)了一個(gè)簡單的實(shí)時(shí)內(nèi)核，取決于中斷的時(shí)間。在這個(gè)基礎(chǔ)上，功能應(yīng)該是在執(zhí)行任務(wù)的不同頻率下，在不同的任務(wù)模塊中開發(fā)完成任務(wù)的不同頻率。為了實(shí)現(xiàn)所有的系統(tǒng)功能，在開發(fā)過程中，降低系統(tǒng)的能源消耗，使用低成本的節(jié)約措施。該閥門定位器軟件主要由以下模塊組成：

（1）AD數(shù)據(jù)處理和電動(dòng)壓力閥控制模塊。主要完成取樣、ADC數(shù)據(jù)處理和閉路控制。

（2）將EPROM參數(shù)納入模塊。將系統(tǒng)配置參數(shù)納入EPROM，以便在斷電后保持系統(tǒng)的重要參數(shù)。

（3）單擊按鈕來掃描和處理模塊。履行鍵控功能，消除抖動(dòng)，記錄時(shí)間，當(dāng)你按下一個(gè)鍵，并在特定的事件發(fā)生時(shí)調(diào)用一個(gè)鍵。

（4）LC顯示模塊。它的任務(wù)是顯示剪貼板的內(nèi)容在LCD。除了正常的顯示，還可以在設(shè)置菜單中執(zhí)行閃爍、交替顯示等功能。

（5）自動(dòng)調(diào)整模塊。其功能是完成自動(dòng)調(diào)整和系統(tǒng)設(shè)置。

5.低功耗的實(shí)現(xiàn)

正是由于兩條線路的系統(tǒng)，以最小的能源使用是主要目標(biāo)，也是在設(shè)計(jì)整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)遵循的程序。如果系統(tǒng)允許在信號(hào)輸入輸出功率波動(dòng)時(shí)，信號(hào)輸出線的最低輸入電流實(shí)際上是3.6MHz。假設(shè)每個(gè)輸入容器的一端可以產(chǎn)生10V的電壓，整個(gè)系統(tǒng)的輸出功率不應(yīng)超過36MW。如此低的能耗，提供給外圍供電設(shè)備，如MCU、ADC、LED、EEPROM并運(yùn)輸，以及能夠產(chǎn)生低頻和高壓電流的陶瓷電磁閥。以下是為了實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的功能效率一系列上大幅減少能源使用的有效措施。

（1）在低較大功耗直流電路的基本設(shè)計(jì)上，盡量減少不必要的較大功率電路消耗，提高各電路部分的直流供電運(yùn)行效率。低功率能耗橋式二線制動(dòng)器設(shè)計(jì)在工業(yè)電氣控制閥門自動(dòng)定位器系統(tǒng)中的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)。

（2）在微型集成電路和低功耗的器件實(shí)現(xiàn)上，選擇一種低成本功耗或微型低功耗的集成器件。

（3）控制要減少器件的運(yùn)行電壓，MCU及其外部元器件的正常工作電壓可以減少至3.3V。

（4）減少M(fèi)CU的工作頻率。將微控制器的總線信號(hào)頻率下調(diào)至1.0MHz。

（5）要盡量充分利用元器件的省電或者是有空閑的方式。

另一個(gè)方面，系統(tǒng)的運(yùn)行速度和其他的性能，在大大降低了功耗的情況下，必然也就意味著系統(tǒng)各個(gè)方面都會(huì)受到一定性能上的損失，在進(jìn)行設(shè)計(jì)過程中應(yīng)該慎重考慮。

6.結(jié)語

工業(yè)科技在被不斷創(chuàng)新，低功耗的二線制設(shè)計(jì)越來越趨于精細(xì)化，在電氣閥門定位器中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了定位器的控制快捷、控制性能比較優(yōu)良、具備靈活多變的性能，并且還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)化的整定和調(diào)校。低功耗的二線制電氣閥門定位器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，是一個(gè)有益的研究探索，對(duì)于二線制電氣儀表的全方位研制與應(yīng)用，起到一定的積極推動(dòng)作用，為我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展工業(yè)高效進(jìn)步貢獻(xiàn)了力量。