CN101650572B

CN101650572B - 基于hart通讯的智能电气阀门定位器

Info

Publication number: CN101650572B
Application number: CN 200910195202
Authority: CN
Inventors: 李倩如
Original assignee: Shanghai Automation Instrumentation Co Ltd
Current assignee: Shanghai instrument and meter for automation company limited
Priority date: 2009-09-07
Filing date: 2009-09-07
Publication date: 2013-02-06
Anticipated expiration: 2029-09-07
Also published as: CN101650572A

Abstract

本发明涉及一种基于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。

Description

基于HART通讯的智能电气阀门定位器

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

发明内容

本发明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Bell202FSK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。

本发明的技术方案为：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、I/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；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。

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。

本发明的有益效果在于：本发明基于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为本发明基于HART通讯接口的智能电气阀门定位器原理框图；

图2为本发明基于HART通讯接口的智能电气阀门定位器结构示意图；

图3为本发明基于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1、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、I/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；I/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，I/P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。

本发明通过设置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I/P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。本发明中，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，缩小了空间和成本。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Bell202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(±10)Hz或2200(±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P1.6脚和串口接收脚分别与A5191的OCD和ORXD相连，MCU检测到P1.6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串口接收完成并关闭，MCU对收到的数据进行解析、判断，按请求帧规定执行相应操作，将结果数据打包为一帧响应帧，启动串口发送机制，用发送中断方式按字节逐个发送。MCU的P1.3脚和串口发送脚分别与A5191的INRTS脚和ITXD相连，一旦进入发送状态，MCU的P1.3引脚清零输出低电平，控制HART MODEM切换到调制方式，即将串口发送数据调制成1200Hz或2200Hz的频率信号，整形后由运算放大器放大并经过变压器耦合到总线上，完成一次HART通信。

本发明采用的是半双工的通信，按照OSI组织规定的系统互连结构模型，将通信模型简化为三层结构，即第一层物理层、第二层数据链路层和第七层应用层。物理层规定了信号的传输方法、传输介质；数据链路层规定了HART帧的格式，实现建立、维护、终结链路通讯功能；应用层规定HART命令集。命令分为三类，即通用命令、常用命令和专用命令。通用命令提供了所有与现场设备有关的功能，而且是HART设备所必须具备的功能，这些命令包括：读取制造厂家与设备类型；读初始变量与单位；读取电流输出与量程的百分比；读4个预定义的动态变量；读写8字符位号，16字符描述符，日期；读写32字符信息；读量程、单位和阻尼时间常数；读传感器系列号和界限；读写最终装配号；写轮询地址。常用命令提供常见的多种现场设备中的功能，但不是全部，设备可以有选择地提供这些功能。常用命令包括读总共4个动态变量的一组选择；写阻尼时间变量；写量程；校准测量(将当前测量值置零或置最大量程)；设置固定的输出电流；执行自检；执行主机复位；调整设备零点；写主变量单位；调整数字-模拟转换器零点与增益；设置输出传递函数；写传感器序列号；写同步代码个数等。专用命令提供只针对此类型的现场设备特殊的功能，是本发明自己所特有的，不互相兼容。

由于HART协议规定的数据传送速率是1200bit/s，每传送一个字符的时间接近10毫秒，所以软件中采用中断的方式收发数据，其余时间可以使MCU处理其它事务。MSP430的USART模块的接收、发送缓存均可产生独立的中断，程序在该中断中完成对HART信息帧的各种处理。在帧的接收过程中，每当检测出异常，会自动设置相应状态信息，程序在定时器中断集中处理传输过程中出现的错误、延迟，并根据不同的请求功能调用相应的处理过程。信息帧的发送过程与此类似，当系统工作于成组模式时，MCU由定时器控制周期性发布信息，在发送数据之前先检测线路上是否有主机上传的请求信息(OCD载波检测)，如果在规定时间内没有检测到OCD，则会自动把设备运行的相关信息以HART信息帧的形式发送出去；如果恰有主机正在通信，则优先执行主机命令，或根据主机命令类型推迟或取消成组数据的发送。

Claims

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。

2.根据权利要求1所述的基于HART通讯的智能阀门定位器，其特征在于，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。