第四章可编程调节器

控制仪表及装置第四章可编程调节器第一节概述可编程调节器的特点基本构成第二节KMM可编程调节器组成功能编程方法和仪表投入应用举例第一节概述可编程调节器的特点实现了仪表和计算机一体化。具有丰富的运算、控制功能。通用性强，使用方便。具有通信功能，便于系统扩展。可靠性高，维护方便。调节器还具有自诊断功能，随时监视各部件工况，出现故障，指示操作人员及时排除。基本构成硬件系统多路开关采样保持输入缓冲模拟量输入开关量输入A/D输入接口微处理器输出接口存储器键盘显示接口D/A多路开关输出保持V/I输出缓冲键盘显示器通信接口发送接收模拟量输出开关量输出通信主机电路由微处理器(CPU)、存储器(ROM、EPROM、RAM)、定时/计数器(CTC)以及输入输出接口(I/O)等组成,完成数据传递、信息与程序存储、定时计数、并行输入输出和异步或同步串行通信的功能。数字仪表现常采用单片微机或专用集成电路作为主机电路。单片微机包括了CPU、ROM、RAM、CTC和I/O接口等,与多芯片组成的主机电路相比，具有体积小、连线少、可靠性高、价格便宜的优点。模拟量输入输出通道模拟量输入通道包括多路模拟开关、采样/保持器(S/H)和A/D转换器等，完成模数转换功能。有多种类型的A/D，性能各异，位数有二进制8、10、12、16、20、24位及二-十进制31/2、41/2位。模拟量输出通道包括D/A转换器、多路模拟开关、输出保持电路和V/I转换器等,完成数模转换和电压/电流转换功能。常采用电流型D/A芯片，有8、10、12、16位等几种，D/A输出端尚需加接运算放大器。开关量输入输出通道触点开关、无触点开关或逻辑器件的开关量信号，通过输入缓冲电路或直接由输入接口送至主机电路，经处理后通过输出锁存器输出至开关器件。人机联系部件包括测量值、给定值显示器，输出电流显示器,运行状态(串级/自动/手动)切换按钮，给定值增减按钮,另有一些状态显示灯和设置、指示各种变量的键盘、显示器。显示器常使用动圈指示表、LED、LCD等器件。通信部件包括通信接口和发送、接收电路等。通信接口将欲发送的数据转换成标准通信格式的数字信号，由发送电路送至通信线路上；同时通过接收电路接收来自通信线路的数字信号，将其转换成能被主机接受的数据。通信接口有并行和串行两种。可编程调节器大多采用串行传送方式，一次传送一位，连续传送，其特点是所用电缆少，成本低，适于远距离传输。系统程序软件系统系统初始化键盘显示管理中断管理自诊断处理运行状态控制监控程序键处理定时处理运算控制通信处理掉电处理中断处理程序是调节器的主体部分，通常由监控程序和中断处理程序组成：用户程序其作用是连接系统程序中各功能模块，以完成预定的控制任务。编制程序采用表格式组态语言(KMM调节器)和助记符式组态语言(SLPC调节器)。本章以前者为例予以介绍。编程有在线和离线两种方法：编程器独立于调节器,用户程序写入EPROM,将其插入调节器相应的插座上。编程器和调节器共用一个CPU，用户程序写入EPROM后，同样移至调节器的插座上。PID控制算式可编程调节器的PID算式是对模拟控制器的算式（参见第一章）进行离散化得到的。积分项可表示为∫e(t)dt=TSe(i)t0ni=0微分项可表示为de(t)e(n)-e(n-1)dtTS式中TS为采样周期，n为采样序号。经替换得到完全微分型的位置型算式：y(n)=Kp{e(n)+TSe(i)+}+y’TIni=0TDTS[e(n)-e(n-1)]式中y(n)为第n次采样输出值，y’为输出初值。=将第n次采样的算式减去第(n-1)次采样的算式，得到完全微分型的增量型算式：y(n)=Kp[e(n)-e(n-1)]+Kie(n)+Ki=KpKd[e(n)-2e(n-1)+e(n-2)]TSTI式中：，调节器的积分系数Kd=Kp，调节器的微分系数TDTS另有速度型算式：v(n)=y(n)/TS常使用增量型算式,因有利于实现手/自动之间的无扰动切换。PID算式的改进不完全微分型不完全微分型算式的传递函数见第一章，将其离散化得到：y(n)=Kp{e(n)+TSe(i)+TIni=0TDT*[e(n)-e(n-1)]}+yD(n-1)T*=TS+TDKD式中：，=TD/KDTS+TD/KD不完全微分型算式较复杂，但其控制品质优于完全微分型。微分先行PID如同微分先行的模拟控制器一样，它只对测量值进行微分，这样在给定值变化时，不会产生输出的大幅度变化。积分分离PID在偏差大于一定值时，取消积分作用，而当偏差小于该值时，才将积分投入，这样既可减小超调，又可达到积分校正的效果(消除偏差)。还可采用其它方法改进PID算式，例如带有死区的PID控制，自动改变比例增益的PID控制、模糊PID控制等。主机电路：CPU采用8085A，系统ROM容量为10K字节，用户ROM容量2K字节，RAM为1K字节，定时器采用8253。设置有监视定时器(WDT)电路，一旦CPU异常，即能告警，仪表转入联锁手动状态。电源电压异常时，切入后备电源，以保护RAM内数据。第二节KMM可编程调节器组成主要性能指标：模拟量输入5点，输出4点；数字量输入5点，输出4点；采样周期100~500ms；运算模块45种；可编程模块30个。硬件部分模拟量输入输出电路：A/D转换电路是利用输出电路中的12位D/A和比较器通过软件来实现的。输出电路除输出模拟信号外，还送出PV、SP模拟值至面板，供显示测量、给定值之用。数字量输入输出电路：输入电路由晶体管陈列和门控电路构成。输出电路除输出模拟信号外，还送出PV、SP模拟值至面板，供显示测量、给定值之用。输入输出接口：I/O接口包括可编程并行接口电路8255和可编程键盘显示控制器8279。8255的三组I/O端口分别作为D/A的输入口数字信号的输入、输出口，8279用于数据设定器的数据修改和LED数码管的显示。系统程序：系统程序包括基本程序、输入处理程序、运算程序和输出处理程序。基本程序是程序的主体部分，由监控程序和中断处理子程序组成。输入处理程序和运算程序则由一系列子程序构成，每个子程序完成一种特定的功能。软件部分用户程序：由使用者自行编制，采用表格式组态语言，其语句是一些起连接作用的控制数据。将这些数据填入规定的表格中，即构成表格式用户程序，再用编程器将程序写入EPROM中。KMM可对5个模拟信号（AIR）进行折线处理、温度补偿、压力补偿、开平方和数字滤波处理，结果为AI，见下图：功能输入处理功能图中的开关若打在“0”，表示不进行该项处理。TBL1TCOMPPCOMPSQRTDIGFILTTBL2TBL31001010213AIRAI折线处理：可用于非线性校正。有三个折线表：TBL1~3。根据用户需要定义折线表中折点的坐标值(xi，yi)，然后填入相应的数据表。温度补偿：用于气体或蒸气流量信号温度补偿：补偿后的流量信号=设计温度+常数实际温度+常数流量信号压力补偿：用于气体或蒸气流量信号压力补偿：补偿后的流量信号=设计压力+常数实际压力+常数流量信号编程时，将有关数值填入输入处理数据表中。开平方：用于对节流装置的流量信号进行开平方处理。它具有小信号切除功能，编程时将切除值填入然后填入数据表中，切除范围可在输入量程的0.0~100.0%任意选定。数字滤波：用来消除输入信号中的随机干扰,为一阶滞后环节：输出=1TS+1输入式中T为滤波时间常数，范围：0.0~999.9。编程时将T值填入数据表中。输出处理功能有模拟输出信号(AO1~3)，数字输出信号(DO1~3)。哪些信号送到输出端，在输出处理数据表中规定。KMM具有45种算法即运算模块(见表4-1)进行，用户最多可选用30个进行组合。模块表示：运算处理功能名称nP1P2UnH1H2四个输入端：H1、H2、P1、P2；一个输出端：U1；模块序号：n运算关系：Un=f(H1、H2、P1、P2)运算模块分为7类：一般运算类、调节类、监视限制类、选择类、逻辑类、时间类和折线处理类。PID运算模块包括PID1和PID2，都具有常规PID运算规律和微分先行运算规律，其模块符号如下：PIDP1P2UH1H2当P2=ON时，U(n)=P1+U(n)此时微分不起作用，P1为P1端输入电压信号，U(n)为第n次采样偏差的PI运算增量值。当P2=OFF时，U(n)=U(n-1)+U(n)U(n-1)为前一次采样输出值；U(n)为第n次采样偏差的常规PID运算增量值。手动操作模块MAN常与PID运算模块组合使用，MAN模块只能使用一次，其输出必须接到AO1端。模块符号和内部结构如下：MANUH1H2输出增/减+MVMA/C方式切换跟踪切换A/C输入跟踪输入手动方式(A)时，U=先前值+MV。自动方式(A)时，U=H1U接AO1跟踪方式(F)时，U=H2运行方式切换模块MOD用于调节器运行方式的切换。模块符号和切换特性如下：MODH1H2H1H2P1P2ONOFFONOFFONOFFONOFFMACAFAMP1P2当H1=ON时，调节器处于跟踪方式(F)；当H1=OFF时，调节器恢复跟踪前的方式；当H2=ON时，调节器为手动方式(M)；当P1=ON时，调节器为自动方式(A)；当P2=ON时，调节器为串级方式(C)；控制变量更换模块PMD用于修改PID模块控制变量,有PMD1和PMD2。模块符号：PMDH1P1三个输入端：H1、P1和EXT.NO输出无意义。当P1=ON时，可改变PID变量；当P1=OFF时，不能改变PID变量。EXT.NO百分数型变量由H1直接确定；时间型变量由TI、TD等于0.2048H1(min)。更改什么变量由EXT.NO指定，见教材表4-3。超前/滞后模块L/L常用于需要前馈动态补偿的控制系统。超前滞后的模块符号和算式如下：L/LP1P2H1UU(S)=1+P1S1+P1SH1(S)P1—超前时间；P2—滞后时间。该模块对P1、P2有限制：当P2小于采样周期TS时，自动限制P2=TS；当P1大于16P2时，自动限制P1=16P2。高、低值监视模块HMS和LMSHMS的模块符号和算式如下：HMSH1P2H2U当H1≥H2时，U=ON；当H1(H2–P2)时，U=OFF。式中P2为滞后宽度。LMS的模块符号和算式如下：LMSH1P2H2U当H1H2时，U=ON；当H1≥(H2+P2)时，U=OFF。式中P2为滞后宽度。折线模块TBL1~3、TBR1~3又称折线表，模块符号和算式如下：TBLH1Ux、y均须大于0，且xnxn-1。当H1≤x1时，U=y1；当H1≥x10时，U=y10。TBRH1UTBR是TBL的逆折线表，从y求x，要求xnxn-1，ynyn-1。当H1≤y1时，U=x1；当H1≥y10时，U=x10。控制类型分为0、1、2和3型四种(见图4-20~23)。编程时，将所选类型填入基本数据表中。控制类型及无扰动切换0型调节器只用一个PID运算模块,且按内给定值(LSP)进行控制，无外给定输入端(RSP)。1型调节器只用一个PID运算模块，但具有内外给定切换开关，可按内或外给定值进行控制。2型调节器使用两个PID运算模块，PID1用内给定LSP1,PID2用RSP2,PID1的输出作为RSP2值。3型调节器也使用两个PID运算模块,与2型不同，PID2具有内外给定切换开关,开关置“A”时,PID2按内给定控制，置“C”时两PID组成串级控制。运行方式分为正常运行方式和异常运行方式。运行方式正常运行方式：手动（MAN）方式；自动（AUTO）方式；串级（CAS）方式；跟踪（FOLLOW）方式；异常运行方式：联锁手动（IM）方式。当调节器出现A组诊断异常时进入本运行方式,操作功能与手动方式相同。后备（S）方式。当调节器检出B组诊断异常时进入本运行方式，输出由后备手操器控制。执行自诊断程序时，若检出异常则显示故障代码，并自动切换到“IM”或“S”运行方式。自诊断功能A组是指在输入异常、运算溢出或过载的故障。B