控制仪表及装置第四章

1、控制仪表及装置控制仪表及装置第四章第四章 可编程调节器可编程调节器 第一节第一节 概述概述 可编程调节器的特点可编程调节器的特点 基本构成基本构成 第二节第二节 KMM可编程调节器可编程调节器 组成组成 功能功能 编程方法和仪表投入编程方法和仪表投入 应用举例应用举例第一节第一节 概述概述 可编程调节器的特点可编程调节器的特点 实现了仪表和计算机一体化。实现了仪表和计算机一体化。 具有丰富的运算、控制功能。具有丰富的运算、控制功能。 通用性强，使用方便。通用性强，使用方便。 具有通信功能，便于系统扩展。具有通信功能，便于系统扩展。可靠性高，维护方便可靠性高，维护方便 。调节器还具有自诊断功能，

2、随时监视各部件调节器还具有自诊断功能，随时监视各部件工况，出现故障，指示操作人员及时排除。工况，出现故障，指示操作人员及时排除。 基本构成基本构成硬件系统硬件系统 多多路路开开关关采采样样保保持持输输入入缓缓冲冲模拟量输入开关量输入A/D输输入入接接口口微微处处理理器器输输出出接接口口存储器存储器键盘显示接口键盘显示接口D/A多多路路开开关关输输出出保保持持V/I输输出出缓缓冲冲键盘显示器通信接口通信接口发送发送接收接收模拟量输出开关量输出通信主机电路主机电路 由微处理器由微处理器(CPU)、存储器存储器(ROM、EPROM、RAM)、定时定时/计数器计数器(CTC)以及输入输出接口以及输入输

3、出接口(I/O)等组成等组成, 完成数据传递完成数据传递、信息与程序存储信息与程序存储、定时计数定时计数、并行输入输出和异步并行输入输出和异步或或同步串行通同步串行通信的功能。信的功能。 数字仪表现常采用单片微机或专用集成电路数字仪表现常采用单片微机或专用集成电路作为主机电路作为主机电路。单片微机包括了单片微机包括了CPU、ROM、RAM、CTC和和I/O接口等接口等, 与多芯片组成的主与多芯片组成的主机电路相比，具有体积小、连线少、可靠性机电路相比，具有体积小、连线少、可靠性高、价格便宜的优点。高、价格便宜的优点。 模拟量输入输出通道模拟量输入输出通道 模拟量输入通道包括多路模拟开关模拟量输

4、入通道包括多路模拟开关、采样采样/保保持器持器(S/H)和和 A/D转换器等，完成模数转换功转换器等，完成模数转换功能。能。 有多种类型的有多种类型的 A/D，性能各异，位数有，性能各异，位数有二进制二进制 8、10、12、16、20、24位及二位及二-十进制十进制31/2 、41/2位。位。模拟量输出通道包括模拟量输出通道包括 D/A转换器、多路模拟转换器、多路模拟开关、输出保持电路和开关、输出保持电路和V/I转换器转换器 等等, 完成数完成数模转换和电压模转换和电压/电流转换功能电流转换功能。 常采用电流型常采用电流型 D/A 芯片，有芯片，有 8、10、12、16位等几种，位等几种， D

5、/A 输出端尚需加接运算放大器。输出端尚需加接运算放大器。开关量输入输出通道开关量输入输出通道 触点开关、无触点开关或逻辑器件的开关量触点开关、无触点开关或逻辑器件的开关量信号，通过输入缓冲电路或直接由输入接口信号，通过输入缓冲电路或直接由输入接口送至主机电路，经处理后通过输出锁存器输送至主机电路，经处理后通过输出锁存器输出至开关器件出至开关器件。人机联系部件人机联系部件 包括测量值、给定值显示器，输出电流显示包括测量值、给定值显示器，输出电流显示器器, 运行状态运行状态(串级串级/自动自动/手动手动)切换按钮，给切换按钮，给定值增减按钮定值增减按钮, 另有一些状态显示灯和设置、另有一些状态显

6、示灯和设置、指示各种变量的键盘、显示器。指示各种变量的键盘、显示器。显示器常使用动圈指示表、显示器常使用动圈指示表、LED、LCD等器等器件。件。通信部件通信部件 包括通信接口和发送、接收电路等。通信接包括通信接口和发送、接收电路等。通信接口将欲发送的数据转换成标准通信格式的数口将欲发送的数据转换成标准通信格式的数字信号，由发送电路送至通信线路上；同时字信号，由发送电路送至通信线路上；同时通过接收电路接收来自通信线路的数字信号，通过接收电路接收来自通信线路的数字信号，将其转换成能被主机接受的数据。将其转换成能被主机接受的数据。通信接口有并行和串行两种。可编程调节器通信接口有并行和串行两种。可编

7、程调节器大多采用串行传送方式，一次传送一位，连大多采用串行传送方式，一次传送一位，连续传送，其特点是所用电缆少，成本低，适续传送，其特点是所用电缆少，成本低，适于远距离传输。于远距离传输。系统程序系统程序 软件系统软件系统 系统初始化系统初始化键盘显示管理键盘显示管理中断管理中断管理自诊断处理自诊断处理运行状态控制运行状态控制监监控控程程序序键处理键处理定时处理定时处理运算控制运算控制通信处理通信处理掉电处理掉电处理中中断断处处理理程程序序 是调节器的主体部分，通常由是调节器的主体部分，通常由监控程序和中断处理程序组成：监控程序和中断处理程序组成： 用户程序用户程序 其作用是连接系统程序中各功

8、能模块，以完成其作用是连接系统程序中各功能模块，以完成预定的控制任务预定的控制任务。 编制程序采用表格式组态语言编制程序采用表格式组态语言 (KMM调节器调节器)和助记符式组态语言和助记符式组态语言(SLPC调节器调节器)。本章以本章以前者为例予以介绍。前者为例予以介绍。编程有在线和离线两种方法：编程有在线和离线两种方法：编程器独立于调节器编程器独立于调节器, 用户程序写入用户程序写入EPROM, 将其插入调节器相应的插座上。将其插入调节器相应的插座上。编程器和调节器共用一个编程器和调节器共用一个CPU， 用户程序写用户程序写入入EPROM后，同样移至调节器的插座上。后，同样移至调节器的插座上

9、。PID控制算式控制算式 可编程调节器的可编程调节器的 PIDPID 算式是对模拟控制器的算算式是对模拟控制器的算式（参见第一章）进行离散化得到的式（参见第一章）进行离散化得到的。 积分项可表示为积分项可表示为 e (t) d t = TS e (i) t0ni = 0微分项可表示为微分项可表示为d e (t) e (n) - e (n-1) d tTS式中TS 为采样周期，n 为采样序号。经替换得到完全微分型的位置型算式位置型算式： y(n) = Kp e(n) +TS e(i) + + yTIni = 0TDTSe(n) - e(n-1) 式中y(n)为第n次采样输出值， y为输出初值。=

10、将将第第n次采样的次采样的算式减去算式减去第第(n-1)次采样的次采样的算式，算式，得到得到完全微分型的增量型算式增量型算式： y(n) = Kp e(n) - e(n-1) + Ki e(n) +Ki = KpKd e(n) - 2e(n-1) +e(n-2) TSTI式中：，调节器的积分系数Kd = Kp，调节器的微分系数TDTS另有另有速度型算式速度型算式：v (n) = y(n) / TS 常使用常使用增量型算式增量型算式, ,因有利于实现手因有利于实现手/ /自动之间自动之间的无扰动切换。的无扰动切换。 PID算式的改进算式的改进 不完全微分型不完全微分型 不完全微分型算式的传递函数

11、见第一章，将其不完全微分型算式的传递函数见第一章，将其离散化得到：离散化得到：y(n) = Kp e(n) +TS e(i) +TIni = 0TDT *e(n) - e(n-1)+ yD (n-1) T * = TS + TDKD式中：， =TD / KDTS + TD / KD 不完全微分型算式较复杂不完全微分型算式较复杂，但其控制品质优于，但其控制品质优于完全微分型完全微分型。 微分先行微分先行PID 如同微分先行的模拟控制器一样，它只对测量如同微分先行的模拟控制器一样，它只对测量值进行微分，这样在给定值变化时，不会产生值进行微分，这样在给定值变化时，不会产生输出的大幅度变化。输出的大幅

12、度变化。积分分离积分分离PID 在偏差大于一定值时，取消积分作用，而当偏在偏差大于一定值时，取消积分作用，而当偏差小于该值时，才将积分投入，这样既可减小差小于该值时，才将积分投入，这样既可减小超调，又可达到积分校正的效果超调，又可达到积分校正的效果(消除偏差消除偏差)。还可采用其它方法改进还可采用其它方法改进PID算式，例如带有死算式，例如带有死区的区的PID控制控制 ，自动改变比例增益的，自动改变比例增益的PID控制、控制、 模糊模糊PID控制等控制等 。主机电路：主机电路：CPU采用采用8085A，系统，系统ROM容量为容量为10K字节，用户字节，用户ROM容量容量2K字节，字节，RAM为

13、为1K字节，定时器采用字节，定时器采用8253。 设置有监视定时器设置有监视定时器(WDT)电路，一旦电路，一旦CPU异常，异常，即能告警，仪表转入联锁手动状态。即能告警，仪表转入联锁手动状态。 电源电电源电压异常时，切入后备电源，以保护压异常时，切入后备电源，以保护RAM内数内数据。据。第二节第二节 KMM可编程调节器可编程调节器 组成组成主要性能指标：主要性能指标：模拟量输入模拟量输入5点，输出点，输出4点；数点；数字量输入字量输入5点，输出点，输出4点；采样周期点；采样周期100500ms；运算模块运算模块45种；可编程模块种；可编程模块30个。个。硬件部分硬件部分 模拟量输入输出电路：

14、模拟量输入输出电路：A/D 转换电路是利用输转换电路是利用输出电路中的出电路中的12位位 D/A 和比较器通过软件来实现和比较器通过软件来实现的。输出电路除输出模拟信号外，还送出的。输出电路除输出模拟信号外，还送出PV、SP模拟值至面板，供显示测量、给定值之用。模拟值至面板，供显示测量、给定值之用。数字量输入输出电路：数字量输入输出电路：输入电路由晶体管陈列输入电路由晶体管陈列 和门控电路构成。输出电路除输出模拟信号外，和门控电路构成。输出电路除输出模拟信号外，还送出还送出PV、SP模拟值至面板模拟值至面板，供显示测量供显示测量、给给定值之用。定值之用。输入输出接口：输入输出接口： I/O 接

15、口包括可编程并行接口接口包括可编程并行接口电路电路8255和可编程键盘显示控制器和可编程键盘显示控制器8279。8255的三组的三组I/O端口分别作为端口分别作为D/A的输入口数字信号的输入口数字信号的输入、输出口，的输入、输出口，8279用于数据设定器的数据用于数据设定器的数据修改和修改和LED数码管的显示。数码管的显示。系统程序：系统程序：系统程序包括基本程序、输入处理系统程序包括基本程序、输入处理程序、运算程序和输出处理程序。程序、运算程序和输出处理程序。基本程序基本程序是程序的主体部分，由监控程序和中是程序的主体部分，由监控程序和中断处理子程序组成。断处理子程序组成。输入处理程序和运算

16、程序输入处理程序和运算程序则由一系列子程序构则由一系列子程序构成，每个子程序完成一种特定的功能。成，每个子程序完成一种特定的功能。软件部分软件部分 用户程序：用户程序：由使用者自行编制，采用表格式组由使用者自行编制，采用表格式组态语言，其语句是一些起连接作用的控制数据。态语言，其语句是一些起连接作用的控制数据。将这些数据填入规定的表格中，即构成表格式将这些数据填入规定的表格中，即构成表格式用户程序，再用编程器将程序写入用户程序，再用编程器将程序写入EPROM中。中。KMM 可对可对5个模拟信号个模拟信号（AIR）进行折线处理、进行折线处理、温度补偿温度补偿、压力补偿压力补偿、开平方和数字滤波处

17、理，开平方和数字滤波处理，结果为结果为AI，见下图：见下图： 功能功能输入处理功能输入处理功能 图中的开关若打在图中的开关若打在“0”，表示不进行该项处理，表示不进行该项处理。 TBL1TCOMPPCOMPSQRTDIGFILTTBL2TBL31001010213AIRAI折线处理：折线处理：可用于非线性校正。有三个折线表：可用于非线性校正。有三个折线表：TBL13。根据用户需要定义折线表中折点的坐根据用户需要定义折线表中折点的坐标值标值(xi ，yi)，然后填入相应的数据表。，然后填入相应的数据表。温度补偿：温度补偿：用于气体或蒸气流量信号温度补偿：用于气体或蒸气流量信号温度补偿：补偿后的流

18、量信号补偿后的流量信号 = 设计温度设计温度 + 常数常数实际温度实际温度 + 常数常数 流量信号流量信号压力补偿：压力补偿：用于气体或蒸气流量信号压力补偿：用于气体或蒸气流量信号压力补偿：补偿后的流量信号补偿后的流量信号 = 设计压力设计压力 + 常数常数实际压力实际压力 + 常数常数 流量信号流量信号编程时，将有关数值填入输入处理数据表中编程时，将有关数值填入输入处理数据表中。 开平方开平方：用于对节流装置的流量信号进行开平方用于对节流装置的流量信号进行开平方处理。它具有小信号切除功能，编程时将切除值处理。它具有小信号切除功能，编程时将切除值填入然后填入数据表中，切除范围可在输入量程填入然

19、后填入数据表中，切除范围可在输入量程的的0.0 100.0%任意选定。任意选定。数字滤波：数字滤波：用来消除输入信号中的随机干扰用来消除输入信号中的随机干扰, 为为一阶滞后环节：一阶滞后环节：输出输出 = 1TS + 1 输入输入式中式中T 为滤波时间常数为滤波时间常数，范围：范围：0.0 999.9。编程编程时将时将T 值填入数据表中。值填入数据表中。输出处理功能输出处理功能 有模拟输出信号有模拟输出信号(AO13)，数字输出信号，数字输出信号(DO13)。哪些信号送到输出端，在输出处理数据表中规定。哪些信号送到输出端，在输出处理数据表中规定。KMM 具有具有45种算法即运算模块种算法即运算

20、模块(见表见表4-1)进行，进行，用户最多可选用用户最多可选用30个进行组合个进行组合。模块表示：模块表示：运算处理功能运算处理功能 名称nP1P2UnH1H2四个输入端：四个输入端：H1、H2、 P1、 P2；一个输出端：一个输出端：U1；模块序号：模块序号：n 运算关系：运算关系：Un = f (H1、H2、 P1、 P2)运算模块运算模块分为分为7类：类：一般运算类、调节类、监视一般运算类、调节类、监视限制类、选择类、逻辑类、时间类和折线处理限制类、选择类、逻辑类、时间类和折线处理类。类。PID 运算模块运算模块包括包括PID1和和PID2，都具有常规，都具有常规PID运算规律和运算规律

21、和微分先行运算规律，其模块符号如下：微分先行运算规律，其模块符号如下：PIDP1P2UH1H2当当 P2 = ON时时，U(n) = P1 + U(n) 此时微分不起作用此时微分不起作用， P1为P1端端输入电压信号，输入电压信号， U(n)为第为第n次次采样偏差的采样偏差的PI运算增量值。运算增量值。当当 P2 = OFF时时，U(n) = U(n-1) + U(n)U(n-1)为前一次采样为前一次采样输出值；输出值； U(n)为第为第n次采样次采样偏差的常规偏差的常规PID运算增量值运算增量值。手动操作手动操作模块模块MAN常与常与 PID运算模块组合使用，运算模块组合使用， MAN 模块

22、只能模块只能使用一次使用一次，其输出必须接到其输出必须接到AO1端。模块符号端。模块符号和内部结构如下：和内部结构如下：MANUH1H2输出增/减+MVMA/C方式切换跟踪切换A/C输入跟踪输入手动方式手动方式(A)时时， U = 先前值 + MV 。自动方式自动方式(A)时时， U = H1U接AO1跟踪方式跟踪方式(F)时，时，U = H2运行方式切换运行方式切换模块模块MOD用于调节器运行方式的切换。模块符号和切换用于调节器运行方式的切换。模块符号和切换特性如下：特性如下：MODH1H2H1H2P1P2ONOFFONOFFONOFFONOFFMACAFAMP1P2当当H1 = ON时时，

23、调节器处于跟踪方式调节器处于跟踪方式(F)；当当H1 = OFF时时，调节器恢复跟踪前的方式；调节器恢复跟踪前的方式；当当H2 = ON时时，调节器为手动方式调节器为手动方式(M)； 当P1 = ON时时，调节器为自动方式调节器为自动方式(A)； 当P2 = ON时时，调节器为串级方式调节器为串级方式(C)； 控制变量更换控制变量更换模块模块PMD用于修改用于修改PID模块控制变量模块控制变量, 有有PMD1和和PMD2。模块符号：模块符号：MODH1P1三个输入端：三个输入端：H1、P1和和EXT.NO输出无意义。输出无意义。当当 P1 = ON时时，可改变可改变PID变量；变量； 当当P1

24、 = OFF时时，不能改变不能改变PID变量。变量。EXT.NO百分数型变量由百分数型变量由H1直接确定；直接确定；时间型变量由时间型变量由TI 、TD 等于等于0.2048 H1 (min)。更改什么变量由更改什么变量由EXT.NO指定，见教材表指定，见教材表4 - 3。超前超前/滞后滞后模块模块L/L常用于需要前馈动态补偿的控制系统。超前滞常用于需要前馈动态补偿的控制系统。超前滞后的模块符号和算式如下：后的模块符号和算式如下：L/LP1P2H1UU(S) =1+ P1S1+ P1S H1 (S)P1 超前时间；超前时间；P2 滞后时间。滞后时间。该模块对该模块对P1、 P2有限制：有限制：

25、 当当P2小于采样周期小于采样周期TS时时，自动限制自动限制P2 = TS ；当P1大于大于16 P2时，时，自动限制自动限制P1 = 16 P2 。高、低值监视高、低值监视模块模块HMS和和LMSHMS的模块符号和算式如下：的模块符号和算式如下：HMSH1P2H2U当当 H1 H2时，时， U = ON ； 当当 H1 (H2 P2)时时，U = OFF 。式中式中 P2 为滞后宽度。为滞后宽度。LMS的模块符号和算式如下：的模块符号和算式如下：LMSH1P2H2U当当 H1 xn-1 。 当当 H1 x1时，时， U = y1 ； 当当 H1 x10时时，U = y10 。TBRH1UTB

26、R是是TBL的逆折线表，从的逆折线表，从y求x， 要求 xn xn-1 ， yn yn-1 。 当当 H1 y1时，时， U = x1 ； 当当 H1 y10时时，U = x10 。控制类型分为控制类型分为0、1、2和和3型四种型四种(见图见图4-2023)。编程时，将所选类型填入基本数据表中。编程时，将所选类型填入基本数据表中。控制类型及无扰动切换控制类型及无扰动切换 0型调节器只用一个型调节器只用一个PID运算模块运算模块, 且按内给定且按内给定值值(LSP)进行控制，无外给定输入端进行控制，无外给定输入端(RSP) 。1型调节器只用一个型调节器只用一个PID运算模块运算模块，但具有内外但

27、具有内外给定切换开关，可按内或外给定值进行控制给定切换开关，可按内或外给定值进行控制。2型调节器使用两个型调节器使用两个PID运算模块运算模块，PID1用内给用内给定定LSP1, PID2用用RSP2, PID1的输出作为的输出作为RSP2值。值。3型调节器也使用两个型调节器也使用两个PID运算模块运算模块, 与与2型不同，型不同，PID2具有内外给定切换开关具有内外给定切换开关, 开关置开关置“A”时时,PID2按内给定控制按内给定控制，置，置“C”时两时两PID组成串组成串级控制级控制。运行方式分为运行方式分为正常运行正常运行方式和方式和异常运行异常运行方式。方式。运行方式运行方式正常运行

28、正常运行方式：方式：手动（手动（MAN）方式；）方式；自动（自动（AUTO）方式；）方式；串级（串级（CAS）方式；）方式；跟踪（跟踪（FOLLOW）方式；）方式；异常运行异常运行方式：方式：联锁手动（联锁手动（IM）方式）方式。当调节器出现当调节器出现A组诊断异组诊断异常时进入本运行方式常时进入本运行方式, 操作功能与手动方式相同。操作功能与手动方式相同。后备后备（S）方式方式。当调节器检出当调节器检出B组诊断异常时进组诊断异常时进入本运行方式入本运行方式，输出由后备手操器控制。，输出由后备手操器控制。执行自诊断程序时，若检出异常则显示故障代执行自诊断程序时，若检出异常则显示故障代码，并自动

29、切换到码，并自动切换到“IM”或或“S”运行运行方式。方式。自诊断功能自诊断功能A组组是指在输入异常、运算溢出或过载的故障。是指在输入异常、运算溢出或过载的故障。 B组组是指在是指在ROM、RAM异常、采样时间、异常、采样时间、A/D转换异常或输出反馈异常的故障。转换异常或输出反馈异常的故障。自诊断有两种类型：自诊断有两种类型：A组组和和B组组通信功能通信功能具有与上位机通信的能力，有三种通信类型：具有与上位机通信的能力，有三种通信类型：类型类型0：不通信；不通信； 类型类型1：通过通过S-与局部操作站等进行通信；与局部操作站等进行通信； 类型类型2：与上位机通信，完成与上位机通信，完成SPC

30、和和DDC控制。控制。 编程方式和仪表投入编程方式和仪表投入设计控制系统先确定方案和控制流程，然后按设计控制系统先确定方案和控制流程，然后按功能要求绘制组态图，填写控制数据表。设计功能要求绘制组态图，填写控制数据表。设计过程如下：过程如下：按控制方案画出控制流程图确定对可编程调节器的要求绘制组态图填写控制数据表用编程器制作用户EPROMEPROM装入装入仪表,调试投运编程实例编程实例一天然气压力控制系统，要求对罐内压力进行一天然气压力控制系统，要求对罐内压力进行单变量定值控制单变量定值控制, 并检测天然气流量并检测天然气流量(需温压补需温压补偿偿)。输出输出AO1控制阀门控制阀门，AO2送上位

31、机的送上位机的PIU。I/PPICFTAIR1AIR2AIR3AO1AO2PIUP天然气储罐压力控制系统流程图压力控制系统流程图组态组态 按流程图和控制要求绘出组态图：按流程图和控制要求绘出组态图：AIR2压力AIR1温度AI1AI2输入处理1LSP1PID1234PPAR10.0HLMMANLLMPPAR2100.0%OFFAO1输入处理AIR3流量AI3输入处理5DMSPPAR315%PPAR30.0SP16NOT7OR9MOD8ANDMSWASWOFFOFF(接AO2)(差压)控制要求：控制要求：当调节器的给定值当调节器的给定值SP和测量值和测量值PV之偏差超过给之偏差超过给定的监视值定的监视值(15%)时时, 调节器自动切换至手动调节器自动切换至手动(M)方式，当偏差恢复正常后，切入自动方式，当偏差恢复正常后，切入自动(A)方式。方式。切换说明：切换说明：根据系统要求