化工仪表及自动化第4章

化工仪表及自动化第五章自动控制仪表

任课教师：朱旭内容提要概述基本控制规律及其对系统过渡过程的影响双位控制比例控制积分控制微分控制模拟式控制器基本构成原理及部件DDZ-Ⅱ型电动控制器1内容提要数字式控制器数字式控制器的主要特点数字是控制器的基本构成KMM型可编程序调节器可编程序控制器概论可编程序控制器的基本组成可编程序控制器的编程语言OMRONC系列PLC应用实例2第一节概述3控制仪表经历三个发展阶段

基地式控制仪表单元组合式仪表中的控制单元以微处理器为基元的控制装置第二节基本控制规律及其对系统过渡过程的影响4控制器的控制规律是指控制器的输出信号与输入信号之间的关系。即

经常是假定控制器的输入信号e是一个阶跃信号，然后来研究控制器的输出信号p随时间的变化规律。

在研究控制器的控制规律时第二节基本控制规律及其对系统过渡过程的影响控制器的基本控制规律

位式控制（其中以双位控制比较常用）、比例控制（P）、积分控制（I）、微分控制（D）及它们的组合形式，如比例积分控制（PI）、比例微分控制（PD）和比例积分微分控制（PID）。

5一、双位控制6理想的双位控制器其输出p与输入偏差额e之间的关系为图5-1理想双位控制特性图5-2双位控制示例7将上图中的测量装置及继电器线路稍加改变，便可成为一个具有中间区的双位控制器，见下图。由于设置了中间区，当偏差在中间区内变化时，控制机构不会动作，因此可以使控制机构开关的频繁程度大为降低，延长了控制器中运动部件的使用寿命。

图5-3实际的双位控制特性图5-4具有中间区的双位控制过程双位控制过程中一般采用振幅与周期作为品质指标结论被控变量波动的上、下限在允许范围内，使周期长些比较有利。

双位控制器结构简单、成本较低、易于实现，因而应用很普遍。8第二节基本控制规律及其对系统过渡过程的影响二、比例控制9

在双位控制系统中，被控变量不可避免地会产生持续的等幅振荡过程，为了避免这种情况，应该使控制阀的开度与被控变量的偏差成比例，根据偏差的大小，控制阀可以处于不同的位置，这样就有可能获得与对象负荷相适应的操纵变量，从而使被控变量趋于稳定，达到平衡状态。

图5-5简单的比例控制系统示意图如左图，根据相似三角形原理对于具有比例控制的控制器比例控制的放大倍数KP是一个重要的系数，它决定了比例控制作用的强弱。

（5-4）1011比例度

是指控制器输入的变化相对值与相应的输出变化相对值之比的百分数。

图5-6比例度示意图（5-5）12举例DDZ-Ⅱ型比例作用控制，温度刻度范围为400～800℃，控制器输出工作范围是0～10mA。当指示指针从600℃移到700℃，此时控制器相应的输出从4mA变为9mA，其比例度的值为

说明

对于这台控制器，温度变化全量程的50％（相当于200℃），控制器的输出就能从最小变为最大，在此区间内，e和p是成比例的。

13将式（5-4）的关系代入式（5-5），经整理后可得

比例度δ与放大倍数KP成反比。控制器的比例度δ越小，它的放大倍数KP就越大，它将偏差（控制器输入）放大的能力越强，反之亦然。结论14左下图表示图5-5的液位比例控制系统的过渡过程。图5-7比例控制系统过渡过程到第9页在t=t0时，系统外加一个干扰作用液位开始下降作用在控制阀上的信号进水量增加偏差的变化曲线图5-8比例度对过渡过程的影响第二节基本控制规律及其对系统过渡过程的影响优点：反应快，控制及时缺点：存在余差若对象的滞后较小、时间常数较大以及放大倍数较小时，控制器的比例度可以选得小些，以提高系统的灵敏度，使反应快些，从而过渡过程曲线的形状较好。反之，比例度就要选大些以保证稳定。

结论15三、积分控制16

当对控制质量有更高要求时，就需要在比例控制的基础上，再加上能消除余差的积分控制作用。

积分控制作用的输出变化量p与输入偏差e的积分成正比，即图5-9积分控制器特性当输入偏差是常数A时

当有偏差存在时，输出信号将随时间增长（或减小）。

当偏差为零时，输出才停止变化而稳定在某一值上，因而用积分控制器组成控制系统可以达到无余差。结论17把比例与积分组合起来，这样控制既及时，又能消除余差。图5-10比例积分控制器特性图5-11积分时间对过渡过程的影响比例积分控制规律可用下式表示

或若偏差是幅值为A的阶跃干扰比例积分控制器对于多数系统都可采用，比例度和积分时间两个参数均可调整。当对象滞后很大时，可能控制时间较长、最大偏差也较大；负荷变化过于剧烈时，由于积分动作缓慢，使控制作用不及时，此时可增加微分作用。18四、微分控制19在自动控制时，控制器具有微分控制规律图5-12理想微分控制器特性优点具有超前控制功能。

缺点它的输出不能反映偏差的大小，假如偏差固定，即使数值很大，微分作用也没有输出，因而控制结果不能消除偏差，所以不能单独使用这种控制器，它常与比例或比例积分组合构成比例微分或三作用控制器。

20比例微分控制规律图5-13比例微分控制器特性比例积分控制规律图5-14微分时间对过渡过程的影响图5-15三作用控制器特性第三节模拟式控制器一、基本构成原理及部件21在模拟式控制器中，所传送的信号形式为连续的模拟信号。目前应用的模拟式控制器主要是电动控制器。

图5-16控制器基本构成1.比较环节作用将给定信号与测量信号进行比较，产生一个与它们的偏差成比例的偏差信号。2.放大器是一个稳态增益很大的比例环节。3.反馈环节作用通过正、负反馈来实现比例、积分、微分等控制规律。二、DDZ-Ⅲ型电动控制器221.DDZ-Ⅲ型仪表的特点（1）采用国际电工委员会（IEC）推荐的统一标准信号。

优点电气零点不是从零开始，且不与机械零点重合，这不但利用了晶体管的线性段，而且容易识别断电、断线等故障。只要改变转换电阻阻值，控制室仪表便可接收其他1:5的电流信号。因为最小信号电流不为零，为现场变送器实现两线制创造了条件。现场变送器与控制室仪表仅用两根导线联系（图5-37），既节省了电缆线和安装费用，还有利于安全防爆。

第三节模拟式控制器23（2）广泛采用集成电路，可靠性提高，维修工作量减少。

优点由于集成运算放大器均为差分放大器，且输入对称性好，漂移小，仪表的稳定性得到提高。由于集成运算放大器有高增益，因而开环放大倍数很高，这使仪表的精度得到提高。由于采用了集成电路，焊点少，强度高，大大提高了仪表的可靠性。

第三节模拟式控制器（3）Ⅲ型仪表统一由电源箱供给24VDC电源，并有蓄电池作为备用电源。

优点各单元省掉了电源变压器，没有工频电源进入单元仪表，既解决了仪表发热问题，又为仪表的防爆提供了有利条件。在工频电源停电时备用电源投入，整套仪表在一定时间内仍可照常工作，继续进行监视控制作用，有利于安全停车。

24第三节模拟式控制器25（4）结构合理，比之Ⅱ型有许多先进之处。

表现在基型控制器有全刻度指示控制器和偏差指示控制器两个品种，指示表头为100mm刻度纵形大表头，指示醒目，便于监视操作。自动、手动的切换以无平衡、无扰动的方式进行，并有硬手动和软手动两种方式。面板上设有手动操作插孔，可和便携式手动操作器配合使用。结构形式适于单独安装和高密度安装。有内给定和外给定两种给定方式，并设有外给定指示灯，能与计算机配套使用，可组成SPC系统实现计算机监督控制，也可组成DDC控制的备用系统。

（5）整套仪表可构成安全火花型防爆系统。

26272.DDZ-Ⅲ型电动控制器的组成与操作图5-17DDZ-Ⅲ型控制器结构方框图

主要由输入电路、给定电路、PID运算电路、自动与手动（包括硬手动和软手动两种）切换电路、输出电路及指示电路等组成。

28图5-18DTL-3110型调节器正面图1—自动-软手动-硬手动切换开关；2—双针垂直指示器；3—内给定设定轮；4—输出指示器；5—硬手动操作杆；6—软手动操作板键；7—外给定指示灯；8—阀位指示器；9—输出记录指示；10—位号牌；11—输入检测插孔；12—手动输出插孔第四节数字式控制器29数字式控制器与模拟式控制器的异同点：

数字式控制器模拟式控制器构成原理数字技术模拟技术所用器件以微处理机为核心部件以运算放大器等模拟电子器件为基本部件不同点相同点仪表总的功能和输入输出关系基本一致。

一、数字式控制器的主要特点30

1.实现了模拟仪表与计算机一体化。

2.具有丰富的运算控制功能。

3.使用灵活方便，通用性强。

4.具有通讯功能，便于系统扩展。

5.可靠性高，维护方便。二、数字式控制器的基本构成311.数字式控制器的硬件电路图5-19数字式控制器的硬件电路32（1）主机电路主机电路是数字式控制器的核心，用于实现仪表数据运算处理及各组成部分之间的管理。（2）过程输入通道过程输入通道包括模拟量输入通道和开关量输入通道，模拟量输入通道用于连接模拟量输入信号，开关量输入通道用于连接开关量输入信号。（3）过程输出通道过程输出通道包括模拟量输出通道和开关量输出通道，模拟量输出通道用于输出模拟量信号，开关量输出通道用于输出开关量信号。第四节数字式控制器（4）人／机联系部件人／机联系部件一般置于控制器的正面和侧面。（5）通信接口电路通信接口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收的数据。33342.数字式控制器的软件（1）系统程序系统程序是控制器软件的主体部分，通常由监控程序和功能模块两部分组成。（2）用户程序用户程序是用户根据控制系统的要求，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。第四节数字式控制器作用使控制器完成预定的控制与运算功能。

用户程序的编程通常采用面向过程POL语言。通常有组态式和空栏式语言两种，组态式又有表格式和助记符式之分。控制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。35三、KMM型可编程序调节器36是一种单回路的数字控制器。图5-20KMM型调节器正面布置图1～7—指示灯；8，9—按钮；10～13—指针可以接收五个模拟输入信号，四个数字输入信号，输出三个模拟信号，输出三个数字信号。功能强大；能用于单回路的简单控制系统与复杂的串级控制系统；控制精度高、使用方便灵活；有自我诊断的功能，维修方便；可与电子计算机联用。优点37调节器的启动步骤：

（1）调节器在启动前，要预先将“后备手操单元”的“后备／正常”运行方式切换开关扳到“正常”位置。另外，还要拆下电池表面的两个止动螺钉，除去绝缘片后重新旋紧螺钉。（2）使调节器通电，调节器即处于“联锁手动”运行方式，联锁指示灯亮。（3）用“数据设定器”来显示、核对运行所必需的控制数据，必要时可改变PID参数。（4）按下“R”键（复位按钮），解除“联锁”。这时就可进行手动、自动或串级操作。第五节可编程序控制器一、概述38

1969年美国研制出了第一台可编程序控制器。可编程序控制器初期主要用于顺序控制，称为可编程逻辑控制器，简称PLC。可编程序控制器的出现是基于微计算机技术，用来解决工艺生产中大量的开关控制问题。可编程序控制器最大特点是在于可编程序，可通过改变软件来改变控制方式和逻辑规律，

PLC在国内已广泛应用于石油、化工、电力、等各行各业，目前已广泛应用于连续生产过程的闭环控制。39PLC产品的分类方法1.按容量分（1）小型PLC

I／O点总数一般为20～128点。

主要功能逻辑运算、定时计数、移位处理等，采用专用简易编程器。（2）中型PLC

其I／O点总数通常为129～512点，内存在８K以下，适合开关量逻辑控制和过程变量检测及连续控制。

主要功能除有小型PLC的功能外，还有算术运算、数据处理及A／D、D／A转换、联网通信、远程I／O等功能，可用于比较复杂过程的控制。40（3）大型PLC

其I／O点总数在513点以上。

主要功能除了具有中小型PLC的功能外，还具有PLD运算及高速计数等功能，用于机床控制时，具有增加刀具精确定位、机床速度和阀门控制等功能，配有CRT显示及常规的计算机键盘，与工业控制计算机相似。编程可采用梯形图、功能表图及高级语言等多种方式。

41２.按硬件结构分（1）整体式PLC

它将PLC各组成部分集装在一个机壳内，输入、输出接线端子及电源进线分别在机箱的上、下两侧，并有相应的发光二极管显示输入／输出状态。面板上留有编程器的插座、EPROM存储器插座、扩展单元的接口插座等。优点具有这种结构的可编程序控制器结构紧凑、体积小、价格低。

图5-21SIMENSSIMATICS7-200的外形图42（2）模块式PLC输入／输出点数较多的大型、中型和部分小型PLC采用模块式结构。其优点为：图5-22SIMENSSIMATICS7-300的外形图采用积木搭接的方式组成系统，便于扩展，其CPU、输入、输出等都是独立的模块，有的PLC的电源包含在CPU模块之中。品种多，硬件配置灵活，更换模块方便。（3）叠装式PLC

它吸收了整体式和模块式PLC的优点，其基本单元、扩展单元等高等宽，它们不用基板，仅用扁平电缆连接，紧密拼装后组成一个整齐的体积小巧的长方体，而且输入、输出点数的配置也相当灵活。二、可编程序控制器的基本组成43图5-23PLC的基本组成框图441.中央处理器解释并执行用户及系统程序，通过运行用户及系统程序完成所有控制、处理、通信以及所赋予的其他功能，控制整个系统协调一致地工作。主要有通用微处理器、单片机和双极型位片机。

2.存储器（1）存储器类型：

RAM、ROM、EPROM和E2PROM，外存常用盒式磁带或磁盘等作用（2）存储区分配图5-24简化的存储映像453.输入输出模块I／O模块是可编程序控制器与生产过程相联系的桥梁。

PLC连接的过程变量按信号类型可分为开关量（即数字量）、模拟量和脉冲量等，相应输入输出模块可分为开关量输入模块、开关量输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块和脉冲量输入模块等。4.编程器功能

编程器是PLC必不可少的重要外部设备。编程器将用户所希望的功能通过编程语言送到PLC的用户程序存储器。编程器不仅能对程序进行写入、读出、修改，还能对PLC的工作状态进行监控，同时也是用户与PLC之间进行人机界面。4647工作方式编程器与PLC上的专用插座相连，或通过专用接口相连，程序可直接写入PLC的用户程序存储器中，也可先在编程器的存储器内存放，然后再下装到PLC中。离线（脱机）编程方式

编程器先不与PLC相连，编制的程序先存放在编程器的存储器中，程序编写完毕，再与PLC连接，将程序送到PLC存储器中。在线（联机）编程方式分类便携式编程器和通用计算机。三、可编程序控制器的编程语言481.梯形图语言梯形图语言在形式上类似于继电器的控制电路，它从上至下按行编写，每一行则按从左至右的顺序编写,CPU将按自左到右、从上而下的顺序执行程序。

梯形图的左侧竖直线称为母线,其左侧安排输入触点和中间继电器触点，最右边必须是输出元素。目前常用的编程语言有以下几种：梯形图语言助记符语言功能表图某些高级语言49举例某一过程控制系统，工艺要求开关1闭合40s后，指示灯亮，按下开关2后灯熄灭。

图5-25（a）为实现这一功能的一种梯形图程序（OMRONPLC），它是由若干个梯级组成的，每一个输出元素构成一个梯级，而每个梯级可由多条支路组成。图5-25梯形图程序502.助记符语言它又称命令语句表达式语言，常用一些助记符来表示PLC的某种操作。

助记符语言类似微机中的汇编语言，但比汇编语言更直观易懂。

图5-25（b）为梯形图对应的用助记符表示的指令表。

不同厂家生产的PLC所使用的助记符各不相同，因此同一梯形图写成的助记符语句不相同。用户在梯形图转换为助记符时，必须先弄清PLC的型号及内部各器件编号、使用范围和每一条助记符的使用方法。注意！四、OMRONC系列PLC511.简介OMRONC系列PLC有微型、小型、中型和大型四大类十几种型号。微型PLC以C20P和C40H为代表，是整体结构，I／O容量为几十点，最多可扩至120点。小型PLC分为C120和C200H两种，C120最多可扩展256点I／O，是紧凑型整体结构。中型PLC有C500和C1000H两种，I／0容量分别为512点和1024点。大型PLC有C2000H，I／O点数可达2048点，同时多处理器和双冗余结构使得C2000H不仅功能全、容量大，而且速度快，由于也是模块化结构，外形与C200H相近。52图5-26SYSMACC28H外形示意图图5-27CPM1AC**A外观图图5-28C200H外观示意图532.OMRONPLC指令

指令大多数是按照位（bit）寻址，个别指令按照通道寻址。按位寻址的地址编号为：通道号。位号，如0.00表示0通道的第0位，位的表示采用十进制数，范围为0～15。

在OMRONPLC中，对于输入、输出等继电器的编号不用加字母。小型整体PLC的输入、输出编号是固定不变的，使用者可以按照PLC主机标注编号编程；对于模块式PLC则根据输入或输出模块安装位置决定其编号。54按功能分类基本指令特殊功能指令构成助记符：表示指令要完成的功能。操作数：指出了要操作的对象。55（1）OMRONPLC的基本指令①LD和LDNOT指令②OUT和OUTNOT指令③AND和ANDNOT指令④OR和ORNOT指令图5-29OMRONPLC的基本指令应用示例⑤ANDLD指令⑥ORLD指令⑦END指令5657（２）几个功能指令

①保持指令KEEP（11）

它执行继电器保持操作，可保持为ON或OFF状态，直到它的两个输入端之一使它复位或置位。图5-30电机启动控制程序图58②微分指令DIFU（13）和DIFD（14）

微分指令在执行条件满足后第一次扫描时才执行，且只执行一次；若执行条件解除后再次满足，则再执行。DIFU是上升沿微分指令，DIFD是下降沿微分指令。

图5-31微分指令应用示例59③定时器

定时器为递减型，有低速TIM和高速TIMH（15）两种。定时器的操作数包括定时器编号（N）和设定值（SV）两个数据。④计数器

计数器包括单向递减型CNT和双向可逆型CNTR（12）两种，其操作数包括计数器编号和设定值两个数据。图5-32计数包装控制程序五、应用实例601.水箱液位控制为了保证水箱液位保持在一定范围，分别在控制的上限和下限设置检测传感器，用PLC控制注入水电磁阀。当液位低于下限时，下限检测开关断开，打开电磁阀开始注水；当注水达到上限位置时，上限检测开关闭合，切断电磁阀。PLC采用OMRON的CPM2A-60CDR。工艺要求如图5-33所示。输入、输出点分配如下：上限检测开关0.00；下限检测开关0.01平；电磁阀10.00

图5-33水箱液位控制示意图61

控制接线如图5-34所示，图5-35为液位控制梯形图。当低于液位下限时，下限开关与上限开关均断开，0.00与0.01常闭触点闭合，使输出继电器10.00导通，注水电磁阀打开；一旦超过下限液位，虽然0.01触点断开，但由于10.00触点的自锁作用，仍保证注水阀打开，直至上限检测开关闭合，0.00的常闭触点断开，输出继电器10.00断开，注水阀关闭。