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1、可编程调节器可编程控制器 智能变送器集散控制系统现场总线控制系统,第2篇 数字式控制仪表及装置,第4章 可编程调节器,4.1概述,可编程调节器是一种新型数字控制仪表，通常一台仪表控制一个乃至几个回路。控制一个回路的可编程调节器通常又称为单回路调节器。,可编程调节器与模拟式调节器在构成原理和所用器件上有着很大区别。前者采用数字技术，以微型计算机（简称微机）为核心部件；而后者采用模拟技术，以运算放大器等模拟电子器件为基本部件。,4.1.1.数字调节器的特点,实现了模拟仪表与计算机一体化 将CPU引入控制器，使其功能得到来很大的增强，提高了性能价格比。同时考虑到人们长期以来的习惯，数字控制器在外形结
2、构、面板布置、操作方式等方面保留了模拟调节器的特征。运算控制功能强 数字控制器具有比模拟调节器更丰富的运算控制功能，一台数字控制器既可实现简单PID控制，也可以实现串级控制、前馈控制、变增益控制和史密斯补偿控制；既可以进行连续控制，也可以进行采样控制、选择控制和批量控制。此外，数字控制器还可对输入信号进行处理，如线性化、数据滤波、标度变换、逻辑运算等。通过软件实现所需功能 数字控制器的运算控制功能是通过软件实现的。在可编程调节器中，软件系统提供了各种功能模块，用户选择所需的功能模块，通过编程将它们连接在一起，构成用户程序，便可实现所需的运算与控制功能。,具有和模拟调节器相同的外特性 尽管数字控
3、制器内部信息均为数字量，但为了保证数字式控制器能够与传统的常规仪表相兼容，数字控制器模拟量输入输出均采用国际统一标准信号（420mADC，15VDC），可以方便地与DDZIII型仪表相连。同时数字控制器还有数字量输入输出功能。具有通讯功能，便于系统扩展 数字控制器除了用于代替模拟调节器构成独立的控制系统之外，还可以与上位计算机一起组成DCS控制系统。数字控制器与上位计算机之间实现串行双向的数字通讯，可以将手、自动状态、PID参数及输入/输出值等信息送到上位计算机，必要时上位计算机也可对控制器施加干预，如工作状态的变更，参数的修改等。可靠性高，维护方便 在硬件方面，一台数字式控制器可以替代数台模
4、拟仪表，同时控制器所用硬件高度集成化，可靠性高。在软件方面，数字式控制器的控制功能主要通过模块软件组态来实现，具有多种故障的自诊断功能，能及时发现故障并采取保护措施。通用性强，使用方便模拟量输入输出信号采用统一标准信号。它还可输入输出数字信号，进行开关量控制。用户程序使用“面向过程语言”（PROCEDURE-ORIENTED LANGUAG，简称POL语言）来编程，易于学习、掌握。,4.1.2.数字调节器构成原理,以微处理器（CPU）为核心构成的硬件电路由系统程序、用户程序构成的软件数字调节器的主要功能由软件决定,模拟调节器：硬件决定一切，功能单一,硬件部分,数字式调节器的硬件电路构成框图,主
5、机电路,ROM存放系统程序。EPROM存放用户程序.RAM 存放输入数据、显示数据、运算的中间值、结果CTC的定时功能用来确定调节器的采样周期等等,多为单片机,是数字式调节器的核心，用于实现仪表数据运算处理，各组成部分之间的管理。,过程输入通道,将多个模拟量输入信号分别转换为CPU所接受的数字量。,多路模拟开关将多个模拟量输入信号分别连接到采样保持器。,采样保持器具有暂时存储模拟输入信号的作用,AD转换器的作用是将模拟信号转换为相应的数字量。,利用DA转换器与电压比较器，按逐位比较原理来实现模数转换的。,模拟量输入通道,开关量输入通道将多个开关输入信号转换成能被计算机识别的数字信号。,开关量指
6、的是在控制系统中电接点的通与断，或者逻辑电平为“1”与“0”这类两种状态的信号,开关量输入通道常采用电耦合器件作为输入电路进行隔离传输。,开关量输入通道,过程输出通道,依次将多个运算处理后的数字信号进行数模转换,D/A转换器起数模转换作用。,VI转换器将15V的模拟电压信号转换成420mA的电流信号。,模拟量输出通道,开关量输出通道通过锁存器输出开关量（包括数字、脉冲量）信号，以便控制继电器触点和无触点开关的接通与释放，也可控制步进电机的运转。,采用光电耦合器件作为输出电路进行隔离传输,开关量输出通道,HMI(Human Machine Interface),正面板：测量值和给定值显示器输出电
7、流显示器运行状态（自动串级手动）切换按钮给定值增减按钮和手动操作按钮等状态显示灯侧面板：有设置和指示各种参数的键盘、显示器,通信接口电路,主要有,以位并行、字节串行,位串行，即一次传送一位，连续传送,功能：将欲发送的数据转换成标准通信格式的数字信号，经发送电路送至通信线路（数据通道）上；,同时通过接收电路接收来自通信线路的数字信号，将其转换成能被计算机接受的数据。,并行,和,串行两种,工业控制网络及仪表的通信方式基本上都采用：,原因：,实施方便成本低适于远距离传输,软件部分,系统程序:,系统程序是调节器软件的主体部分通常由监控程序 和功能模块两部分组成。,数字式调节器的软件分为系统程序和用户程
8、序两大部分,用户程序:,用户程序是用户根据控制系统要求，在系统程序中选择所需要的功能模块，并将它们按一定的规则连接起来的结果。作用是使调节器完成预定的控制与运算功能。,监控程序,系统初始化 中断管理 自诊断处理 键处理 定时处理 通信处理掉电处理 运行状态控制,一般来说，数字调节器需要完成以下一些任务,监控程序使调节器各硬件电路能正常工作并实现所规定的功能，同时完成各组成部分之间的管理。,功能模块,数据传送,用户可以选择所需要的功能模块以构成用户程序，使调节器实现用户所规定的功能。,调节器提供的功能模块主要有,PID运算,四则运算,逻辑运算,开平方运算,取绝对值运算,脉冲输入计数与积算脉冲输出
9、,高值选择和低值选择,上限幅和上限幅,折线逼近法函数运算,一阶惯性滞后处理,纯滞后处理,移动平均值运算,控制方式切换,输入、输出以及基本传送命令,基本功能,如：流量积算,选择性控制,如热电偶信号的线性化等等,输入信号的软件滤波,均值计算,收自动切换,用户程序,用户程序的编程通常采用面向过程POL语言(Procedure-Oriented Language)。编程方式简单易学。,用户根据控制系统要求，选择所需要的功能模块，并按一定的规则连接起来，使调节器完成预定的控制与运算功能。用户程序的编制过程也称为“组态”。,调节器的编程工作是通过专用的编程器进行的，有“在线”和“离线”两种编程方法。,专用
10、编程器 组态 用户程序写入EPROM EPROM安装到数字调节器上,特点总结,运算控制功能强,通过软件实现所需功能,带有自诊断功能,带有数字通讯功能,具有和模拟调节器相同的外特性,保持常规模拟式调节器的操作方式,简单易学，功能介于常规模拟调节器和计算机控制系统之间,4、2SLPC可编程调节器,SLPC可编程调节器是一种有代表性的、功能较为齐全的可编程调节器具有基本PID、串级、选择、非线性、采样PI、批量PID等控制功能具有自整定功能，可使PID参数实现最佳整定具有通信功能，可与上位计算机联系起来构成集散型控制系统具有可变型给定值平滑功能，能够改善给定值变更的响应特性具有自诊断功能，在输入输出
11、信号、运算控制回路、备用电池及通信 出现异常情况时，进行故障处理并进行故障显示,用户只需使用简单的编程语言，即可编制各种控制与运算程序，使调节器具有规定的控制运算功能。,4、2、1概述,4.2.2 SLPC的主要性能,模拟量输入 15V（DC）5点。模拟量输出 15V（DC）2点，负载电阻3k。420mA（DC）1点，负载电阻=0 750。数字量输入 接点或电压电平 与数字量输出6点共用。数字量输出 晶体管接点。故障状态输出 晶体管接点1点。运算周期 0.2s和0.1s。比 例 度 6.3 999.9 积分时间 1 9999s微分时间 0 9999s控制功能 基本控制功能；串级控制功能；选择控
12、制功能。控制算法 标准PID；采样值PI；批量PID供电电源 交直流两种（100V规格和200V规格）,(一)正面板工位号牌故障指示灯报警指示灯测量信号指针给定信号指针给定信号调整按键运行方式切换开关,输出指示表手动操作杆调节阀动作标记PF指示灯可编程功能键,工位号牌标明被测变量、仪表功能、工 段代号、序号 故障指示灯调节器的运算、控制回路有故障时灯亮 报警指示灯调节器的输入、输出异常和运算溢出时故障灯亮,测量信号指针单回路控制时指示被测变量的测量值，串级和选择控制时指示主被测变量的测量值 给定信号指针单回路控制时指示被测变量的给定值，串级和选择控制时指示主被测变量的给定值,给定值调整按键调节
13、给定值大小，按 给定值，按 给定值，同时按 给定值不变运行方式切换按钮按键上带指示灯，按下后灯亮，表明所处的状态 A自动 M手动 C串级,调节阀动作标记调节阀分为气关式、气开式，在输出=4mA时，可定义气开，也可定义气关；在输出=20mA时，可定义气开，也可定义气关，根据工艺要求确定。可编程功能键该键的功能由用户的程序确定 PF指示灯由用户程序决定是点亮或熄灭,输出指示表指示输出信号4-20mA，左为4mA，右为20mA。输出限位指针表示输出限幅的位置 手动操作杆M时，可以调整手操信号大小，向 左信号，向右信号。慢速40s/全刻度；快速4s/全刻度,（二）侧面盘（调整板）,侧面盘（调整板）,P
14、ROGRAMMABLE CONTROLLER,MODEL SLPC,SV 1 800,N,TUNING,DIDOMODE,CHECKALARM,PVSVDV,PHPL,XNYNSCALE,DLVLVT,PIDSTC,EN,MVMHML,PNTN,NON-LINEAR,BATCHSAMPLE,PROGAMMER,TUNING,ACTION,ENABLE,RSV 2,RSV 1,DIR 1,DIR 2,INHIBIT,ROM,键盘调整开关为了防止误操作而设置的开关。当开关置于禁止（INHIBIT）时，键盘不能操作。当开关置于允许（ENABLE）时，键盘可以操作。,正反作用开关确定调节器的正（DIR
15、）反（RVS）作用。正反作用开关有两个，因为内部构造相当于二台调节器。ROM插座用于安装EPROM。当卡爪在“ON”位置时，ROM被固定；当爪卡在“OFF”位置时，ROM可脱落 连接编程器的插座用于连接编程器。,SLPC的硬件电路,主机部分,(1)主机部分,CPU采用8085AHC，时钟频率为10MHz。ROM分为系统ROM和用户ROM,系统ROM：两片27256型EPROM（每片32KB）用于存放监控程序和各种功能模块；用户ROM：一片2716型EPROM（2KB）用于存放用户程序。RAM采用两片PD4464C低功耗CMOS存储器，8KB。,(2)AI,SLPC调节器有5个模拟量输入通道。关
16、键点：2点,X1输入通道具有备用方式，正常工作时的信息途径之外，发生故障时，进行测量值指示。,A/D转换器：是利用高速12位D/A转换器和比较器实现的,X1经RC滤波后分为两路，一路经输入多路开关接到比较器，被A/D转换后进入CPU(正常的信息途径)。一路经电压跟随器送到故障PV开关。,CPU正常时，指示器接受的是由CPU和DA转换送来的测量信号。发生故障时，CPU的自检程序或WDT电路发出的故障输出信号，使故障PV开关切换到故障位置，面板上的指示器直接接受从X1来的信号，进行测量值指示。,(3)AO,3个模拟量输出通道，Y1为420mADC电流输出，Y2、Y3为15VDC电压输出 相互间也不
17、隔离。,如何分析上述电路的特性？,参见上页电路图,P点用于判断是否有断线故障,外接负载的阻值正常时，P点电压不超过6V如果使用中负载电路断线，则电容C被过多地充电，以致P点电压超过6V所以定期检测此点的电压便可判断是否有断线故障。,参见前页电路图,(4)开关量输入和输出通道,SLPC调节器有六个开关量输入和输出通道，它们既可以当作输入也可以当作输出，由使用者设定。开关量输入输出通道都经过高频变压器隔离,(5)人机联系部件HMI,正面板的布置类似于模拟式调节器，显示器可显示主被控变量的测量值、给定值，调节器输出值，故障显示灯和报警灯,侧面板有触摸式键盘和数字显示器，用以显示或修改输入、输出数据、
18、PID参数和其他数据，显示的项目由键操作来选择,(6)通信接口电路,采用半双工、串行异步通讯方式,SLPC的软件部分,包括系统程序和功能模块:系统程序用于保证整个调节器正常运行，这部分用户是不能调用的 功能模块提供了各种功能，用户可以根据需要选用，以构成用户程 序，功能模块以指令形式提供,指令,指令对各种寄存器进行操作，寄存器实际上是对应于随机读写存储器RAM中各个不同的存储单元，只是为了使用和表示方便，才特地定义了不同的名称和符号 指令都与五个运算寄存器S1S5有关。五个运算寄存器以堆栈方式构成.,运算寄存器结构示意图,A/B/C/D/E分别对应S1S5的内容,指令类型,1、信号读取指令LD
19、用于把数据S1,2、信号存储指令ST用于把S1中的数据有关寄存器,3、程序结束指令END将控制无条件地转移出用户程序，结束本 控制周期内的一切运算,指令有4种类型,基本运算+、-、等,带设备编号的运算 十段折线函数运算等,条件判断 上下限报警、逻辑运算、转移跳转等,寄存器移位 S寄存器交换、S寄存器循环移位,控制功能 BBC、CSC、SSC,4、功能指令完成各种指定功能,以下着重介绍控制功能指令,控制功能指令的基本功能,串级控制指令CSC：内含2个串联的调节单元CNT1、CNT2，可组成串级调节统,选择控制指令SSC：内含2个并联的调节单元CNT1、CNT2和一个切换开关CNT3，可组成选择控
20、制系统,每台SLPC调节器只能选用其中的一种，且同一应用程序中只能使用一次,基本控制指令BSC：内含1个调节单元CNT1，相当于1台模拟PID调节器,BSC,(1)LD X1 读入测量值X1(2)BSC 基本控制(3)ST Y1 控制输出MV送Y1(4)END,例：某单回路控制系统，被控变量接到模拟量输入通道X1 阀位信号接到模拟量输出通道Y1，则实现单回路PID控制的程序如下,主要作用是把运算寄存器S1里的数据与设定值相减，得到偏差。再经过由CNT1所决定的控制算法运算后，把结果再存入S1,CSS,(1)LD X2 读入测量值副回路X2(2)LD X1 读入测量值主回路X2(3)CSC 串级
21、控制(4)ST Y1 控制输出MV送Y1(5)END,CSC指令中具有两个调节单元CNT1和CNT2，可实现串级控制。串级控制时，将主回路的测量值PV1送入S1，副回路的测量值PV2送入S2，并执行CNT1和CNT2所指定的运算，最后将运算结果（即将要输出的MV值）存入S1中。,4、2、3 SLPC可编程调节器的应用,带温压补偿的气体流量调节系统,带温压补偿的气体流量调节系统,已知仪表设计参数如下：孔板设计压力 Pd=600 kPa；孔板设计温度 Td=300；压力变送器量程 01000 kPa；温度变送器量程 0500；差压变送器量程 032 kPa；流量测量范围 08000 Nm2/h。,
22、PID运算和温差补偿运算,1.确定调节器应承担的任务,采用基本控制指令BSC控制算法采用标准PID算法,2.确定调节功能和控制算法,式中 Q补偿运算后的体积流量；P孔板前后差压；P工作状态下气体的绝压 Pd设计状态下气体的绝压 T工作状态下的绝对温度；Td设计状态下的绝对温度；K流量系数。,3.确定温差补偿的数学模型,设PS、TS、PS分别为压力变送器、温度变送器和差压变送器的量程，QS为换算为标准状态下的流量量程，Pmin、Tmin分别为用绝对压力和绝对温度表示的压变和温变的下限值因差压和流量测量范围下限值均为零，因此有下列关系：,P=PS X1 P=PS X2 Pmin T=TS X3 T
23、min Q=QS Y2,如果把P、P、T分别送入X1、X2、X3经过补偿运算以后的Q存入Y2,由于调节器内部的X、Y的信号范围是01但是，补偿公式中用到的都是实际的物理量，因此需要进行规格化处理,4.数学模型的规格化,设K1=、K2=、K3=、K4=,因为设计状态下有：,代入已知条件可求得K1=1.422;K2=0.147;K3=0.872;K4=0.477最后得到的温差补偿运算的数学模型为：,5.列工作清单(worksheet),补偿运算式和控制指令功能图构成的组合功能图,6.填数据清单（datasheet）,800.0,0,流量10Nm3/h,Y2,0.477,K4,100.0,0,操作输出%,Y1,模拟输出,0.872,K3,500.0,0,温度,X3,0.147,K2,10.00,0,压力kgf/cm2注,X2,1.422,K1,3200,0,差压mmH2O,X1,模拟输入,记 事,数 值,固定常数,上限,下限,记事,数 据 名,7.程序清单,SPRG编程器,构成与功能(一)构成,SPRG没有CPU，借用SLPC的CPU，是SLPC调节器的外设。ROM2存系统程序RAM2存用户程序,（二）功能 编制用户程序（MPR、SPR、SBP）对用户程序进行测试运行 读出SLPC中原有的程序进行修改，打印程序、参数、寄存器状态、显 示类型等等,
