氣動執(zhí)行器是工業(yè)自動化控制系統(tǒng)重要組成部分，是控制任務(wù)的*終執(zhí)行者。它由氣動調(diào)節(jié)閥和電氣轉(zhuǎn)換器構(gòu)成。目前，我國自行生產(chǎn)的主要以力平衡原理的機(jī)械式和模擬電子技術(shù)的產(chǎn)品為主。隨著智能、網(wǎng)絡(luò)、通信和控制/管理一體化綜合自動化技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)控制現(xiàn)場對氣動調(diào)節(jié)閥的智能化要求迫切。由于在安全防爆性能方面優(yōu)于電動執(zhí)行器，智能化的氣動調(diào)節(jié)閥在石化工業(yè)易燃易爆危險場所成為市場內(nèi)新一代產(chǎn)品。

    一、產(chǎn)品技術(shù)特點

    重慶川儀總廠有限公司推出的HVP2000系列智能閥門定位器具備以下特點：（1）采用壓電陶瓷的物理/電氣特性研制成的高可靠性的電氣轉(zhuǎn)換單元，實現(xiàn)了高輸入阻抗、低功耗、耐振動和微型化的統(tǒng)一；（2）采用兩線制、低功耗、處理功能強(qiáng)的基于 80C51系列單片機(jī)的控制電路，整機(jī)達(dá)到ibⅡCT5本安防爆要求；（3）軟件功能強(qiáng)大，可實現(xiàn)多種智能化功能；（4）通過可靠性設(shè)計、失效分析、可靠性分配和采取可靠性措施，項目MTBF達(dá)到25000h。

     1.整機(jī)

    基本性能：行程10~100mm；
    基本誤差：±0.5%；
     MTBF：≥16000h。

     2.主要功能

    整機(jī)采用單片機(jī)控制，實現(xiàn)了全數(shù)字化、智能化，如流量特性修正、自動調(diào)零與調(diào)量程、報警、故障自診斷、現(xiàn)場顯示等都可由軟件功能實現(xiàn)。這些特點都是現(xiàn)有同類項目所不具備的，徹底改變了傳統(tǒng)的依靠結(jié)構(gòu)各異的零件加工和現(xiàn)場調(diào)整來適應(yīng)現(xiàn)場要求的狀況，同時，定位器的數(shù)字化、智能化的實現(xiàn)為氣動類執(zhí)行器和調(diào)節(jié)閥的智能化，進(jìn)而實現(xiàn)各種現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)通信功能打下了基礎(chǔ)，使氣動調(diào)節(jié)閥也成為智能化的網(wǎng)絡(luò)控制設(shè)備，該項技術(shù)屬國內(nèi)水平。

    二 整機(jī)工作原理

     HVP2000系列智能閥門定位器由控制單元、電氣轉(zhuǎn)換I/P單元、閥位檢測反饋單元3部分組成，其原理如圖1所示。來自調(diào)節(jié)器的輸入信號與閥位反饋信號一同進(jìn)入微處理器，進(jìn)行比較運算，根據(jù)兩者之間的偏差輸出一控制信號到I/P轉(zhuǎn)換單元，控制I/P單元的輸出氣壓及氣動調(diào)節(jié)閥的閥桿運動，閥桿的行程同時反饋到控制單元，由此形成閉環(huán)控制。

     I/P轉(zhuǎn)換單元可由兩個開關(guān)控制閥A、B組成。通過兩個方向的控制閥A和B來控制壓縮空氣進(jìn)出氣動調(diào)節(jié)閥，閥A是進(jìn)氣閥，閥B是排氣閥，這兩個閥門都只有“開”和“關(guān)”兩種狀態(tài)。在任意時刻，閥A、B之中只能有一個開通，另一個處于關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)A開通時，由于壓縮空氣的壓力大于膜頭內(nèi)的壓力，因此壓縮空氣進(jìn)入調(diào)節(jié)閥，閥桿向下移動；反之當(dāng)B開通時，調(diào)節(jié)閥氣室內(nèi)的壓縮空氣由B排入大氣，閥桿在彈簧的作用下向上移動。

    在智能閥門定位器中，為了能與控制電路接口，閥A和閥B的開通和關(guān)斷必須能夠用電流或電壓來控制，實際中使用的閥A和閥B可以用電磁閥和壓電陶瓷閥或是類似功能的部件來實現(xiàn)。

    三 基于壓電陶瓷原理的I/P方案

    進(jìn)氣閥及排氣閥的控制是本項目技術(shù)實現(xiàn)的關(guān)鍵，必須同時能滿足低功耗啟動、高可靠、長壽命、電流/電壓控制→氣源壓力控制的要求�？蛇x擇的方案有：基于電磁感應(yīng)原理的噴嘴擋板式和基于高效壓電效應(yīng)的壓力調(diào)節(jié)器或電磁閥。以下介紹一種基于壓電效應(yīng)的壓力調(diào)節(jié)器。

    該壓力調(diào)節(jié)器系利用鋯鈦酸鉛等壓電陶瓷“電鐵材料”的壓電效應(yīng)來實現(xiàn)壓力調(diào)節(jié)。壓電陶瓷通常用的是通過外加足夠高的電場，陶瓷晶體中的電偶極子可以發(fā)生轉(zhuǎn)向，如圖2所示。

    如果金屬電極敷在材料的表面，電壓加在兩個電極之間，結(jié)果陶瓷體將在電場方向伸長。

    用簡單的公式表示：S=dE，式中，S=ΔL/L表示陶瓷在某一電場強(qiáng)度E時的應(yīng)變（相對變形），d為壓電常數(shù)。利用壓電陶瓷片可以設(shè)計“雙層壓電疊片”，如圖3所示。兩個薄長條壓電陶瓷片粘在一起，其極化方向相反，上面長條在長度方向上伸長，而下面長條在長度方向上縮短，這種不同的應(yīng)變使陶瓷臂彎曲，并使自由端位移一段距離Z，其電一機(jī)特性如圖4所示。

    根據(jù)上述的“雙層壓電疊片”的特性，經(jīng)過特殊制作可得到需要的壓電陶瓷片，在它兩側(cè)加上電壓，壓電陶瓷片就會發(fā)生彎曲，總的形變量可達(dá)幾百微米。從而可以堵住/放開進(jìn)氣口和排氣口，達(dá)到控制氣流的目的。由于壓電陶瓷的阻抗很高，所以這種控制閥的優(yōu)點是功耗極低，易于實現(xiàn)兩線制儀表和本安防爆。此外，它的動作速度快、質(zhì)量輕，因而在振動較大的環(huán)境中仍能可靠地工作。利用上述原理可設(shè)計實現(xiàn)電氣轉(zhuǎn)換作用的I/P單元。

    根據(jù)壓電陶瓷的壓電效應(yīng)，可以設(shè)計出多種電氣轉(zhuǎn)換開關(guān)。其中如圖5所示。

    當(dāng)壓電陶瓷在不同的電壓作用下，其上下位移可分別關(guān)斷不同的氣孔，從而實現(xiàn)電氣轉(zhuǎn)換的開關(guān)功能。由于壓電陶瓷本身還具有極高的阻抗特性，因此，為實現(xiàn)整機(jī)的低功耗創(chuàng)造了條件。

    四 控制電路方案

    （1）儀表采用兩線制總線供電方式進(jìn)行工作，通過DC/DC獲取一組控制電路所需電源電壓，用于儀表本身所需能量以及I/P的控制電壓。通信部分采用HART協(xié)議規(guī)程并由相關(guān)模板實現(xiàn)其功能，由于HART協(xié)議智能閥門定位器的控制主能量來自總線上的直流電流，所以需要獲取總線電流值，及需要經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，同時也須將閥門當(dāng)前的位置信息反映上來，并經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換。在獲取了總線電流和閥體位置后，就為CPU智能控制提供了前提。CPU經(jīng)過計算分析后，向壓電閥控制電路不斷送出控制信息，從而使儀表得以正常工作。如圖6所示。

    （2）控制電路可選用80C51系列單片機(jī)。MCS一引系列單片機(jī)是20世紀(jì) 80年代美國Intel公司推出的一種高性能的8位單片機(jī)。它的片內(nèi)集成了并行I/O、串行I/O、16位定時器/計數(shù)器，片內(nèi)的RAM和ROM都比較大，RAM可達(dá)256B，ROM可達(dá)4~8kB；由于片內(nèi) ROM空間大，BASIC語言等都可以固化在單片機(jī)（如 8052AH-BASIC芯片等）內(nèi)�，F(xiàn)在MCS-51系列單片機(jī)已經(jīng)有許多品種，應(yīng)用較多的如8031、8051、8751。

    （3）低功耗是實現(xiàn)該技術(shù)方案的關(guān)鍵，為此設(shè)計中采用兩線制方案，即電源和信號線公用兩根導(dǎo)線的儀表，不使用任何額外的電源，儀表的供電完全是從控制信號中取出的，目前工業(yè)現(xiàn)場*常用的就是標(biāo)準(zhǔn)化的 4~20mA電流信號。兩線制儀表由于電源本身取自信號線，所以在構(gòu)成本質(zhì)安全的防爆結(jié)構(gòu)時，具有很大的優(yōu)勢。對于兩線制定位器來說，輸入電流信號范圍為 4~20mA，此信號既可作為定位器信號，又提供定位器所需要的全部運行功率，為整機(jī)運行在低功耗狀態(tài)下創(chuàng)造了條件，在具體設(shè)計中選擇了以下一些方案。

    （a）選擇低泄漏電流的穩(wěn)壓二極管、本安保護(hù)二極管，以減少泄放電流。
    （b）在確保電路正常工作的前提下，降低自激振蕩電路工作電壓；提高自激電感品質(zhì)因素，降低自激電容泄漏電流。
    （c）在保證流過變壓器初級繞組電流的前提下，減小三極管基極驅(qū)動電流以增加放大倍數(shù)，減小開關(guān)三極管導(dǎo)通壓降。
    （d）變壓器部分：該部分為能量損耗的部分。在保證不會出現(xiàn)磁飽和情況的前提下，盡可能地選擇導(dǎo)磁率較高的磁介質(zhì)。各個繞組在繞制的過程中，均要求緊密、整齊繞制。
    （e）整流濾波部分：降低整流二極管導(dǎo)通壓降，以及反向漏電流。降低本安保護(hù)二極管泄漏電流。選擇低泄漏穩(wěn)壓二極管。降低濾波電容漏電流，較大容值的電解電容均選用鉭電解電容。
    （f）選擇低功耗元器件，提高元器件利用率，減小元器件數(shù)量，盡可能降低元器件在使用時的能量消耗，如降低CPU的工作頻率，減小A/D采樣速率等。
    （g）減少總線噪聲：對產(chǎn)生振蕩的電路部分選用高階RC濾波，本電路采用二階RC濾波。在保證獲取充足能量的前提下，增大濾波電阻阻值。在保證本安要求的前提下，增大濾波電容容值。選用電感量較小的電容。

    （4）軟件功能

    （a）自動初始化功能：定位器啟動后，自動調(diào)整零點和滿量程、自動檢測執(zhí)行器或氣動系統(tǒng)中的誤差信號、選擇操作方向、組態(tài)需要的閥門特性、在運行中修改調(diào)節(jié)參數(shù)、監(jiān)察和自診斷、故障報警、軟限位開關(guān)和位置指示、閥門的全行程自校。
    （b）高級的軟件功能：可查看閥門的執(zhí)行機(jī)構(gòu)特性、動態(tài)偏差、階躍響應(yīng)等信息。另外，閥門的工況也可在其上反映出來。借助這些信息，可以快速地處理故障，通過應(yīng)用軟件建立閥門操作的圖表。

    五 結(jié)論

    本課題源于國家“九五”科技攻關(guān)計劃，項目在電/氣轉(zhuǎn)換技術(shù)、低功耗（本安）控制電路及單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)、控制軟件設(shè)計和HART通信協(xié)議的實現(xiàn)等技術(shù)難題上取得重大突破，并得到大量實驗數(shù)據(jù)的支持，已在長壽化工廠、瀘天化等大型化工廠生產(chǎn)現(xiàn)場試運行，完全達(dá)到設(shè)計要求。目前已在重慶川儀總廠有限公司進(jìn)行批量生產(chǎn)。本課題的研究緊密結(jié)合我國新一代智能氣動調(diào)節(jié)閥的核心技術(shù)攻關(guān)和產(chǎn)品的更新?lián)Q代，代表了傳統(tǒng)氣動儀表的智能化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展方向，為用戶提供了一種新型的智能閥門定位器產(chǎn)品。

原創(chuàng)作者：浙江金鋒自動化儀表有限公司