可编程调节器实用教案

1、第4 4章 可编程调节器 4.14.1概述(i sh)(i sh)可编程调节器是一种新型数字控制仪表，通常一台仪表控制一个乃至几个回路(hul)。控制一个回路(hul)的可编程调节器通常又称为单回路(hul)调节器 。可编程调节器与模拟式调节器在构成原理和所用器件上有着很大区别。前者采用数字(shz)技术，以微型计算机（简称微机）为核心部件；而后者采用模拟技术，以运算放大器等模拟电子器件为基本部件。 第一页，共52页。第二页，共52页。第三页，共52页。以微处理器（以微处理器（CPUCPU）为核心构成的硬件电路）为核心构成的硬件电路由系统程序由系统程序(chngx)(chngx)、用户程序、用

2、户程序(chngx)(chngx)构成的软件构成的软件数字调节器的主要功能由软件决定数字调节器的主要功能由软件决定第四页，共52页。 硬件硬件(yn jin)(yn jin)部分部分 数字式调节器的硬件(yn jin)电路构成框图第五页，共52页。ROMROM存放系统程序存放系统程序(chngx)(chngx)。EPROMEPROM存放用户程序存放用户程序(chngx) .(chngx) .RAM RAM 存放输入数据、显示数据、运算的中间值、结果存放输入数据、显示数据、运算的中间值、结果CTCCTC的定时功能用来确定调节器的采样周期等等的定时功能用来确定调节器的采样周期等等 多为单片机多为单

3、片机 是数字式调节器的核心是数字式调节器的核心(hxn)(hxn)，用于实现仪表数据运算处理，各组成部分之间的，用于实现仪表数据运算处理，各组成部分之间的管理。管理。 第六页，共52页。 过程输入过程输入(shr)(shr)通道通道 将多个模拟量输入信号分别转换(zhunhun)为CPU所接受的数字量。 多路模拟开关将多个(du )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 AD转换器的作用是将模拟信号转换为相应的数字量。 利用DA转换器与电压比较器，按逐位比较原理来实现模数转换的。 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。 开关量指

4、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。 第七页，共52页。 过程输出过程输出(shch)(shch)通道通道 依次将多个(du )运算处理后的数字信号进行数模转换D/A转换器起数(q sh)模转换作用。 VI转换器将15V的模拟电压信号转换成420mA的电流信号。 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 第八页，共52页。 正面板：正面板：测量值和给定值显示器测量值和给

5、定值显示器输出电流输出电流(dinli)(dinli)显示器显示器运行状态（自动串级手动）切运行状态（自动串级手动）切换按钮换按钮给定值增减按钮和手动操作按钮给定值增减按钮和手动操作按钮等等状态显示灯状态显示灯侧面板：侧面板：有设置和指示各种参数的键盘、显有设置和指示各种参数的键盘、显示器示器 第九页，共52页。主要主要(zhyo)(zhyo)有有 以位并行(bngxng)、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；通信线路（数据通道）上；同

6、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。数据。 并行并行 和和 串行两种串行两种 工业控制网络及仪表的通信方式工业控制网络及仪表的通信方式基本上都采用基本上都采用 ：原因原因 ：实施方便实施方便成本低成本低适于远距离传输适于远距离传输 第十页，共52页。系统(xtng)程序: 系统程序是调节器软件的主体部分系统程序是调节器软件的主体部分(b fen)(b fen)通常由监控程序通常由监控程序 和功能模块两部分和功能模块两部分(b fen)(b fen)组成组成 。数字式调节器的软件分为数字式

7、调节器的软件分为和和两大部分两大部分 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。来的结果。作用是使调节器完成预定的控制与运算功能。作用是使调节器完成预定的控制与运算功能。第十一页，共52页。 监控监控(jin kn)(jin kn)程序程序 一般来说，数字(shz)调节器需要完成以下一些任务监控程序使调节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。第十二页，共52页。 用户可以选择(xunz)所需要的功能

8、模块以构成用户程序，使调节器实现用户所规定的功能。调节器提供(tgng)的功能模块主要有 第十三页，共52页。 用户程序的编程通常采用面向过程POL语言(yyn)(Procedure-Oriented Language)。 编程方式简单易学。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(wn chng)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(zi xin)”和“离线”两种编程方法。第十四页，共52页。特点特点(tdin)总结总结第十五页，共52页。4、2SLPC可编程调节器SLPCSLPC

9、可编程调节器是一种有代表性的、功能较为齐全的可编程调节器可编程调节器是一种有代表性的、功能较为齐全的可编程调节器具有基本具有基本PIDPID、串级、选择、非线性、采样、串级、选择、非线性、采样PIPI、批量、批量PIDPID等控制功能等控制功能具有自整定功能，可使具有自整定功能，可使PIDPID参数实现参数实现(shxin)(shxin)最佳整定最佳整定具有通信功能，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

10、号、运算控制回路、备用电池及通信具有自诊断功能，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出现异常情况时，进行故障处理并进行故障显示 用户只需使用简单的编程语言，即可编制各种控制与运算用户只需使用简单的编程语言，即可编制各种控制与运算(yn sun)(yn sun)程序，使调节器具有规定的程序，使调节器具有规定的控制运算控制运算(yn sun)(yn sun)功能。功能。 4、2、1概述(i sh)第十六页，共52页。第十七页，共52页。的主要的主要(zhyo)(zhyo)性能性能模拟量输入 15V（DC）5点。模拟量输出 15V（DC）2点， 负

11、载电阻3k。 420mA（DC）1点， 负载电阻= 0 750。数字量输入 接点或电压电平 与数字量输出6点共用。数字量输出 晶体管接点。故障状态输出 晶体管接点1点。运算周期 0.2s和0.1s。比 例 度 6.3 999.9 积分时间 1 9999s微分时间 0 9999s控制功能 基本控制功能；串级控制功能；选择(xunz)控制功能。控制算法 标准PID；采样值PI；批量PID供电电源 交直流两种（100V规格和200V规格）第十八页，共52页。( (一一) )正面板正面板工位号牌工位号牌(ho pi)(ho pi)故障指示灯故障指示灯报警指示灯报警指示灯测量信号指针测量信号指针给定信号

12、指针给定信号指针给定信号调整按键给定信号调整按键运行方式切换开关运行方式切换开关输出指示输出指示(zhsh)(zhsh)表表手动操作杆手动操作杆调节阀动作标记调节阀动作标记PFPF指示指示(zhsh)(zhsh)灯灯可编程功能键可编程功能键 第十九页，共52页。第二十页，共52页。 工位号牌工位号牌标明被测变量、仪表功能、工标明被测变量、仪表功能、工 段代号、序号段代号、序号 故障故障(gzhng)(gzhng)指示灯指示灯调节器的运算、控制回路有故障调节器的运算、控制回路有故障(gzhng)(gzhng)时灯亮时灯亮 报警指示灯报警指示灯调节器的输入、输出异常和运算溢出时故障调节器的输入、输

13、出异常和运算溢出时故障(gzhng)(gzhng)灯亮灯亮 测量信号指针测量信号指针单回路控制时指示被测变量单回路控制时指示被测变量(binling)(binling)的测量值，串级和选择控制时指示主被的测量值，串级和选择控制时指示主被测变量测变量(binling)(binling)的测量值的测量值 给定信号指针给定信号指针单回路控制时指示被测变量单回路控制时指示被测变量(binling)(binling)的给定值，串级和选择控制时指示主被的给定值，串级和选择控制时指示主被测变量测变量(binling)(binling)的给定值的给定值 给定值调整按键给定值调整按键调节给定值大小，按调节给定值

14、大小，按 给定值给定值，按，按 给定值给定值，同时按，同时按 给定值给定值不变不变运行方式切换按钮运行方式切换按钮按键上带指示灯，按下后灯亮，表明所处按键上带指示灯，按下后灯亮，表明所处(su ch)(su ch)的状态的状态 A A自动自动 M M手动手动 C C串级串级 第二十一页，共52页。 调节阀动作标记调节阀动作标记调节阀分为气关式、气开式，在输出调节阀分为气关式、气开式，在输出=4mA=4mA时，可定义气开，也可定义气关；时，可定义气开，也可定义气关；在输出在输出=20mA=20mA时，可定义气开，也可定义气关，根据工艺要求确定。时，可定义气开，也可定义气关，根据工艺要求确定。 可

15、编程功能键可编程功能键该键的功能由用户的程序确定该键的功能由用户的程序确定 PF PF指示灯指示灯由用户程序决定由用户程序决定(judng)(judng)是点亮或熄灭是点亮或熄灭 输出指示表输出指示表指示输出信号指示输出信号4-20mA4-20mA，左为，左为4mA4mA，右为，右为20mA20mA。 输出限位指针输出限位指针表示输出限幅的位置表示输出限幅的位置 手动操作杆手动操作杆MM时，可以调整手操信号大小，向时，可以调整手操信号大小，向 左信号左信号，向右信号，向右信号。慢速慢速40s/40s/全刻度全刻度(kd)(kd)；快速；快速4s/4s/全刻度全刻度(kd)(kd)第二十二页，共

16、52页。（二）侧面(cmin)盘（调整板）侧面(cmin)盘（调整板）PROGRAMMABLE CONTROLLERMODEL SLPCSV 1 800NTUNINGDIDOMODECHECKALARMPVSVDVPHPLXNYNSCALEDLVLVTPIDSTCENMVMHMLPNTNNON-LINEARBATCHSAMPLEPROGAMMERTUNINGACTIONENABLERSV 2RSV 1DIR 1DIR 2INHIBITROM第二十三页，共52页。 键盘调整开关键盘调整开关(kigun)(kigun)为了防止误操作而设置的开关为了防止误操作而设置的开关(kigun)(kigun)

17、。 当开关当开关(kigun)(kigun)置于禁止（置于禁止（INHIBITINHIBIT）时，键盘不能操作。）时，键盘不能操作。 当开关当开关(kigun)(kigun)置于允许（置于允许（ENABLEENABLE）时，键盘可以操作。）时，键盘可以操作。 正反作用开关正反作用开关确定调节器的正（确定调节器的正（DIRDIR）反（）反（RVSRVS）作用。）作用。 正反作用开关有两个正反作用开关有两个(lin )(lin )，因为内部构造相当于二台调节器。，因为内部构造相当于二台调节器。 ROM ROM插座插座用于安装用于安装EPROMEPROM。 当卡爪在当卡爪在“ON”“ON”位置时，位

18、置时，ROMROM被固定；被固定； 当爪卡在当爪卡在“OFF”“OFF”位置时，位置时，ROMROM可脱落可脱落 连接编程器的插座连接编程器的插座用于连接编程器。用于连接编程器。第二十四页，共52页。 SLPC SLPC的硬件的硬件(yn jin)(yn jin)电路电路 第二十五页，共52页。 (1) (1) 主机主机(zhj)(zhj)部分部分 CPUCPU采用采用(ciyng)8085AHC(ciyng)8085AHC，时钟频率为，时钟频率为10MHz10MHz。ROMROM分为系统分为系统ROMROM和用户和用户ROMROM系统系统ROMROM：两片：两片2725627256型型EPR

19、OMEPROM（每片（每片32KB32KB） 用于存放监控程序和各种功能模块；用于存放监控程序和各种功能模块；用户用户(yngh)ROM(yngh)ROM：一片：一片27162716型型EPROMEPROM（2KB2KB） 用于存放用户用于存放用户(yngh)(yngh)程序。程序。RAMRAM采用两片采用两片PD4464CPD4464C低功耗低功耗CMOSCMOS存储器，存储器，8KB8KB。 第二十六页，共52页。 (2) AI(2) AI SLPC调节器有5个模拟量输入(shr)通道。关键点：2点X1X1输入通道具有备用方式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

20、行测量，正常工作时的信息途径之外，发生故障时，进行测量(cling)(cling)值指示值指示 。A/DA/D转换器：是利用转换器：是利用(lyng)(lyng)高速高速1212位位D/AD/A转换器和比较器实现的转换器和比较器实现的X X1 1经经RCRC滤波后分为两路，一路经输入多路开关接到比较器，被滤波后分为两路，一路经输入多路开关接到比较器，被A/DA/D转换后进入转换后进入CPU(CPU(正常的信正常的信息途径息途径) )。一路经电压跟随器送到故障一路经电压跟随器送到故障PVPV开关。开关。CPUCPU正常时，指示器接受的是由正常时，指示器接受的是由CPUCPU和和D DA A转换送

21、来的测量信号。转换送来的测量信号。发生故障时，发生故障时，CPUCPU的自检程序或的自检程序或WDTWDT电路发出的故障输出信号，使故障电路发出的故障输出信号，使故障PVPV开关切换开关切换到故障位置，面板上的指示器直接接受从到故障位置，面板上的指示器直接接受从X X1 1来的信号，进行测量值指示。来的信号，进行测量值指示。第二十七页，共52页。 (3) (3) AOAO3个模拟量输出(shch)通道，Y1为420mADC电流输出(shch)， Y2、Y3为15VDC电压输出(shch) 相互间也不隔离 。如何分析上述如何分析上述(shngsh)电路的电路的特性？特性？第二十八页，共52页。M

22、VV 121II 32VV 3IIO1I 2I )/(122RRMVVVCC333RVVICC250)(3123120MVRRRMVRRRMVVVICCCC111VMVRR22CCVVR参见参见(cnjin)上页电路图上页电路图第二十九页，共52页。P点用于判断是否(sh fu)有断线故障外接负载的阻值正常时， P P点电压不超过6V6V如果(rgu)(rgu)使用中负载电路断线，则电容C C被过多地充电，以致P P点电压超过6V6V所以定期检测此点的电压便可判断是否有断线故障。 参见参见(cnjin)前页电路前页电路图图第三十页，共52页。 (4) (4) 开关量输入和输出开关量输入和输出(

23、shch)(shch)通道通道 SLPCSLPC调节器有六个开关量输入和输出通道，它们调节器有六个开关量输入和输出通道，它们(t men)(t men)既可以当作输入也可以既可以当作输入也可以当作输出，由使用者设定。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开关量输入输出通道都经过高频变压器隔离 (5) (5) 人机联系人机联系(linx)(linx)部部件件HMIHMI正面板的布置类似于模拟式调节器，显示器可显示主被控变量的测量值、给定值，调节器输正面板的布置类似于模拟式调节器，显示器可显示主被控变量的测量值、给定值，调节器输出值，故障显示灯和报警灯出值，故障显示灯和报警

24、灯 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、据、PIDPID参数和其他数据，显示的项目由键操作来选择参数和其他数据，显示的项目由键操作来选择 (6) (6) 通信接口电路通信接口电路 采用半双工、串行异步通讯方式采用半双工、串行异步通讯方式 第三十一页，共52页。 SLPC SLPC的软件的软件(run jin)(run jin)部分部分 包括(boku)系统程序和功能模块: 系统程序用于保证整个调节器正常运行，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

25、式提供 第三十二页，共52页。 指指令令(zhl(zhlng)ng)指令对各种寄存器进行操作，寄存器实际上是对应于随机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读写存储器RAMRAM中各个不同的存储单元，只是为了使用和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指令都与五个运算寄存器S1S5S1S5有关有关(yugun)(yugun)。五个运算寄存器以堆栈方式构成五个运算寄存器以堆栈方式构成. .第三十三页，共52页。 运算运算(yn sun)(yn sun)寄寄存器结构示意图存器结构

26、示意图A/B/C/D/E分别(fnbi)对应S1S5的内容EDCBAS5S4S3S2S1运算前+CCBAX1+X2LD X1DCBAX1 X1LD X2CBAX1X2 X1ST Y1CCBAX1+X2 Y1第三十四页，共52页。 指令指令(zhlng)(zhlng)类型类型 1、信号(xnho)读取指令LD用于把数据S1 2、信号存储(cn ch)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 指令有指令有4 4种类型种类型 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

27、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 BBC、CSC、SSC 4、功能指令完成各种指定功能以下着重介绍控制功能指令 第三十五页，共52页。控制功能控制功能(gngnng)(gngnng)指指令的基本功能令的基本功能(gngnng) (gngnng) 串级控制指令串级控制指令CSC：内含：内含2个串联的调节个串联的调节(tioji)单元单元CNT1、CNT2，可组成串级调节，可组成串级调节(tioji)统统 选择控制指令选择控制指令SSC：内含：内含2个并联的调节个并联的调节(tioji)单元单元CNT1、CNT2和一个切换开关和一个切换开关CNT3，可组成选择控制系统可

28、组成选择控制系统 每台SLPC调节器只能选用其中的一种，且同一应用程序中只能使用一次 基本控制指令基本控制指令BSC：内含：内含1个调节单元个调节单元CNT1，相当于，相当于1台模拟台模拟PID调节器调节器 CNT1BSCPVMVCNT1CSCPV1MV2CNT2PV2MV1CNT1SSCPV1MVCNT2PV2MV1CNT3MV2MV3第三十六页，共52页。BSCBSC(1)LD X1 (1)LD X1 读入测量读入测量(cling)(cling)值值X1X1(2)BSC (2)BSC 基本控制基本控制(3)ST Y1 (3)ST Y1 控制输出控制输出MVMV送送Y1Y1(4)END(4)

29、END例：某单回路控制系统(kn zh x tn)， 被控变量接到模拟量输入通道X1 阀位信号接到模拟量输出通道Y1， 则实现单回路PID控制的程序如下 主要作用(zuyng)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S1CNT1BSCPVMV第三十七页，共52页。CSSCSS(1)LD X2 读入测量值副回路(hul)X2(2)LD X1 读入测量值主回路(hul)X2(3)CSC 串级控制(4)ST Y1 控制输出MV送Y1(5)ENDCSC指令中具有两个调节单元CNT1和CNT2，可实现串级控制。串级控制时，将主回路的测量值

30、PV1送入S1，副回路的测量值PV2送入S2，并执行(zhxng)CNT1和CNT2所指定的运算，最后将运算结果（即将要输出的MV值）存入S1中。CNT1CSCPV1MV2CNT2PV2MV1第三十八页，共52页。4 4、2 2、3 SLPC3 SLPC可编程调节器的应用可编程调节器的应用(yngyng) (yngyng) 带温压补偿带温压补偿(bchng)(bchng)的气体流量调节系统的气体流量调节系统 第三十九页，共52页。 带温压补偿的气体流量带温压补偿的气体流量(liling)(liling)调节系统调节系统 已知仪表(ybio)设计参数如下 ： 孔板设计压力 Pd=600 kPa

31、； 孔板设计温度 Td =300 ； 压力变送器量程 01000 kPa； 温度变送器量程 0500 ； 差压变送器量程 032 kPa ； 流量测量范围 08000 Nm2/h。 第四十页，共52页。PIDPID运算和温差运算和温差(wnch)(wnch)补偿运算补偿运算 采用基本控制指令采用基本控制指令BSCBSC控制算法采用标准控制算法采用标准(biozhn)PID(biozhn)PID算法算法 PTPPTKQdd式中 Q补偿运算后的体积流量； P孔板前后差压； P工作状态下气体的绝压 Pd设计状态下气体的绝压 T工作状态下的绝对温度； Td设计状态下的绝对温度； K流量系数。第四十一页

32、，共52页。设设PSPS、TS TS 、 PS PS分别为压力变送器、温度分别为压力变送器、温度(wnd)(wnd)变送器和差压变送器的量变送器和差压变送器的量程，程，QSQS为换算为标准状态下的流量量程，为换算为标准状态下的流量量程， Pmin Pmin 、TminTmin分别为用绝对压力和绝对温度分别为用绝对压力和绝对温度(wnd)(wnd)表示的压变和温变的下限表示的压变和温变的下限值值因差压和流量测量范围下限值均为零，因此有下列关系因差压和流量测量范围下限值均为零，因此有下列关系 ： P = P P = PS S X1 X1 P = P P = PS S X2 X2 P Pminmin

33、 T= T T= TS S X3 X3 T Tminmin Q = Q Q = QS S Y2 Y2 如果把如果把PP、P P、T T分别送入分别送入X1X1、X2X2、X3X3经过经过(jnggu)(jnggu)补偿运算以后的补偿运算以后的Q Q存入存入Y2Y2由于调节器内部由于调节器内部(nib)(nib)的的X X、Y Y的信号范围是的信号范围是0 01 1但是，补偿公式中用到的都是实际的物理量，因此需要进行规格化处理但是，补偿公式中用到的都是实际的物理量，因此需要进行规格化处理第四十二页，共52页。min221min3SddSSSddppXppQ YKP XTTXTT设K1= 、K2=

34、 、K3= 、K4= dSppdppmindSTTdTTmin因为(yn wi)设计状态下有 ：PTPPTKQddddSSddP TQKPP TSKPmin221min3SddSddppXppYXTTXTT第四十三页，共52页。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(bchng)运算的数学模型为 ：13224770872014704221X.X.X.Y第四十四页，共52页。 5. 5.列工作列工作(gngzu)(gngzu)清单清单 (worksheet) (worksheet) 补偿运算补偿运算(yn sun)(yn sun)式和控式和控制指令功能图构制指令功能图构成的组合功能图成的组合功能图 第四十五页，共52页。 6. 6.填数据填数据(shj)(shj)清单清单（datasheetdatasheet） 800.0 0流量(liling)10Nm3/h Y2 0.477K4 100.0 0操作(cozu)输出