数字调节器.docx
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数字调节器.docx
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数字调节器
数字调节器简介
一、调节器的概念
调节器是一种将生产过程参数的测量值与给定值进行比较,得出偏差后根据一定的调节规律产生输出信号推动执行器消除偏差量,使该参数保持在给定值附近或按预定规律变化的控制器。
通常我们使用的最普遍的是PID调节规律的调节器,该调节器将来自变送器的测量值与给定值相比较后产生的偏差进行比例、积分、微分(PID)运算,并输出统一标准信号,去控制执行机构的动作,以实现对温度、压力、流量、液位及其他工艺变量的自动控制。
二、数字调节器的概念
数字调节器是用数字技术和微电子技术实现闭环控制的调节器,又称数字调节仪表。
它接受来自生产过程的测量信号,由内部的数字电路或微处理机作数字处理,按一定调节规律产生输出数字信号或模拟信号驱动执行器,完成对生产过程的闭环控制。
三、数字调节器的发展
自从以晶体管、集成运算放大器为核心部件的模拟调节仪表出现以后,就在工业过程控制中起到了重大作用,它使人们从繁重的控制操作中解放出来,大大的提高了产品质量和生产效率。
但是,随着现代生产规模的不断扩大,生产过程日益复杂化,都要求调节装置应该具有更强、更复杂的运算控制功能,以满足生产过程的需要。
随着计算机技术的飞速发展,以数字计算机为核心的数字调节仪表应运而生了。
数字调节器是20世纪70年代在模拟调节仪表的基础上采用数字技术和微电子技术发展起来的新型调节器。
由于采用集成电路和大规模集成电路,它与微型计算机十分相似,只是在功能上以过程调节为主。
自从数字调节器推出以来,随着微处理机技术的发展,智能型数字调节器的功能也不断进步,由于数字设定、运算功能的增强,不仅使调节器的功能大幅度提高,而且由自整定、多种信号制输入、自由电源、EPROM等新技术的使用,使用户操作变得简单化,并且减少了库存,方便了备品备件的管理。
另外,不仅数字调节器的单机功能得到提高,而且由于通信功能的增强,遥控、遥测操作的实现,从而使到目前为止价格昂贵的DCS的各项功能,用通用微型计算机和数字调节器的组合即可得到实现,越来越多地应用于中、小规模过程控制系统中。
但是另一方面,功能的提高,必将使设定项目增多和设定变得繁琐,从而增加了现场工程师的负担。
同时以微型计算机和PLC为主组成的中、小规模自动化系统,也需要增加与数字调节器的联网功能,从而追求系统结构的简单化和数模混合控制的功能。
四、数字调节器的特点
数字调节器和模拟调节器在构成原理和所用器件上有着很大差别,前者采用数字技术,以微型计算机为核心部件。
而后者采用模拟技术,以运算放大器、晶体管等模拟电子器件为基本部件。
数字调节器具有如下一些优点。
(1)功能丰富——调节灵活方便,在相同硬件配置下利用程序可实现多种功能。
(软件实现)
(2)自诊断功能——可在运行中及时发现自身故障,避免误侧误控。
(3)数据通信功能——可组网增加信息量,扩大传输距离,易于集中监测。
(数据总线)
(4)高性价比——在尺寸、功耗、价格方面相对模拟仪表具有明显优势。
五、数字调节器的分类
(1)数字式混合比率调节器:
它是控制组分混合比的仪表。
它与流量计、执行器配套构成混合比率控制系统和混合-批量控制系统,用于液料混合配比和混合产品的批量发货系统。
(2)多回路调节器:
用微处理机实现多回路调节功能的仪表。
它可独立应用于单元性生产装置(如工业炉窑、精馏塔等)中,完成装置的全部或大部分控制作用。
由于单元性装置的类型很多,多回路调节器的品种和类型也很繁杂。
一台多回路调节器可控制8~16个调节回路,有的还可完成简单的程序控制或批量控制。
(3)单回路调节器:
用微处理机实现一个回路调节功能的仪表。
它只有一个可送到执行器去完成闭环控制的输出。
单回路调节器有两种主要用途:
一是用于系统的重要回路,以提高系统的可靠性和安全性;一是取代模拟调节器,以减少盘装仪表的数量或提高原有回路的功能,如实现单回路的高级控制、顺序控制、批量控制。
六、数字调节器的组成
1.硬件系统
(1)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。
(2)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。
(3)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。
(4)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。
(5)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。
2.软件系统
(1)系统程序
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:
(2)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)。
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。
七、数字调节器的PID表达式
连续PID调节器的调节规律
PID调节器的离散化表示法
离散化(数字式)表示的特点:
(1)输出为相对第次采样的结果。
(2)输出表达式均为四则运算形式,便于计算机编程控制。
(3)分为位置式和增量式2种:
位置式---含本次、上次历史偏差,适用于绝对计算形式(程序较长);增量式---含本次、上次、上上次偏差,适用于相对计算形式(程序较短)。
八、SPLC型数字调节器简介
1.构成:
正面板:
侧面板(调整版):
2.主要功能
(1)指示、给定、操作功能
(2)控制功能:
包括PV上/下限报警、输入补偿、输出跟踪等
(3)运算功能:
包括基本运算、带设备编号的运算、条件判断、寄存器移位。
(4)程序功能:
主程序—99步,子程序—99步,最多可有30个子程序。
设备—编程器SPRG,语言—POL语言,低速扫描(周期为0.2s),最多执行240步。
高速扫描(周期为0.1s),最多执行66步。
(5)通信功能:
SLPC调节器和SCMS运算站的通信还有与上位机的通信。
(6)停电处理功能
(7)自诊断功能
3.结构图
(1)CPU采用8位微处理器8085A,10MHZ、0.2s控制周期(最多可运行240步)。
(2)系统软件和用户程序存入内部32KEPROM。
(3)现场设定数据及中间结果存入内部2KRAM。
(4)5个模拟输入端,可以同时接受5路1~5V直流电平信号。
(5)3个模拟输出端,1路4~20mA电流输出驱动执行器,2路1~5V联络信号。
(6)6个开关量输入/输出端,利用三态门电路切换输入、输出方式。
九、总结
数字调节器种类繁多,SPLC只是其中比较典型的一种,近几年在中国广泛使用引进和国产化仪表还有KMM、PMK、Micro760/761等。
随着计算机技术的飞速发展和社会生产力的提高,数字调节器及相关技术也会在未来得到很大的进步。
我们在课堂上只是学习了一些基础知识,在网上查资料也仅仅是知道一些理论性的知识,我们只有以后在实践中锻炼,积累经验,这样才能真正掌握这门技术。
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