过程控制仪表下.pptx
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1、3.3 数字式控制器 过程仪表的定义及作用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第1页/共80页YS100单回路调节器单回路调节器 第2页/共80页数字式控制器的硬件电路第3页/共80页(1 1)主机电路 主要由微处理器CPUCPU、只读存储器ROMROM和EPROMEPROM、随机存储器RAMRAM、定时/计数器CTCCTC以及输入/输出接口等组成,它是数
2、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 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/DA/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 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/AD/A转换器、多路模拟开关输出保持器和V/IV/I转换器等组成,其作用是将数字信号转换为1 15V5V模拟电压或4 420mA20mA模拟电流信号。开关量输出通道则通过输出缓冲器
3、输出开关量信号,以便控制继电器触点或无触点开关等。第4页/共80页(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。第5页/共80页(1)系统管理软件主要包括监控程序和中断处理
4、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第6页/共80页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
5、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第7页/共80页SLPC可编程控制器的硬件电路第8页/共80页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
6、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420mA.DC直流电流,可驱动现场执行器;另两路输出为15V.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
7、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。第9页/共80页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
8、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.第10页/共80页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
9、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46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第11页/共80页1)基本运算模块 11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
10、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 13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。出。第12页/共80页3)条件判断运算模块 14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
11、令 CHG ROD 5)控制模块控制模块 3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。第13页/共80页(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。独控制。第14页/共80页(
12、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CNT3。CNT3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 为高选为高选第15页/共80页编程举例: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。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)第16
13、页/共80页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CNT1CNT5 其它参数其它参数 END2)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第17页/共80页3.4 3.4 执行器及安全栅执行器的构成原理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
14、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。第18页/共80页自动调节阀按照工作所用能源形式可分为:自动调节阀按照工作所用能源形式可分为:q电电动动调调节节阀阀:电电源源配配备备方方便便,信信号号传传输输快快、损损失小,可远距离传输;但推力较小。失小,可远距离传输;但推力较小。q气气动动调调节节阀阀:结结构构简简单单,可可靠靠,维维护护方方便便,防防火防爆;但气源配备不方便。火防爆;但气源配备不方便。q液液动动调调节节阀阀:用用液液压压传传递递动动力力,推推力力最最大大;但但安装、维护麻烦,使用不多。安装、维护麻烦,
15、使用不多。工业中使用最多的是气动调节阀和电动调节阀。工业中使用最多的是气动调节阀和电动调节阀。第19页/共80页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阀芯第20页/共80页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。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
16、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。第21页/共80页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第22页/共80页伺服放大器原理图第23页/共80页校正网络原理图第24页/共80页(1)直通单座阀直通单座阀流流体体对对阀阀芯芯的的不不平平衡衡作作用用力力大大。一一般般用用在在小小口径、低压差的场合。口径、低压差的场合。q结构简单、泄漏量小。结构简单、泄漏量小。3调节机构调节机
17、构 调节机构就是阀门,是一个局部阻力可以改变调节机构就是阀门,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,阀门的结构型的节流元件。根据不同的使用要求,阀门的结构型式很多。式很多。第25页/共80页正装阀正装阀阀芯下移时,阀芯与阀阀芯下移时,阀芯与阀座间的流通截面积增大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。阀门中的柱式阀芯可以正装,也可以反装。反装阀反装阀阀芯下移时,阀芯与阀阀芯下移时,阀芯与阀座间的流通截面积减小座间的流通截面积减小第26页/共80页(2 2)直通双座阀直通双座阀 阀体内有两个阀芯和阀座。阀体内有两个阀芯和阀座。q流流体体流流过过时时,作作用用在在
18、上上、下下两两个个阀阀芯芯上上的的推推力力方方向向相相反反且且大大小小相相近近,可可以以互互相相抵抵消消,所所以以不不平平衡衡力小。力小。q但是,由于加工的但是,由于加工的限制,上下两个阀芯阀限制,上下两个阀芯阀座不易保证同时密闭,座不易保证同时密闭,因此泄漏量较大。因此泄漏量较大。第27页/共80页(3)角形控制阀角形控制阀两两个个接接管管呈呈直直角角形形,一一般般为为底底进进侧侧出出,这这种种阀阀的的流路简单、对流体的阻力较小。流路简单、对流体的阻力较小。q适用于现场管道适用于现场管道要求直角连接,介质要求直角连接,介质为高粘度、高压差和为高粘度、高压差和含有少量悬浮物和固含有少量悬浮物和
19、固体颗粒状的场合。体颗粒状的场合。第28页/共80页(4 4)三通控制阀三通控制阀 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。两路)两种。适用于配比控制与旁路控制。第29页/共80页(5)隔膜控制阀隔膜控制阀 采用耐腐蚀材料作采用耐腐蚀材料作隔膜,将阀芯与流体隔隔膜,将阀芯与流体隔开。开。q结结构构简简单单、流流阻阻小小、流流通通能能力力比比同同口口径径的的其其他他种种类类的的阀阀要要大大。由由于于介介质质用用隔隔膜膜与与外
20、外界界隔隔离离,故故无无填填料,介质也不会泄漏。料,介质也不会泄漏。q耐耐腐腐蚀蚀能能力力强强,适适用用于于强强酸酸、强强碱碱、强强腐腐蚀蚀性性介介质质的的控控制制,也也能能用用于于高高粘粘度度及及悬悬浮浮颗颗粒粒状状介介质质的的控控制。制。第30页/共80页q适适用用于于大大口口径径、大大流流量量、低低压压差差的的场场合合,也也可可以以用用于于含含少少量量纤纤维维或或悬悬浮浮颗颗粒粒状状介质的控制。介质的控制。(6)蝶阀蝶阀又名翻板阀。又名翻板阀。结构简单、重量轻、流阻极小,但泄漏量大。结构简单、重量轻、流阻极小,但泄漏量大。第31页/共80页气动执行器的应用1.调节阀的尺寸通常用公称直径D
21、g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: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。第32页/共80页依据流通能力的定义,则有流通能力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,即第33页/共80页调节阀尺寸的
22、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(335)求得最大的流通能力,然后选取大于即可依据表32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双座阀1016254063公称直径Dg(mm)80100125150200250300阀门直径dg(mm)80100125150200250303流通能力C单座阀80120200280450双座阀100160
23、25040063010001600表3-2调节阀流通能力C与其尺寸的关系第34页/共80页执行器的“气开、气关”有四种构成方式序号序号执行机构执行机构作用方式作用方式阀体作用阀体作用方式方式执行器气开、执行器气开、气关形式气关形式a正正正正气关气关b正正反反气开气开c反反正正气开气开d反反反反气关气关第35页/共80页3 调节阀的流量特性调节阀的流量特性调调节节阀阀的的阀阀芯芯位位移移与与流流量量之之间间的的关关系系,对对控控制制系统的调节品质有很大影响。系统的调节品质有很大影响。流量特性的定义:流量特性的定义:被被控控介介质质流流过过阀阀门门的的相相对对流流量量与与阀阀门门的的相相对对开开度
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- 过程 控制 仪表
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