CN118274181A - 基于hart通信的本安型智能阀门定位器控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供基于HART通信的本安型智能阀门定位器控制系统，包括：电源模块，为主控器及其他模块供电；信号采集模块，将电流信号转为电压信号输入主控器；阀位采集模块，将阀杆位移的角度变化转化成电压变化输入主控器；输出模块，根据控制方案对阀门气室充气或者放气；HART通信模块，用于与上位机交互；交互模块，提供手动按键控制阀门开度、显示运行状态；主控器，通过协调其他模块实现自整定功能、信号转换功能、阀位控制功能、交互功能、通信功能和功耗分析功能，其中，通信功能允许用户在远程进行阀位控制。本发明增加HART通信模块，编写通信功能，使能远程通信，接收上位机对主控器的参数的修改命令，允许远程阀位控制，作为现场按键控制的补充。

Description

基于HART通信的本安型智能阀门定位器控制系统

技术领域

本发明涉及智能阀门定位器技术领域，特别是涉及基于HART通信的本安型智能阀门定位器控制系统。

背景技术

气动调节阀用于对各行各业中，对其控制系统中的气体或者液体的流量和压力进行精确的控制，气动调节阀使用压缩空气做动力源，接受电信号来控制自身阀位变化，被应用于各种控制场景中，具有防爆性能好、易于维护、抗干扰能力强等优点。

气动调节阀由阀体、气动执行机构和阀门定位器构成，其中，阀门定位器能提高气动调节阀的控制精度，改善阀门的性能。传统的阀门定位器是机械的，具有灵敏度不高，控制效果不足，易老化，操作繁琐等等缺点，现有技术提供多种智能阀门定位器，具有更优秀的控制效果和更广泛的适应性，可完全取代机械阀门定位器。

智能阀门定位器的内部集成了微处理器、传感器等电子设备，可以在调节过程中实时进行计算和控制，其接受4-20mA的标准电流信号，即为系统提供电源，也作为阀位设定信号，阀门定位器会根据这一信号来调节气动执行机构内的气压，气压的变化会带动阀杆的变化，从而达到控制阀位的效果。

智能阀门定位器要实现其阀位控制能力，需要既能够从上位机处获取阀位设定信号，从气动执行机构获取阀位的实际数值，又能够根据差值有效的控制气室压力以使阀位到达目标位置。这就需要一整套可靠的控制系统，现有的智能阀门定位器控制系统包括：主控器、电源模块、信号采集模块、阀位采集模块、输出模块和交互模块。运行时，上位机提供标准电流信号，由电源模块转换作为电源为主控器及其他模块供电，信号采集模块则将电流信号转为电压信号输入主控器，获取阀位的设定值；阀位采集模块由位移传感器和反馈杆组成，反馈杆连接阀位传感器和气动执行机构中的阀杆，当阀杆移动，其直线运动会转化为以位移传感器为圆心的旋转运动，这一角度变化会转化成电压变化输入主控器，获取阀位的实际数值；主控器根据阀位设定值和实际数值的差值运行控制算法，将相应的控制信号给到输出模块；输出模块包括PWM输出和I/P转换，前者根据控制信号给出相应的PWM波，后者对阀门气室进行充气或者放气来改变气压。上述过程中，位移传感器会持续(每一毫秒)的反馈阀位实际数值直至其与设定值的误差足够小；交互模块由按键和显示两部分组成，可手动控制按键输入阀门设定值，同时，显示阀门的实时信息。该智能阀门定位器控制系统配合实用的控制算法就能将调节阀稳定的开度到设定值。该控制系统还存在一些缺陷：控制系统无远程通信模块，无法远程对定位器参数进行调控；定位器启动后，控制系统会一直处于工作状态，持续耗能，无法根据气动调节阀的实际运行规律进行模式的切换，无法低功耗运行。因此，需要对现有技术进行改进。

发明内容

本发明提供基于HART通信的本安型智能阀门定位器控制系，用以解决上述问题。

本发明采用的一个技术方案是：提供基于HART通信的本安型智能阀门定位器控制系统，包括：主控器、电源模块、信号采集模块、阀位采集模块、输出模块、HART通信模块和交互模块；

电源模块，为主控器及其他模块供电；

信号采集模块，将电流信号转为电压信号输入主控器；

阀位采集模块，将阀杆位移的角度变化转化成电压变化输入主控器；

输出模块，根据主控器的控制方案对阀门气室充气或者放气；

HART通信模块，用于主控器与上位机交互；

交互模块，提供手动按键控制阀门开度的功能并显示运行状态；

主控器，通过协调其他模块实现自整定功能、信号转换功能、阀位控制功能、交互功能、通信功能和功耗分析功能，其中，交互功能允许用户通过按键进行阀位控制，通信功能允许用户在远程进行阀位控制。

进一步的，主控器设置有手动状态参数，用户通过按键/远程对手动状态参数进行设置，当手动状态参数为1时，用户可以通过按键/远程输入阀门设定值，对阀位进行控制，当手动状态参数为0时，用户通过按键/远程输入阀门设定值的操作无效。

进一步的，当阀位稳定下来，手动状态参数自动变更为0，避免误操作。

进一步的，主控器设置有低功耗状态参数，用户通过远程对低功耗状态参数进行设置，当低功耗状态参数为1时，交互模块关闭，信号采集模块和阀位采集模块的采集频率降低，使系统低功耗运行。

进一步的，系统低功耗运行期间，若阀位设定值和阀位实际值的误差过大，则退出低功耗运行，实施阀位控制，变更低功耗状态参数为0。

进一步的，功耗分析功能持续记录阀位调节数据，从时间维度确定阀位稳定时间段并制定低功耗运行方案，根据低功耗运行方案调节低功耗状态参数。

进一步的，低功耗运行方案以天为单位更新，后一天的低功耗运行方案以前一天的低功耗运行方案及前一天实际阀位调节数据为依据制定并反馈给用户。

进一步的，用户通过远程对低功耗运行方案中的时间段进行修改，以修正偏差。

本发明基于HART通信的本安型智能阀门定位器控制系统的有益效果是：

1、为智能阀门定位器控制系统增加HART通信模块，编写主控器的通信功能，使控制系统能够进行远程通信，反馈定位器及调节阀的运行状况，接收上位机对主控器的参数的修改命令，允许用户在远程进行阀位控制，作为现场按键控制的补充。

附图说明

图1是本发明第一实施例基于HART通信的本安型智能阀门定位器控制系统示意图；

图2是本发明第一实施例中主控器功能示意图；

图3是本发明第一实施例中控制系统逻辑图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

请参阅图1至图3，本发明第一实施例提供基于HART通信的本安型智能阀门定位器控制系统，包括：主控器、电源模块、信号采集模块、阀位采集模块、输出模块、HART通信模块和交互模块；

电源模块，为主控器及其他模块供电；

信号采集模块，将电流信号转为电压信号输入主控器；

阀位采集模块，将阀杆位移的角度变化转化成电压变化输入主控器；

输出模块，根据主控器的控制方案对阀门气室充气或者放气；

HART通信模块，用于主控器与上位机交互；

交互模块，提供手动按键控制阀门开度的功能并显示运行状态；

主控器，通过协调其他模块实现以下功能：

自整定功能：通过输出模块对阀门气室进行充气或者放气直至确定其阀位行程，自整定完成后标记自整定状态为1，自整定功能在系统上电后仅进行一次，只有在自整定状态为1时，系统才能进入正常运行状态；

信号转换功能：采集信号采集模块和阀位采集模块的电压信号，确定阀门设定值和阀门实际值，根据其差值判断是否需要对阀位进行控制，误差(差值)过大时需要对阀门进行控制，则将数据(阀门设定值和阀门实际值)给到阀位控制功能；

阀位控制功能：使用阀门设定值和阀门实际值，经过控制算法运算得到控制方案，通过输出模块对阀门气室进行充气或者放气直至达到阀门设定值；

交互功能：在手动模式(手动状态)下允许用户通过按键进行阀位控制，用户通过按键设置阀门开度，根据阀门开度确定阀门设定值并触发信号转换功能确定阀门实际值，调用阀位控制功能实现阀位控制，在手动模式下，按键设置会替代信号采集模块获取的电压信号来确定阀门设定值，在非手动模式下，按键输入无效；

通信功能：通过HART通信模块反馈定位器及调节阀运行状况并接收上位机对主控器参数的修改命令，在手动模式(手动状态)下允许用户通过远程进行阀位控制，用户在远端设备上输入阀门开度，根据阀门开度确定阀门设定值并触发信号转换功能确定阀门实际值，调用阀位控制功能实现阀位控制，在手动模式下，远端输入会替代信号采集模块获取的电压信号来确定阀门设定值，在非手动模式下，远端输入无效；

功耗分析功能：持续记录阀位调节数据，确定阀位稳定时间段制定低功耗运行方案，用户可根据低功耗运行方案或者实际的生产运行情况标记低功耗状态为1或0，当低功耗状态为1时，部分功能停用，采样频率降低，当低功耗状态为0时，系统正常运行。

在该控制系统运行过程当中，允许用户通过按键/远程操作来临时控制阀门开度，以应对一些特殊情况，为避免日常运行中出现误操作，需要该控制系统能够被指定在手动操作模式下运行：

现场设备/远端设备均具有手动按键/按钮，只有当手动按键/按钮处于激活状态时，用户的其他手动操作才有效；

相应的，主控器设置有手动状态参数，手动按键/按钮处于激活状态时，手动状态参数为1，再次点击取消激活状态，手动状态参数为0，也就是用户可以通过按键/远程对手动状态参数进行设置；

当手动状态参数为1时，用户可以通过按键/远程的方式输入/选定阀门开度，阀门开度会转化成阀门设定值，主控器会依据该值和阀门实际值对阀位进行控制，当手动状态参数为0时，用户通过按键/远程的方式输入/选定阀门开度的操作无效；

在手动状态下，当阀位稳定下来，手动状态参数自动变更为0，避免误操作，判断阀位稳定的依据通常是设定一个时间段，该时间段内阀位实际值不变/在误差范围内。

在该控制系统运行过程当中，阀位的控制是具有一定规律的，并非是无序的，依据生产运行情况，阀位的调节会集中在一些时间段内，也就是阀位在一定的时间段内是稳定的，该控制系统在这些时间段内可以低功耗运行：

远端设备具有低功耗运行按钮，当低功耗运行按钮处于激活状态时，交互模块关闭，信号采集模块和阀位采集模块的采集频率降低，使系统低功耗运行；

相应的，主控器设置有低功耗状态参数，两次点击低功耗运行按钮可使其处于激活状态，此时低功耗状态参数为1，可再次点击取消激活状态，此时低功耗状态参数为0，也就是用户可以通过远程对低功耗状态进行设置；

当低功耗状态参数为1时，由于交互模块关闭，现场设备既不显示运行状态数据，也不能通过手动按键进入手动模式，当低功耗状态参数为0时，系统正常运行；

系统低功耗运行期间仍然会进行数据采集，若阀位设定值和阀位实际值的误差过大，则立即退出低功耗运行，实施阀位控制，变更低功耗状态参数为0。

在本发明第二实施例中，修改了主控器功耗分析功能的部分内容，其余设计与第一实施相同：

功耗分析功能在制定低功耗运行方案后，系统会依据方案给定的时间段自动进入低功耗运行，相应的，远端设备的低功耗运行按钮会显示为激活状态；

低功耗运行过程中，有两种方式打断并恢复正常运行，一种是阀位设定值和阀位实际值的误差过大需要进行阀门控制，一种是用户在远端设备点击低功耗运行按钮使其退出激活状态；

当低功耗运行状态被打断，系统恢复正常运行后，会在下一个低功耗运行时间段再一次进入低功耗运行；

低功耗运行方案是以时间维度确定阀位稳定时间段的，阀位稳定时间段就是系统将执行的低功耗运行时间段，以系统运行三天为例，三天内的阀位调节数据以阀位控制时间段去重，余下的就是低功耗运行时间段，第四天就以低功耗运行时间段进行控制；

低功耗运行方案以天为单位更新，后一天的低功耗运行方案以前一天的低功耗运行方案及前一天实际阀位调节数据为依据制定并反馈给用户；

用户可通过远程对低功耗运行方案中的时间段进行修改，以修正偏差。

本发明基于HART通信的本安型智能阀门定位器控制系统的有益效果是：

1、为智能阀门定位器控制系统增加HART通信模块，编写主控器的通信功能，使控制系统能够进行远程通信，反馈定位器及调节阀的运行状况，接收上位机对主控器的参数的修改命令，允许用户在远程进行阀位控制，作为现场按键控制的补充；

2、设定手动操作模式来限制现场设备/远端设备的手动操作行为，避免误操作，提高了系统的可靠性；

3、为主控器增加功耗分析功能，持续记录阀位调节数据，制定低功耗运行方案，使用户可以在远端设备上控制系统低功耗运行，也使系统可以依赖该方案自动进入低功耗运行，可根据气动调节阀的实际运行规律进行模式的切换。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.基于HART通信的本安型智能阀门定位器控制系统，其特征在于，包括：主控器、电源模块、信号采集模块、阀位采集模块、输出模块、HART通信模块和交互模块；

电源模块，为主控器及其他模块供电；

信号采集模块，将电流信号转为电压信号输入主控器；

阀位采集模块，将阀杆位移的角度变化转化成电压变化输入主控器；输出模块，根据主控器的控制方案对阀门气室充气或者放气；

HART通信模块，用于主控器与上位机交互；

交互模块，提供手动按键控制阀门开度的功能并显示运行状态；主控器，通过协调其他模块实现自整定功能、信号转换功能、阀位控制功能、交互功能、通信功能和功耗分析功能，其中，交互功能允许用户通过按键进行阀位控制，通信功能允许用户在远程进行阀位控制。

2.根据权利要求1所述的基于HART通信的本安型智能阀门定位器控制系统，其特征在于，主控器设置有手动状态参数，用户通过按键/远程对手动状态参数进行设置，当手动状态参数为1时，用户可以通过按键/远程输入阀门设定值，对阀位进行控制，当手动状态参数为0时，用户通过按键/远程输入阀门设定值的操作无效。

3.根据权利要求2所述的基于HART通信的本安型智能阀门定位器控制系统，其特征在于，当阀位稳定下来，手动状态参数自动变更为0。

4.根据权利要求1-3任一所述的基于HART通信的本安型智能阀门定位器控制系统，其特征在于，主控器设置有低功耗状态参数，用户通过远程对低功耗状态参数进行设置，当低功耗状态参数为1时，交互模块关闭，信号采集模块和阀位采集模块的采集频率降低，使系统低功耗运行。

5.根据权利要求4所述的基于HART通信的本安型智能阀门定位器控制系统，其特征在于，系统低功耗运行期间，若阀位设定值和阀位实际值的误差过大，则退出低功耗运行，实施阀位控制，变更低功耗状态参数为0。

6.根据权利要求5所述的基于HART通信的本安型智能阀门定位器控制系统，其特征在于，功耗分析功能持续记录阀位调节数据，从时间维度确定阀位稳定时间段并制定低功耗运行方案，根据低功耗运行方案调节低功耗状态参数。

7.根据权利要求6所述的基于HART通信的本安型智能阀门定位器控制系统，其特征在于，低功耗运行方案以天为单位更新，后一天的低功耗运行方案以前一天的低功耗运行方案及前一天实际阀位调节数据为依据制定并反馈给用户。

8.根据权利要求1-3任一所述的基于HART通信的本安型智能阀门定位器控制系统，其特征在于，功耗分析功能持续记录阀位调节数据，从时间维度确定阀位稳定时间段并制定低功耗运行方案，根据低功耗运行方案调节低功耗状态参数。

9.根据权利要求8所述的基于HART通信的本安型智能阀门定位器控制系统，其特征在于，低功耗运行方案以天为单位更新，后一天的低功耗运行方案以前一天的低功耗运行方案及前一天实际阀位调节数据为依据制定并反馈给用户。

10.根据权利要求9所述的基于HART通信的本安型智能阀门定位器控制系统，其特征在于，用户通过远程对低功耗运行方案中的时间段进行修改，以修正偏差。