仪表与装置 第02章 第3节04D.ppt

1 丰富的运算控制功能 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 具有和模拟控制器相同的外特性 保持常规模拟式控制器的操作方式 2 3 数字式控制器DigitalController 2 数字式控制器类型 定程序控制器 可编程控制器 混合控制器 批量控制器 3 2 3 1 数字式控制器构成原理 数字式控制器组成 二大部分硬件电路 以微处理器CPU为核心软件 包括系统程序和用户程序 4 2 3 1 1 数字式控制器的硬件电路 5 用于实现仪表数据运算处理 各组成部分之间的管理 CPU完成数据传递 算术逻辑运算 转移控制等功能 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 运算的中间值和结果值 CTC的定时功能用来确定控制器的采样周期 并产生串行通信接口所需的时钟脉冲 计数功能主要用来对外部事件进行计数 主机电路 6 I O接口是CPU同过程输入 输出通道等进行数据交换的器件 它有并行接口和串行接口两种 并行接口具有数据输入 输出双向传送和位传送的功能 用来连接过程输入 输出通道 或直接输入 输出开关量信号 串行接口具有异步或同步传送串行数据的功能 用来连接可接收或发送串行数据的外部设备 7 过程输入通道 模拟量输入通道 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 A D转换器的作用是将模拟信号转换为相应的数字量 利用D A转换器与电压比较器 按逐位比较原理来实现模 数转换的 8 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 开头量指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 9 过程输出通道 模拟量输出通道 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 U I转换器将1 5V的模拟电压信号转换成4 20mA的电流信号 10 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 11 人 机联系部件 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 还有一些状态显示灯 侧面板有设置和指示各种参数的键盘 显示器 12 通信接口电路 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 通信接口有并行和串行两种 并行传送是以位并行 字节串行形式 串行传送为串行形式 即一次传送一位 连续传送 13 2 3 1 2 数字式控制器的软件 数字式控制器的软件分为系统程序和用户程序两大部分 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 14 系统程序 监控程序使控制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 其主要完成的任务有 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 15 功能模块提供了各种功能 用户可以选择所需要的功能模块以构成用户程序 使控制器实现用户所规定的功能 控制器提供的功能模块主要有 数据传送 高值选择和低值选择 PID运算 上限幅和上限幅 四则运算 折线逼近法函数运算 逻辑运算 一阶惯性滞后处理 开平方运算 纯滞后处理 取绝对值运算 移动平均值运算 脉冲输入计数与积算脉冲输出 控制方式切换 16 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 其作用是使控制器完成预定的控制与运算功能 使用者编制程序实际上是完成功能模块的连接 也即组态工作 用户程序的编程通常采用面向过程POL语言 Procedure OrientedLanguage 17 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 在线 编程器与控制器通过总线连接共用一个CPU 离线 编程器自带一个CPU构成一台独立的仪表 18 2 3 2 SLPC可编程控制器 SLPC可编程控制器是一种有代表性的 功能较为齐全的可编程控制器 它具有基本PID 串级 选择 非线性 采样PI 批量PID等控制功能 并具有自整定功能 可使PID参数实现最佳整定 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 使控制器具有规定的控制运算功能 19 SLPC可编程控制器 SLPC还具有通信功能 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 20 2 3 2 2 SLPC可编程控制器的硬件电路 21 1 主机电路 CPU采用8085AHC 时钟频率为10MHz ROM分为系统ROM和用户ROM 系统ROM采用两片27256型EPROM 32KB 用于存放监控程序和各种功能模块 用户ROM采用一片2716型EPROM 用于存放用户程序 RAM采用两片 PD4464C低功耗CMOS存储器 8KB 22 2 过程输入通道 SLPC控制器共有5个模拟量输入通道 A D转换器是利用 PC648D型高速12位D A转换器和比较器 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 23 3 过程输出通道 SLPC控制器共有3个模拟量输出通道 其中一路Y1为4 20mADC电流输出 两路Y2 Y3为1 5VDC电压输出 相互间也不隔离 24 过程输出通道 25 过程输出通道 P点输出电压用于判断是否有断线故障电流输出具有备用方式 工作时 为D A转换器输出的电压 故障时 软手动操作输出 26 4 开关量输入和输出通道 SLPC控制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 27 5 人 机联系部件 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 PID参数和其他数据 显示的项目由键操作来选择 正面板的布置类似于模拟式控制器 显示器可显示主被控变量的测量值 给定值 控制器输出值 故障显示灯和报警灯 28 6 通信接口电路 采用半双工 串行异步通讯方式 29 2 3 2 3 SLPC可编程控制器的软件部分 包括系统程序和功能模块 系统程序用于保证整个控制器正常运行 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 30 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S1 S5有关 这五个运算寄存器以堆栈方式构成 功能模块 以指令形式提供 31 运算寄存器结构示意图 Y X1 X2 32 指令类型 指令有4种类型 1 信号读取指令LD 用于把输入或输出等数据 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 33 指令类型 4 功能指令 完成各种指定功能 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 BSC CSC SSC 34 控制功能指令的基本功能 基本控制指令BSC 内含一个控制单元CNT1 相当于模拟仪表中的一台PID控制器 串级控制指令CSC 内含两个串联的控制单元CNT1 CNT2 可组成串级控制系统 选择控制指令SSC 内含两个并联的控制单元CNT1 CNT2和一个单刀三掷切换开关CNT3 可组成选择控制系统 每台SLPC控制器只能选用其中的一种 且同一应用程序中只能使用一次 35 控制功能指令的基本功能 36 控制功能指令的基本功能 被控变量接到模拟量输入通道X1 实现单回路PID控制的程序如下 1 LDX1读入测量值X1 2 BSC基本控制 3 STY1控制输出MV送Y1 4 END 37 控制功能指令的功能扩展 基本控制指令BSC的功能扩展BSC指令的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 BSC指令的功能还需要进行扩展 38 基本控制指令BSC的功能扩展 1 A寄存器 模拟量功能扩展寄存器 提供八种功能 2 FL寄存器 状态量功能扩展寄存器 提供七种功能 a 实现内 外给定的切换 b 输出跟踪 c 自动 手动切换 d 输入报警或偏差报警 e 输入和输出补偿 f 引入可变增益 39 2 3 2 4 SLPC可编程控制器的应用 带温压补偿的气体流量控制系统 40 带温压补偿的气体流量控制系统 己知仪表参数如下 孔板设计压力Pd 600kPa孔板设计温度Td 300 流量测量范围0 8000Nm3 h压力变送器量程0 1000kPa温度变送器量程0 500 差压变送器量程0 32kPa 41 3 确定温差补偿运算的数学模型 1 确定控制器应承担的任务 PID运算和温差补偿运算 2 确定控制功能和控制算法 采用基本控制指令BSC 控制算法采用CNT1 1的标准PID算法 42 4 数学模型的规格化 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力变送器和温度变送器的下限值 X1 X2 X3和Y2分别为差压信号 压力信号 温度信号和补偿后的流量信号 X Y信号范围均为0 1 且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 X1P PS X2 PminT TS X3 TminQ QS Y2 43 根据可以得到设计状态下的系数K为 设K1 K2 K3 K4 44 信号规格化后的温差补偿运算数学模型为 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 由 K1 K2 K3 K4 45 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 46 6 填写数据清单 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 87