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1、第四章 可编程调节器控制仪表及装置控制仪表及装置1 1第一节 概述一 可编程调节器的特点二 基本构成第二节 KMM可编程调节器一 组成二 功能三 编程方法和仪表投入四 应用举例内容安排2第一节 概述一、集散控制系统(DCS)1、结构图CRT操作站管理计算机过程控制单元过程控制单元数据采集单元集中操作与管理装置分散控制装置通信系统342、系统组成操作站（Operator Station）负责集中监视、操作及系统生成现场控制站（Field Control Station）负责执行具体控制功能 3、特点、控制功能分散，操作管理功能集中。、硬件及软件结构都与通用计算机有很大不同，尤其是软 件，它不使用
2、通用的程序设计语言，而是采用面向控制问题的专用语言POL（ProblemOriented Language）5二、可编程调节器是一种内藏微处理机的运算控制仪表，是近代自动控制技术、计算机技术和通信技术（简称3C技术）高度结合的产物。可编程 调节器V/I：420mADC15VDC模拟数字也叫单回路可编程调节器6实现了仪表和计算机一体化。具有丰富的运算、控制功能。通用性强，使用方便。具有通信功能，便于系统扩展。可靠性高，维护方便 。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。 可编程调节器的特点7 可编程调节器的基本构成1.硬件系统 多 路 开 关采 样保 持输 入
3、 缓 冲模 拟 量 输 入开 关 量 输 入A/D 输 入 接 口微 处 理 器输 出 接 口存储器键盘显示接口D/A多 路 开 关输 出 保 持V/I输 出 缓 冲键盘显示器通信接口发送 接收模 拟 量 输 出 开 关 量 输 出通 信过程输入通道过程输出通道主机人 机 接 口通信接口8 主机电路 由微处理器(CPU)、存储器(ROM、EPROM、RAM)、定时/计数器(CTC)以及输入输出接口(I/O)等组成, 完成数据传递、信息与程序存储、定时计数、并行输入输出和异步或同步串行通信的功能。 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。单片微机包括了CPU、ROM、RAM、CTC和
4、I/O接口等, 与多芯片组成的主机电路相比，具有体积小、连线少、可靠性高、价格便宜的优点。 9 模拟量输入、输出通道 模拟量输入通道包括多路模拟开关、采样/保持器(S/H)和 A/D转换器等，完成模数转换功能。 有多种类型的 A/D，性能各异，位数有二进制 8、10、12、16、20、24位及二-十进制31/2 、41/2位。模拟量输出通道包括 D/A转换器、多路模拟开关、输出保持电路和V/I转换器 等, 完成数模转换和电压/电流转换功能。 常采用电流型 D/A 芯片，有 8、10、12、16位等几种，D/A 输出端尚需加接运算放大器。10 开关量输入、输出通道 触点开关、无触点开关或逻辑器件
5、的开关量信号，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出至开关器件。 人机联系部件 包括测量值、给定值显示器，输出电流显示器, 运行状态(串级/自动/手动)切换按钮，给定值增减按钮, 另有一些状态显示灯和设置、指示各种变量的键盘、显示器。显示器常使用动圈指示表、LED、LCD等器件。11 通信部件 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，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。可编程调节器大多采用串行传送方式，一次传送一位，连续传送，其
6、特点是所用电缆少，成本低，适于远距离传输。122.软件系统 系统初始化键盘显示管理中断管理自诊断处理运行状态控制监 控 程 序键处理定时处理运算控制通信处理掉电处理中 断 处 理 程 序系统程序：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： 13用户程序：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。 编制程序采用表格式组态语言 (KMM调节器)和助记符式组态语言(SLPC调节器)。本章以前者为例予以介绍。编程有在线和离线两种方法。离线方法：编程器独立于调节器, 用户程序写入EPROM, 将其插入调节器相应的插座上。在线方法：编程器和调节器共用一个CPU， 用户程 序写入
7、EPROM后，同样移至调节器的插座上。143.PID控制算式 可编程调节器的PID控制算式是对模拟控制算式（参见第一章）进行离散化而得到的。 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： 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。积分项可表示为 e (t) d t = TS e (i) t0ni = 0微分项可表示为d e (t) e (n) - e (n-1) d tTS=15将第n次采样的算式减去第(n-1)次采样的算式，得到完全微分型的增量型
8、算式： y(n) = Kp e(n) - e(n-1) + Ki e(n) + Kd e(n) - 2e(n-1) +e(n-2) Ki = KpTSTI式中，为调节器的积分系数Kd = Kp为调节器的微分系数TDTS另有速度型算式：v (n) = y(n) / TS 实际中，常使用增量型算式，因有利于实现手/自动之间的无扰动切换。 16 PID算式的改进 不完全微分型 不完全微分型算式的传递函数见第一章，将其离散化得到：y(n) = Kp e(n) +TS e(i) +TIni = 0TDT *e(n) - e(n-1)+ yD (n-1) T * = TS + TDKD式中：， =TD /
9、 KD TS + TD / KD 不完全微分型算式较复杂，但其控制品质优于完全微分型。 17微分先行PID 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，不会产生输出的大幅度变化。积分分离PID 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，这样既可减小超调，又可达到积分校正的效果(消除偏差)。还可采用其它方法改进PID算式，例如带有死区的PID控制 ，自动改变比例增益的PID控制、 模糊PID控制等 。18外形及正面板72144mm2RC A MAL AHCPUF COM第二节 KMM可编程调节器19内部侧面板结构辅助开关显示变换开关数据设定器
10、参数表后备 手操 单元20主机电路：CPU采用8085A，系统ROM容量为10K字节，用户ROM容量2K字节，RAM为1K字节，定时器采用8253。设置有监视定时器(WDT)电路，一旦CPU异常，即能告警，仪表转入联锁手动状态。 电源电压异常时 ，切入后备电源，以保护RAM内数据。一、组成主要： 模拟量输入5点，输出4点；性能 数字量输入5点，输出4点； 指标 采样周期100500ms；运算模块45种，可编程模块30个。 硬件部分 21模拟量输入输出电路：A/D 转换电路是利用输出电路中的12位 D/A 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PV、SP模拟值至面板，供显示测
11、量、给定值之用。数字量输入输出电路：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，还送出PV、SP模拟值至面板，供显示测量、给定值之用。输入输出接口： I/O 接口包括可编程并行接口电路8255和可编程键盘显示控制器8279。8255的三组I/O端口分别作为D/A的输入口数字信号的输入、输出口，8279用于数据设定器的数据修改和LED数码管的显示。22系统程序：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。基本程序是程序的主体部分，由监控程序和中断处理子程序组成。输入处理程序和运算程序则由一系列子程序构成，每个子程序完成一种特定的功能。 软件部分 用户程序：由使
12、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。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EPROM中。23KMM 可对5个模拟信号（AIR）进行折线处理、温度补偿、压力补偿、开平方和数字滤波处理，结果 为AI，见下图：二、功能 输入处理功能 图中的开关若打在“0”，表示不进行该项处理。 TBL1T COMPP COMPSQRTDIG FILTTBL2TBL31001010213AIRAI241.折线处理：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标值(xi ，yi)，然后填入相应的数据表。2.温度补偿：用于
13、气体或蒸气流量信号温度补偿：补偿后的流量信号 = 设计温度 + 常数实际温度 + 常数 流量信号3.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 = 设计压力 + 常数实际压力 + 常数 流量信号编程时，将有关数值填入输入处理数据表中。 254.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，编程时将切除值填入 然后填入数据表中，切除范围可在输入量程的0.0 100.0%任意选定。5.数字滤波：用来消除输入信号中的随机干扰, 为一阶滞后环节： 输出 = 1TS + 1 输入式中T 为滤波时间常数，范围：0.0 999.9。编程时将T 值填入数据表中。 输出处
14、理功能 有模拟输出信号(AO1AO3)，数字输出信号(DO1DO3)。哪些信号送到输出端，在输出处理数据表中规定。 26KMM 具有45种算法即运算模块(见表4-1)进行，用户最多可选用30个进行组合。模块表示如下： 运算处理功能 名称nP1P2UnH1H2四个输入端：H1、H2、 P1、 P2；一个输出端：U1；模块序号：n 运算关系：Un = f (H1、H2、 P1、 P2)运算模块分为7类：一般运算类、调节类、监视限制类、选择类、逻辑类、时间类和折线处理类。271.PID 运算模块包括PID1和PID2，都具有常规PID运算规律和微分先行运算规律，其模块符号如下：当 P2 = ON时，
15、U(n) = P1 + U(n) 此时微分不起作用， P1为P1端输入电压信号， U(n)为第n次采样偏差的PI运算增量值。当 P2 = OFF时，U(n) = U(n-1) + U(n)U(n-1)为前一次采样输出值； U(n)为第n次采样偏差的常规PID运算增量值。UPIDP1P2H1H2n282.手动操作模块MAN常与 PID运算模块组合使用， MAN 模块只能使用一次，其输出必须接到AO1端。模块符号和内部结构如下：MANUH1H2自动方式(A)时， U = H1；跟踪方式(F)时，U = H2；手动方式(A)时，U = 先前值 + MV 。输出 增/减+MVMA/C 方式切换跟踪切换
16、A/C 输入跟踪输入U 接AO1293.运行方式切换模块MOD用于调节器运行方式的切换。模块符号和切换特性如下：H1H2P1P2ONOFF ON OFF ON OFF ON OFFMACAFAMMODH1H2P1P2当H1 = ON时，调节器处于跟踪方式(F)；当H1 = OFF时，调节器恢复跟踪前的方式；当H2 = ON时，调节器为手动方式(M)； 当P1 = ON时，调节器为自动方式(A)； 当P2 = ON时，调节器为串级方式(C)。 304.控制变量更换模块PMD用于修改PID模块控制变量, 有PMD1和PMD2。模块符号：三个输入端：H1、P1和EXT.NO；输出无意义。当P1 = ON时，可改变PID变量； 当P1 = OFF时，不能改变PID变量。MODH
