智能阀门定位器控制系统设计

汪 川

(上海宝信软件股份有限公司，上海 201900)

0 引言

传统阀门多用手动调节[1]，且需现场调整来适应生产要求。然而在一些操作不方便或有害物质存在的地方，无法用手动调节。因此，研究智能阀门定位器具有十分重要的现实意义。本文设计了一种基于MSP430的智能阀门定位器控制系统。该系统实现了阀门控制参数的自整定[2]，可自动设定阀门动作所必需的全部参数，包括：阀门的零点和量程，作用方向;阀门的动作速度;参数KP、KI、KD的值及死区;阀门的全开和全关时间等。该系统提高了阀门定位器的控制精度和定位速度，具有广阔的应用前景[3]。

1 系统方案设计

本文所设计的系统主要由控制核心、通信、LCD显示及按键输入、采样、阀位反馈、电气转换等模块构成。

1.1 控制核心模块

本系统是以MSP430F149单片机作为核心控制器[4]，利用其片内外设和数据处理功能进行设计的。4～20 mA电流为整个系统的输入，采用二线制(工业标准的4～20 mA电流信号)结构。电源和控制信号线共用两根导线，其电源本身取自信号线。通过4～20 mA采样电路，实现控制信号的采样，并将其作为阀门工作设定值。系统结构如图1所示。

图1 系统结构示意图

1.2 LCD显示及按键输入模块

LCD显示及按键输入模块用于提供人机接口。通过LCD，用户可直观地获得阀门当前的开度、工作模式和一些具体工作参数，并可配合按键设置系统的工作方式、系统参数等。

1.3 阀位反馈模块

阀位反馈模块通过角位移传感器测量执行器阀杆的位移，将阀杆的位移量转换为电量，以负反馈的形式连接到系统的输入，构成阀门位置系统的闭环控制回路，提高系统精度。执行器阀杆移动过程中，带动固定在其上的反馈杆转动；固定于反馈杆的电位器检测装置转动，并产生电信号；经过反馈单元处理，形成电压信号，送至控制器处理。

1.4 电气转换模块

电气转换模块实现完成电气转换功能。通过微控制器输出的电信号，控制压电阀，完成气路充气或放气，从而改变作用于气动调节阀的气路气压。这样，即可推动阀杆移动，完成阀门定位。

1.5 通信模块

通信模块利用单片机上的USART接口[5]。发送时，数据由UTXD端送出。接收时，数据由URXD端输入。它是可编程的全双工串行口。基于单片机的下位机，主要完成现场数据的采集与处理，并通过无线的方式将数据发送到上位机。上位机根据用户设定，定时向下位机发出读取数据的命令，并接收返回的数据值。

2 控制系统软件设计

根据系统的功能要求，本系统的主要流程包括：系统初始化、阀门开度及各种参数的显示、A/D采集、系统自整定、按键的处理、控制算法的实现、故障处理及安全保障程序等。

2.1 系统初始化

系统初始化包括：标志位及单元的清零；单片机I/O口的设置；液晶显示驱动芯片NJU6433、存储芯片EEPROM等与MSP430F149的接口定义；各个参数单元的初始值设定；定时器工作方式的设定；定时器初值的设定；中断标志的设定等。

2.2 阀门开度及各种参数的显示

系统正常工作时，要显示阀门开度及其他各种信息。当液晶显示屏显示系统状态时，即开始等待键盘输入；输入有效值后，则在液晶显示屏上显示所需查看的各种模式。

智能阀门定位器的工作模式主要有自动模式和手动模式。

自动模式是智能阀门定位器的常用工作方式，也是智能阀门定位器的核心功能部分。它通过自适应控制程序，根据系统输入的电流设置值完成阀位开度的闭环控制，不断减小系统输入输出偏差，并可将阀门实时开度百分比、工作方式显示在液晶屏上。

手动模式是通过按键，设置系统自动模式向手动模式的切换。此时，系统将放弃对阀位开度的闭环控制，允许用户采用UP和DOWN键控制阀位，并在液晶显示屏上显示当前系统的阀位开度百分比。通过按下UP和DOWN键，完成现场调整：长按UP键，实现系统的快速充气；长按DOWN键，实现系统的快速放气；释放UP和DOWN键，保持当前状态，执行机构停止。

2.3 A/D采集

MSP430单片机带有8路的12位A/D转换模块，在这里选用了三路采集通道，分别对输入信号、反馈和速度进行采集。使用单通道多次采样的方式，每隔一定的时间对当前值进行检测，并将检测到的值与设定值进行比较，得到正确的显示值，传送至LCD显示。

2.4 控制算法

采用积分分离的PID控制算法[6]。控制单元比较采样、滤波处理后得到的设定值(set value,SV)与反馈值(process value,PV)获得系统的输出误差；通过控制算法计算，输出控制信号，驱动压电阀动作，控制气动调节阀、气腔气压、驱动执行机构动作，完成阀位的闭环控制[7]。

主程序是整个系统软件的运行主体，各个子系统软件都必须经过它的调度，才能运行得当。主程序包括初始化程序、看门狗复位及通信发送启动等。初始化主要完成上电自检ROM、RAM、EEPROM、I/O；将系统中所有的命令、状态以及有关的存储单元置成初始状态；分配内存单元及设置定时器参数等。故障判断及安全处理程序，可为系统正常工作创造条件。在主循环系统中，随时等待中断的发生，并转入相应的中断处理程序。同时，通过按键功能，进入相应的按键处理程序[8]。

系统总体程序流程如图2所示。

图2 系统总体程序流程图

3 系统测试及试验结果

当阀门流量特性为线性流量特性时，阀门流量特性测试结果如表1所示。

从表1的试验数据可以看出，系统控制后的流量特性和预期的目标流量特性是相吻合的，系统的精度控制在1%之内。由此证明，本控制系统能够稳定运行，可靠性高，具有良好的动态响应特性。

表1 阀门特性

4 结论

本文提出了一种以MSP430为核心的智能阀门定位器。阀门的动作模式、流量特性、自动调零与调量程、段幅控制、各个参数的确定、现场数据的显示等，都可由系统自动设定，也可根据用户需求进行自定义。阀门定位准确，具有较好的控制精度和响应速度[9-10]。该设计在实际工业生产中具有较高的应用价值。