中國報(bào)告大廳網(wǎng)訊,在工業(yè)自動(dòng)化進(jìn)程持續(xù)深化的背景下,智能閥門作為流程控制領(lǐng)域的核心執(zhí)行單元,其技術(shù)升級與性能優(yōu)化成為推動(dòng)行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵動(dòng)力。2025年,智能閥門行業(yè)呈現(xiàn)出低功耗、高精度、高可靠性與智能化融合的鮮明趨勢,其中二線制供電與控制方案因契合工業(yè)現(xiàn)場節(jié)能降耗及防爆安全需求,市場滲透率預(yù)計(jì)將提升至65%以上。當(dāng)前,智能閥門在化工、冶金等高危復(fù)雜場景的應(yīng)用日益廣泛,對本質(zhì)安全防爆、遠(yuǎn)程通信交互及抗干擾能力的要求不斷提高,傳統(tǒng)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)式智能閥門存在工藝復(fù)雜、功耗偏高的問題,難以完全適配低功耗工況需求,因此開發(fā)基于新型控制芯片與優(yōu)化算法的超低功耗智能閥門定位器,成為行業(yè)技術(shù)突破的重要方向。以下是2025年智能閥門行業(yè)技術(shù)分析。
智能閥門定位器作為智能閥門的核心控制部件,其信號傳輸采用二線制Bell標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)總線4-20mA HART信號,該信號在4-20mA電流源給定信號基礎(chǔ)上疊加1mA峰峰值的頻移鍵控信號,其中1.2kHz±10Hz中心頻率表示1,2.2kHz±10Hz中心頻率表示0,可實(shí)現(xiàn)超過100m的遠(yuǎn)程智能閥門校準(zhǔn)、參數(shù)設(shè)置等操作。其工作核心邏輯為:通過對智能閥門給定開度模擬量進(jìn)行電流-電壓變換獲取控制板電源,同步采集給定電流與反饋位移行程值,將兩者統(tǒng)一線性化為0-100%標(biāo)度后進(jìn)行PID運(yùn)算,進(jìn)而控制電磁閥動(dòng)作,通過閉環(huán)調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)閥芯實(shí)際位置對給定值的精準(zhǔn)響應(yīng)。此外,中央處理器通過SPI1接口控制超低功耗屏幕,配合按鍵完成近程現(xiàn)場人機(jī)交互,形成“遠(yuǎn)程通信+近程操作”的雙交互模式,保障智能閥門控制的便捷性與可靠性。智能閥門定位器的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)涵蓋HART手操器、上位機(jī)、4-20mA環(huán)路、接口保護(hù)模塊、HART調(diào)制解調(diào)模塊、中央處理器、電氣轉(zhuǎn)換單元、溫度測量單元、壓力測量模塊、按鍵、氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、行程反饋電阻器及閥門減壓閥等核心部件,各模塊協(xié)同實(shí)現(xiàn)智能閥門的精準(zhǔn)定位與穩(wěn)定運(yùn)行。
《2025-2030年中國智能閥門行業(yè)發(fā)展趨勢分析與未來投資研究報(bào)告》指出,智能閥門核心控制單元的低功耗性能直接決定整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行效率,需確保系統(tǒng)整體功耗控制在33mW以下。選用的STM32L151芯片具備214μA/MHz的運(yùn)行模式功耗,可充分滿足智能閥門低功耗運(yùn)行需求;其搭載的24通道12位ADC,無需額外配置片外模擬量采集A/D模塊,配合DMA直接內(nèi)存存取功能實(shí)現(xiàn)定位控制A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的高效存取,搭配ARM 32-bit Cortex-M3高速內(nèi)核,能夠滿足智能閥門實(shí)時(shí)性控制要求。該芯片內(nèi)置4K字節(jié)FLASH模擬高速EEPROM存取功能,可有效防止智能閥門定位器參數(shù)設(shè)定值掉電丟失;片上3路USART可同時(shí)作為程序調(diào)試和HART通訊接口,具備多種電源管理模式,1.65V~3.6V的寬供電范圍可兼容外圍模塊TTL等工作電平,其綜合性能完全適配智能閥門定位器的核心控制需求。
智能閥門定位器因需滿足本質(zhì)安全要求,電源模塊采用低能耗、高效率的二級保護(hù)電路設(shè)計(jì),以提升差模、共模雷擊防爆性能。一級保護(hù)放電管反應(yīng)速度可達(dá)100nS,二級保護(hù)由電感與電阻并聯(lián)形成直流、交流通路,配合TVS管SMDJ30A作為雷擊限流退耦器件,借助pS級響應(yīng)速度將KA級沖擊電流導(dǎo)入大地,降低殘壓;防反接肖特基二極管、穩(wěn)壓管與三極管組成的過壓關(guān)斷、欠壓鎖定電路,通過穩(wěn)壓管串聯(lián)三極管結(jié)構(gòu)完成過壓、欠壓開關(guān)門限溫度補(bǔ)償;緩啟動(dòng)電容可在HART手操器或上位機(jī)接入時(shí)減小上電沖擊電流,避免損害供電設(shè)備;磁珠在惡劣工況下提升信噪比,高壓陶瓷電容為腔體耦合到PCBA的高頻干擾信號提供回流路徑,有效提高EMI性能,大感值高Q色環(huán)電感進(jìn)一步優(yōu)化電路穩(wěn)定性。
考慮到HART手操器輸出的4-20mA電流源電壓超過12V,需通過降壓轉(zhuǎn)換為智能閥門系統(tǒng)工作低壓,且為滿足執(zhí)行閥動(dòng)作及功能擴(kuò)展需求,電源設(shè)計(jì)預(yù)留充足余量。由于HART正弦信號為1mA峰峰值,智能閥門定位器需在至少3.5mA供電條件下實(shí)現(xiàn)基本人機(jī)交互功能,經(jīng)計(jì)算確定輸入穩(wěn)壓管值為8.2V,采用兩個(gè)最大電流40mA的羅姆穩(wěn)壓管并聯(lián)設(shè)計(jì),以提高電流降額并降低發(fā)熱量;選用精度±0.1%的電阻作為電流取樣電阻及羅姆穩(wěn)壓管調(diào)節(jié)電阻。一級BUCK芯片選用MAX17572,其4.5V-60V的寬輸入電壓范圍可覆蓋HART電流源電壓區(qū)間,支持1A電流輸出,輸出3.3V電壓供給CPU及智能閥門外圍執(zhí)行機(jī)構(gòu);輸入電容選用2.2μF,滿足本質(zhì)安全特性要求的輸入電容小于3μF的規(guī)范;第一級電源輸入采用π形濾波,防止開關(guān)電源雜訊干擾HART信號,同步整流設(shè)計(jì)省略片外開關(guān)管,在輸入輸出5V低壓差應(yīng)用場景下顯著提升芯片效率;通過電阻設(shè)置芯片工作頻率為1MHz,有利于實(shí)現(xiàn)低紋波、減小輸出電容,降低AM波段對HART環(huán)路的干擾,通過公式V_EN=V_DN*R112/(R108+R112)設(shè)置芯片使能門限,100μF/10V鉭電容與其他電容并聯(lián)提高濾波器帶寬和抗電壓跌落能力。
實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,4mA給定閥門動(dòng)作時(shí)輸出的3.3V電壓會出現(xiàn)輕微波動(dòng),若作為參考電壓將導(dǎo)致低給定功率段采樣誤差,影響智能閥門控制精度。鑒于CPU的ADC參考電壓范圍為2.4-3.6V,設(shè)計(jì)二級電源為CPU的A/D參考電壓,設(shè)定為2.5V以滿足精度要求。選用RT9013-25PB超低功耗芯片,其輸出噪聲電壓僅30μV,靜態(tài)電流25μA,具備高PSRR和高紋波抑制率,適用于高精度參考電壓輸出,相較于傳統(tǒng)TL431方案顯著降低功耗。電源樹結(jié)構(gòu)中,兩級芯片外圍分立電阻除反饋采樣電阻外,在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)盡可能選用大阻值以減小功耗。
智能閥門定位器模擬量信號采集包含四路核心電路,全面覆蓋給定信號、行程反饋、溫度及壓力等關(guān)鍵參數(shù)監(jiān)測。第一路由精度±0.1%的電阻完成4-20mA給定采樣,為降低功耗且避免引入負(fù)壓芯片,將采樣電阻高端強(qiáng)制接地,低端形成負(fù)壓,通過超低功耗放大器MAX4043的A路放大器完成增益為-1倍的采集電路;運(yùn)放內(nèi)部輸入高阻及反向端接入的高阻電阻,大幅減少檢測電路對環(huán)路的影響,雖芯片增益帶寬僅90KHz,但可滿足該放大倍數(shù)的閉環(huán)增益應(yīng)用需求,電流源全范圍對應(yīng)采樣電壓輸出為0.2-1V,接入STM32L151的PA1引腳。
第二路由MAX4043的B路放大器完成行程反饋電壓(0.77-1.50V)采集,通過防呆端子連接定位閥行程反饋電位器,采樣信號經(jīng)跟隨器隔離輸出至PA2端;放大器的輸入、輸出軌至軌特性,確保智能閥門閥位給定值3.5~4mA電流范圍轉(zhuǎn)換的采樣低壓及閥門行程反饋低壓,在省略偏置電壓的情況下可正常識別和放大;通道使能端可在CPU初始化或開度范圍、響應(yīng)速度設(shè)置等操作時(shí)關(guān)閉運(yùn)放,實(shí)現(xiàn)低功耗控制。
第三路為智能閥門定位器殼內(nèi)溫度采集,為避免CPU片上溫度傳感器受自身溫度影響,采用片外NTC電阻103AT-2,其電阻值隨溫度變化遵循公式R(T)=R(T0)*EXP(B*(1/T-1/T0)),其中R(T)為溫度T(K)時(shí)的電阻值,B為NTC電阻材料常數(shù),R(T0)為25℃時(shí)的阻值(10K);將0~70℃重點(diǎn)關(guān)注溫度范圍轉(zhuǎn)換為經(jīng)低通濾波后的電壓變化,通過輸入、輸出軌至軌芯片MAX4040完成跟隨器隔離輸出到PB0引腳,為智能閥門過溫保護(hù)提供精準(zhǔn)數(shù)據(jù)支撐。
第四路進(jìn)氣壓力測量電路設(shè)計(jì)與第一路類似,運(yùn)放輸入口設(shè)置二極管鉗位保護(hù),限制輸入最高電壓在3.3V左右;添加運(yùn)放輸入端平衡匹配電阻,減小運(yùn)放輸入級的偏置電流影響。三路信號采集放大器均采用3.3V單電源供電,CPU的A/D為12位,對應(yīng)采樣電壓范圍0~2.5V,確保各參數(shù)采集的精準(zhǔn)性。
智能閥門開度設(shè)定由I/P轉(zhuǎn)換模塊與氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)協(xié)同實(shí)現(xiàn),氣路切換采用三位三通閥,對應(yīng)三種工作狀態(tài):排氣態(tài)(0~1.0V)時(shí)閥門上升,保持態(tài)(1.2~1.7V)時(shí)閥門穩(wěn)定,進(jìn)氣態(tài)(1.9~3.3V)時(shí)閥門下降;為降低功耗,進(jìn)氣態(tài)電壓設(shè)定為2.2V即可滿足需求。CPU的D/A參考電壓為2.5V,可完全覆蓋三狀態(tài)電壓輸出范圍,I/P轉(zhuǎn)換單元電磁閥由CPU的PB6產(chǎn)生PWM驅(qū)動(dòng),相較于DAC直接輸出,即使傳輸過程中丟失若干脈沖,也不會對控制結(jié)果產(chǎn)生過大影響。
為避免CPU看門狗時(shí)鐘停擺導(dǎo)致喂狗失效、CPU死機(jī)時(shí),PB6端口固定電平輸出使氣囊持續(xù)排氣或進(jìn)氣,造成智能閥門持續(xù)開關(guān)動(dòng)作的不利后果,設(shè)計(jì)PWM安全模式電路,僅當(dāng)CPU正常工作輸出PWM波時(shí),才能實(shí)現(xiàn)對三位三通閥的有效控制。電路中隔直電容配合放電二極管形成放電路徑,電阻與二極管調(diào)節(jié)三極管壓擺率,避免波形扭曲降低開關(guān)效率;感性電磁閥負(fù)載通過肖特基二極管在PWM關(guān)斷時(shí)將三極管集電極電壓鉗位到約3.6V,實(shí)現(xiàn)三極管保護(hù);電容與電阻組成的尖峰吸收器件,有效改善EMI性能,保障智能閥門驅(qū)動(dòng)執(zhí)行的穩(wěn)定性與安全性。
智能閥門HART通信模塊采用主從模式、半雙工制,基于FSK技術(shù)實(shí)現(xiàn)上位機(jī)或HART手操器與閥門定位器的可靠通訊;FSK技術(shù)產(chǎn)生的周期性正弦信號均值為零,疊加后不影響4-20mA設(shè)定信號。HART交流信號從保護(hù)電路后取出,前端網(wǎng)絡(luò)選用對GND為低泄漏電流的器件,防止器件插入損耗過大;LOOP+交流信號經(jīng)10kHz低通、480Hz高通組成的無源帶通濾波器消除部分干擾后,進(jìn)入HART調(diào)制和解調(diào)芯片DS8500;芯片REF端通過電阻分壓為FSKIN(HART信號入口)提供采樣偏置電壓,其最大電流消耗僅285μA,滿足低功耗要求,且3.3V電源供電可與系統(tǒng)電源兼容。
DS8500的OCD、RXD、TXD、RTS等TTL電平可與CPU的USART2串口和I/O口兼容直連,CPU通過操作RTS選擇解調(diào)或調(diào)制模式:RTS=0時(shí),控制鏈路MOS導(dǎo)通,光耦控制端導(dǎo)通,F(xiàn)SKOUT輸出的正弦信號路徑保持導(dǎo)通狀態(tài);FSKOUT幅值為500mV峰峰值,經(jīng)電容1:1分壓后,通過MAX4040放大器疊加1.65V偏壓,輸出進(jìn)入光耦信號端。為避免DS8500噪聲耦合到HART環(huán)路,輸出信號經(jīng)匝比1:1互感器在輸出電阻兩端形成交流電壓,通過耦合電容最終將0.5mA信號無失真疊加到HART環(huán)路,確保智能閥門遠(yuǎn)程通信的穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性。
智能閥門定位器軟件采用模塊化封裝設(shè)計(jì),便于程序調(diào)試、修改及功能新增,在Keil軟件中采用STM32庫函數(shù)編寫模式,有效縮短軟件開發(fā)周期。軟件核心邏輯圍繞智能閥門開度精準(zhǔn)控制展開,通過負(fù)反饋調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行,涵蓋主程序、行程自檢子程序、信號采集與處理子程序、電磁閥驅(qū)動(dòng)子程序等核心模塊。
智能閥門給定與反饋信號均需進(jìn)行線性化標(biāo)度變換,數(shù)據(jù)處理采用加權(quán)平均濾波法,公式為?(k)=Σ(從i=1到m)ciyi,其中m為數(shù)據(jù)個(gè)數(shù),ci為權(quán)值,yi為每次采樣值;新數(shù)值占比較大權(quán)重,總權(quán)值和為1。該數(shù)字濾波方法適用于電磁閥這類滯后負(fù)載,兼顧采樣數(shù)據(jù)的平滑度和敏感度,為PID運(yùn)算提供貼合實(shí)際的精準(zhǔn)數(shù)據(jù)。
針對智能閥門開度控制的滯后性與參數(shù)時(shí)變性問題,采用PID參數(shù)自整定功能實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)控制。系統(tǒng)初次控制時(shí)選用缺省PID參數(shù)工作,若響應(yīng)結(jié)果不理想且現(xiàn)場條件允許,可啟動(dòng)自整定功能:基于飛升曲線法思想,給系統(tǒng)輸入階躍信號激勵(lì),設(shè)置采樣周期,通過輸出采樣點(diǎn)數(shù)與輸出行程建立坐標(biāo)系計(jì)算時(shí)間常數(shù),構(gòu)建系統(tǒng)滯后慣性模型;結(jié)合繼電環(huán)節(jié)PID自整定結(jié)構(gòu),采用描述函數(shù)法,利用CPU定時(shí)器的輸入捕獲功能確定閥門實(shí)時(shí)位置輸出曲線,找出適配非線性系統(tǒng)的控制參數(shù)。自整定模式下,輸入信號為z(t)=A sin(ωt),經(jīng)繼電環(huán)輸出振蕩相位滿足arg G(jω)=-π,待系統(tǒng)行程反饋曲線出現(xiàn)4~5次振蕩后達(dá)到等幅振蕩狀態(tài);在安全前提下,振蕩幅度越大越有利于CPU精確測量系統(tǒng)臨界震蕩輸出波形的周期Tu和幅值。
方波輸入產(chǎn)生的傅里葉級數(shù)輸出展開式中,基波量占輸入總信號的比值為Ku=4d/(πA)=1/|G(jω)|,其中Ku為臨界比例系數(shù),d=20(回路環(huán)輸出幅度),A為等幅震蕩曲線幅值。依據(jù)Z-N法PID參數(shù)整定規(guī)則,計(jì)算得出KP=0.6Ku,Ti=0.5Tu,Td=0.125Tu;CPU計(jì)算出參數(shù)后,自整定結(jié)構(gòu)切換為PID控制器控制模式。算法采用變速積分PID控制策略,核心是根據(jù)偏差大小確定合適的積分速度,積分飽和時(shí)可快速退出,偏差較小時(shí)增大積分系數(shù),進(jìn)一步增強(qiáng)PID參數(shù)自適應(yīng)能力;確認(rèn)殼溫和氣源壓力正常后,將控制結(jié)果輸出到執(zhí)行機(jī)構(gòu),同時(shí)設(shè)定死區(qū)帶防止智能閥門閥芯動(dòng)作過于頻繁導(dǎo)致老化,PID參數(shù)和其他設(shè)定值存入CPU防丟失。
HART通訊硬件選用DS8500模塊,符合協(xié)議物理層標(biāo)準(zhǔn);CPU的USART2串口設(shè)置為11位(起始位+8位數(shù)據(jù)+奇偶校驗(yàn)+停止位),采用串口中斷方式接收HART信號應(yīng)答幀。為降低CPU功耗,利用內(nèi)部8M高速晶振通過時(shí)鐘樹降低各外設(shè)總線頻率,關(guān)閉無用外設(shè)時(shí)鐘,合理降低CPU工作頻率,優(yōu)化功率驅(qū)動(dòng)方案;CPU閑置管腳內(nèi)部設(shè)置為上拉或下拉,增強(qiáng)抗干擾性能。
智能閥門近程對話輸入及顯示模塊由四個(gè)按鍵開關(guān)組合和液晶顯示屏組成,按鍵采用電容硬件防抖配合軟件延時(shí)判斷防抖設(shè)計(jì),通過外部中斷接入CPU;液晶屏由3.3V電壓供電,正常顯示時(shí)工作電流在200μA以下,通過更改CPU的SPI端口映射設(shè)置控制顯示屏,驅(qū)動(dòng)程序易于編寫。借助人機(jī)交互模塊,可設(shè)定智能閥門啟動(dòng)自整定程序,通過組合按鍵查看閥門開度、溫度、整定的PID參數(shù)、閥位上下限報(bào)警值、氣源壓力不足等故障代碼,實(shí)現(xiàn)菜單中英文切換等功能,提升智能閥門操作便捷性。
對雙層板貼片后經(jīng)打膠處理的PCBA控制器進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)試,采用空氣壓縮機(jī)輸出氣源,經(jīng)減壓閥克服壓力擾動(dòng)后,以5bar進(jìn)氣氣壓輸入;通過按鍵完成自整定后,確定PID控制參數(shù)為KP=9.7,Ti=0.02s,Td=0.005s。采用HART手操器進(jìn)行開度4-20mA給定控制,記錄智能閥門定位器行程給定與反饋數(shù)據(jù)。為測試行程回差影響,任意設(shè)定11次開度百分比,結(jié)果顯示輸出精度穩(wěn)定在±1%內(nèi);在低、中、高給定值時(shí),輸出曲線擬合線性度良好,介質(zhì)流量與給定開度呈現(xiàn)顯著正相關(guān)。
采用防震千分計(jì)對智能閥門定位穩(wěn)定性進(jìn)行測量,考慮閥門氣囊漏氣實(shí)際情況,在4-20mA全程給定條件下,表針最大擺幅僅為0.2mm,表明PID自整定參數(shù)對非線性、分布參數(shù)系統(tǒng)具備極強(qiáng)的自適應(yīng)能力和優(yōu)良魯棒性。借助STM32的32位數(shù)據(jù)格式,將給定值和位置反饋值線性化計(jì)算誤差控制在±0.1%內(nèi),確保系統(tǒng)快速平穩(wěn)運(yùn)行。實(shí)測數(shù)據(jù)顯示,智能閥門定位器整體功耗可控制在33mW以內(nèi),具備過壓關(guān)斷、欠壓鎖定、過溫保護(hù)等完善的安全性能,支持調(diào)校、正反行程更改及靈敏度調(diào)節(jié),各項(xiàng)測試結(jié)果均符合本質(zhì)安全防爆特性要求。
總結(jié):本文圍繞2025年智能閥門行業(yè)低功耗、高精度的技術(shù)發(fā)展趨勢,完成了基于STM32L151的超低功耗二線制智能閥門定位器的全面設(shè)計(jì)。硬件系統(tǒng)通過核心控制芯片選型、二級保護(hù)電源模塊、四路精準(zhǔn)信號采集模塊、安全驅(qū)動(dòng)執(zhí)行模塊及穩(wěn)定HART通信模塊的協(xié)同設(shè)計(jì),為智能閥門穩(wěn)定運(yùn)行提供堅(jiān)實(shí)硬件支撐;軟件系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)與PID參數(shù)自整定算法優(yōu)化,結(jié)合加權(quán)平均濾波與變速積分策略,有效提升智能閥門控制精度與自適應(yīng)能力。性能測試驗(yàn)證,該智能閥門定位器輸出精度達(dá)±1%,線性化計(jì)算誤差±0.1%,整體功耗≤33mW,具備優(yōu)良的動(dòng)態(tài)性能、抗干擾能力及本質(zhì)安全防爆特性,解決了低給定功率段(3.5mA)的穩(wěn)定運(yùn)行問題。此次設(shè)計(jì)不僅突破了傳統(tǒng)智能閥門的技術(shù)瓶頸,提升了人機(jī)交互性能與控制便捷性,也為2025年智能閥門行業(yè)低功耗、智能化衍生品的研制提供了重要技術(shù)基礎(chǔ),推動(dòng)智能閥門在復(fù)雜工業(yè)場景的應(yīng)用深化。
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本文來源:報(bào)告大廳
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