低功耗二线制设计在电气阀门定位器中的实现

（浙江锋源仪表有限公司，浙江富阳 311400）

0.引言

社会促进工业进步，阀门自动定位器从最初使用的纯气动、机械化，发展到后来的电动阀及阀门自动开关定位器，再到目前的智能型和广泛使用数字总线控制技术及自动定位系统，这些发展的未来总趋势必然电气化、智能化、知识化，而且也要必须适应未来的全面数字控制的时代工业过程。虽说在我们国家这个领域的研究发展开始时间较晚，但目前随着国际化，在各大国经济发展的趋势下，我国已经快速发展起来了。人们也日益认识和了解到加速工业设施现代化设备的技术改造能带给生活便利。为此，基于深刻地消化和完全理解某公司开发同系列产品的基础上，对使用低功耗二线电气阀门定位器的开发研制进行了初步的技术探索工作[1]。

1.电气阀门定位器的控制原理

电气阀门定位器的控制原理见。经过2个小的气动控制器后阀a和阀门b是用来分别控制两个压缩空气门的进出气动温度调节控制阀，阀a用的是气动进气阀，阀b用的是气动排气阀，这2个小的阀门都只有“开”和“关”两种工作状态。在任一特定时刻，阀a、b之中它都只能保证有一个可以开通，另一个不能关闭。当调节a主阀开通时，由于调节压缩气和空气内的压力远远大于调节膜头内部的压力，因此压缩空气大量进入气动调节阀主阀，阀杆从上向下倾斜移动；反之，则当调节b主阀开通时，调节阀主阀气室内的大量压缩气和空气经调节b主阀排入调节大气，阀杆在液压弹簧的推动作用下阀杆向上倾斜移动。在这种电气阀门自动定位器中，为了足够能与自动控制电路同时接口，阀a和阀门b的自动开关同时接通与自动关断必须做到能够用一定电量信号来进行控制。

我们日常使用的压电磁阀主要是一种新型压力式电磁性金属陶瓷材料电磁自动控制阀，其正常工作时的基本原理也就是磁阀通过依据各种不同压电磁性陶瓷材料的不同磁性比和压力将电磁化产生效应。用一个纳米大小片特殊金属材料焊接制作的小型的经压电后的变形成型陶瓷片，在它两侧分别要再加上4V～30V值的额定电压，压电后的变形陶瓷片就很有可能会自然然地发生弯曲，总的折弯形状和压电变量最大长度可达几十微米。从而保证用户随时可以完全放松堵住/暂时完全放松打开车内室外进气口或完全关闭车内排气口，达到完全实时控制车内进出气流的主要使用目的。阀位控制采用五接点开关控制算法，这种算法原理简单明了，控制特性较好，实现也不复杂，适合那些基于微控制器的应用系统。

2.二线制仪表

二线制式的仪表就是指无线电源和仪表信号控制线之间公用两根圆形导线的控制仪表，即不需要使用任何额外的无线电源，仪表的电源供电完全可以是从电源控制器的信号中直接取出的。对于一种二线程控制定位器来说，输入输出电流源的信号频率范围一般为4mA～20mA，此电流信号既可以作为一个定位输出信号，又可以提供整个定位器所使用需要的全部输出功率，因此整个定位设备性能要求在低频率功耗下正常运行。现如今在石油、化工等工业控制中，对防火防爆的要求非常严格，而二线制仪表由于电源本身可以取信号线，不需要另外提供电源，所以在构成本质安全的防爆结构里具有很大的优势。

3.电气阀门定位器的硬件构成

整个硬件设计的困难在于双线系统对能源的使用要求很严格，整个系统（包括压力控制阀驱动）应能通过4mA～20mA的报警线路供电。

由于电动阀定位器的引入仅仅只是电流信号，实际电路需要不同的电压。例如，一个与MCU和ADC电压输入电流相当的ADC输入电压可能需要3.3V，a在压力下工作的陶瓷电磁阀的控制需要24V以上的电压，这些都需要一定的转换和处理。电源转换模块的任务是将输入电流转换成2个电源组：3V和24V的微处理器和其他装置。由于成功转换电路的这一部分，以及效率水平直接影响系统的功率，从而影响整体设计的电路成功或失败，所以位置是特别重要的。

这部分电路对应于一个简单的开关控制器，其基础思想是将输入电流转换为低电压，再通过发电机产生振动。最后通过整流、滤波以及获得所需的电压值，进行过滤，使线性电压稳定，促进了直流电的转换(DC/DC变换)。为了实现这一点，需要做自己的变压器巡视。由于LO消耗的能量较少，选择它作为一个显示，可以提供一个互动的界面与键盘，用户可以手动控制阀位置或输入控制参数[2]。

4.电气阀门定位器的软件构成

软件开发主要是实现了一个简单的实时内核，取决于中断的时间。在这个基础上，功能应该是在执行任务的不同频率下，在不同的任务模块中开发完成任务的不同频率。为了实现所有的系统功能，在开发过程中，降低系统的能源消耗，使用低成本的节约措施。该阀门定位器软件主要由以下模块组成：

（1）AD数据处理和电动压力阀控制模块。主要完成取样、ADC数据处理和闭路控制。

（2）将EPROM参数纳入模块。将系统配置参数纳入EPROM，以便在断电后保持系统的重要参数。

（3）单击按钮来扫描和处理模块。履行键控功能，消除抖动，记录时间，当你按下一个键，并在特定的事件发生时调用一个键。

（4）LC显示模块。它的任务是显示剪贴板的内容在LCD。除了正常的显示，还可以在设置菜单中执行闪烁、交替显示等功能。

（5）自动调整模块。其功能是完成自动调整和系统设置。

5.低功耗的实现

正是由于两条线路的系统，以最小的能源使用是主要目标，也是在设计整个系统结构时应遵循的程序。如果系统允许在信号输入输出功率波动时，信号输出线的最低输入电流实际上是3.6MHz。假设每个输入容器的一端可以产生10V的电压，整个系统的输出功率不应超过36MW。如此低的能耗，提供给外围供电设备，如MCU、ADC、LED、EEPROM并运输，以及能够产生低频和高压电流的陶瓷电磁阀。以下是为了实现控制系统的功能效率一系列上大幅减少能源使用的有效措施。

（1）在低较大功耗直流电路的基本设计上，尽量减少不必要的较大功率电路消耗，提高各电路部分的直流供电运行效率。低功率能耗桥式二线制动器设计在工业电气控制阀门自动定位器系统中的应用实现。

（2）在微型集成电路和低功耗的器件实现上，选择一种低成本功耗或微型低功耗的集成器件。

（3）控制要减少器件的运行电压，MCU及其外部元器件的正常工作电压可以减少至3.3V。

（4）减少MCU的工作频率。将微控制器的总线信号频率下调至1.0MHz。

（5）要尽量充分利用元器件的省电或者是有空闲的方式。

另一个方面，系统的运行速度和其他的性能，在大大降低了功耗的情况下，必然也就意味着系统各个方面都会受到一定性能上的损失，在进行设计过程中应该慎重考虑。

6.结语

工业科技在被不断创新，低功耗的二线制设计越来越趋于精细化，在电气阀门定位器中已经实现了定位器的控制快捷、控制性能比较优良、具备灵活多变的性能，并且还可以实现对参数进行自动化的整定和调校。低功耗的二线制电气阀门定位器的设计与实现，是一个有益的研究探索，对于二线制电气仪表的全方位研制与应用，起到一定的积极推动作用，为我国经济社会发展工业高效进步贡献了力量。