第六章数字式控制器

1、第6章 数字式控制器,6.1 概述,6.2 SLPC可编程调节器,第6章 数字式控制器,知识目标：,掌握数字式控制器的特点 了解SLPC调节器的内部结构 理解SLPC调节器的指令系统和控制功能指令 掌握SLPC调节器的程序编制及操作方法,技能目标：,能正确操作SLPC调节器 能运用SLPC调节器实现常规控制系统方案,问题的引入：,过程控制仪表的分类:,按结构形式分: 1.基地式过程控制仪表 2.单元组合式过程控制仪表 3.组件组装式过程控制仪表,按信号的形式分: 1.模拟式过程控制仪表 2.数字式过程控制仪表,模拟式控制仪表的缺点:,功能单一 信息分散 监视操作不便,6.1 概述,一、分类,二

2、、数字控制器的特点,实质：是一台工业控制计算机,1、性能/价格比高；,2、使用方便；,3、灵活性强；,4、可靠性高,三、数字式控制 器的基本构成原理,1、微处理器 CPU 2、存贮器 ROM 、 RAM 、 EPROM 3、过程通道 输入通道 输出通道 模拟通道 数字通道 4、通讯接口 5、编程器 6 、其它：显示报警、手操、电源,1、系统软件 包括有：过程管理软件、输入/输出处理软件、自诊断、通讯、软件自整定、人机接口管理软件（固化在ROM中）。,四、数字控制器的软件技术,2、应用软件,运算模块可供用户调用的具有某种运算功能的标准子程序（固化在ROM中）。 用户程序由用户自己编写（制）用于解

3、决实际控制功能的程序（在EPROM中）。,（1）过程控制软件包标准子程序库（PID模块、 四则运算、逻辑运算模块） （2）运算模块可供用户调用的具有某种运算功能 的标准子程序 （3）用户程序由用户自己编写（制）用于解决实 际控制功能的程序 （4）组态将软件包中的模块作适当的选用、连接 的工作叫组套软连接。 （5）编程方式 在线编程（联机编程） 离线编程（脱机编程）,3、几个概念：,一、SLPC可编程序调节器的性能指标,二、 SLPC可编程序调节器的硬件结构,三、 SLPC可编程序调节器的指令系统,四、 SLPC可编程调节器的控制功能指令,五、SLPC可编程调节器的程序输入方法,6.2 SLPC

4、*E可编程调节器,模拟量输入信号 15V DC 5点。 模拟量输出信号 15V DC 2点 负载电阻2K。 模拟量输出信号 420mA DC 1点 状态量输入信号 接点或电压电平 共6点 状态量输出信号 晶体管接点 （共用型）。 状态输入信号规格：接点信号 200以下为ON，100k以上为OFF； 电平信号 -1+1VDC为ON，4.5V30VDC为OFF。 比例度 6.3%999.9% 积分时间 TI 19999s 微分时间 TD 09999s 控制功能 基本控制功能 、串级控制功能、选择控制功能 控制要素 标准PID控制要素、采样PI控制要素、批量PID控制要素 程序功能 主程序99步，子

5、程序99步，控制运算周期0.1s或0.2s 供电电源 交直流两用，无交直流电源换开关 100V规格 20130V DC， 无极性； 80138V AC 220V规格 120340V DC， 无极性； 138264V AC,一、主要技术指标,2.侧面板,（一）外型结构,二、 SLPC可编程序调节器的硬件结构,1.正面板,3.背后接线端子,1.正面板,2.侧面板,3.背后接线端子,（二）内部电路,1.微处理机电路 2.状态输入/输出电路（过程数字输入/输出通道） 3.模拟输入/输出电路和D/A转换器 4.故障处理与报警输出电路 5.数据设定器（显示器和键盘）与通讯接口电路 6.电源电路 7.手操电

6、路,内部电路简图,状态输出电路及外部负载接法,（二） SLPC*E寄存器的构成（RAM的区域划分） （有17种不同用途的寄存器）,三、 SLPC可编程序调节器的指令系统,（一） SLPC*E内部数据 （形式） 1、连续数据 2、状态数据,（三）功能模块,SLPC调节器内部的运算是数字式运算，参加运算的数据及运算结果都分为连续数据、状态数据两类。 1.连续数据 采用二进制16位数据，其中，一位符号，三位整数。因为实际位数有限，所谓连续数据是以12-12即约000024(十进制)为最小变化单位的。内部运算精度也因此受到限制。 数据范围为-7999+7999(十进制)。 内部运算中参加运算的数据以及

7、任何一步运算结果，都必须在此范围内，否则便以极限值代替运算结果并发出报警。 2.状态数据：只有0和1两个数。,（一） SLPC*E内部数据 （形式）,（二） SLPC*E寄存器的构成（RAM的区域划分）,SLPC内部有许多与应用软件密切相关的用户寄存器，用于寄存各种连续数据、状态数据。 1.基本寄存器 主要有8种寄存器 模拟量输入寄存器Xn n=15，共5个寄存器，与5个模拟输入信号相对应。5个模拟输入信号经A/D转换成内部连续数据后存入X1X5。 模拟量输出寄存器Yn n=16，共6个寄存器。 Y1Y3对应SLPC的3个模拟输出信号。Y1对应电流输出信号，Y2、Y3对应两个电压输出信号。 Y

8、4Y6作为与上位系统通信的辅助模拟输出寄存器。如果SLPC与上位系统有通信连接，Y4Y6内的数据可由SLPC的通信端子传输给上位系统。 状态量输入寄存器DIn n=0106，共6个寄存器，与SLPC的6个状态输入信号相对应。由状态输入信号决定寄存器内状态数据，ON则为1，OFF则为0。,（二） SLPC*E寄存器的构成（RAM的区域划分）,状态量输出寄存器DOn n=0116，共16个寄存器。 DO01DO06对应SLPC的6个接点输出信号。寄存器中的状态数据若是1则相应的输出端子为通，0则断。 虽然DIn和DOn各有6个，但编程序时使用的DIn、DOn的总数不得超过6个，且DIn、DOn对应

9、的状态输入输出端子不得重复。SLPC的状态输入输出端子共有6对，每一对端子都可设定用作输入或输出，但同一对端子不可既用作输入又用作输出。 如果编程时没有进行DIO01DIO06设定，那么DIO01DIO03自动取初始值0，DIO04DIO06取初始值1。 DIO07DIO16用于内部状态数据寄存。它们没有对应的输入输出端子。 可变参数寄存器Pn P01P16 16个寄存器用以存放过程控制中需要设定的可变参数，可通过侧面盘设定，Pn的内容可在用户程续中进行读写，其中P01、P02的数值还可由上位系统设定。,常数寄存器Kn n=0116，共16个寄存器，用于运算 中固定常数设定。其数值在编程时通过

10、编程器设定，调节器运 行中不能修改，只能读出。 暂存寄存器Tn=0116，共16个寄存器，用于暂存中间运算结果，便于编程。 运算寄存器Sn n=15，5个寄存器为堆栈结构，S1在最上层，S5在最下层。数据只能从最上层的S1进、出。当把数据装入Sl时，各层中原来的数据依次压入下一层。,（二） SLPC*E寄存器的构成（RAM的区域划分）,2.功能扩展寄存器 为了扩展控制功能，还设置了A类、B类，FL类功能扩展寄存器，每一类包括多个寄存器，如果不需要进行扩展，可对全部寄存器置于初始值。 A类寄存器 A01A16共16个寄存器。这类寄存器主要用于扩展PID控制的功能，借助它们实现串级外给定、可变增益

11、、输入输出补偿等控制功能。 B类寄存器 包括B0B39(编号不连续)。这类寄存器使PID控制的各种参数，如比例度，积分时间、微分时间、报警设定值等等，可由用户程序设定、变更，从而实现这些参数的自动修改。 FL类寄存器 包括FL01FL32(编号不连续)。其中，FL01FL80用于存放各种报警的标志；FL09FLl3用于由用户程序设定调节器的工作方式，从而实现运行方式自动切换；FL19FL20用于存放自诊断结果的标志。,（二） SLPC*E寄存器的构成（RAM的区域划分）,（三）功能模块（指令及功能）,1.用户程序结构和运算寄存器的动作 2.功能模块介绍 （1）数据传输功能模块 （2）基本运算功

12、能模块 （3）逻辑运算功能模块 （4）带编号（函数）运算功能模块 （5）控制运算功能模块,1.用户程序结构和运算寄存器的动作 (1)用户程序结构 (2)运算寄存器(Sn)的动作 Sn：运算寄存器 有5层结构：堆栈结构 数据的进出：从只能从最上层S1,输入处理,运算处理,输出处理,结束,X13 DI16,Y13 DOI16,数据丢失,进,出,进,进,数据丢失,用户程序结构,（三）功能模块（指令及功能）,1.用户程序结构和运算寄存器的动作 (1)用户程序结构 (2)运算寄存器(Sn)的动作,1、LD X1 2、LD X2 3、 - 4、ST Y1 5、 END,例：用户程序,输入处理,运算处理,输

13、出处理,结束,用户程序结构,（三）功能模块（指令及功能）,1、LD X1 2、LD X2 3、 - 4、ST Y1 5、 END,例：用户程序,输入处理,运算处理,输出处理,结束,用户程序结构,X1寄存器,E丢失,（三）功能模块（指令及功能）,1.用户程序结构和运算寄存器的动作 (1)用户程序结构 (2)运算寄存器(Sn)的动作,1、LD X1 2、LD X2 3、 - 4、ST Y1 5、 END,例：用户程序,输入处理,运算处理,输出处理,结束,用户程序结构,X1寄存器,D丢失,X2寄存器,1.用户程序结构和运算寄存器的动作 (1)用户程序结构 (2)运算寄存器(Sn)的动作,（三）功能模

14、块（指令及功能）,1、LD X1 2、LD X2 3、 - 4、ST Y1 5、 END,输入处理,运算处理,输出处理,结束,用户程序结构,X2寄存器,X1寄存器,运算处理,E丢失,D丢失,不变,例：用户程序,（三）功能模块（指令及功能）,1.用户程序结构和运算寄存器的动作 (1)用户程序结构 (2)运算寄存器(Sn)的动作,1、LD X1 2、LD X2 3、 - 4、ST Y1 5、 END,输入处理,运算处理,输出处理,结束,用户程序结构,Y1寄存器,X2寄存器,X1寄存器,运算处理,E丢失,D丢失,不变,不变,不变,例：用户程序,（三）功能模块（指令及功能）,1.用户程序结构和运算寄存

15、器的动作 (1)用户程序结构 (2)运算寄存器(Sn)的动作,1、LD X1 2、LD X2 3、 - 4、ST Y1 5、 END,输入处理,运算处理,输出处理,结束,用户程序结构,结束,Y1寄存器,X2寄存器,X1寄存器,运算处理,E丢失,D丢失,不变,不变,不变,例：用户程序,（三）功能模块（指令及功能）,1.用户程序结构和运算寄存器的动作 (1)用户程序结构 (2)运算寄存器(Sn)的动作,2、功能模块介绍,SLPC*E可编程调节器有几十种功能模块(标准子程序) 每一种标准子程序对应组态语言中的一个指令,（1）数据传输功能模块(指令),（2）基本运算功能模块(指令),（3）逻辑运算(条

16、件判断)功能模块(指令),（4）带编号函数运算功能模块(指令),（5）控制运算功能模块(指令),（ 1）数据传输功能模块(指令) （2）基本运算功能模块(指令) （3）逻辑运算(条件判断) 功能模块(指令),2.功能模块介绍 （指令及功能）, 何为带编号函数运算功能模块(指令) 带编号函数运算功能模块的特点 除了FXn折线函数运算模块以外，其余模块的运算次数都受到限制 一种函数运算的一个编号在用户程序中只能使用一次,（4）带编号函数运算功能模块(指令),控制功能模块（指令）的特点： （1）一台SLPC*E调节器中，同时只能使用一种控制功能 （2）在一个控制周期（一个用户程序）内也只能使用一次,

17、（一）控制功能模块的种类及基本功能,四、 SLPC可编程调节器的控制功能指令,1.控制要素的概念 指：各控制功能模块控制运算的控制字（子程序） 它是控制运算的核心（子程序） 有五个控制要素：CNT1、CNT2 、CNT3、CNT4 、CNT5 2.控制要素的功能及规格 3.SLPC调节器的控制算法（控制运算规律） 1、标准PID控制算法 定值控制算式 追值控制算式 2、采样值PID控制算法 3、批量PID控制算法,四、 SLPC可编程调节器的控制功能指令,（二）控制要素,1. BSC的基本功能： （1）指令符：BSC 由一个CNT1构成 （2）控制功能框图 （ 3）应用注意问题： 运算前：PV

18、1S1（A15内）， SV=LSV、RSV 运算后：MVS1 各种运算要在执行BSC前 例题：流量定值控制系统,（三）基本控制功能模块（ BSC指令）,2. BSC的运转方式 （1） BSC的三种运转方式： A自动控制方式（本机给定自动控制方式） C自动控制方式（串级外给定自动控制方式） M手动控制方式 （2）三种工作方式的确定方法 表盘（正面）设定：CAM键，和侧盘MODE2参数共同确定 分析MODE15参数的规格、功能， MODE2= 0 C方式无效 SV=LSV MODE2= 1 C方式有效 A01=SV MODE2= 2 C方式有效 上位机=SV 用户程序设定（编程序设定）优先！ 上位

19、机设定 例题：将FL11置“1”；FL10L置“1”；FL13置“0”“C”方式； SV1=CSV（A01）,3. BSC的扩展功能 扩展功能寄存器An、Bn、FLn的作用,An寄存器的功能：（可读、可写） 存放模拟（连续）数据；实现高级控制 Bn寄存器的功能（侧盘设定，程序设定） 存放模拟数据；实现应用数据设定器对控制参数的设定，报警设定值的确定 FLn寄存器的功能（FL18只可读，FL913可读可写） 存放状态数据，用于实现运算方式的变更和报警输出,带温压补偿的气体流量控制系统,4. SLPC的应用案例分析,己知仪表参数如下 ： 孔板设计压力 Pd=600 kPa 孔板设计温度 Td =3

20、00 流量测量范围 08000 Nm3/h 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,（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,步骤,（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

21、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 X1 P = PS X2 Pmin T= TS X3 Tmin Q = QS Y2,根据,设K1= 、K2= 、K3= 、K4=,可以得到设计状态下的系数K为 ：,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=,5.列工作清单 (worksheet),用补偿运算式 控制指令功能图 构成的组合功能图

22、,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,0.872,K3,500.0,0,温度,X3,0.147,K2,10.00,0,压力kgf/cm2注,X2,1.422,K1,3200,0,差压mmH2O,X1,模拟 输入,记 事,数 值,固定常数,上限,下限,记事,数 据 名,7.程序清单,（四）串级控制功能模块 （CSC指令）,1. CSC的基本功能,2. CSC的运转方式,3. CSC的扩展功能,4.CSC的应用实例,（1）串级开路：“O方式” （2）串级闭合：“C方式” （3）CSC的运转

23、方式的设定方法,1. CSC的基本功能,指令：CSC，由CNT1、CNT2构成 CNT1主调节器，有三种规律可选 CNT2副调节器，有二种规律可选 CNT1、2的正反作用、PID参数，侧盘设定 运算前；PV1S2 SV1=LSV 或 A01 PV2S1 SV2=MV1 或SV2 侧盘设定 MODE1=0（1、2）决定A/C方式，CSV MODE3=0（1） 决定SV2=MV1或SV2内 运算后：MV2S1 例：加热炉温度串级控制系统。,加热炉温度控制系统,CSC构成简图,用户程序,2. CSC的运转方式,1、串级闭合：“C方式” 2、串级开路：“O方式” 3、CSC的运转方式的设定方法 侧盘设定（和 MODE3） 用户程序设定（FL12=0/1 C/O）,