HART协议的智能阀门定位器的设计和实现

　　阀门定位器是调节阀的重要辅助附件之一，它已广泛应用于电力、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，自动化系统逐渐朝网络化、总线化趋势发展，而原有的智能阀门定位器由4-20mA模拟信号控制圈，不能进行数字通信。HART协议是一种用于现场智能仪表和控制室设备之间的通信协议，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信;并且具有现场和远程参数监控的功能;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。

　　本文开发了一种基于HART协议的二线制智能阀门定位器。该定位器不仅具有良好的控制品质，而且通信可靠稳定;此外，它还具有参数组态、行程特性修正等功能;利用HART通信功能，它可以实现对现场仪表的远程组态，为故障定位提供更加丰富的诊断信息。

　　一、HART通信的阀门定位器原理

　　基于HART通信的智能型阀门定位器由采样电路、电源电路、人机界面、MCU控制单元、HART通信单元、I/P控制单元(压电阀)和阀位反馈检测单元(位移传感器)构成，其原理如图1所示。

　　电源电路将4-20mA电流信号转换成电压信号，而该电压信号为HART通信单元、采样电路、MCU控制单元、FP控制单元提供工作电压;采样电路完成控制信号的采样;人机界面用来显示调节阀的工作状态;MCU控制单元根据阀位反馈单元提供的阀位信号和采样电路提供的设定值信息，产生相应的控制策略，以驱动FP控制单元工作;FP控制单元驱动压电阀动作，从而实现调节阀的动作;HART通信单元实现与MCU控制单元的数据交换以及与外界的数字通信。

　　二、硬件设计方案

　　基于HART通信的智能阀门定位器主要用于控制气动直行程或角行程执行机构，实现阀门的准确定位。定位器的输入是从调节器送来的阀位设定信号(既可以是从DCS输出的模拟信号，即4-20mA或0-20mA直流信号，也可以是从监控计算机通过HART通信接口接收到的数字通信信号)。它同反馈的实际阀位信号一起通过MCU控制单元控制FP控制单元，以驱动调节阀阀杆运动，形成闭环控制，并驱动气动执行器，实现阀门的准确定位。

　　2.1MCU控制单元

　　MCU控制单元采用TI公司生产的MSP430单片机。该单片机内部集成了12位A/D采样模块，可以对4-20mA控制信号和阀位反馈信号进行采样。通过比较两者偏差和偏差变化量，MCU控制单元作出相应的控制策略，并产生相应的PWM控制信号对I/P控制单元进行控制。

　　I/P控制单元控制压电阀输出气压，从而驱动调节阀的阀杆运动，同时，阀杆行程通过传感器将阀位反馈信号反馈到MCU控制单元。