基于MSP430的智能閥門定位器研制

朱天宇 董全林 劉日

摘 要： 針對工業(yè)控制領(lǐng)域?qū)φ{(diào)節(jié)閥控制精度和穩(wěn)定性的要求，設(shè)計一種基于MSP430單片機的智能閥門定位器。定位器采用MSP430F5438為核心控制器，執(zhí)行單元選擇高速開關(guān)電磁閥，控制算法上采用模糊控制整定PID參數(shù)。定位器除可以精確定位外，還具有自整定、自診斷、閥位輸出等多種附加功能。在對系統(tǒng)的設(shè)計原理、控制要求進(jìn)行簡要說明后，依據(jù)模塊化設(shè)計方法對硬件電路及軟件進(jìn)行了設(shè)計。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有控制精度高、穩(wěn)定性好、功能豐富、智能化程度高以及便于維護(hù)等特點。

關(guān)鍵詞： 智能閥門定位器; MSP430F5438; 硬件設(shè)計; 軟件設(shè)計; 電磁閥; 模糊控制

中圖分類號： TN141.2?34; TP216 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）12?0001?05

Abstract： In allusion to the control precision and stability requirements of the regulating valve in the industrial control field， an intelligent valve positioner based on MSP430 SCM is designed. In the positioner， MSP430F5438 is used as the core controller， the high?speed switching solenoid valve is selected for the execution unit， and the fuzzy control is used in the control algorithm to tune the PID parameters. In addition to the function of accurate positioning， the positioner also has various auxiliary functions such as self?tuning， self?diagnosis and valve position output. After a brief description of the system′s design principle and control requirements， the hardware circuit and software were designed according to the modularized design method. The experimental results show that the system has the characteristics such as high control precision and stability， rich functions， high intellectualized degree， and easy maintenance.

Keywords： intelligent valve positioner; MSP430F5438; hardware design; software design; solenoid valve; fuzzy control

閥門定位器是工業(yè)過程控制領(lǐng)域的重要儀表，在石油化工、水利、冶金等行業(yè)有著廣泛應(yīng)用[1]。因相關(guān)技術(shù)水平的差距，國內(nèi)市場一直被國外大企業(yè)所占據(jù)。為了振興民族工業(yè)，本文研制了一款基于MSP430單片機的高性能智能閥門定位器，其功能完備，定位效果好。

1 系統(tǒng)設(shè)計原理

如圖1所示為智能閥門定位系統(tǒng)的基本構(gòu)成。系統(tǒng)將傳來的4～20 mA（或其他信號制式）設(shè)定信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后送入微處理器，同時將閥門開度信息經(jīng)位移傳感器轉(zhuǎn)化為電信號反饋回微處理器。微處理器將這兩個信號作差，如果偏差在死區(qū)范圍內(nèi)，則使兩個開關(guān)電磁閥均處于切斷狀態(tài);否則根據(jù)偏差的大小經(jīng)過閥位控制算法得出相應(yīng)的PWM控制信號來控制兩個電磁閥通斷。從而調(diào)節(jié)執(zhí)行機構(gòu)的壓縮空氣流量，進(jìn)而推動閥桿移動來使閥芯準(zhǔn)確定位。對于雙作用執(zhí)行器，只需增加2路電磁閥對兩個氣室同時進(jìn)行控制即可[2]。

智能閥門定位器采用三線制，電源為24 V直流電;人機交互模塊包括顯示器和按鍵，主要用于顯示定位器的工作狀態(tài)和輸入工作參數(shù);外部數(shù)字指令可對定位器進(jìn)行一定程度的控制，主要起到保證生產(chǎn)安全的作用;閥位輸出用于將實時的閥門開度上傳到控制中心;輸出報警模塊可以在定位器發(fā)生故障時發(fā)出報警信號[3]。

2 系統(tǒng)設(shè)計要求

1） 定位精度在0.5%以內(nèi)，在電源電壓發(fā)生10%波動時定位精度不變。

2） 支持手動操作和自動操作兩種工作模式。自動操作由外部設(shè)定信號進(jìn)行控制;手動操作則通過按鍵操作進(jìn)行開度控制。

3） 能夠適配單/雙作用執(zhí)行器。

4） 設(shè)定信號和閥位輸出信號均為4～20 mA/0～20 mA/0～10 V/0～5 V可選。

5） 具有自整定功能，通過自整定可以判斷閥芯的行程范圍、執(zhí)行機構(gòu)的氣室大小以及氣缸摩擦力等參數(shù)，進(jìn)而確定最小進(jìn)氣量，調(diào)節(jié)PID參數(shù)。

6） 具有自診斷功能，可診斷設(shè)定信號意外掉電、閥門開度超限、偏差過大等，當(dāng)檢測到問題時可以保護(hù)系統(tǒng)同時輸出報警信息[4]。

7） 多種流量特性（線性、等百分比、快開等）可選，具有分程控制功能。

8） 可通過外部數(shù)字指令對定位器進(jìn)行簡單控制，將閥門開到事先設(shè)定的安全位置。

9） 具有密碼保護(hù)和中英文切換功能。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

為減輕模擬地和數(shù)字地之間的干擾，同時充分利用定位器外殼內(nèi)部空間，將硬件系統(tǒng)分為主控板和接口板兩大部分。其中，主控板包括MSP430單片機最小系統(tǒng)和人機交互模塊;接口板則包括電源電路、采樣電路、電氣轉(zhuǎn)換單元驅(qū)動電路、閥位輸出電路等。下面分別對各個模塊進(jìn)行介紹。

3.1 中央控制單元

中央控制單元是智能閥門定位器的核心，本系統(tǒng)采用德州儀器54系列微控制器MSP430F5438，它是一款具有16位RISC結(jié)構(gòu)的超低功耗微處理器。MSP430F5438具有5種時鐘源、512 kB的FLASH ROM和66 kB的RAM、帶捕獲/比較器的16位定時器TimerA和TimerB、12位8通道ADC以及I2C、SPI、UART通信接口。

3.2 電源電路

定位器采用直流24 V作為電源，由于工業(yè)現(xiàn)場的電壓波動較大，而電磁閥是24 V驅(qū)動且對電壓波動敏感，所以必須對24 V電壓進(jìn)行穩(wěn)壓處理。電源電路設(shè)計如圖2所示。圖中U3即為24 V穩(wěn)壓模塊。根據(jù)對所選元器件的分析，本系統(tǒng)還需要5 V和3.3 V兩種電源。LM1為24 V轉(zhuǎn)5 V芯片，LM2為5 V轉(zhuǎn)3.3 V芯片[5]。系統(tǒng)需要輸出24 V作為報警信號，通過光耦I(lǐng)C10控制通斷24 V電源來實現(xiàn);且可以輸入15～30 V作為外部數(shù)字指令，首先經(jīng)過穩(wěn)壓二極管D7穩(wěn)壓至3.3 V，然后經(jīng)光耦I(lǐng)C11隔離后輸入到單片機引腳。

3.3 模擬信號采樣處理電路

1） 設(shè)定信號采樣及處理

模擬信號采樣處理電路如圖3所示。設(shè)定信號要求為0～20 mA，4～20 mA，0～5 V，0～10 V可選，信號制式的選擇通過P9.1端口進(jìn)行控制。當(dāng)P9.1輸出高電平時，光耦I(lǐng)C8和IC9關(guān)斷，此時應(yīng)輸入電壓信號;反之，應(yīng)輸入電流信號，而單片機A/D轉(zhuǎn)換器采樣的是電壓信號，因此需要通過采樣電阻將其轉(zhuǎn)化為電壓信號。

2） 反饋信號采樣及處理

閥位反饋采用高精度導(dǎo)電塑料位移傳感器，本文使用MSP430F5438內(nèi)部ADC可編程配置基準(zhǔn)電壓（2.5 V）為傳感器供電。運放B構(gòu)成一個電壓跟隨器，其輸出由位移傳感器進(jìn)行調(diào)節(jié)，P6.3/A3管腳的電壓范圍為0～2.5 V。

3.4 電氣轉(zhuǎn)換單元驅(qū)動電路

智能閥門定位器的電氣轉(zhuǎn)換單元由四個兩位三通電磁閥構(gòu)成，由于電磁閥的供電電壓為24 V，不能由單片機引腳驅(qū)動，所以必須設(shè)計相應(yīng)的驅(qū)動電路。首先通過單片機的I/O口驅(qū)動光耦，再通過光耦驅(qū)動三極管，最后三極管驅(qū)動電磁閥[6]。電氣轉(zhuǎn)換單元驅(qū)動電路如圖4所示。

3.5 閥位輸出電路

系統(tǒng)要求以模擬信號的方式實時輸出閥門的實際開度，模擬信號制式為0～20 mA，4～20 mA，0～5 V，0～10 V可選。閥門的實際開度由控制器通過位移傳感器進(jìn)行采樣并經(jīng)過整定后為數(shù)字信號，再經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換為模擬信號，最后進(jìn)行放大或V/I轉(zhuǎn)換輸出電流。由于MSP430F5438沒有D/A模塊，需外加D/A轉(zhuǎn)換芯片DAC7611，該芯片的輸出電壓范圍為0～4 V;P9.0為V/I轉(zhuǎn)換控制端，當(dāng)P9.0為低電平時，IC5和IC6關(guān)斷，IC7導(dǎo)通，此時輸出電壓信號，電壓經(jīng)放大器A放大至10 V以上;反之，輸出電流信號，電路首先將D/A輸出值分壓，得到0～2 V電壓，然后經(jīng)V/I轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為電流信號。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件設(shè)計的主要任務(wù)是對采集到的設(shè)定值和反饋值作差，根據(jù)閥位控制算法生成PWM波控制電磁閥的通斷來實現(xiàn)閥位的精確調(diào)節(jié)。此外，還需要實現(xiàn)設(shè)計要求中豐富的附加功能。軟件設(shè)計采用模塊化設(shè)計方法，這使得程序結(jié)構(gòu)清晰，便于編寫、調(diào)試、修改及以后的功能擴(kuò)展[7]。

系統(tǒng)功能由中斷實現(xiàn)，主要有定時器中斷和按鍵中斷。定時器中斷的時間間隔為20 ms。其中斷服務(wù)程序執(zhí)行包括采樣程序、控制算法程序以及PWM輸出程序在內(nèi)的控制回路，是整個軟件部分的核心;按鍵中斷的中斷優(yōu)先級高于定時器中斷，在其中斷服務(wù)程序中執(zhí)行相應(yīng)的按鍵操作[8]。

主程序流程圖如圖6所示。系統(tǒng)上電后，首先對各個模塊進(jìn)行初始化操作，然后打開總中斷進(jìn)入死循環(huán)等中斷。在大循環(huán)中包括LCD顯示程序、外部數(shù)字指令處理程序、自整定程序、自診斷程序以及閥位輸出程序。

此程序包含了整個控制閉環(huán)，定時時間20 ms則為采樣間隔。首先由MSP430F5438單片機自帶的12位ADC對設(shè)定值和反饋值進(jìn)行采樣。為減小采樣點高頻干擾，程序中采用中位值平均濾波法：采集12個數(shù)據(jù)，去掉最高值和最低值求其平均值作為一次采樣值[9]。接下來對設(shè)定值和反饋值分別進(jìn)行歸一化處理，將二者統(tǒng)一到0～100%范圍內(nèi)，方便進(jìn)行后續(xù)處理。然后根據(jù)需要執(zhí)行相應(yīng)的流量特性和分程控制函數(shù)，其中流量特性包括線性、快開和等百分比?？扉_和等百分比也有多種曲線，甚至用戶還可以自定義曲線的形狀。求出偏差后執(zhí)行模糊PID控制算法輸出PWM波驅(qū)動電磁閥，用模糊控制來整定PID參數(shù)[10?11]，非常適合這種非線性系統(tǒng)。按鍵中斷流程圖如圖8所示。對定位器的一切操作都是通過4個獨立按鍵實現(xiàn)的，分別是確定鍵、向上鍵、向下鍵以及退出鍵。在主界面下，長按確定鍵3 s可實現(xiàn)手動操作和自動操作的切換[12]，長按上/下鍵3 s可以打開菜單。在進(jìn)入到菜單后，確定鍵可以進(jìn)入選中的子菜單或執(zhí)行選定的某項功能，上/下鍵可以滾動菜單。上/下鍵在手動操作模式下可用來設(shè)定閥門開度大小，在進(jìn)行參數(shù)調(diào)整時可以調(diào)整出合適的參數(shù)。而退出鍵則可以在任何狀態(tài)下直接退出當(dāng)前操作回到主界面。

此外，定位器還具有密碼保護(hù)功能，以確保生產(chǎn)過程的安全性;具有中英文切換功能，有利于走出國門銷往海外;具有行程限定功能等。

5 實驗及分析

實驗平臺如圖9所示。圖中圓形板為主控板;方形板為接口板;中間LCD顯示器和下面4個按鍵構(gòu)成人機交互模塊;左下角為電磁閥;右下角為信號發(fā)生器，可產(chǎn)生4～20 mA信號用作輸入;上方為單作用調(diào)節(jié)閥，調(diào)節(jié)閥上裝有位移傳感器。

對整個系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)試，氣源壓力7.0 MPa，經(jīng)減壓閥穩(wěn)定至5.0 MPa。首先進(jìn)行一次自整定確定相關(guān)參數(shù)，執(zhí)行器選擇單作用，信號制式選擇4～20 mA。在對各個附加功能進(jìn)行驗證后對其控制性能進(jìn)行測試，每隔15 s依次將閥門從關(guān)閉打開至25%，50%，75%的開度，再依次減小開度至關(guān)閉。根據(jù)實測數(shù)據(jù)繪制控制曲線如圖10所示。可以看出，本定位器調(diào)節(jié)十分迅速，調(diào)節(jié)時間在5 s內(nèi)，控制精度在0.5%以內(nèi)。將電源電壓升至26.4 V、降至21.6 V再進(jìn)行兩組測試，得到相似結(jié)果，說明在電源波動10%以內(nèi)控制效果不變。

6 結(jié) 論

本文設(shè)計了一種多功能智能閥門定位器，對系統(tǒng)軟硬件構(gòu)成進(jìn)行了詳細(xì)闡述。經(jīng)測試，系統(tǒng)各項功能正常，控制效果滿足要求。筆者完成的工作達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，設(shè)計的智能閥門定位器可以廣泛應(yīng)用于實際系統(tǒng)，且成本較低、可靠性高，可獲得可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)

[1] 王再英，劉淮霞，陳毅靜.過程控制系統(tǒng)與儀表[M].北京：機械工業(yè)出版社，2006.

WANG Zaiying， LIU Huaixia， CHEN Yijing. Process control system and instrument [M]. Beijing： China Machine Press， 2006.

[2] 尚群立，蔣鵬.智能電氣閥門定位器的研制[J].儀器儀表學(xué)報，2007，28（4）：718?721.

SHANG Qunli， JIANG Peng， Research on intelligent electro?pneumatic valve positioner [J]. Chinese journal of scientific instrument， 2007， 28（4）： 718?721.

[3] YUZAWA S， OOTSUKA K， NAGATA M， et al. New smart valve positioner with advanced diagnostics for enhanced safety of plant operations [C]// Proceedings of 54th Annual Conference of the Society of Instrument and Control Engineers of Japan. Hangzhou： IEEE， 2015： 1023?1028.

[4] 王洪慶.基于微控制器的智能閥門定位器控制系統(tǒng)的設(shè)計[J].儀表技術(shù)與傳感器，2010（10）：92?94.

WANG Hongqing. Design of intelligent valve locator control system based on MCU [J]. Instrument technique and sensor， 2010（10）： 92?94.

[5] 林慧.智能電氣閥門定位器的研究開發(fā)[D].天津：天津大學(xué)，2003.

LIN Hui. Research and development on smart electrical valve positioner [D]. Tianjin： Tianjin University， 2003.

[6] 于薇，董全林，張玉蓮，等.基于MSP430單片機的閥位智能調(diào)節(jié)測控系統(tǒng)研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2015，38（23）：94?97.

YU Wei， DONG Quanlin， ZHANG Yulian， et al. Study on MSP430 SCM based measurement and control system of valve intelligent regulation [J]. Modern electronics technique， 2015， 38（23）： 94?97.

[7] 蔡明，白雪蓮，章英.國產(chǎn)新型智能閥門定位器的設(shè)計[J].自動化儀表，2011，32（7）：73?75.

CAI Ming， BAI Xuelian， ZHANG Ying. Design of new type of domestic smart valve positioner [J]. Process automation instrumentation， 2011， 32（7）： 73?75.

[8] 劉會森，董全林，丁瑩，等.基于HART協(xié)議智能閥門定位器的研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2016，39（15）：160?163.

LIU Huisen， DONG Quanlin， DING Ying， et al. Study on intelligent valve positioner based on HART protocol [J]. Modern electronics technique， 2016， 39（15）： 160?163.

[9] 鮑鶴，虎恩典，周朋，等.電廠用低功耗閥門定位器的研制[J].液壓與氣動，2016（6）：78?83.

BAO He， HU Endian， ZHOU Peng， et al. Development of low power valve positioner for power plant [J]. Chinese hydraulics & pneumatics， 2016（6）： 78?83.

[10] 李朋憲.智能閥門定位器的開發(fā)[D].重慶：重慶理工大學(xué)，2014.

LI Pengxian. Development of intelligent valve positioner [D]. Chongqing： Chongqing University of Technology， 2014.

[11] 趙明南，楊金堂，夏中愈，等.智能閥門定位器控制方法的研究[J].機床與液壓，2015，43（2）：141?144.

ZHAO Mingnan， YANG Jintang， XIA Zhongyu， et al. Research on the intelligent valve positioner control method [J]. Machine tool & hydraulics， 2015， 43（2）： 141?144.

[12] 李鳴，周天龍，黃曉剛.基于PROFIBUS?DP的智能閥門定位器設(shè)計[J].儀表技術(shù)與傳感器，2011（2）：71?73.

LI Ming， ZHOU Tianlong， HUANG Xiaogang. Design of intelligent valve positioner based on PROFIBUS?DP [J]. Instrument technique and sensor， 2011（2）： 71?73.