国产新型智能阀门定位器研究.pdf

仪器仪表与应用 石 油 化 工 自 动 化 ，2 0 0 8 ，3 6 0 AU T0M AT1 0N I N P ETR0一 CH EM I CAL I NDUSTRY 国产新型智能阀门定位器研究 1 ．北京华北光学仪器 有限公 司 ， 北京 蔡 明1 ， 2 1 0 0 0 5 0 ；2 ．衡 阳北方 光电信息技术有限公司 ， 湖南 衡 阳4 2 1 0 0 1 摘 要 介绍了一款国产新型智能阀门定位器， 包括其工作原理、 结构组成、 关键技术、 产品特点， 以及常见故障维护等。 关 键 词 智能 阀门定位器 ； 原理 ； I ／ P转换器 ； 低功耗 中图分类号 T H 8 6 2 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 7 7 3 2 4 2 0 0 8 0 3 0 0 6 0 0 4 1 引 言 近年来 ， 随着 电子信 息技术和 自动化技 术的 迅猛发展 ， 以及现场总线和开放 式总线技术 的广 泛应用 ， 传统 的机械式 阀门定位 器 已经越来 越不 适应信息化时代的要求 。从 2 0世纪 8 0年代末开 始 ， 以 F i s h e r ， S i e me n s ， AB B， 日本 山武 公 司等 为 代表 ， 相继开发 了多种类 型 的智 能 阀 门定 位 器 ， 广泛地应 用在石 油 、 石 化、 化工 、 电力 、 冶 金 等行 业 ， 获得 了用户 的 高度 评价 。国产 Z P Z D 3 1新 型 智能阀门定位器的研发成功 ， 标 志着 国产智 能定 位 器技 术 有 了 较 大 的 发 展 ， 为 用 户 提 供 了更 多 的 选 择 。 Z P Z D3 1 0 0系 列 智 能 阀 门 定 位 器 是 中 国兵 器 衡阳北方光电信息技术有 限公 司利用具有超低功 耗 特 色 的 MS P 4 3 0 F 1 4 9单 片 机 作 为 中 央处 理 器 ， 成功开发的一款具有 自主知识产权 的新型智能 阀 门定位器 ， 这也是 目前国内惟一一家基 于喷嘴挡板 式工作原理的智能阀门定位器 ， 填补 了国内空 白， 并进入 2 0 0 4年信息产业部企业技术进步和产业升 级专项项 目， 获得国家技改专项资助 。 目前 ， 该项 目已经开发了带有位置反馈输出功 能的本安 、 隔爆型两大产品系列 ， 并正在开发具有 液晶显示、 双作用、 角行 程、 HART协议 等功能 的 新产 品 。 2工作原 理及 其组 成 2 ． 1 Z P Z D 3 1 0 0型定位器硬 件 电路 工作原理 Z P Z D3 1 O O型定位器工作原理如图 1所示 。 来 自调节仪表或控制系统 的 4 ～2 0 mA 电流 信号 ， 经过瞬时脉冲保护 、 滤波、 限压等电路后 ， 产 生 8 ． 2 V左右非稳压信号。然后 ， 其中一部分进入 电源稳压电路 ， 经过稳压变换 ， 实现稳定 的 5 V输 出， 再 经 过 AAT3 2 2 1电压稳 压 模 块 ， 最 终 获 得 3 ． 3 V的工作电压 ， 供 MS P 4 3 0单片机以及整个 电 路使用 。 驱动放大H I ／ P 转换器H 气动放大 H A R T 通信} 一 _ _ - 1 C P U 处理器 堡 墨 l 堡 兰堕墨 堡l l堡墨堡壁 l 4 ～2 OmA t 滤波及保护 电源电路 l I 气动控制阀 图 1 Z P Z D 3 1 0 0型 定位 器工作 原理 同时 ， 来 自调节仪表或控制系统 的电流控 制 信号 ， 经过一系列 的滤波 、 限压 ， 差 动放大等处理 后 ， 送 入 微 处 理 器 的 P 6 ． 1 I ／ O 口 ， 作 为 MS P 4 3 0 的采样输 入信号 ， 经 过软件 处理 ， 取 出系 统输 出 的控制指令 。C P U处 理 器根据 系统不 同的控 制 指令 ， 利 用 P WM 模 块 ， 产 生 不 同脉 冲 宽 度 的 P WM 波形 ， 经过 驱动 放 大 电路 ， 输 出到 电磁线 圈。在 4 ～2 0 mA控制 信号 电流 的作 用下 ， 推 动 I ／ P部件 中的喷 嘴挡板 ， 产 生 0 ～0 ． 1 5 mm 左 右 的微位移 。根据背压工作原 理 ， 喷嘴挡板所产 生 的微小位移 ， 通 过喷 嘴驱动气 体 放大 器 ， 产生 相 应 的气体输出 ， 从而推动气动 阀的阀杆产生一定 的位 移 量 。 另一 方面 ， 气动 执行 器机 构部 分 的直行 程或 角 行程的变化 ， 经杠杆带动高灵敏度的阀位检测反馈 传感器旋转 1 0 K 精密 电阻式传 感器 ， 从 而引起 其 电压的变化， 此变 化量经差动运 放等 电路处理 后 ， 送入微处理器进行 A／ D采样， 经“ 归一化” 数据 收稿 日期 2 0 0 8 0 2 2 7 修改稿 。 基金项 目2 0 0 4年信息产业 部企业技术进 步和产业升级 专项 项 目 发改办高技[ 2 o o 4 ] 1 1 9 6号 。 作者简介 蔡 明 1 9 6 9 一 ， 男 ， 2 0 0 5年毕业 于北 京信息科技 大学控制理论与控制工程 专业 ， 硕 士， 任工 程师 ， 主要从事 智能仪 器代表的开发工作 。 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3期 蔡 明． 国产新型智 能阀门定位器研究 处理 ， 得到对应 的阀位变量 。阀位设定值与阀位变 量经软件计算 、 比较， 得到一定的差值量 ， 根据此差 值的大小 ， 修正阀杆 的位移量 ， 完成 了气动阀的闭 环 控制 过程 。 由于采用 了优化 的 P I D积分分 离控制算法 ， 在提高 了控 制系统 响应 速度的 同时， 减少 了超 调 量 ， 抑制了波动 ， 大大提高 了定位速度和定位精度 。 其 中 ， 所 用 微 处 理 器 为 MS P 4 3 0 F 1 4 X 系 列 超 低功耗单 片机 ， 其包含 1 2位 A／ D转换 ， F L AS H R OM， R AM， P WM 模块 ， 硬件乘法 器， 定时器， 看 门狗等丰富的资源 ， 集成度高， 功耗极低 ， 可实现在 线编程等 。同时， 该单片机内置温度测试 电路 ， 可 方便地实现传感 器的温度补偿 ， 大大减少 了外 围 电路 。 此外 ， 在 电路 的设计中， 保留了专用测试端 V I 、 端子 ， 可以与手操器对接 ， 方便地更改 内部参数设 置 ， 实 现现场 在 线调校 。 2 ． 2 软件 设计 软件的总体设计采用超低功耗模 式 ， 在 主程 序初始化工 作完成 以后 ， 进 入低 功耗 等待状 态 ， 内外部事件 可 以随时唤 醒 ， 使之 进入 工作状 态 。 在 4 ～2 0 mA 控 制 电流 的 驱 动 下 ， 为 确保 电路 的 可靠工作 ， 设 计 过程 中， 整 机 的 电流 消耗 不大 于 3 mA， 几乎所有 工作 ， 包 括控 制信号 和位 置反馈 信号 定 时采 样 ， 参数 整 定 、 P I D控 制算 法 、 P WM 波形调整 与输 出、 键 盘调 整等 ， 均通 过相 应 中断 程序 完 成 。 a 主程序流程如 图 2所示 。 r _ 钟 设 置 与选 择 I I ／ O口初 始 化 ● Wa t c h d o g 初 始 化 I US ART 初 始化 l T i m e r A ， T i m e B 初始化 f I 开 中 断 I 启动 看 门 狗 l 、 ， ／ ＼ 1 ／ 1 壬 r 盘}仕 ＼ 图 2 Z P Z D3 1 0 0型 定 位 器 主程 序流 程 b 键盘 中断服务程序 。按键是进行参数设定 与人- 机交流的重要手段 ， 该系列智能 阀门定位器 中的本安和隔爆型 ， 仍然采用按键作为参数设置和 人- 机交流的主要工具 。两个键位 Up键和 Do wn 键 结合控制信号标志 ， 巧妙地完成 了定位器一 系 列的初始化设置与参数调整， 相应的程序流程如图 3所示 。 N Do wn 键及 其他功能 判断与处理 键 盘 中断 入 口 键 盘 判断 ] j ● N l 功目 l 垄 l 图 3 键 盘 中断服 务程 序 流程 2． 3整机 工作 原理 该定位器整机工作原理如图 4所示 。 节流 装置 气动放 大器 图 4 智能 阀 门定位 器 整 机 工作原 理 其中的喷嘴挡板、 电磁线圈部分是喷嘴挡板式 定位器的关键核心部件 。 3关键 技术 与部 件 3 ． 1 I／ p转换 器 VP转换器的加工制造工艺及其 电磁转换 技 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石油化工 自动化 术是该定位器 的核 心 。 。 ] 。与压 电陶瓷 式智能 阀 门定 位 器 不 同 ， 喷 嘴 挡 板 式 定 位 器 是 在 4 ～ 2 O mA控制信 号 电流 的驱 动下 ， 靠 I ／ P部件 喷 嘴 挡 板 的微 位 移 ， 来 实 现 对 喷 嘴 气 流 的 调 节 ， 从 而 控制气动放大器 的输 出， 最终实现对 阀 门行程 的 调 节 与 控 制 。 由于 I ／ P转 换 器 喷 嘴挡 板 的最 大 微 位 移 距 离 只有 0 ． 1 5 mm左右 ， 所 以对 于其中特殊金属材料 ， 譬如 软磁 合金 、 无 磁不 锈钢 ， 特殊 塑料 材料 的选 择 ， 以及精密加工 、 特殊铆接、 精密装调等方面， 提出了 很高的要求 。经过多年研究 。 目前已经基本掌握了 此项关键技术 ， 但是该部件的一次性合格率还有待 进一 步提 高 。 3 ． 2位 置 无 间隙反馈 感应 技术 位置感应传感器是获取位置实时反馈信号的 核心部件。该产品采用了进 口精密级电位器 ， 电位 器输出的信号通过放 大与 A／ D采样， 进入数 据处 理程序 。由于采用了精密电位器无间隙反馈结构 ， 也保证了阀杆正反方 向运动的一致性。 基于霍尔效应的位置传感器的应用研究 ， 目前 正在进行 当中。计划在未来 2年内， 实现该系列智 能 阀门定位器位置反馈 的无 接触 、 无损耗 、 高精度 定位。 3 ． 3 低 功 耗技 术 由于电路 中采用 4 ～2 0 mA 电 流进 行控 制 信 号 的传输 ， 综 合考 虑 ， 必须将 整机功耗 控制在 3 mA以 下 ， 因 此 ， 在 电 路 设 计 中 ， 大 量 采 用 低 功 耗 元 器 件 ， 包 括 MS P 4 3 0 F 1 3 5 ， F 1 4 9系 列 具 有 显著低 功 耗特 色 的 C P U 芯 片 。局部 电路 和 功 能软件设 计 ， 尽 量 采用 中断 唤醒 超 低 功耗 工 作 方 式 。 3 ． 4 P I D控 制算 法与 自整 定功 能 为了实现阀门的快速准确定位 ， 减少超调量 ， 控制软件 中采 用了 P I D“ 积分 分离” 控制 算法 ] 。 其控制性能得到了大幅改善， 消除了输 出超调 、 震 荡 、 系统不稳定等不 良现象 。经过岳 阳石化公司等 企业挂网和小规模使用 ， 效果 良好。 同时， 根据工业现场阀门种类繁多 的特点 ， 编 制辅助程序 ， 提升了在线 自动检测、 自动整定 、 自动 初始化参数等“ 智能” 化功能 ， 增强了定位器产 品的 自适 应能 力 。 4功 能特 点及有 关 参数 4 ． 1 功 能特 点 Z P Z D 3 1 0 0系列 智 能 阀 门 定 位 器 可 通 过 自整 定或专用手操器很方便地实现现场调校 、 参数更改 等 。本安型的阀门定位器必须与相应的安全栅配 套使用 ， 以确保安全。 与传统 的阀 门定位器 比较 ， 它具有智能化程 度高 、 与各类 规格 阀 门配 套及 调校 简单 方便 、 定 位准确 、 分程及流量 特性等 ， 参数 组态简单 多样、 安装维护简 单 、 能 耗小 、 性 价 比高等 优点 。配有 自动 、 手 动 切 换 螺 钉 ， 可 根 据 需 要 进 行 切 换 。现 场调 试 采 用 自动 整 定 或 手 操 器 与 定 位 器 通 讯 ， 只 需做简单的设 置即可更 改 内部参数功能 ， 改 变其 控制性能 。相 比于 国 内外 广泛 应用 压 电陶瓷 式 智能定位器 ， 该 定位器 不仅 成本 低廉 ， 更 便 于现 场维 修 ， 对 仪 表 气 的要 求 相 对 较 低 ， 对 环 境 的适 应性强 ， 而且使用寿命更长 。 总之 ， 该定位器综合 了国内外典型的同类产 品 的先进技术及特点 ， 可广泛使用于化工、 石油炼化、 冶金、 发电、 轻纺等部 门。 4 ． 2技术 参数 输入信 号范 围4 ～ 2 O mA D C 需 由安 全栅 供 电 。 输入 阻抗 3 0 0 Q／ 2 O mA D C。 行程 范 围 直 行 程1 O～ 1 0 0 mm 角 行 程 5 0。 ～ 9 O 。 。 气源压力 1 4 0 4 0 0 k P a 。 输出信号 2 O ～1 0 0 k P a 。 环境 温 度 一4 O ～ 7 0℃ 。 相对 湿 度 小 于等 于 8 5 R H。 流量特性 线性 、 等百分 比、 快开。 分程 设 置 一 般 设 置 为 4～ 1 2 mA， 1 2～ 2 0 mA， 也可 根据 用户 需要任 意设 置 。 精度 小于等于 1 F S 。 回差小于等于 1 F S 。 死 区 小 于等 于 0 ． 4 F S 。 防爆 标 志 本安 型 E x i a I I C T6 。 外壳 防护等级 I P 6 5 。 5 注意 事项 与故 障处 理 5 ． 1 注 意事 项 本安 型阀 门定 位器 必须 与相 关 的安 全栅 配 套使用 ， 配备 的安全 栅应经 国家 防爆试 验认 可 ， 有防爆合 格证 。安 全栅 应确保 接地 良好 。本安 电路和非 本安 电路必 须采用套 管导 线或 屏蔽 导 线彼此分开 ， 以免两种线路 互相接触 。安全栅 到 定位器 连接 导线 或 电缆 最高 分 布 电容 0 ． 0 2 p - F， 最高分 布 电感 1 ． 0 mH， 其 中所 用安 全 栅参 数为 己 ， 2 5 0 VAC／ DC， U。 ≤ 2 8 VDC，工 。≤ 3 0 mA， P ≤ O ． 8 4 W 。 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 期 蔡明． 国产新型智能阀门定 位器研究 6 3 输 出气 压达不到最大值 输 出气压变化缓慢 输 出气压不 能下 降到零 输入信号无输 出气压 供气压力 不足 节 流孔 堵塞 输 出管线 与接头漏气 过滤 网堵塞 喷嘴挡 板关 闭不严 气体放大器连接管线堵塞 气体放大器密封垫装配不 当 喷嘴堵塞 节流孔进气 口密封不 良 节流孔堵塞 检查供气压力 清理节流孔 检查输 出管线及接 头 清理过滤 网 清理喷 嘴挡板 间的污 物 检查密 封 清 理节 流 日出气孔 检查 或更换 节流孔进气孔密封垫 检查清理节流进气孔 输入信号极性不对 检查输入信号极性 上接 第 5 6页 的关系及赋值点类型关系见表 4所列。 表 4 程序文件名 与 A r r a y点及赋值点 类型 关系 5结 束 语 表 面上看只需要 2个程序就可以完成所有标 志量点和数字寄存器点 的赋值 功能 ， 在实践上也 是能完成 的。但是在调试过 程 中发现 ， 在现场模 拟一个联锁条件 ， 在 E S D上 3 0 S 左右就有联锁动 作 ， 而在 TP S操作 站上要 等 5 ～ 6 rai n之 后才 能 看到变化情况 。这个 通讯 时 间显然太 长 ， 操作 工 据 此采 取 措 施 根 本 为 时 太 晚 ， 经 多 方 查 找 原 因 ， 才发现是 程 序执行 的 时间过 长。为 了缩 短通 讯 时间 ， 得到及 时有效 的数据 ， 采 取将 程 序分段 缩 短 的方法 ， 将原来 的 2个长程序分成 1 4个独立 的 短程序 ， 每段程序 同时运行 ， 这样改进 后 ， 现 场动 作后 3 0 ～4 0 S T P S操作站上就能看 到变 化 ， 这就 保 证 了通 讯 的质 量 。 在后来的使用过程中发现有少数点需要精确 到小数点后两位 ， 但通讯只能传送整数数值 ， 因此 采用在 E S D中将相关数值放大 1 0 0倍 ， 在 TP S中 再将其缩小 1 0 0倍的方法来实现。 后 期 乙二醇 装置 改造 扩容 ， 增加 了一 些联 锁 回 路也 需要 通讯 ， 为 了不 再 延 长 通讯 的 时 间 ， 就没 有 再使用 c L程序进行赋值 ， 而是采用逻辑点进行赋 值连接。采用逻辑 点其实 比 C L程序节省运行 时 间， 但系统中逻辑点资源也有 限， 后期增加的点数 量较少 ， 一个逻辑点可 以给 8个点赋值连接 ， 故还 是可行的。这样逻辑点与 C L程序配合使用 ， 既保 证 了通讯的及时性 ， 可靠性 ， 方便了监控 ， 又节省了 软 硬件 资源 。 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m