过程控制仪表2.ppt

第第3 3章章 过程控制仪表（中）过程控制仪表（中） 3.3 数字式控制器数字式控制器 3.3.1 数字式控制器的基本构成数字式控制器的基本构成 模拟式调节器的局限性：模拟式调节器的局限性：1）功能单一，灵活性差；）功能单一，灵活性差；2）信息分散，所用仪表多，且监视操作不方便；）信息分散，所用仪表多，且监视操作不方便；3）接线过多，系统维护难度大接线过多，系统维护难度大 数字式控制器的硬件电路由主机电路、过程输入通道、过程输出通道、人/机接口电路以及通信接口电路等构成 1.数字式控制器的硬件电路数字式控制器的硬件电路 YS100单回路调节器单回路调节器 数字式控制器的硬件电路 （（1 1）主机电路）主机电路 主要由微处理器主要由微处理器CPUCPU、只读存储器、只读存储器ROMROM和和EPROMEPROM、随机存储器、随机存储器RAMRAM、定时、定时/ /计数器计数器CTCCTC以及输入以及输入/ /输出接输出接口等组成，它是数字控制器的核心，用于数据运算处理和口等组成，它是数字控制器的核心，用于数据运算处理和各组成部分的管理各组成部分的管理。

2 2）过程输入通道）过程输入通道 包括模拟量输入通道和开关量输入包括模拟量输入通道和开关量输入通道两部分，其中模拟量输入通道主要由多路模拟开关、通道两部分，其中模拟量输入通道主要由多路模拟开关、采样采样/ /保持器和保持器和A/DA/D转换器等组成，其作用是将模拟量输入转换器等组成，其作用是将模拟量输入信号转换为相应的数字量；而开关量输入通道则将多个开信号转换为相应的数字量；而开关量输入通道则将多个开关输入信号通过输入缓冲器将其转换为能被计算机识别的关输入信号通过输入缓冲器将其转换为能被计算机识别的数字信号数字信号 （（3 3）过程输出通道）过程输出通道 主要包括模拟量输出通道和开关量主要包括模拟量输出通道和开关量输出通道两部分，其中模拟量输出通道由输出通道两部分，其中模拟量输出通道由D/AD/A转换器、多路转换器、多路模拟开关输出保持器和模拟开关输出保持器和V/IV/I转换器等组成，其作用是将数字转换器等组成，其作用是将数字信号转换为信号转换为1 1～～5V5V模拟电压或模拟电压或4 4～～20mA20mA模拟电流信号开关模拟电流信号开关量输出通道则通过输出缓冲器输出开关量信号，以便控制量输出通道则通过输出缓冲器输出开关量信号，以便控制继电器触点或无触点开关等。

继电器触点或无触点开关等 （（4）人）人/机联系部件机联系部件 主要包括显示仪表或显示器、主要包括显示仪表或显示器、手动操作装置等，它们被分别置于数字式控制器的正手动操作装置等，它们被分别置于数字式控制器的正面和侧面正面的设置与常规模拟式控制器相似，有面和侧面正面的设置与常规模拟式控制器相似，有测量值和设定值显示表、输出电流显示表、运行状态测量值和设定值显示表、输出电流显示表、运行状态切换按钮、设定值增切换按钮、设定值增/减按钮、手动操作按钮等侧面减按钮、手动操作按钮等侧面则有设置和指示各种参数的键盘、显示器等则有设置和指示各种参数的键盘、显示器等5）通信部件）通信部件 主要包括通信接口、发送和接收电路主要包括通信接口、发送和接收电路等通信接口将发送的数据转换成标准通信格式的数等通信接口将发送的数据转换成标准通信格式的数字信号，由发送电路送往外部通信线路，再由接收电字信号，由发送电路送往外部通信线路，再由接收电路接收并将其转换成计算机能接收的数据数字通信路接收并将其转换成计算机能接收的数据数字通信大多采用串行方式大多采用串行方式 （（1）系统管理软件）系统管理软件 主要包括监控程序和中断处理程主要包括监控程序和中断处理程序两部分，它们是控制器软件的主体。

监控程序又包序两部分，它们是控制器软件的主体监控程序又包含系统初始化、键盘和显示管理、中断管理、自诊断含系统初始化、键盘和显示管理、中断管理、自诊断处理及运行状态控制等模块；中断处理程序则包含键处理及运行状态控制等模块；中断处理程序则包含键处理、定时处理、输入处理和运算控制、通信处理和处理、定时处理、输入处理和运算控制、通信处理和掉电处理等模块掉电处理等模块2）用户应用软件）用户应用软件 用户应用软件由用户自行编制，用户应用软件由用户自行编制，采用采用POL(面向过程语言面向过程语言)编程，因而设计简单、操作编程，因而设计简单、操作方便在可编程控制器中，这些应用软件以模块或指方便在可编程控制器中，这些应用软件以模块或指令的形式给出，用户只要将这些模块或指令按一定规令的形式给出，用户只要将这些模块或指令按一定规则进行连接（亦称组态）或编程，即可构成用户所需则进行连接（亦称组态）或编程，即可构成用户所需的各种控制系统的各种控制系统 2. 数字式控制器的软件数字式控制器的软件 3.3.2 数字式控制器实例数字式控制器实例 目前广泛使用的产品有DK系列的KMM数字调节器、YS-80系列的SLPC数字调节器、FC系列的PMK数字调节器以及Micro760/761数字调节器等，由于它们的运算与控制功能是靠组态或编程实现的，且只控制一个回路，所以又常将它们称为单回路可编程数字调节器。

以SLPC数字调节器为例 1.SLPC可编程数字调节器的硬件构成可编程数字调节器的硬件构成 具有基本的PID、微分先行PID、采样PI、批量PID、带可变滤波器设定的PID等多种控制功能，还可构成串级、选择性、非线性等多种复杂的过程控制系统，并具有自整定、自诊断、通信等许多特殊功能 SLPC可编程控制器的硬件电路 各部分电路的具体构成及其功能简述如下：（（1）） 主机电路主机电路 主机电路中的CPU采用8085AHC芯片,时钟频率为10MHz；系统ROM为64KB,用于存放监控程序和各种功能模块；用户ROM为2KB,用于存放用户程序;RAM为16KB2）） 过程输入过程输入/输出通道输出通道 具有如下特点： 1）输入通道中有5路模拟量输入和6路开关量输入模拟量输入由RC滤波器、多路开关、PC648D型高速12位D/A转换器和比较器等组成，通过CPU反馈编码，实现比较型模/数转换 2）输出通道中有3路模拟量输出和6路开关量输出模拟量输出中有1路输出为4～20mA.DC直流电流，可驱动现场执行器；另两路输出为1～5V.DC直流电压，提供给控制室的其它模拟仪表。

3）用一片PC648D型12位高速D/A芯片，将CPU输出的数字量转换为模拟量输出，在CPU的程序支持下，通过比较器将模拟量输入转换成数字量输出；开关量输入与开关量输出共用同一通道，其选择由使用者用程序确定；所有开关量输入/输出通道与内部电路之间均用高频变压器隔离  4）在过程输入）在过程输入/输出通道中分别设计了输出通道中分别设计了“故障故障/保持保持/软手动软手动”功能 模拟输入信号经滤波后分为两路，一路经模数转换后进入模拟输入信号经滤波后分为两路，一路经模数转换后进入CPU;另一路另一路则送往故障则送往故障/PV开关当仪表工作不正常时，由开关当仪表工作不正常时，由CPU的自检程序通过的自检程序通过WDT电路发出故障报警信号，并自动将电路发出故障报警信号，并自动将“故障故障/PV”开关切换到故障开关切换到故障位置，直接显示被控量；与此同时，故障输出信号则将模拟量输出中位置，直接显示被控量；与此同时，故障输出信号则将模拟量输出中的输出电流切换成保持状态，以便进行软手动操作的输出电流切换成保持状态，以便进行软手动操作3）人）人/机联系部件机联系部件 SLPC的人的人/机联系部件的正面面板与模拟式调机联系部件的正面面板与模拟式调节器类似，其不同之处是测量值与给定值显示器有模拟动圈式和数字节器类似，其不同之处是测量值与给定值显示器有模拟动圈式和数字式两种；此外，还设置了给定值增式两种；此外，还设置了给定值增/减按键、串级减按键、串级/自动自动/软手动切换软手动切换/操作按键、故障显示和报警显示灯等。

它的侧面面板设置有触模式键操作按键、故障显示和报警显示灯等它的侧面面板设置有触模式键盘和数字显示器、正盘和数字显示器、正/反作用开关以及编程器和写入程序的芯片插座等，反作用开关以及编程器和写入程序的芯片插座等，可以很方便地进行数据修改、参数整定等操作可以很方便地进行数据修改、参数整定等操作4）通信接口电路）通信接口电路 SLPC的通信接口电路由的通信接口电路由8251型可编程通信接口型可编程通信接口芯片和光电隔离电路组成该电路采用半双工、串行异步通信方式，芯片和光电隔离电路组成该电路采用半双工、串行异步通信方式，一方面将发送信号转换成标准通信格式的数字信号，另一方面则将外一方面将发送信号转换成标准通信格式的数字信号，另一方面则将外部通信信号转换成部通信信号转换成CPU能接受的数据能接受的数据. 为为便便于于用用户户编编程程，，SLPC为为用用户户提提供供的的是是采采用用面面向向问问题题、、面面向向过过程程的的“自自然然语语言言”编编程程平平台台生生产产商商预预先先将将常常用用的的运运算算控控制制功功能能编编制制成成标标准准程程序序模模块块 ，，以以指指令令命命名名使使用用时时将将所所需需运运算算模模块块和和控控制制模模块块“组态组态”，实现控制功能。

实现控制功能SLPC的用户的用户基本指令共基本指令共46种分三类种分三类数据传输类指令两种：数据传输类指令两种：LD，，ST结束指令：结束指令：END功能指令：功能指令：43种种2. SLPC可编程数字调节器的软件可编程数字调节器的软件 1) 基本运算模块基本运算模块 11个个 有有＋＋－－×÷运运算算；；√、、 √E运运算算（（小小信信号号切切除除点点固固定定的的开开方方、、小小信信号号切切除除点点可可变变的的开开方方））；；取取绝绝对对值值运算；高选、低选；高、低限幅运算；高选、低选；高、低限幅2) 函数运算模块函数运算模块 13个个折折线线函函数数、、一一阶阶惯惯性性、、微微分分运运算算、、纯纯滞滞后后运运算算、、变变化化率率运运算算、、变变化化率率限限幅幅、、移移动动平平均均运运算算、、状状态态变变化化监监测测、、计计时时、、程程序序设设定定、、脉脉冲冲计计数数、、积积算算脉脉冲冲输输出3) 条件判断运算模块条件判断运算模块 14个个上上下下限限报报警警、、逻逻辑辑运运算算、、转转移移指指令令、、转转子子指指令令、、子程序块、比较指令、信号切换子程序块、比较指令、信号切换4) 运算寄存器位移指令运算寄存器位移指令 CHG ROD 5) 控制模块控制模块 3种种（（1））基本控制模块基本控制模块BSC内内含含1个个调调节节单单元元CNT1，，相相当当于于模模拟拟仪仪表表中中的的1台台PID调调节节器器，，其其功功能能框图如图所示。

框图如图所示（（2））串级控制模块串级控制模块CSC 内内含含两两个个调调节节单单元元CNT1和和CNT2，，根根据据串串级级开开关关状状态态，，CNT2可可接接受受CNT1的的输输出出作作为为设设定定信信号号，，组组成成双双回回路路串串级级控控制制系系统统，，也也可可直直接接接接受受另另一一设设定定信信号号SV2，，实实现现副副回回路路的的单单独控制 （（3））选择控制模块选择控制模块SSC内部包含两个并行工作的内部包含两个并行工作的PID调节单元调节单元CNTI和和CNT2，，另另有一自动选择单元有一自动选择单元CNT3CNT3的控制规律为三选一：的控制规律为三选一：CNT3 = 0 为低选为低选CNT3 = 1 为高选为高选编程举例：编程举例：例例1 把两个输入变量把两个输入变量X1 、、X2相加后，从相加后，从Y1端口端口 输出 程序：程序： LD X1 （读入（读入X1 数据）数据） LD X2 （读入（读入X2数据）数据） + （对（对X1 、、X2求和）求和） ST Y1 (将结果送往将结果送往Y1) END (结束程序结束程序)用户程序的写入和调试用户程序的写入和调试1) 利用编程器逐句健入用户程序：利用编程器逐句健入用户程序： 移入移入ROM插座插座主程序（主程序（MPR）） 子程序（子程序（SBP））  指定指定DIO功能功能指定控制字指定控制字CNT1～～CNT5 其它参数其它参数  END2) 程序的调试程序的调试仿真调试仿真调试 真实对象调试真实对象调试 写入写入EPROM连续连续PID调节规律的表达式为调节规律的表达式为 e（（t））=VS －－VP数数字字调调节节器器的的特特点点是是采采样样一一次次、、计计算算一一次次。

必必须把连续方程用离散方程表示第须把连续方程用离散方程表示第n次采样时：次采样时：√SLPC的数字控制算法的数字控制算法如如果果调调节节器器的的输输出出是是控控制制阀阀门门的的话话，，yn是是对对应应的的阀阀门门开开度度位位置置，，故故上上式式称称为为“位位置置型型PID”算算式式此式计算时，需要占用大量内存空间此式计算时，需要占用大量内存空间可改写为增量型可改写为增量型PID算式：算式：如如果果将将上上次次的的输输出出值值yn-1保保持持住住，，则则只只需需计计算算出出本次与上次输出之间的增量本次与上次输出之间的增量ΔΔyn即可即可 yn = yn-1 + ΔΔyn 优点：优点：q输输出出Δyn仅仅决决定定于于最最近近三三次次的的采采样样值值，，所所需需内内存存不大，运算比较简单不大，运算比较简单q每每次次输输出出增增量量值值，，误误动动作作的的影影响响小小，，必必要要时时可可通通过过逻逻辑辑判判断断禁禁止止或或限限制制本本次次输输出出，，容容易易得得到到良良好好的调节效果的调节效果q一一旦旦调调节节器器出出现现故故障障，，停停止止输输出出，，阀阀位位能能保保持持在故障前的状态。

在故障前的状态为为避避免免理理想想微微分分对对高高频频干干扰扰过过于于敏敏感感，，还还可可将将理想微分改为实际微分理想微分改为实际微分 写成差分方程有：写成差分方程有：实际微分传函：实际微分传函：将将此此式式代代替替理理想想PIDPID中中的的微微分分部部分分，，即即得得实实用用的的PID运算式 为为了了改改善善操操作作性性能能和和控控制制品品质质，，常常对对基基本本的的PID运算进行修改，以适应不同工况运算进行修改，以适应不同工况1) 微分先行的微分先行的PID算法（算法（PI-D））有有些些工工艺艺生生产产中中，，经经常常改改变变给给定定值值而而用用基基本本PID控控制制的的话话，，当当给给定定值值突突变变时时，，微微分分作作用用会会使使调调节节器器输输出出产产生生剧剧烈烈的的跳跳动动，，称称微微分分冲冲击击，，影影响响工工况况的稳定PI-D算式：算式： 为了改善这种操作特性，可对给定值不进行微为了改善这种操作特性，可对给定值不进行微分运算，称为微分先行的分运算，称为微分先行的PID算法这种算法与基本这种算法与基本PID算法的差别如下：算法的差别如下：  可可将将图图（（b））等等效效变换为图变换为图（（c））。

比比较较图图（（a））与与图图（（c）），，可可见见PI-D算算法法，，相相当当于于在在PID的的给给定定值值通通道道中中，，增增加加了了一一个个一一阶阶惯惯性性滤滤波波器器，，从从而而给给定定值值快快速速变变化化时时，，对对输输出的冲击大为缓和出的冲击大为缓和  (2 )比例微分先行的比例微分先行的PID算法（算法（I-PD））比比例例运运算算也也能能传传递递阶阶跃跃扰扰动动由由微微分分先先行行得得到到启启示，若对比例运算作同样修改，比例冲击也能消除示，若对比例运算作同样修改，比例冲击也能消除比例微分先行比例微分先行微分先行微分先行可可将将图图（（b））等等效效变换为图变换为图（（c））比比较较图图（（a））与与图图（（c）），，可可见见I-PD算算法法，，相相当当于于在在PID的的给给定定值值通通道道中中，，增增加加了了一一个个二二阶阶惯惯性性滤滤波波器器，，从从而而给给定定值值快快速速变变化化时时，，对对输输出的冲击更为缓和出的冲击更为缓和 图（图（b））图（图（c））(3) 带可变形设定值滤波器带可变形设定值滤波器SVF的的PID算法算法 PI-D算法相当于在设定值输入通道上加了一个一算法相当于在设定值输入通道上加了一个一阶滤波环节，阶滤波环节，P-ID算法相当于在设定值输入通道上加算法相当于在设定值输入通道上加了一个二阶滤波环节。

把两者揉合在一起，针对不同了一个二阶滤波环节把两者揉合在一起，针对不同的对象特性和控制要求，可以进行柔性调整，实现最的对象特性和控制要求，可以进行柔性调整，实现最佳控制带可变型设定值滤波器的佳控制带可变型设定值滤波器的PID算法正是根据算法正是根据这一思路设计而成这一思路设计而成 SVFSVF算法在设定值通道中设置了一个二阶滤波器：算法在设定值通道中设置了一个二阶滤波器：式中：式中：α、、β为调节器设定值通道整定参数，为调节器设定值通道整定参数，α、、β = 0 ～～ 1 α = 0 ，，β = 0 时，为比例微分先行时，为比例微分先行PID α = 1 ，，β = 0 时，为微分先行时，为微分先行PID当当α、、β 在在 0 ~ 1间间任任意意取取值值时时,可可得得到到由由PI-D 到到I-PD连连续续变变化化的的响响应应变变化化，，因因而而有有可可能能实实现现二二维维的的最佳整定最佳整定 还有采样还有采样PI算法、批量算法、批量PID算法等等算法等等 SLPC中中将上述各种控制算法编成控制程序模块，存在系统将上述各种控制算法编成控制程序模块，存在系统ROM中，供用户调用。

中，供用户调用 可编程逻辑控制器简称可编程逻辑控制器简称PLC，是基于微机技术，是基于微机技术进行开关顺序控制随着功能的扩大，现在它除了进行开关顺序控制随着功能的扩大，现在它除了可用于开关量逻辑控制外，有的可用于开关量逻辑控制外，有的PLC还配有还配有PID模模块，集连续控制和逻辑控制于一身块，集连续控制和逻辑控制于一身 补充补充:可编程逻辑控制器可编程逻辑控制器(不考不考)可编程序控制器与过去的继电器控制系统相比，可编程序控制器与过去的继电器控制系统相比，它的最大特点是在于可编程序，可通过改变软件来它的最大特点是在于可编程序，可通过改变软件来改变控制方式和逻辑规律改变控制方式和逻辑规律1. PLC的主要组成的主要组成 PLC采用了典型的计算机结构，主要部分包括中采用了典型的计算机结构，主要部分包括中央处理器央处理器CPU、存储器和输入、输出接口电路等存储器和输入、输出接口电路等限位开关限位开关手动开关手动开关光电传感器光电传感器感应开关感应开关数字开关数字开关编码器编码器继电器继电器电磁阀电磁阀变频调速器变频调速器数码显示器数码显示器指示灯指示灯蜂鸣器蜂鸣器 输输入入接接口口 输输出出接接口口中央处理单元中央处理单元（（CPU））数据存储器数据存储器 编程器编程器程序存储器程序存储器2. PLC的内部等效继电器电路的内部等效继电器电路 任何一个继电器控制系统，都是由输入部分、任何一个继电器控制系统，都是由输入部分、逻辑部分和输出部分组成。

逻辑部分和输出部分组成输出部分：输出部分：控制结果要驱动控制结果要驱动的各种输出设备，的各种输出设备，如电磁阀的线圈、如电磁阀的线圈、电机的接触器、电机的接触器、信号灯等信号灯等逻辑部分：逻辑部分：根据被控对象根据被控对象的要求而设计的要求而设计的各种继电器的各种继电器控制线路控制线路输入部分：输入部分：控制按钮、操控制按钮、操作开关、限作开关、限位开关、光位开关、光电管信号电管信号PLC就是用软件代替用硬件（继电器）构成的就是用软件代替用硬件（继电器）构成的逻辑控制电路逻辑控制电路 为便于理解逻辑关系，还将为便于理解逻辑关系，还将PLC看成是由许看成是由许多多“软继电器软继电器”组成的控制器，画出其内部等效电组成的控制器，画出其内部等效电路 　PLC等效控制框图等效控制框图输入（外部）输入（外部）输输入入变变换换输输出出变变换换 逻辑逻辑 输出（外部）输出（外部） PLC 在在PLC内部为用户提供的等效继电器有：内部为用户提供的等效继电器有：输入继电器、输出电器、辅助继电器、时间继输入继电器、输出电器、辅助继电器、时间继电器、计数继电器等这些等效继电器实际上是一电器、计数继电器等。

这些等效继电器实际上是一段段程序模块，用指令命名段段程序模块，用指令命名3. PLC的编程语言的编程语言PLC品种繁多，有各种不同的编程语言，通常品种繁多，有各种不同的编程语言，通常有梯形图、语句表、控制系统流程图、逻辑方程或有梯形图、语句表、控制系统流程图、逻辑方程或布尔代数式等布尔代数式等 最常用的是梯形图和语句表最常用的是梯形图和语句表(1) 梯形图梯形图 梯形图是使用的最多的一种编程语言，在形式上梯形图是使用的最多的一种编程语言，在形式上类似于继电器的控制电路，因整个图形呈阶梯形，类似于继电器的控制电路，因整个图形呈阶梯形，逻辑关系非常形象，故有梯形图之称如逻辑关系非常形象，故有梯形图之称如 　(2) 语句表语句表借助于梯形图，可以用指令的借助于梯形图，可以用指令的助记符来编程各种类型的助记符来编程各种类型的PLC使用的助记符不同，下面使用的助记符不同，下面以以ACMY－－S80型型PLC为例，说为例，说明语句表的编写方法明语句表的编写方法 梯形图梯形图 线圈线圈触点触点ACMY－－S80的基本逻辑指令有的基本逻辑指令有21条，数据操作指条，数据操作指令有令有12条。

如表条如表3.3，表，表3.4所示4. 编程举例编程举例例例1 根据下图所示梯形图，用根据下图所示梯形图，用ACMY－－S80指令指令系统编程系统编程 常闭触点常闭触点常开触点常开触点等效线圈等效线圈常闭触头常闭触头1000不动作，不动作，常开触头常开触头1001闭合，闭合，继电器线圈继电器线圈3000通电通电常闭触头常闭触头1000、、1003不动作，不动作，常开触头常开触头1001、、1004、、3000闭合，闭合，继电器线圈继电器线圈2002通电通电常闭触头常闭触头1003不动作；常开触头不动作；常开触头3000闭合（条件闭合（条件:常闭触头常闭触头1000不不动作，常开触头动作，常开触头1001闭合）；闭合）；继继电器线圈电器线圈2000通电通电继电器线圈继电器线圈2001通电通电条件与上条相同条件与上条相同 语句表语句表 指令功能指令功能LD NOT 1000 （常闭接点（常闭接点1000联母线）联母线）AND 1001 （常开接点（常开接点1001串联母线）串联母线） OUT 3000 （输出（输出3000的状态）的状态）LD 3000 （取（取3000的状态）的状态） ANT NOT 1003 （将常闭接点（将常闭接点1003联母线）联母线）OUT 2000 （输出（输出2000的状态）的状态） OUT 2001 （输出（输出2001的状态）的状态）AND 1004 （常开接点（常开接点1004串联母线）串联母线）OUT 2002 （输出（输出2002的状态）的状态） 数字式数字式控制控制基本基本PIDPIDSLPC可编程序控制器可编程序控制器PLC可编程逻辑控制器可编程逻辑控制器数字控制数字控制算法算法变形变形PIDPID特殊特殊PIDPID数字数字控制器控制器小结小结。