控制仪表及装置第四章

第四章可编程调节器《控制仪表及装置》第一节概述一可编程调节器的特点二基本构成可编程调节器第二节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第一节概述一、可编程调节器1.概念可编程调节器是一种带微处理机的智能调节器。（1）内部有多个PID模块，不仅能完成内部串级，独立实现四路PID调节的输出，还具有开方，温度补偿，压力补偿及加、减、乘、除、折线近似等多种运算功能。（2）有四组独立的显示操作面板，不必切换，方便用户。（3）它适用于石油、化工、冶金、轻工等工业过程的自动控制，并具有通信功能，与监控微机相连可组成分散控制系统。可编程调节器是数字是控制仪表中较为新型的一种，以微处理器为运算和中的核心，可由用户编制程序，实现各种调节规律的数字式仪表。目前我国从外引进或组装、广泛使用的产品有DK系列的KMM调节器，YS-80系列的SLPC调节器、FC系列的PMK调节器、VI系列的VI87MA-E调节器等。

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：．：．4～20mADC1～5VDC模拟数字也叫单回路可编程调节器

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。2.可编程调节器的特点以微处理器（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3.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。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。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。HMI(HumanMachineInterface)

正面板： 测量值和给定值显示器 输出电流显示器 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

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通信部件软件部分系统程序:

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。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：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。专用编程器→组态→用户程序写入EPROM→EPROM安装到数字调节器上用户程序：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EPROM后，同样移至调节器的插座上。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)。用户程序的编程通常采用面向过程POL语言(Procedure-OrientedLanguage)。

编程方式简单易学。3.PID控制算式可编程调节器的PID算式是对模拟控制器的算式进行离散化得到的。模拟控制器的完全微分型(理想)PID算式为：（1）PID算式的基本形式—完全微分型PID算式理想PID传递函数积分项可表示为t0n∫e(τ)dτ=TS

e(i)i=0微分项可表示为式中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)+}+y′TIni=0TDTS[e(n)-e(n-1)

]式中y(n)为第n次采样输出值，y′为输出初值。de(t)e(n)-e(n-1)dtTS=离散化矩形法计算积分向后差分代替微分对应于控制阀的开度，即与阀位一一对应y(n)=Kp

{e(n)+TS

e(i)+}+y′TIni=0TDTS[e(n)-e(n-1)

]y(n-1)=Kp

{e(n-1)+TS

e(i)+}+y′TIn-1i=0TDTS[e(n-1)-e(n-2)

]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算式：

式中：Ki=KpTSTI，调节器的积分系数Kd=Kp，调节器的微分系数TDTS同样可以得到第n-1次采样的PID算式表示执行机构（阀门）开度应改变的增量y(n)=Kp

{e(n)+TS

e(i)+}+y′TIni=0TDTS[e(n)-e(n-1)

]注意：控制算法不同，输出控制量不同，两种系统中所用输出通道的结构也就不同。另有速度型算式：v(n)=

y(n)/TS

增量型算式的优点（1）计算机只输出控制增量，即执行机构位置的变化部分，误动作时影响小。（2）增量型算式使用广泛。易于实现手/自动之间的无平衡无扰动切换。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。改进原因：完全微分型算式中的理想（完全）微分作用存在以下问题：y(n)=Kp

{e(n)+TS

e(i)+}+y′TIni=0TDTS[e(n)-e(n-1)

]（1）理想微分作用只在偏差变化瞬时有输出信号，微分作用很弱，控制效果不好，而非理想微分作用时间较长，可加强对过程的控制。（2）当瞬时偏差变化较大时，在一个采样周期内理想微分输出数值可能很大，引起计算机溢出。（3）理想微分抗干扰能力很差。（2）PID算式的改进（2）PID算式的改进①不完全微分型（非理想）算式

不完全微分型算式的传递函数如下：差分算式微分方程差分方程化简上式（4-9）（4-10）合并上述两式，得不完全微分型PID算式不完全微分型算式较复杂，但其控制品质优于完全微分型。

②微分先行PID控制

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。这种算式适用于给定值经常变化的情况。测量值PDPI输出I0,U0给定值③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)。积分分离PID算式为分离系数预定阈值还可采用其它方法改进PID算式，例如，自动改变比例增益的PID控制、模糊PID控制等。④带有死区的PID控制带有死区的PID算式为：这种控制方式适用于控制精度要求不太高，但要求控制作用尽可能少变化的场合。第二节KMM可编程调节器概述：KMM可编程调节器是Dk系列仪表中具有代表性的产物。硬件电路简单可靠，面板显示、操作方式都与模拟仪表保持了连续性，具有丰富的运算功能和控制功能模块。该调节器与一台工业过程控制计算机一样，具有中央处理CPU，内存储器（ROM、EPROM、RAM）及A／D和D／A转换芯片等主要部分。外形及正面板72×144mm2RCAMALAHCPUFCOMKMM可编程调节器外形图内部侧面板结构辅助开关显示变换开关数据设定器参数表后备手操单元KMM可编程调节器KMM调节器面板面板上具有测量值（SP）和给定值（PV）指示、输出指示、异常指示、各种操作按钮和指示灯。AL:下限报警指示灯AH:上限报警指示灯PV测量值指针SP给定值指针记忆指针输出手动按钮增、减给定值调整按键按

▲给定值↑，按▼给定值↓，同时按▲▼给定值不变运行方式切换按钮按钮上带指示灯，A表示自动，M手动，C串级输出指示表及输出指示指针仪表异常指示灯通信指示灯联锁指示灯和复位按钮仪表内部装有数据设定器、电路板、备用手操器和电源单元。数据设定器：设定和修改控制、运算所必需的变量，并将给定值、测量值、输出值和运算结果以数字方式显示。电路板：包括主机，模拟量输入、输出电路，数字量输入、输出电路以及各种接口电路。备用手操器：仪表的主要芯片异常情况下使用，此时，可以通过手操器上的升降按钮来改变仪表的输出电流。电源单元：把24V直流电源电压转换成机器内部所需的+5V和±15V的直流工作电压。主要性能指标：模拟量输入5点，输出4点；数字量输入5点，输出4点；采样周期100~500ms；运算模块45种，可编程模块30个。一、组成(一)硬件部分主机电路：CPU（中央处理单元）

：KMM调节器的核心。采用8位微处理器8085A，完成接收指令、数据传送、运算处理和控制功能。系统ROM（只读存储器）：容量为10K，存放系统程序。系统程序由制造厂家编制，用来管理用户程序、功能子程序、人机接口及通讯等，一般用户是无法改变的。用户ROM：容量2K，采用EPROM芯片，存放用户编制的程序。RAM（随机存储器）：容量1K，用来存放调节器输入数据、显示数据、运算的中间值和结果等。主机电路：WDT（监视定时器）：用来监视调节器的运行状态，一旦CPU出现异常情况，则立即用软件使其暂停，并发出报警信号，使调节器进入手动操作。CTC（定时／计数器）：定时器采用8253,有定时／计数功能。定时功能用来确定调节器的采样周期，产生串行通讯接口所需的时钟脉冲；计数功能主要对外部事件进行计数。后备电源：电源电压异常时，切入后备电源，以保护RAM内数据。模拟量输入电路：由缓冲器、A／D转换电路（逐次比较型A/D

）等构成。有5个模拟输入信号(1～5VDC)，它们经过缓冲器，在CPU的控制下由多路开关输入A／D转换成数字量信号。模拟量输出电路：由D／A转换器、多路开关和保持器等组成。数字信号经D／A转换输出1～5VDC和4～20mADC模拟信号，同时还输出PV、SP模拟电压值至面板供测量和给定值显示之用。模拟量输入、输出电路：数字量输入、输出电路：数字量输入电路：由晶体管阵列和门控电路组成。面板按钮和外部数字量信号经晶体管阵列和门控电路送入输入接口。数字量输出电路：包括锁存器和晶体管阵列。来自输出接口的数字信号通过锁存器和晶体管阵列送至外部开关电路。此外，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。系统程序：系统程序包括基本程序、输入处理程序、输出处理程序和运算程序。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：由一系列子程序构成，包括折线处理、温度压力补偿、开方处理和数字滤波处理等子程序。运算程序：由一系列子程序构成，包括算术运算、逻辑运算、PID运算等45种子程序。每个子程序完成一种特定的功能，称之为一个“运算模块”，用户最多能从中选择30种运算模块进行组态。（二）软件部分KMM调节器软件包括系统程序和用户程序（应用程序）。（二）软件部分用户程序(应用程序)：用户程序又称控制数据，由使用者自行编制，KMM调节器采用表格式组态语言（面向过程语言POL）编制程序,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。用户程序的控制数据种类：（7类）基本数据F001（用来指定调节器的类型、运算周期、是否与上位机连接等）输入处理数据F002（指明输入处理的种类等）PID运算数据F003（确定PID运算的类型、控制参数等）折线数据F004（决定折线表形式）可变参数F005（确定运算处理中使用系数、常数等）运算模块数据F101～F130（指定运算种类、运算单元的连接方式等）输出处理数据F006（指定输出信号）控制数据由四部分组成，结构如下：KMM可编程调节器具有：输入处理功能运算处理功能输出处理功能自动平衡功能自诊断功能通信功能二、功能（一）输入处理功能

KMM调节器可对5个模拟输入信号（AIR）进行处理-----折线处理(TBL)、温度补偿(T．COMP)、压力补偿(P．C0MP)、开平方(SQRT)和数字滤波(D.F)。结果为AI，见下图：（一）输入处理功能图中的开关若打在“0”，表示不进行该项处理。TBL1TCOMPPCOMPSQRTDIGFILTTBL2TBL31001010213AIRAI折线处理：可用于非线性校正。有三个折线表：TBL1~3。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。用户可定义折线表中的10个折点坐标。图4-5折线温度补偿：用于气体或蒸气流量信号的温度补偿：补偿后的流量信号=

实际温度+常数设计温度+常数

流量信号实质上是把反应流量大小的压差信号Δp折算成设计温度下的压差信号Δpd，即：编程时，将有关数值填入输入处理数据表中。压力补偿：用于气体或蒸气流量信号的压力补偿：补偿后的流量信号

=实际压力+常数设计压力+常数

流量信号编程时，将有关数值填入输入处理数据表中。实质上是把反应流量大小的压差信号Δp折算成设计压力下的压差信号Δpd，即：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数据表中，切除范围可在输入量程的0.0~100.0%任意选定。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。（二）输出处理功能有模拟输出信号(AO1~3)，数字输出信号(DO1~3)。AO1：1—5V和4—20mAAO2、3：1—5V哪些信号送到输出端，在输出处理数据表中予以规定，即只需填写相应的内部信号名称。KMM具有45种算法即运算模块(见表4-1)，用户最多可选用30个进行组合。模块表示：（三）运算处理功能名称nP1P2UnH1H2四个输入端：H1、H2、

P1、P2；一个输出端：Un；模块序号：n运算关系：Un=f

(H1、H2、

P1、P2)软端子一个运算单元可以放置任何一种运算式。每个运算单元原则上有4个输入端子（H1、H2、P1、P2）和一个输出端子Uo，运算式不同，使用的端子数亦不同。（参考表4-1）运算模块的输入和输出信号分为百分型（%）、开关型（ON/OFF）和时间型。在运算模块端子上分别用“○”、“”、“●”表示；在内部信号表中分别用“P”、“F”、“T”表示。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。内部信号是指运算单元软端子(虚拟代号如H1、H2、Pl、P2等)之间的联系信号。KMM有118种内部信号(如表4-2)。1、PID运算模块调节器有两个PID模块：PID1和PID2,都具有常规PID和微分先行PID运算规律。(1)常规PID运算规律(2)微分先行PID运算规律(3)PID运算模块结构除了具有PID运算功能外，还有一些附加功能。例如：报警检测，比率计算，积分限幅，输出变化率限制等。与其它运算不同，PID模块需设定控制变量：比例度、积分时间、微分时间、报警信号的限制值、比率值、偏置值、积分限幅值、输出变化率限制等,这些都称为PID运算数据,编程时,用户应按PID运算数据表,逐项填写.2、手动操作模块MAN用手动进行输出操作的模块。MAN模块可以与任意模块组合。1、在一台KMM中，必须有且只能有一个“MAN”模块；2、输出U必须“连”到KMM的AO1端子。不过输出U与AO1端子之间可以插入开关型的运算模块。3、MAN模块可以通过正面板按钮进行手动操作输出。自动方式(A)时，U=H1跟踪方式(F)时，U=H2手动方式(M)时，U=先前值+ΔMV3、运行方式切换模块MOD作用:可自动进行调节器运行方式的切换.4、控制变量更改模块PMD作用：用来修改PID模块的控制变量。PMD1--用来修改PID1模块的控制变量;PMD2--用来修改PID2模块的控制变量;图4-12PMD模块符号算式：P1=ON,可改变PID参数；P1=OFF,不能改变PID参数表4-3PMD模块更改PID控制变量EXT.NO控制变量H1(%)变量范围12345678910111215比例度积分时间微分时间积分下限限幅积分上限限幅比率偏置偏差不灵敏区偏差报警输出变化率限制PV下限报警PV上限报警内给定0.0~799.90.0~488.20.0~488.20.0~200.00.0~200.0-699.9~799.9-699.9~799.90.0~100.00.0~100.00.0~100.0-6.9~106.9-6.9~106.9-6.9~106.90.0~799.9%0.0~488.2min0.0~488.2min0.0~200.0%0.0~200.0%-699.9~799.9%-699.9~799.9%0.0~100.0%0.0~100.0%0.0~100.0%-6.9~106.9%-6.9~106.9%-6.9~106.9%5、超前/滞后模块(L/L)图4-13超前/滞后模块6、高、低值监视模块（1）高值监视模块(HMS)图4-14高值监视模块（2）低值监视模块(LMS)图4-15低值监视模块7、变化率限制模块(DRL)图4-16变化率限制模块符号8、两点切换模块(SW)9、计时脉冲模块(TIM)图4-18计时脉冲模块10、斜坡信号发生器模块(RMP)图4-19斜坡信号发生器模块应用：用于需要斜坡信号的场合。例：作调节器的外给信号，可实现程序升温控制。11、脉冲宽度调制模块(PWM)图4-20脉冲宽度调制模块应用：用于控制开关型的执行器，实现时间比例开关控制。即执行器的闭合时间与输入大小成比例。12、折线模块（四）控制类型及无扰动切换1、控制类型调节器的控制类型分为0型、1型、2型、3型四种。编程时，将所选类型填入“基本数据”表中。0型（1PID本机型）只有一个PID模块，只有内给定（LSP1),无外给定(RSP)输入端。面板显示：“A”:PV=PV1,SP=LSP1“M”:PV=PV1,SP=LSP1（2）1型（1PID串级型）只有一个PID模块，但具有内、外给定切换（即A/C切换）开关，可以内给定，也可以外给定。面板显示：“A”:PV=PV1,SP=LSP1（RSP1)“C”:PV=PV1,SP=RSP1“M”:PV=PV1,SP=LSP1（RSP1)（3）2型（2PID本机型或固定串级型）有两个PID模块PID1:只有内给PID2:只有外给面板显示：“A”:PV=PV1(PV2),SP=LSP1(RSP2)“M”:PV=PV1(PV2),SP=LSP1(RSP2)（4）3型（2PID串级型）有两个PID模块PID1:只有内给PID2:可以内给，也可以外给。面板显示：“A”:PV=PV2(PV1),SP=LSP2(LSP1)“M”:PV=PV2(PV1),SP=LSP2(LSP1)“C”:PV=PV1(PV2),SP=LSP1(RSP2)2、无扰动切换(1)0型(2)1型无扰动切换原理与“０”型相同(3)2型(4)3型（五）运行方式分正常运行方式和异常运行方式正常运行方式：（1）手动(MAN)方式PID模块停止运算，调节器的输出由面板操作按钮控制。此时面板上“M”灯亮。（2）自动（AUTO）方式调节器进行定值控制，SP由面板上的增、减键设定。此时面板上“A”灯亮。（3）串级（CAS）方式调节器PID的给定信号来自外部（1型）或来自前级PID的输出（2、3型）。此时面板上“C”灯亮。（4）跟踪（FOLLOW）方式PID模块停止运算,调节器的输出跟踪P1值。此时切换前常量的灯变为闪烁。退出跟踪方式，该灯又恢复到常量。注：为了切换到跟踪（F）方式，需要有跟踪方式切换信号（外部节点信号或内部开关型数据）异常运行方式：（1）连锁手动（IM）方式功能：该方式（IM）的操作功能与手动（M）方式相同退出：在复位前不能退出。一定要排除故障后按复位按钮，才能返回手动状态。进入：当调节器出现A组诊断异常，或因外部连锁信号(INT’K=OFF)作用和后备手操器上STANDBY/NORMAL切换开关置于STANDBY一侧时，进入本方式。调节器刚接通电源时，一定处于这种运行方式。（2）后备（S）方式在正常运行或(IM)方式中，调节器出现B组诊断异常时，即切换到该方式。此时调节器的输出由后备手操器控制。后备手操器有2种形式：(a)预置型（即硬手操）切换到“S”方式后，即输出一个预先设定好的值，此后由手操器上的按钮控制输出；(b)跟踪型（即软手操）切换到“S”方式后，输出保持切换前的值，此后由手操器上的按钮或面板上的增、减键控制输出；（六）自诊断功能 调节器在每个采样周期的开始执行一遍自诊断程序，如果检测出异常，则在数据设定器上显示故障代码，同时调节器自动切换到“IM”或“S”运行状态。诊断A组输入异常运算溢出运算过载在5点模拟量输入中，任一路输入信号超出-6.9%~106.9%范围运算模块的运算结果超出-699。9%~799。9%范围时，发生运算溢出。在采样周期内，不能完成其全部运算处理。诊断B组RAM异常采样时间异常A/D转换异常RAM发生异常时，显示下列代码：当采样周期超出指定时间时，显示下列代码：当输入转换结果超出规定范围时，显示下列代码：ROM异常输出反馈异常ROM发生异常时，显示下列代码：模拟输出(AO1)的D/A转换不能正常时（包括输出断线），显示下列代码：当CPU和电源发生故障时，调节器也停止工作，但不显示诊断代码。(七)通信功能KMM调节器具有与上位设备(操作站或上位计算机)进行数据通信的能力.有3类不同的方式:类型0:不用通信;类型1:通过S-LINK(通信链)与LDOS(局部操作站)进行通信,但不能进行SPC和DDC控制.类型2：通过通信接口与上位计算机连接，完成SPC和DDC控制。SPC控制时，调节器的内给定（LSP）跟踪计算机给定(CSP);DDC控制时，计算机的输出代替调节器PID运算模块的输出，由计算机输出直接控制生产过程。用户使用哪种通信方式，应在填写基本数据表时确定。三、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，然后按功能要求绘制组态图，填写控制数据表。设计过程如下：按控制方案画