第3章-过程控制仪表(下)-过程控制与自动化仪表-潘永湘

第3章过程控制仪表（下）3.3数字式控制器过程仪表的定义及作用3.3.1数字式控制器的基本构成模拟式调节器的局限性越来越明显：1）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；3）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YS100单回路调节器数字式控制器的硬件电路（1）主机电路主要由微处理器CPU、只读存储器ROM和EPROM、随机存储器RAM、定时/计数器CTC以及输入/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各组成部分的管理。（2）过程输入通道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、采样/保持器和A/D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。（3）过程输出通道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D/A转换器、多路模拟开关输出保持器和V/I转换器等组成，其作用是将数字信号转换为1～5V模拟电压或4～20mA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，以便控制继电器触点或无触点开关等。（4）人/机联系部件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、运行状态切换按钮、设定值增/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。（5）通信部件主要包括通信接口、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。数字通信大多采用串行方式。（1）系统管理软件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、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。（2）用户应用软件用户应用软件由用户自行编制，采用POL(面向过程语言)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，即可构成用户所需的各种控制系统。2.数字式控制器的软件3.3.2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16KB。（2）过程输入/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/输出通道中分别设计了“故障/保持/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CPU;另一路则送往故障/PV开关。当仪表工作不正常时，由CPU的自检程序通过WDT电路发出故障报警信号，并自动将“故障/PV”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的输出电流切换成保持状态，以便进行软手动操作。（3）人/机联系部件SLPC的人/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式两种；此外，还设置了给定值增/减按键、串级/自动/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，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SLPC的通信接口电路由8251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，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CPU能接受的数据.为便于用户编程，SLPC为用户提供的是采用面向问题、面向过程的“自然语言”编程平台。生产商预先将常用的运算控制功能编制成标准程序模块，以指令命名。使用时将所需运算模块和控制模块“组态”，实现控制功能。SLPC的用户基本指令共46种分三类数据传输类指令两种：LD，ST结束指令：END功能指令：43种2.SLPC可编程数字调节器的软件1)基本运算模块11个有＋－×÷运算；√、√E运算（小信号切除点固定的开方、小信号切除点可变的开方）；取绝对值运算；高选、低选；高、低限幅。2)函数运算模块13个折线函数、一阶惯性、微分运算、纯滞后运算、变化率运算、变化率限幅、移动平均运算、状态变化监测、计时、程序设定、脉冲计数、积算脉冲输出。3)条件判断运算模块14个上下限报警、逻辑运算、转移指令、转子指令、子程序块、比较指令、信号切换4)运算寄存器位移指令CHGROD5)控制模块3种（1）基本控制模块BSC内含1个调节单元CNT1，相当于模拟仪表中的1台PID调节器，其功能框图如图所示。（2）串级控制模块CSC内含两个调节单元CNT1和CNT2，根据串级开关状态，CNT2可接受CNT1的输出作为设定信号，组成双回路串级控制系统，也可直接接受另一设定信号SV2，实现副回路的单独控制。（3）选择控制模块SSC内部包含两个并行工作的PID调节单元CNTI和CNT2，另有一自动选择单元CNT3。CNT3的控制规律为三选一：CNT3=0为低选CNT3=1为高选编程举例：例1把两个输入变量X1、X2相加后，从Y1端口输出。程序：LDX1（读入X1数据）LDX2（读入X2数据）+（对X1、X2求和）STY1(将结果送往Y1)END(结束程序)用户程序的写入和调试1)利用编程器逐句健入用户程序：移入ROM插座主程序（MPR）子程序（SBP）指定DIO功能指定控制字CNT1～CNT5其它参数END2)程序的调试仿真调试真实对象调试写入EPROM3.4执行器及安全栅3.4.1执行器的构成原理执行器由执行机构和调节机构（调节阀）两部分组成。接受调节器输出的控制信号，并转换成直线位移或角位移来改变调节阀的流通面积，以控制流入或流出被控过程的物料或能量，从而实现对过程参数的自动控制。执行器有自动调节阀门、自动电压调节器、自动电流调节器、控制电机等。其中自动调节阀门是最常见的执行器，种类繁多。自动调节阀按照工作所用能源形式可分为：电动调节阀：电源配备方便，信号传输快、损失小，可远距离传输；但推力较小。气动调节阀：结构简单，可靠，维护方便，防火防爆；但气源配备不方便。液动调节阀：用液压传递动力，推力最大；但安装、维护麻烦，使用不多。工业中使用最多的是气动调节阀和电动调节阀。1.气动执行机构它由膜片、阀杆和平衡弹簧等组成，是执行器的推动装置。它接受气动调节器或电/气转换器输出的气压信号，经膜片转换成推力并克服弹簧力后，使阀杆产生位移，带动阀芯动作。1-上盖2—膜片3一平衡弹簧4一阀杆5－阀体6－阀座7－阀芯气动执行机构有正作用和反作用两种形式:当输入气压信号增加时阀杆向下移动时称正作用；当输入气压信号增加时阀杆向上移动时称反作用。在工业生产中口径较大的调节阀通常采用正作用方式。lKAp气动薄膜执行机构的静态特性表示平衡状态时输入的气压p与阀杆位移l的关系，即A为膜片的有效面积；K为平衡弹簧的弹性系数气动执行机构的动态特性可近似成一阶惯性环节，其惯性的大小取决于膜头空间的大小与气管线的长度和直径。2.电动执行机构电动执行机构根据配用的调节机构不同，其输出方式有直行程、角行程和多转式三种类型，其电气原理完全相同，仅减速器不一样。电动执行机构的组成框图伺服放大器原理图校正网络原理图（1）直通单座阀流体对阀芯的不平衡作用力大。一般用在小口径、低压差的场合。结构简单、泄漏量小。3．调节机构调节机构就是阀门，是一个局部阻力可以改变的节流元件。根据不同的使用要求，阀门的结构型式很多。正装阀阀芯下移时，阀芯与阀座间的流通截面积增大阀门中的柱式阀芯可以正装，也可以反装。反装阀阀芯下移时，阀芯与阀座间的流通截面积减小（2）直通双座阀阀体内有两个阀芯和阀座。流体流过时，作用在上、下两个阀芯上的推力方向相反且大小相近，可以互相抵消，所以不平衡力小。但是，由于加工的限制，上下两个阀芯阀座不易保证同时密闭，因此泄漏量较大。（3）角形控制阀两个接管呈直角形，一般为底进侧出，这种阀的流路简单、对流体的阻力较小。适用于现场管道要求直角连接，介质为高粘度、高压差和含有少量悬浮物和固体颗粒状的场合。（4）三通控制阀有三个出入口与工艺管道连接。流通方式有合流型（两种介质混合成一路）和分流型（一种介质分成两路）两种。适用于配比控制与旁路控制。（5）隔膜控制阀采用耐腐蚀材料作隔膜，将阀芯与流体隔开。结构简单、流阻小、流通能力比同口径的其他种类的阀要大。由于介质用隔膜与外界隔离，故无填料，介质也不会泄漏。耐腐蚀能力强，适用于强酸、强碱、强腐蚀性介质的控制，也能用于高粘度及悬浮颗粒状介质的控制。适用于大口径、大流量、低压差的场合，也可以用于含少量纤维或悬浮颗粒状介质的控制。（6）蝶阀又名翻板阀。结构简单、重量轻、流阻极小，但泄漏量大。3.4.2气动执行器的应用1.调节阀的尺寸通常用公称直径Dg和阀座直径dg表示，它们的确定是合理应用执行器的前提条件。确定调节阀尺寸的主要依据是流通能力，它定义为调节阀全开、阀前后压差为0.1MPa、流体重度为1g/cm3时，每小时通过阀门的流体流量（m3或kg）。当流体为不可压缩时，通过调节阀的体积流量为:0122()VgqApprα为流量系数，它取决于调节阀的结构形状和流体流动状况，可从有关手册查阅或由实验确定；A0为调节阀接管截面积；g为重力加速度；r为流体重度。依据流通能力的定义，则有gAC20流通能力C与调节阀的结构参数有确定的对应关系。这就是确定调节阀尺寸的理论依据。可得流通能力与流体重度、阀前后压差和介质流量三者的定量关系，即(335)VrCqpmaxqpmaxCmaxC调节阀尺寸的确定过程为：根据通过调节阀的最大流量，r流体重度以及调节阀的前后压差，先由式（3－35）求得最大的流通能力，然后选取大于即可依据表3－2确定出Dg和dg的大小。的最低级别的C值，公称直径Dg(mm)202532405065阀门直径dg(mm)245678101215202532405065流通能力C单座阀0.080.120.200.320.500.801.22.03.25.0812203256双座