有機(jī)合成工職業(yè)技能培訓(xùn) 有機(jī)合成工職業(yè)技能培訓(xùn) 第09章 控制器

第九章

控制器?概述?模擬調(diào)節(jié)器?數(shù)字控制器概述控制器的作用是將被控變量測(cè)量值與結(jié)定值進(jìn)行比較，然后對(duì)比較后得到的偏差進(jìn)行比例、積分、微分等運(yùn)算，并將運(yùn)算結(jié)果以一定的信號(hào)形式送往執(zhí)行器，以實(shí)現(xiàn)對(duì)被控變量的自動(dòng)控制。模擬調(diào)節(jié)器（控制算法由電路實(shí)現(xiàn)）數(shù)字控制器（含CPU，控制算法由程序?qū)崿F(xiàn)）一般調(diào)節(jié)器還需要具備如下功能，以適應(yīng)自動(dòng)控制的需要：偏差指示

指示偏差信號(hào)模擬調(diào)節(jié)器——指針式表頭全刻度指示：輸入信號(hào)和設(shè)定值分別由不同的指針在

0～100％范圍指示偏差值指示：僅利用一個(gè)指針來(lái)指示偏差信號(hào)±30％數(shù)字控制器——通過(guò)LED或者液晶屏顯示輸出顯示顯示調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)的大小，習(xí)慣上輸出顯示表也稱作閥位表。內(nèi)、外給定的選擇給定信號(hào)可以由調(diào)節(jié)器內(nèi)部產(chǎn)生，也可以由其它儀表外部提供內(nèi)給定的調(diào)整若設(shè)定值為內(nèi)給定，用戶可以調(diào)整調(diào)節(jié)器上的內(nèi)給定撥盤來(lái)改變?cè)O(shè)定值正、反作用的選擇何謂正作用？何謂反作用？為了構(gòu)成一個(gè)負(fù)反饋控制系統(tǒng)，必須正確的確定調(diào)節(jié)器的正、反作用，否則整個(gè)控制系統(tǒng)就無(wú)法正常運(yùn)行。調(diào)節(jié)器的正、反作用，是通過(guò)正、反作用開(kāi)關(guān)來(lái)選擇的。手/自動(dòng)雙向切換何謂手動(dòng)？何謂自動(dòng)？為什么要進(jìn)行手自動(dòng)切換？手動(dòng)操作可以調(diào)整手操撥盤或者手操扳鍵來(lái)改變調(diào)節(jié)器的輸出無(wú)擾動(dòng)切換手自動(dòng)切換時(shí)都希望不給控制系統(tǒng)帶來(lái)擾動(dòng)，即調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)不發(fā)生突變（即必須要求無(wú)擾動(dòng)切換）Kp/Ti/Td的設(shè)置改變控制器的特性?調(diào)節(jié)器的初步認(rèn)識(shí)12345676圖4-2

DDZ－III型調(diào)節(jié)器正面圖1－位號(hào)牌2－內(nèi)外給定指示3－內(nèi)給定設(shè)定撥盤4-A/M/H切換5－閥位表6－軟手動(dòng)操作扳鍵7－雙針全刻度指示表DDZ－II型儀表（包括調(diào)節(jié)器）DDZ一III型儀表（包括調(diào)節(jié)器）III型儀表優(yōu)點(diǎn)電源220VAC24VDC集中供電·可用24VDC蓄電池作備用電源·儀表內(nèi)部沒(méi)有變壓器，不發(fā)熱，為實(shí)現(xiàn)更好的防爆措施提供條件。防爆隔離防爆本安型防爆（安全火花型）故障狀態(tài)：電流小于35mA，電壓小于35VDC，可帶電維修。輸出信號(hào)0~10mA4~20mA①電氣零點(diǎn)從4

mA開(kāi)始，不與機(jī)械零點(diǎn)重合，容易識(shí)別斷電、斷線等故障。②只要改變轉(zhuǎn)換電阻阻值，便可接收其他電流信號(hào)，例如將10～

50mA等直流電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為l～5V信號(hào)。③因?yàn)樽钚≥斎胄盘?hào)不為零，為現(xiàn)場(chǎng)變送器實(shí)現(xiàn)兩線制創(chuàng)造了條件。變送器與調(diào)節(jié)器用兩線聯(lián)接，既節(jié)省電纜線和安裝費(fèi)用，還有利于安全防爆。輸入信號(hào)0~10mA4~20mA1~5V元器件分離元件（電阻、電容、晶體管……）集成電路（運(yùn)放電路……）①由于集成運(yùn)放均為差分放大器，且輸人對(duì)稱性好，漂移小，儀表的穩(wěn)定性得到提高。②由于集成運(yùn)放有高增益，因而開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)很高，這使儀表的精度得到提高。③由于采用了集成電路，焊點(diǎn)少，強(qiáng)度高，大大提高了儀表的可靠性。指示表頭單針偏差指示（0~±30%）有雙針全刻度大表頭指示（0~100%）分別指示測(cè)量值（紅針）、給定值（黑針）

當(dāng)儀表置于“內(nèi)給定”：設(shè)定值由黑針指示。手動(dòng)方式硬手動(dòng)硬手動(dòng)、軟手動(dòng)硬手動(dòng)——輸出與撥盤數(shù)值直接對(duì)應(yīng)軟手動(dòng)——同時(shí)按下軟手動(dòng)操作板鍵6，調(diào)節(jié)器的輸出便隨時(shí)間按一定的速度增加或減?。蝗羰蛛x開(kāi)操作極鍵則當(dāng)時(shí)的信號(hào)值就被保持通常都是用軟手動(dòng)操作板鍵進(jìn)行手動(dòng)操作，這樣控制比較平穩(wěn)精細(xì)，只有當(dāng)需要給出恒定不變的操作信號(hào)（例如，閥的開(kāi)度要求長(zhǎng)時(shí)間不變）或者在緊急時(shí)要一下子就控制到安全開(kāi)度等情況下，才使用硬手動(dòng)操作。手自動(dòng)切換預(yù)平衡無(wú)平衡、無(wú)擾動(dòng)“自動(dòng)”“軟手動(dòng)”切換是雙向無(wú)平衡無(wú)擾動(dòng)“硬手動(dòng)”“軟手動(dòng)”切換是無(wú)平衡無(wú)擾動(dòng)

“硬手動(dòng)”“自動(dòng)”切換是無(wú)平衡無(wú)擾動(dòng)“軟手動(dòng)”“硬手動(dòng)”切換是預(yù)平衡無(wú)擾動(dòng)“自動(dòng)”“硬手動(dòng)”切換是預(yù)平衡無(wú)擾動(dòng)其它·正反作用切換（操作點(diǎn)：調(diào)節(jié)器內(nèi)部）·PID參數(shù)設(shè)置（操作點(diǎn)：調(diào)節(jié)器內(nèi)部）·…………二者基本相同?DDZ―Ⅲ型電動(dòng)調(diào)節(jié)器簡(jiǎn)介DDZ―Ⅲ型調(diào)節(jié)器的基本性能DDZ―Ⅲ型調(diào)節(jié)器的基本組成DDZ―Ⅲ型電動(dòng)調(diào)節(jié)器DDZ―Ⅲ型調(diào)節(jié)器有兩種：全刻度指示調(diào)節(jié)器和偏差指示調(diào)節(jié)器它們的結(jié)構(gòu)和線路相同，僅指示電路有些差異。這兩種基型調(diào)節(jié)器均具有一般調(diào)節(jié)器應(yīng)具有的:對(duì)偏差進(jìn)行PID運(yùn)算偏差指示正反作用切換內(nèi)外給定切換(產(chǎn)生內(nèi)給定信號(hào))手動(dòng)/自動(dòng)雙向切換閥位顯示等功能。在基型調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上，可附加某些單元，如輸入報(bào)警、偏差報(bào)警、輸出限幅單元等。也可構(gòu)成各種特種調(diào)節(jié)器，如抗積分飽和調(diào)節(jié)器、前饋調(diào)節(jié)器、輸出跟蹤調(diào)節(jié)器、非線性調(diào)節(jié)器等以及構(gòu)成與工業(yè)計(jì)算機(jī)聯(lián)用的調(diào)節(jié)器。P.36基型調(diào)節(jié)器的構(gòu)成方框圖數(shù)字式調(diào)節(jié)器數(shù)字式調(diào)節(jié)器類型：?定程序調(diào)節(jié)器?可編程調(diào)節(jié)器?混合調(diào)節(jié)器?批量調(diào)節(jié)器?1.數(shù)字調(diào)節(jié)器的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了模擬儀表與計(jì)算機(jī)一體化

將CPU引入控制器，使其功能得到來(lái)很大的增強(qiáng)，提高了性能價(jià)格比。同時(shí)考慮到人們長(zhǎng)期以來(lái)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(yùn)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(yùn)算控制功能，一臺(tái)數(shù)字控制器既可實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單PID控制，也可以實(shí)現(xiàn)串級(jí)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(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行處理，如線性化、數(shù)據(jù)濾波、標(biāo)度變換、邏輯運(yùn)算等。通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)所需功能

數(shù)字控制器的運(yùn)算控制功能是通過(guò)軟件實(shí)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(guò)編程將它們連接在一起，構(gòu)成用戶程序，便可實(shí)現(xiàn)所需的運(yùn)算與控制功能。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(guó)際統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)（4～20mADC，1～5VDC），可以方便地與

DDZ－III型儀表相連。同時(shí)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(dú)立的控制系統(tǒng)之外，還可以與上位計(jì)算機(jī)一起組成DCS控制系統(tǒng)。數(shù)字控制器與上位計(jì)算機(jī)之間實(shí)現(xiàn)串行雙向的數(shù)字通訊，可以將手、自動(dòng)狀態(tài)、PID參數(shù)及輸入/輸出值等信息送到上位計(jì)算機(jī)，必要時(shí)上位計(jì)算機(jī)也可對(duì)控制器施加干預(yù)，如工作狀態(tài)的變更，參數(shù)的修改等?？煽啃愿?，維護(hù)方便

在硬件方面，一臺(tái)數(shù)字式控制器可以替代數(shù)臺(tái)模擬儀表，同時(shí)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(guò)模塊軟件組態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)，具有多種故障的自診斷功能，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障并采取保護(hù)措施。?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?硬件部分?jǐn)?shù)字式調(diào)節(jié)器的硬件電路構(gòu)成框圖?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(yùn)算的中間值、結(jié)果CTC的定時(shí)功能用來(lái)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(shí)現(xiàn)儀表數(shù)據(jù)運(yùn)算處理，各組成部分之間的管理。?過(guò)程輸入通道將多個(gè)模擬量輸入信號(hào)分別轉(zhuǎn)換為CPU所接受的數(shù)字量。模擬量輸入通道多路模擬開(kāi)關(guān)將多個(gè)模擬量輸入信號(hào)分別連接到采樣／保持器。采樣／保持器具有暫時(shí)存儲(chǔ)模擬輸入信號(hào)的作用A／D轉(zhuǎn)換器的作用是將模擬信號(hào)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(lái)實(shí)現(xiàn)模／數(shù)轉(zhuǎn)換的。開(kāi)關(guān)量輸入通道開(kāi)關(guān)量指的是在控制系統(tǒng)中電接點(diǎn)的通與斷，或者邏輯電平為“1”與“0”這類兩種狀態(tài)的開(kāi)關(guān)量輸入通道將多個(gè)開(kāi)關(guān)輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成能被計(jì)算機(jī)識(shí)別的數(shù)字信號(hào)。開(kāi)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。?過(guò)程輸出通道依次將多個(gè)運(yùn)算處理后的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行數(shù)／模轉(zhuǎn)換模擬量輸出通道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(hào)轉(zhuǎn)換成4~20mA的電流信號(hào)。開(kāi)關(guān)量輸出通道開(kāi)關(guān)量輸出通道通過(guò)鎖存器輸出開(kāi)關(guān)量（包括數(shù)字、脈沖量）信號(hào)，以便控制繼電器觸點(diǎn)和無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)的接通與釋放，也可控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。采用光電耦合器件作為輸出電路進(jìn)行隔離傳輸?HMI

(Human

Machine

Interface)正面板：測(cè)量值和給定值顯示器輸出電流顯示器運(yùn)行狀態(tài)（自動(dòng)／串級(jí)／手動(dòng)）切換按鈕給定值增／減按鈕和手動(dòng)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?通信接口電路以位并行、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(hào)，經(jīng)發(fā)送電路送至通信線路（數(shù)據(jù)通道）上；同時(shí)通過(guò)接收電路接收來(lái)自通信線路的數(shù)字信號(hào)，將其轉(zhuǎn)換成能被計(jì)算機(jī)接受的數(shù)據(jù)。主要有■并行■和■串行兩種工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)及儀表的通信方基本上都采用：■串行通信原因：■實(shí)施方便成本低適于遠(yuǎn)距離傳輸?軟件部分?jǐn)?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。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(lái)的結(jié)果。作用是使調(diào)節(jié)器完成預(yù)定的控制與運(yùn)算功能。?監(jiān)控程序監(jiān)控程序使調(diào)節(jié)器各硬件電路能正常工作并實(shí)現(xiàn)所規(guī)定的功能，同時(shí)完成各組成部分之間的管理。一般來(lái)說(shuō)，數(shù)字調(diào)節(jié)器需要完成以下一些任務(wù)·系統(tǒng)初始化·中斷管理·自診斷處理·鍵處理·定時(shí)處理·通信處理·掉電處理·運(yùn)行狀態(tài)控制?功能模塊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(shí)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·數(shù)據(jù)傳送·PID運(yùn)算·四則運(yùn)算·邏輯運(yùn)算·開(kāi)平方運(yùn)算·取絕對(duì)值運(yùn)算·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(yùn)算·一階慣性滯后處理·純滯后處理·移動(dòng)平均值運(yùn)算·控制方式切換輸入、輸出以及基本傳送命令基本功能·脈沖輸入計(jì)數(shù)與積算脈沖輸出■如：流量積算選擇性控制如熱電偶信號(hào)的線性化等等輸入信號(hào)的軟件濾波均值計(jì)算收自動(dòng)切換?用戶程序用戶根據(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(lái)，使調(diào)節(jié)器完成預(yù)定的控制與運(yùn)算功能。用戶程序的編制過(guò)程也稱為“組態(tài)”。調(diào)節(jié)器的編程工作是通過(guò)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)器上用戶程序的編程通常采用面向過(guò)程POL語(yǔ)言(Procedure-Oriented

Language)。編程方式簡(jiǎn)單易學(xué)。特點(diǎn)總結(jié)運(yùn)算控制功能強(qiáng)通過(guò)軟件實(shí)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In

Short：■簡(jiǎn)單易學(xué)，功能介于常規(guī)模擬調(diào)節(jié)器和 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)之間SLPC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s功能較為齊全的可編程調(diào)節(jié)器·具有基本PIDs串級(jí)s選擇s非線性s采樣PIs批量PID等控制功能·具有自整定功能，可使PID參數(shù)實(shí)現(xiàn)最佳整定·具有通信功能，可與上位計(jì)算機(jī)聯(lián)系起來(lái)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(hào)s運(yùn)算控制回路s備用電池及通信出現(xiàn)異常情況時(shí)，進(jìn)行故障處理并進(jìn)行故障顯示用戶只需使用簡(jiǎn)單的編程語(yǔ)言，即可編制各種控制與運(yùn)算程序，使調(diào)節(jié)器具有規(guī)定的控制運(yùn)算功能。SLPC的主要性能模擬量輸入1~5V（DC）5點(diǎn)。模擬量輸出1~5V（DC）2點(diǎn)，負(fù)載電阻＞3k?。4~20mA（DC）1點(diǎn)，負(fù)載電阻=0

~

750?。數(shù)字量輸入

接點(diǎn)或電壓電平

與數(shù)字量輸出6點(diǎn)共用。數(shù)字量輸出

晶體管接點(diǎn)。故障狀態(tài)輸出晶體管接點(diǎn)1點(diǎn)。運(yùn)算周期0.2s和0.1s。比例度6.3℅~999.9℅積分時(shí)間1~

9999s微分時(shí)間0~

9999s控制功能基本控制功能；串級(jí)控制功能；選擇控制功能?？刂扑惴?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）SLPC的硬件電路指示HMIA/MAO通信接口主機(jī)部分AIDI、DOReturnSLPC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(gè)調(diào)節(jié)器正常運(yùn)行，這部分用戶是不能調(diào)用的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指令指令對(duì)各種寄存器進(jìn)行操作，寄存器實(shí)際上是對(duì)應(yīng)于隨機(jī)讀寫存儲(chǔ)器RAM中各個(gè)不同的存儲(chǔ)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(hào)指令都與五個(gè)運(yùn)算寄存器S1~S5有關(guān)。五個(gè)運(yùn)算寄存器以堆棧方式構(gòu)成.指令類型指令有4種類型1、信號(hào)讀取指令LD——用于把數(shù)據(jù)→S12、信號(hào)存儲(chǔ)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(wú)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(yùn)算4、功能指令——完成各種指定功能基本運(yùn)算——+、-、×、÷等帶設(shè)備編號(hào)的運(yùn)算——十段折線函數(shù)運(yùn)算等條件判斷——上下限報(bào)警、邏輯運(yùn)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控制功能指令的基本功能■■②串級(jí)控制指令CSC：內(nèi)含2個(gè)串聯(lián)的調(diào)節(jié)單元CNT1、CNT2，可組成串級(jí)調(diào)節(jié)統(tǒng)③選擇控制指令SSC：內(nèi)含2個(gè)并聯(lián)的調(diào)節(jié)單元CNT1、CNT2和一個(gè)切換開(kāi)關(guān)CNT3，可組成選擇控制系統(tǒng)