可編程調(diào)節(jié)器課件

可編程調(diào)節(jié)器 1 可編程調(diào)節(jié)器可編程控制器智能變送器集散控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng) 第2篇數(shù)字式控制儀表及裝置 可編程調(diào)節(jié)器 2 第4章可編程調(diào)節(jié)器 4 1概述 可編程調(diào)節(jié)器是一種新型數(shù)字控制儀表 通常一臺儀表控制一個乃至幾個回路 控制一個回路的可編程調(diào)節(jié)器通常又稱為單回路調(diào)節(jié)器 可編程調(diào)節(jié)器與模擬式調(diào)節(jié)器在構(gòu)成原理和所用器件上有著很大區(qū)別 前者采用數(shù)字技術(shù) 以微型計算機(jī) 簡稱微機(jī) 為核心部件 而后者采用模擬技術(shù) 以運算放大器等模擬電子器件為基本部件 可編程調(diào)節(jié)器 3 4 1 1 數(shù)字調(diào)節(jié)器的特點 實現(xiàn)了模擬儀表與計算機(jī)一體化將CPU引入控制器 使其功能得到來很大的增強(qiáng) 提高了性能價格比 同時考慮到人們長期以來的習(xí)慣 數(shù)字控制器在外形結(jié)構(gòu) 面板布置 操作方式等方面保留了模擬調(diào)節(jié)器的特征 運算控制功能強(qiáng)數(shù)字控制器具有比模擬調(diào)節(jié)器更豐富的運算控制功能 一臺數(shù)字控制器既可實現(xiàn)簡單PID控制 也可以實現(xiàn)串級控制 前饋控制 變增益控制和史密斯補(bǔ)償控制 既可以進(jìn)行連續(xù)控制 也可以進(jìn)行采樣控制 選擇控制和批量控制 此外 數(shù)字控制器還可對輸入信號進(jìn)行處理 如線性化 數(shù)據(jù)濾波 標(biāo)度變換 邏輯運算等 通過軟件實現(xiàn)所需功能數(shù)字控制器的運算控制功能是通過軟件實現(xiàn)的 在可編程調(diào)節(jié)器中 軟件系統(tǒng)提供了各種功能模塊 用戶選擇所需的功能模塊 通過編程將它們連接在一起 構(gòu)成用戶程序 便可實現(xiàn)所需的運算與控制功能 可編程調(diào)節(jié)器 4 具有和模擬調(diào)節(jié)器相同的外特性盡管數(shù)字控制器內(nèi)部信息均為數(shù)字量 但為了保證數(shù)字式控制器能夠與傳統(tǒng)的常規(guī)儀表相兼容 數(shù)字控制器模擬量輸入輸出均采用國際統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號 4 20mADC 1 5VDC 可以方便地與DDZ III型儀表相連 同時數(shù)字控制器還有數(shù)字量輸入輸出功能 具有通訊功能 便于系統(tǒng)擴(kuò)展數(shù)字控制器除了用于代替模擬調(diào)節(jié)器構(gòu)成獨立的控制系統(tǒng)之外 還可以與上位計算機(jī)一起組成DCS控制系統(tǒng) 數(shù)字控制器與上位計算機(jī)之間實現(xiàn)串行雙向的數(shù)字通訊 可以將手 自動狀態(tài) PID參數(shù)及輸入 輸出值等信息送到上位計算機(jī) 必要時上位計算機(jī)也可對控制器施加干預(yù) 如工作狀態(tài)的變更 參數(shù)的修改等 可靠性高 維護(hù)方便在硬件方面 一臺數(shù)字式控制器可以替代數(shù)臺模擬儀表 同時控制器所用硬件高度集成化 可靠性高 在軟件方面 數(shù)字式控制器的控制功能主要通過模塊軟件組態(tài)來實現(xiàn) 具有多種故障的自診斷功能 能及時發(fā)現(xiàn)故障并采取保護(hù)措施 通用性強(qiáng) 使用方便 模擬量輸入輸出信號采用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號 它還可輸入輸出數(shù)字信號 進(jìn)行開關(guān)量控制 用戶程序使用 面向過程語言 PROCEDURE ORIENTEDLANGUAG 簡稱POL語言 來編程 易于學(xué)習(xí) 掌握 可編程調(diào)節(jié)器 5 4 1 2 數(shù)字調(diào)節(jié)器構(gòu)成原理 以微處理器 CPU 為核心構(gòu)成的硬件電路由系統(tǒng)程序 用戶程序構(gòu)成的軟件數(shù)字調(diào)節(jié)器的主要功能由軟件決定 模擬調(diào)節(jié)器 硬件決定一切 功能單一 可編程調(diào)節(jié)器 6 硬件部分 數(shù)字式調(diào)節(jié)器的硬件電路構(gòu)成框圖 可編程調(diào)節(jié)器 7 主機(jī)電路 ROM存放系統(tǒng)程序 EPROM存放用戶程序 RAM存放輸入數(shù)據(jù) 顯示數(shù)據(jù) 運算的中間值 結(jié)果CTC的定時功能用來確定調(diào)節(jié)器的采樣周期等等 多為單片機(jī) 是數(shù)字式調(diào)節(jié)器的核心 用于實現(xiàn)儀表數(shù)據(jù)運算處理 各組成部分之間的管理 可編程調(diào)節(jié)器 8 過程輸入通道 將多個模擬量輸入信號分別轉(zhuǎn)換為CPU所接受的數(shù)字量 多路模擬開關(guān)將多個模擬量輸入信號分別連接到采樣 保持器 采樣 保持器具有暫時存儲模擬輸入信號的作用 A D轉(zhuǎn)換器的作用是將模擬信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字量 利用D A轉(zhuǎn)換器與電壓比較器 按逐位比較原理來實現(xiàn)模 數(shù)轉(zhuǎn)換的 模擬量輸入通道 開關(guān)量輸入通道將多個開關(guān)輸入信號轉(zhuǎn)換成能被計算機(jī)識別的數(shù)字信號 開關(guān)量指的是在控制系統(tǒng)中電接點的通與斷 或者邏輯電平為 1 與 0 這類兩種狀態(tài)的信號 開關(guān)量輸入通道常采用電耦合器件作為輸入電路進(jìn)行隔離傳輸 開關(guān)量輸入通道 可編程調(diào)節(jié)器 9 過程輸出通道 依次將多個運算處理后的數(shù)字信號進(jìn)行數(shù) 模轉(zhuǎn)換 D A轉(zhuǎn)換器起數(shù) 模轉(zhuǎn)換作用 V I轉(zhuǎn)換器將1 5V的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成4 20mA的電流信號 模擬量輸出通道 開關(guān)量輸出通道通過鎖存器輸出開關(guān)量 包括數(shù)字 脈沖量 信號 以便控制繼電器觸點和無觸點開關(guān)的接通與釋放 也可控制步進(jìn)電機(jī)的運轉(zhuǎn) 采用光電耦合器件作為輸出電路進(jìn)行隔離傳輸 開關(guān)量輸出通道 可編程調(diào)節(jié)器 10 HMI HumanMachineInterface 正面板 測量值和給定值顯示器輸出電流顯示器運行狀態(tài) 自動 串級 手動 切換按鈕給定值增 減按鈕和手動操作按鈕等狀態(tài)顯示燈側(cè)面板 有設(shè)置和指示各種參數(shù)的鍵盤 顯示器 可編程調(diào)節(jié)器 11 通信接口電路 主要有 以位并行 字節(jié)串行 位串行 即一次傳送一位 連續(xù)傳送 功能 將欲發(fā)送的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)通信格式的數(shù)字信號 經(jīng)發(fā)送電路送至通信線路 數(shù)據(jù)通道 上 同時通過接收電路接收來自通信線路的數(shù)字信號 將其轉(zhuǎn)換成能被計算機(jī)接受的數(shù)據(jù) 并行 和 串行兩種 工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)及儀表的通信方式基本上都采用 原因 實施方便成本低適于遠(yuǎn)距離傳輸 可編程調(diào)節(jié)器 12 軟件部分 系統(tǒng)程序 系統(tǒng)程序是調(diào)節(jié)器軟件的主體部分通常由監(jiān)控程序和功能模塊兩部分組成 數(shù)字式調(diào)節(jié)器的軟件分為系統(tǒng)程序和用戶程序兩大部分 用戶程序 用戶程序是用戶根據(jù)控制系統(tǒng)要求 在系統(tǒng)程序中選擇所需要的功能模塊 并將它們按一定的規(guī)則連接起來的結(jié)果 作用是使調(diào)節(jié)器完成預(yù)定的控制與運算功能 可編程調(diào)節(jié)器 13 監(jiān)控程序 系統(tǒng)初始化 中斷管理 自診斷處理 鍵處理 定時處理 通信處理 掉電處理 運行狀態(tài)控制 一般來說 數(shù)字調(diào)節(jié)器需要完成以下一些任務(wù) 監(jiān)控程序使調(diào)節(jié)器各硬件電路能正常工作并實現(xiàn)所規(guī)定的功能 同時完成各組成部分之間的管理 可編程調(diào)節(jié)器 14 功能模塊 數(shù)據(jù)傳送 用戶可以選擇所需要的功能模塊以構(gòu)成用戶程序 使調(diào)節(jié)器實現(xiàn)用戶所規(guī)定的功能 調(diào)節(jié)器提供的功能模塊主要有 PID運算 四則運算 邏輯運算 開平方運算 取絕對值運算 脈沖輸入計數(shù)與積算脈沖輸出 高值選擇和低值選擇 上限幅和上限幅 折線逼近法函數(shù)運算 一階慣性滯后處理 純滯后處理 移動平均值運算 控制方式切換 輸入 輸出以及基本傳送命令 基本功能 如 流量積算 選擇性控制 如熱電偶信號的線性化等等 輸入信號的軟件濾波 均值計算 收自動切換 可編程調(diào)節(jié)器 15 用戶程序 用戶程序的編程通常采用面向過程POL語言 Procedure OrientedLanguage 編程方式簡單易學(xué) 用戶根據(jù)控制系統(tǒng)要求 選擇所需要的功能模塊 并按一定的規(guī)則連接起來 使調(diào)節(jié)器完成預(yù)定的控制與運算功能 用戶程序的編制過程也稱為 組態(tài) 調(diào)節(jié)器的編程工作是通過專用的編程器進(jìn)行的 有 在線 和 離線 兩種編程方法 專用編程器 組態(tài) 用戶程序?qū)懭隕PROM EPROM安裝到數(shù)字調(diào)節(jié)器上 可編程調(diào)節(jié)器 16 特點總結(jié) 運算控制功能強(qiáng) 通過軟件實現(xiàn)所需功能 帶有自診斷功能 帶有數(shù)字通訊功能 具有和模擬調(diào)節(jié)器相同的外特性 保持常規(guī)模擬式調(diào)節(jié)器的操作方式 簡單易學(xué) 功能介于常規(guī)模擬調(diào)節(jié)器和計算機(jī)控制系統(tǒng)之間 可編程調(diào)節(jié)器 17 4 2SLPC可編程調(diào)節(jié)器 SLPC可編程調(diào)節(jié)器是一種有代表性的 功能較為齊全的可編程調(diào)節(jié)器 具有基本PID 串級 選擇 非線性 采樣PI 批量PID等控制功能 具有自整定功能 可使PID參數(shù)實現(xiàn)最佳整定 具有通信功能 可與上位計算機(jī)聯(lián)系起來構(gòu)成集散型控制系統(tǒng) 具有可變型給定值平滑功能 能夠改善給定值變更的響應(yīng)特性 具有自診斷功能 在輸入輸出信號 運算控制回路 備用電池及通信出現(xiàn)異常情況時 進(jìn)行故障處理并進(jìn)行故障顯示 用戶只需使用簡單的編程語言 即可編制各種控制與運算程序 使調(diào)節(jié)器具有規(guī)定的控制運算功能 4 2 1概述 可編程調(diào)節(jié)器 18 可編程調(diào)節(jié)器 19 4 2 2SLPC的主要性能 模擬量輸入1 5V DC 5點 模擬量輸出1 5V DC 2點 負(fù)載電阻 3k 4 20mA DC 1點 負(fù)載電阻 0 750 數(shù)字量輸入接點或電壓電平與數(shù)字量輸出6點共用 數(shù)字量輸出晶體管接點 故障狀態(tài)輸出晶體管接點1點 運算周期0 2s和0 1s 比例度6 3 999 9 積分時間1 9999s微分時間0 9999s控制功能基本控制功能 串級控制功能 選擇控制功能 控制算法標(biāo)準(zhǔn)PID 采樣值PI 批量PID供電電源交直流兩種 100V規(guī)格和200V規(guī)格 可編程調(diào)節(jié)器 20 一 正面板工位號牌故障指示燈報警指示燈測量信號指針給定信號指針給定信號調(diào)整按鍵運行方式切換開關(guān) 輸出指示表手動操作桿調(diào)節(jié)閥動作標(biāo)記PF指示燈可編程功能鍵 可編程調(diào)節(jié)器 21 可編程調(diào)節(jié)器 22 工位號牌 標(biāo)明被測變量 儀表功能 工段代號 序號故障指示燈 調(diào)節(jié)器的運算 控制回路有故障時燈亮報警指示燈 調(diào)節(jié)器的輸入 輸出異常和運算溢出時故障燈亮 測量信號指針 單回路控制時指示被測變量的測量值 串級和選擇控制時指示主被測變量的測量值給定信號指針 單回路控制時指示被測變量的給定值 串級和選擇控制時指示主被測變量的給定值 給定值調(diào)整按鍵 調(diào)節(jié)給定值大小 按 給定值 按給定值 同時按 給定值不變運行方式切換按鈕 按鍵上帶指示燈 按下后燈亮 表明所處的狀態(tài)A 自動M 手動C 串級 可編程調(diào)節(jié)器 23 調(diào)節(jié)閥動作標(biāo)記 調(diào)節(jié)閥分為氣關(guān)式 氣開式 在輸出 4mA時 可定義氣開 也可定義氣關(guān) 在輸出 20mA時 可定義氣開 也可定義氣關(guān) 根據(jù)工藝要求確定 可編程功能鍵 該鍵的功能由用戶的程序確定PF指示燈 由用戶程序決定是點亮或熄滅 輸出指示表 指示輸出信號4 20mA 左為4mA 右為20mA 輸出限位指針 表示輸出限幅的位置手動操作桿 M時 可以調(diào)整手操信號大小 向左信號 向右信號 慢速 40s 全刻度 快速 4s 全刻度 可編程調(diào)節(jié)器 24 二 側(cè)面盤 調(diào)整板 側(cè)面盤 調(diào)整板 PROGRAMMABLECONTROLLER MODELSLPC SV1800 N TUNING DIDOMODE CHECKALARM PVSVDV PHPL XNYNSCALE DLVLVT PIDSTC EN MVMHML PNTN NON LINEAR BATCHSAMPLE PROGAMMER TUNING ACTION ENABLE RSV2 RSV1 DIR1 DIR2 INHIBIT ROM 可編程調(diào)節(jié)器 25 鍵盤調(diào)整開關(guān) 為了防止誤操作而設(shè)置的開關(guān) 當(dāng)開關(guān)置于禁止 INHIBIT 時 鍵盤不能操作 當(dāng)開關(guān)置于允許 ENABLE 時 鍵盤可以操作 正反作用開關(guān) 確定調(diào)節(jié)器的正 DIR 反 RVS 作用 正反作用開關(guān)有兩個 因為內(nèi)部構(gòu)造相當(dāng)于二臺調(diào)節(jié)器 ROM插座 用于安裝EPROM 當(dāng)卡爪在 ON 位置時 ROM被固定 當(dāng)爪卡在 OFF 位置時 ROM可脫落連接編程器的插座 用于連接編程器 可編程調(diào)節(jié)器 26 SLPC的硬件電路 主機(jī)部分 可編程調(diào)節(jié)器 27 1 主機(jī)部分 CPU采用8085AHC 時鐘頻率為10MHz ROM分為系統(tǒng)ROM和用戶ROM 系統(tǒng)ROM 兩片27256型EPROM 每片32KB 用于存放監(jiān)控程序和各種功能模塊 用戶ROM 一片2716型EPROM 2KB 用于存放用戶程序 RAM采用兩片 PD4464C低功耗CMOS存儲器 8KB 可編程調(diào)節(jié)器 28 2 AI SLPC調(diào)節(jié)器有5個模擬量輸入通道 關(guān)鍵點 2點 X1輸入通道具有備用方式 正常工作時的信息途徑之外 發(fā)生故障時 進(jìn)行測量值指示 A D轉(zhuǎn)換器 是利用高速12位D A轉(zhuǎn)換器和比較器實現(xiàn)的 X1經(jīng)RC濾波后分為兩路 一路經(jīng)輸入多路開關(guān)接到比較器 被A D轉(zhuǎn)換后進(jìn)入CPU 正常的信息途徑 一路經(jīng)電壓跟隨器送到故障 PV開關(guān) CPU正常時 指示器接受的是由CPU和D A轉(zhuǎn)換送來的測量信號 發(fā)生故障時 CPU的自檢程序或WDT電路發(fā)出的故障輸出信號 使故障 PV開關(guān)切換到故障位置 面板上的指示器直接接受從X1來的信號 進(jìn)行測量值指示 可編程調(diào)節(jié)器 29 3 AO 3個模擬量輸出通道 Y1為4 20mADC電流輸出 Y2 Y3為1 5VDC電壓輸出相互間也不隔離 如何分析上述電路的特性 可編程調(diào)節(jié)器 30 參見上頁電路圖 可編程調(diào)節(jié)器 31 P點用于判斷是否有斷線故障 外接負(fù)載的阻值正常時 P點電壓不超過6V如果使用中負(fù)載電路斷線 則電容C被過多地充電 以致P點電壓超過6V所以定期檢測此點的電壓便可判斷是否有斷線故障 參見前頁電路圖 可編程調(diào)節(jié)器 32 4 開關(guān)量輸入和輸出通道 SLPC調(diào)節(jié)器有六個開關(guān)量輸入和輸出通道 它們既可以當(dāng)作輸入也可以當(dāng)作輸出 由使用者設(shè)定 開關(guān)量輸入輸出通道都經(jīng)過高頻變壓器隔離 5 人 機(jī)聯(lián)系部件HMI 正面板的布置類似于模擬式調(diào)節(jié)器 顯示器可顯示主被控變量的測量值 給定值 調(diào)節(jié)器輸出值 故障顯示燈和報警燈 側(cè)面板有觸摸式鍵盤和數(shù)字顯示器 用以顯示或修改輸入 輸出數(shù)據(jù) PID參數(shù)和其他數(shù)據(jù) 顯示的項目由鍵操作來選擇 6 通信接口電路 采用半雙工 串行異步通訊方式 可編程調(diào)節(jié)器 33 SLPC的軟件部分 包括系統(tǒng)程序和功能模塊 系統(tǒng)程序用于保證整個調(diào)節(jié)器正常運行 這部分用戶是不能調(diào)用的功能模塊提供了各種功能 用戶可以根據(jù)需要選用 以構(gòu)成用戶程序 功能模塊以指令形式提供 可編程調(diào)節(jié)器 34 指令 指令對各種寄存器進(jìn)行操作 寄存器實際上是對應(yīng)于隨機(jī)讀寫存儲器RAM中各個不同的存儲單元 只是為了使用和表示方便 才特地定義了不同的名稱和符號指令都與五個運算寄存器S1 S5有關(guān) 五個運算寄存器以堆棧方式構(gòu)成 可編程調(diào)節(jié)器 35 運算寄存器結(jié)構(gòu)示意圖 A B C D E分別對應(yīng)S1 S5的內(nèi)容 可編程調(diào)節(jié)器 36 指令類型 1 信號讀取指令LD 用于把數(shù)據(jù) S1 2 信號存儲指令ST 用于把S1中的數(shù)據(jù) 有關(guān)寄存器 3 程序結(jié)束指令END 將控制無條件地轉(zhuǎn)移出用戶程序 結(jié)束本控制周期內(nèi)的一切運算 指令有4種類型 基本運算 等 帶設(shè)備編號的運算 十段折線函數(shù)運算等 條件判斷 上下限報警 邏輯運算 轉(zhuǎn)移跳轉(zhuǎn)等 寄存器移位 S寄存器交換 S寄存器循環(huán)移位 控制功能 BBC CSC SSC 4 功能指令 完成各種指定功能 以下著重介紹控制功能指令 可編程調(diào)節(jié)器 37 控制功能指令的基本功能 串級控制指令CSC 內(nèi)含2個串聯(lián)的調(diào)節(jié)單元CNT1 CNT2 可組成串級調(diào)節(jié)統(tǒng) 選擇控制指令SSC 內(nèi)含2個并聯(lián)的調(diào)節(jié)單元CNT1 CNT2和一個切換開關(guān)CNT3 可組成選擇控制系統(tǒng) 每臺SLPC調(diào)節(jié)器只能選用其中的一種 且同一應(yīng)用程序中只能使用一次 基本控制指令BSC 內(nèi)含1個調(diào)節(jié)單元CNT1 相當(dāng)于1臺模擬PID調(diào)節(jié)器 可編程調(diào)節(jié)器 38 BSC 1 LDX1讀入測量值X1 2 BSC基本控制 3 STY1控制輸出MV送Y1 4 END 例 某單回路控制系統(tǒng) 被控變量接到模擬量輸入通道X1閥位信號接到模擬量輸出通道Y1 則實現(xiàn)單回路PID控制的程序如下 主要作用是把運算寄存器S1里的數(shù)據(jù)與設(shè)定值相減 得到偏差 再經(jīng)過由CNT1所決定的控制算法運算后 把結(jié)果再存入S1 可編程調(diào)節(jié)器 39 CSS 1 LDX2讀入測量值副回路X2 2 LDX1讀入測量值主回路X2 3 CSC串級控制 4 STY1控制輸出MV送Y1 5 END CSC指令中具有兩個調(diào)節(jié)單元CNT1和CNT2 可實現(xiàn)串級控制 串級控制時 將主回路的測量值PV1送入S1 副回路的測量值PV2送入S2 并執(zhí)行CNT1和CNT2所指定的運算 最后將運算結(jié)果 即將要輸出的MV值 存入S1中 可編程調(diào)節(jié)器 40 4 2 3SLPC可編程調(diào)節(jié)器的應(yīng)用 帶溫壓補(bǔ)償?shù)臍怏w流量調(diào)節(jié)系統(tǒng) 可編程調(diào)節(jié)器 41 帶溫壓補(bǔ)償?shù)臍怏w流量調(diào)節(jié)系統(tǒng) 已知儀表設(shè)計參數(shù)如下 孔板設(shè)計壓力Pd 600kPa 孔板設(shè)計溫度Td 300 壓力變送器量程0 1000kPa 溫度變送器量程0 500 差壓變送器量程0 32kPa 流量測量范圍0 8000Nm2 h 可編程調(diào)節(jié)器 42 PID運算和溫差補(bǔ)償運算 1 確定調(diào)節(jié)器應(yīng)承擔(dān)的任務(wù) 采用基本控制指令BSC控制算法采用標(biāo)準(zhǔn)PID算法 2 確定調(diào)節(jié)功能和控制算法 式中Q 補(bǔ)償運算后的體積流量 P 孔板前后差壓 P 工作狀態(tài)下氣體的絕壓Pd 設(shè)計狀態(tài)下氣體的絕壓T 工作狀態(tài)下的絕對溫度 Td 設(shè)計狀態(tài)下的絕對溫度 K 流量系數(shù) 3 確定溫差補(bǔ)償?shù)臄?shù)學(xué)模型 可編程調(diào)節(jié)器 43 設(shè)PS TS PS分別為壓力變送器 溫度變送器和差壓變送器的量程 QS為換算為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的流量量程 Pmin Tmin分別為