1、 第第3 3章章 過程控制儀表（下）過程控制儀表（下） 模擬式調節器的局限性越來越明顯：模擬式調節器的局限性越來越明顯：1）功能單一，靈活性差；）功能單一，靈活性差；2）信息分散，所用儀表多，且監視操作不方便；）信息分散，所用儀表多，且監視操作不方便；3）接線過多，系統維護難度大。）接線過多，系統維護難度大。 可編程調節器與模擬式調節器在構成原理和所用器件可編程調節器與模擬式調節器在構成原理和所用器件上有著很大區別。前者采用數字技術，以微型計算機（簡上有著很大區別。前者采用數字技術，以微型計算機（簡稱微機）為核心部件；而后者采用模擬技術，以運算放大稱微機）為核心部件；而后者采用模擬技術，以運算

2、放大器等模擬電子器件為基本部件。器等模擬電子器件為基本部件。 實現了模擬儀表與計算機一體化實現了模擬儀表與計算機一體化 將將CPUCPU引入控制器，使其功能得到來很大引入控制器，使其功能得到來很大的增強，提高了性能價格比。同時考慮到人們長期以來的習慣，數字控制器的增強，提高了性能價格比。同時考慮到人們長期以來的習慣，數字控制器在外形結構、面板布置、操作方式等方面保留了模擬調節器的特征。在外形結構、面板布置、操作方式等方面保留了模擬調節器的特征。運算控制功能強運算控制功能強 數字控制器具有比模擬調節器更豐富的運算控制功能數字控制器具有比模擬調節器更豐富的運算控制功能，一，一臺數字控制器既可實現簡

3、單臺數字控制器既可實現簡單PIDPID控制，也可以實現串級控制、前饋控制、變控制，也可以實現串級控制、前饋控制、變增益控制和史密斯補償控制；既可以進行連續控制，也可以進行采樣控制、增益控制和史密斯補償控制；既可以進行連續控制，也可以進行采樣控制、選擇控制和批量控制。此外，數字控制器還可選擇控制和批量控制。此外，數字控制器還可對輸入信號進行處理對輸入信號進行處理，如線性，如線性化、數據濾波、標度變換、邏輯運算等。化、數據濾波、標度變換、邏輯運算等。通過軟件實現所需功能通過軟件實現所需功能 數字控制器的運算控制功能是通過軟件實現的。在數字控制器的運算控制功能是通過軟件實現的。在可編程調節器中，軟件

4、系統提供了各種功能模塊，用戶選擇所需的功能模塊，可編程調節器中，軟件系統提供了各種功能模塊，用戶選擇所需的功能模塊，通過編程將它們連接在一起，構成用戶程序，便可實現所需的運算與控制功通過編程將它們連接在一起，構成用戶程序，便可實現所需的運算與控制功能。能。具有和模擬調節器相同的外特性具有和模擬調節器相同的外特性 盡管數字控制器內部信息均為數字量，但為了保證數盡管數字控制器內部信息均為數字量，但為了保證數字式控制器能夠與傳統的常規儀表相兼容，數字控制器模擬量輸入輸出均采用國際統一字式控制器能夠與傳統的常規儀表相兼容，數字控制器模擬量輸入輸出均采用國際統一標準信號（標準信號（4 420mADC20

5、mADC，1 15VDC5VDC），可以方便地與），可以方便地與DDZDDZIIIIII型儀表相連。同時數型儀表相連。同時數字控制器還有數字量輸入輸出功能。字控制器還有數字量輸入輸出功能。具有通訊功能，便于系統擴展具有通訊功能，便于系統擴展 數字控制器除了用于代替模擬調節器構成獨立的控制系數字控制器除了用于代替模擬調節器構成獨立的控制系統之外，還可以與上位計算機一起組成統之外，還可以與上位計算機一起組成DCSDCS控制系統。數字控制器與上位計算機之間控制系統。數字控制器與上位計算機之間實現串行雙向的數字通訊，可以將手、自動狀態、實現串行雙向的數字通訊，可以將手、自動狀態、PIDPID參數及輸入

6、參數及輸入/ /輸出值等信息送到輸出值等信息送到上位計算機，必要時上位計算機也可對控制器施加干預，如工作狀態的變更，參數的修上位計算機，必要時上位計算機也可對控制器施加干預，如工作狀態的變更，參數的修改等。改等。可靠性高，維護方便可靠性高，維護方便 在硬件方面，一臺數字式控制器可以替代數臺模擬儀表，同時控在硬件方面，一臺數字式控制器可以替代數臺模擬儀表，同時控制器所用硬件高度集成化，可靠性高。在軟件方面，數字式控制器的控制功能主要通過制器所用硬件高度集成化，可靠性高。在軟件方面，數字式控制器的控制功能主要通過模塊軟件組態來實現，具有多種故障的自診斷功能，能及時發現故障并采取保護措施。模塊軟件組

7、態來實現，具有多種故障的自診斷功能，能及時發現故障并采取保護措施。 通用性強，使用方便通用性強，使用方便模擬量輸入輸出信號采用統一標準信號。它還可輸入輸出數字模擬量輸入輸出信號采用統一標準信號。它還可輸入輸出數字信號，進行開關量控制。用戶程序使用信號，進行開關量控制。用戶程序使用“面向過程語言面向過程語言”（PROCEDURE-PROCEDURE-ORIENTED LANGUAGORIENTED LANGUAG，簡稱，簡稱POLPOL語言）來編程，易于學習、掌握。語言）來編程，易于學習、掌握。 3.3.1 數字式控制器的基本構成數字式控制器的基本構成 數字式控制器的硬件電路由主機電路、過程輸入

8、通道、過程輸出通道、人/機接口電路以及通信接口電路等構成。 1.數字式控制器的硬件電路數字式控制器的硬件電路 以微處理器（以微處理器（CPUCPU）為核心構成的硬件電路）為核心構成的硬件電路由系統程序、用戶程序構成的軟件由系統程序、用戶程序構成的軟件數字式控制器的硬件電路 過程輸入通道人/機聯系部件通信部件主機電路過程輸出通道ROMROM存放系統程序。存放系統程序。EPROMEPROM存放用戶程序存放用戶程序 . .RAM RAM 存放輸入數據、顯示數據、運算的中間值、結果存放輸入數據、顯示數據、運算的中間值、結果CTCCTC的定時功能用來確定調節器的采樣周期等等的定時功能用來確定調節器的采樣

9、周期等等 多為單片機多為單片機 是數字式調節器的核心，用于實現儀表數據運算處理，各組成部分是數字式調節器的核心，用于實現儀表數據運算處理，各組成部分之間的管理。之間的管理。 將多個模擬量輸入信號分別轉換為將多個模擬量輸入信號分別轉換為CPU所接受的數字量。所接受的數字量。 多路模擬開關將多個模擬量輸入信號分別連接到采樣保持器。多路模擬開關將多個模擬量輸入信號分別連接到采樣保持器。 采樣保持器具有暫時存儲模擬輸入信號的作用采樣保持器具有暫時存儲模擬輸入信號的作用 AD轉換器的作用是將模擬信號轉換為相應的數字量。轉換器的作用是將模擬信號轉換為相應的數字量。 利用利用DA轉換器與電壓比較器，按逐位比

10、較原理來實現模數轉換的。轉換器與電壓比較器，按逐位比較原理來實現模數轉換的。 開關量輸入通道將多個開關輸入信號轉換成能被計算機識別的數字信號。開關量輸入通道將多個開關輸入信號轉換成能被計算機識別的數字信號。 開關量指的是在控制系統中電接點的通與斷，或者邏輯電平為開關量指的是在控制系統中電接點的通與斷，或者邏輯電平為“1”與與“0”這類兩種狀態的信號這類兩種狀態的信號開關量輸入通道常采用電耦合器件作為輸入電路進行隔離傳輸。開關量輸入通道常采用電耦合器件作為輸入電路進行隔離傳輸。 依次將多個運算處理后的數字信號進行數模轉換依次將多個運算處理后的數字信號進行數模轉換D/A轉換器起數模轉換作用。轉換器

11、起數模轉換作用。 VI轉換器將轉換器將15V的模擬電壓信號轉換成的模擬電壓信號轉換成420mA的電流信號。的電流信號。 開關量輸出通道通過鎖存器輸出開關量（包括數字、脈沖量）信號，以便控制開關量輸出通道通過鎖存器輸出開關量（包括數字、脈沖量）信號，以便控制繼電器觸點和無觸點開關的接通與釋放，也可控制步進電機的運轉。繼電器觸點和無觸點開關的接通與釋放，也可控制步進電機的運轉。 采用采用光電耦合器件光電耦合器件作為輸出電路進行隔離傳輸作為輸出電路進行隔離傳輸 正面板：正面板：測量值和給定值顯示器測量值和給定值顯示器輸出電流顯示器輸出電流顯示器運行狀態（自動串級手動）切換按鈕運行狀態（自動串級手動）

12、切換按鈕給定值增減按鈕和手動操作按鈕等給定值增減按鈕和手動操作按鈕等狀態顯示燈狀態顯示燈側面板：側面板： 有設置和指示各種參數的鍵盤、顯示器有設置和指示各種參數的鍵盤、顯示器 主要有主要有 以位并以位并行、字行、字節串行節串行 位串行，即位串行，即一次傳送一一次傳送一位，連續傳位，連續傳送送 功能：將欲發送的數據轉換成標準通信格式的數字信號，經發送電路送功能：將欲發送的數據轉換成標準通信格式的數字信號，經發送電路送至至通信線路（數據通道）上；通信線路（數據通道）上； 同時通過接收電路接收來自通信線路的數字信號，將其轉換成能同時通過接收電路接收來自通信線路的數字信號，將其轉換成能被計算機接受的數

13、據。被計算機接受的數據。 并行并行 和和 串行兩種串行兩種 工業控制網絡及儀表的通信方式工業控制網絡及儀表的通信方式基本上都采用基本上都采用 ：原因原因 ：實施方便實施方便成本低成本低適于遠距離傳輸適于遠距離傳輸 （1）系統管理軟件）系統管理軟件 主要包括監控程序和中斷處理程主要包括監控程序和中斷處理程序兩部分，它們是控制器軟件的主體。監控程序又包序兩部分，它們是控制器軟件的主體。監控程序又包含系統初始化、鍵盤和顯示管理、中斷管理、自診斷含系統初始化、鍵盤和顯示管理、中斷管理、自診斷處理及運行狀態控制等模塊；中斷處理程序則包含鍵處理及運行狀態控制等模塊；中斷處理程序則包含鍵處理、定時處理、輸入

14、處理和運算控制、通信處理和處理、定時處理、輸入處理和運算控制、通信處理和掉電處理等模塊。掉電處理等模塊。（2）用戶應用軟件）用戶應用軟件 用戶應用軟件由用戶自行編制，用戶應用軟件由用戶自行編制，采用采用POL(面向過程語言面向過程語言)編程，因而設計簡單、操作編程，因而設計簡單、操作方便。在可編程控制器中，這些應用軟件以模塊或指方便。在可編程控制器中，這些應用軟件以模塊或指令的形式給出，用戶只要將這些模塊或指令按一定規令的形式給出，用戶只要將這些模塊或指令按一定規則進行連接（亦稱組態）或編程，即可構成用戶所需則進行連接（亦稱組態）或編程，即可構成用戶所需的各種控制系統。的各種控制系統。 2.

15、數字式控制器的軟件數字式控制器的軟件 數字式調節器的軟件分為數字式調節器的軟件分為和和兩大部分兩大部分 用戶程序的編程通常采用面向過程用戶程序的編程通常采用面向過程POL語言語言(Procedure-Oriented Language)。 編程方式簡單易學。編程方式簡單易學。用戶根據控制系統要求，選擇所需要的功能模塊，并按一定的規則連用戶根據控制系統要求，選擇所需要的功能模塊，并按一定的規則連接起來，使調節器完成預定的控制與運算功能。用戶程序的編制過程接起來，使調節器完成預定的控制與運算功能。用戶程序的編制過程也稱為也稱為“組態組態” 。調節器的編程工作是通過專用的編程器進行的，有調節器的編程

16、工作是通過專用的編程器進行的，有“在線在線”和和“離離線線”兩種編程方法。兩種編程方法。特點總結特點總結運算控制功能強運算控制功能強 通過軟件實現所需功能通過軟件實現所需功能 帶有自診斷功能帶有自診斷功能 帶有數字通訊功能帶有數字通訊功能 具有和模擬調節器相同的外特性具有和模擬調節器相同的外特性 保持常規模擬式調節器的操作方式保持常規模擬式調節器的操作方式 簡單易學，功能介于常規模擬調節器和計簡單易學，功能介于常規模擬調節器和計算機控制系統之間算機控制系統之間3.3.2 數字式控制器實例數字式控制器實例 目前廣泛使用的產品有DK系列的KMM數字調節器、YS-80系列的SLPC數字調節器、FC系

17、列的PMK數字調節器以及Micro760/761數字調節器等，由于它們的運算與控制功能是靠組態或編程實現的，且只控制一個回路，所以又常將它們稱為單回路可編程數字調節器。以SLPC數字調節器為例。 KMM調節器上下限報警連鎖指示燈和復位按鈕通信指示燈儀表異常指示燈SP按鈕輸出指針輸出手動按鈕SLPC控制器PMK控制器SLPC可編程調節器可編程調節器SLPCSLPC可編程調節器是一種有代表性的、功能較為齊全的可編程調節器可編程調節器是一種有代表性的、功能較為齊全的可編程調節器具有基本具有基本PIDPID、串級、選擇、非線性、采樣、串級、選擇、非線性、采樣PIPI、批量、批量PIDPID等控制功能等

18、控制功能具有自整定功能，可使具有自整定功能，可使PIDPID參數實現最佳整定參數實現最佳整定具有通信功能，可與上位計算機聯系起來構成集散型控制系統具有通信功能，可與上位計算機聯系起來構成集散型控制系統具有可變型給定值平滑功能，能夠改善給定值變更的響應特性具有可變型給定值平滑功能，能夠改善給定值變更的響應特性具有自診斷功能，在輸入輸出信號、運算控制回路、備用電池及通信具有自診斷功能，在輸入輸出信號、運算控制回路、備用電池及通信 出現異常情況時，進行故障處理并進行故障顯示出現異常情況時，進行故障處理并進行故障顯示 用戶只需使用簡單的編程語言，即可編制各種控制與運算程序，使調節用戶只需使用簡單的編程

19、語言，即可編制各種控制與運算程序，使調節器具有規定的控制運算功能。器具有規定的控制運算功能。 1 概述2 SLPC2 SLPC的主要性能的主要性能模擬量輸入模擬量輸入 15V（DC）5點。點。模擬量輸出模擬量輸出 15V（DC）2點，點， 負載電阻負載電阻3k。 420mA（DC）1點，點， 負載電阻負載電阻= 0 750。 接點或電壓電平接點或電壓電平 與數字量輸出與數字量輸出6點共用。點共用。數字量輸出數字量輸出 晶體管接點。晶體管接點。故障狀態輸出故障狀態輸出 晶體管接點晶體管接點1點。點。運算周期運算周期 0.2s和和0.1s。比比 例例 度度 6.3 999.9 積分時間積分時間 1

20、 9999s微分時間微分時間 0 9999s控制功能控制功能 基本控制功能；串級控制功能；選擇控制功能。基本控制功能；串級控制功能；選擇控制功能。控制算法控制算法 標準標準PID；采樣值；采樣值PI；批量；批量PID供電電源供電電源 交直流兩種（交直流兩種（100V規格和規格和200V規格）規格）側面盤（調整板）側面盤（調整板）PROGRAMMABLE CONTROLLERMODEL SLPCSV 1 800NTUNINGDIDOMODECHECKALARMPVSVDVPHPLXNYNSCALEDLVLVTPIDSTCENMVMHMLPNTNNON-LINEARBATCHSAMPLEPROGA

21、MMERTUNINGACTIONENABLERSV 2RSV 1DIR 1DIR 2INHIBITROM1.SLPC可編程數字調節器的硬件構成可編程數字調節器的硬件構成 具有基本的PID、微分先行PID、采樣PI、批量PID、帶可變濾波器設定的PID等多種控制功能，還可構成串級、選擇性、非線性等多種復雜的過程控制系統，并具有自整定、自診斷、通信等許多特殊功能 SLPCSLPC的硬件電路的硬件電路 各部分電路的具體構成及其功能簡述如下：（1） 主機電路主機電路 主機電路中的CPU采用8085AHC芯片,時鐘頻率為10MHz；系統ROM為64KB,用于存放監控程序和各種功能模塊；EPROM為2KB

22、,用于存放用戶程序;RAM為16KB。（2） 過程輸入過程輸入/輸出通道輸出通道 具有如下特點： 1）輸入通道中有5路模擬量輸入和6路開關量輸入。模擬量輸入由RC濾波器、多路開關、PC648D型高速12位D/A轉換器和比較器等組成，通過CPU反饋編碼，實現比較型模/數轉換。 2）輸出通道中有3路模擬量輸出和6路開關量輸出。模擬量輸出中有1路輸出為420mA.DC直流電流，可驅動現場執行器；另兩路輸出為15V.DC直流電壓，提供給控制室的其它模擬儀表。 3）用一片PC648D型12位高速D/A芯片，將CPU輸出的數字量轉換為模擬量輸出，在CPU的程序支持下，通過比較器將模擬量輸入轉換成數字量輸出

23、；開關量輸入與開關量輸出共用同一通道，其選擇由使用者用程序確定；所有開關量輸入/輸出通道與內部電路之間均用高頻變壓器隔離。 4）在過程輸入）在過程輸入/輸出通道中分別設計了輸出通道中分別設計了“故障故障/保持保持/軟手動軟手動”功能。功能。 模擬輸入信號經濾波后分為兩路，一路經模數轉換后進入模擬輸入信號經濾波后分為兩路，一路經模數轉換后進入CPU;另一路另一路則送往故障則送往故障/PV開關。當儀表工作不正常時，由開關。當儀表工作不正常時，由CPU的自檢程序通過的自檢程序通過WDT電路發出故障報警信號，并自動將電路發出故障報警信號，并自動將“故障故障/PV”開關切換到故障位開關切換到故障位置，直

24、接顯示被控量；與此同時，故障輸出信號則將模擬量輸出中的置，直接顯示被控量；與此同時，故障輸出信號則將模擬量輸出中的輸出電流切換成保持狀態，以便進行軟手動操作。輸出電流切換成保持狀態，以便進行軟手動操作。（3）人）人/機聯系部件機聯系部件 SLPC的人的人/機聯系部件的正面面板與模擬式調節機聯系部件的正面面板與模擬式調節器類似，其不同之處是測量值與給定值顯示器有模擬動圈式和數字式器類似，其不同之處是測量值與給定值顯示器有模擬動圈式和數字式兩種；此外，還設置了給定值增兩種；此外，還設置了給定值增/減按鍵、串級減按鍵、串級/自動自動/軟手動切換軟手動切換/操作操作按鍵、故障顯示和報警顯示燈等。它的側

25、面面板設置有觸模式鍵盤和按鍵、故障顯示和報警顯示燈等。它的側面面板設置有觸模式鍵盤和數字顯示器、正數字顯示器、正/反作用開關以及編程器和寫入程序的芯片插座等，可反作用開關以及編程器和寫入程序的芯片插座等，可以很方便地進行數據修改、參數整定等操作。以很方便地進行數據修改、參數整定等操作。（4）通信接口電路）通信接口電路 SLPC的通信接口電路由的通信接口電路由8251型可編程通信接口型可編程通信接口芯片和光電隔離電路組成。該電路采用芯片和光電隔離電路組成。該電路采用半雙工、串行異步半雙工、串行異步通信方式，通信方式，一方面將發送信號轉換成標準通信格式的數字信號，另一方面則將外一方面將發送信號轉換

26、成標準通信格式的數字信號，另一方面則將外部通信信號轉換成部通信信號轉換成CPU能接受的數據能接受的數據. 為便于用戶編程，為便于用戶編程，SLPC為用戶提供的是采用為用戶提供的是采用面向問題、面向過程的面向問題、面向過程的“自然語言自然語言”編程平臺。生編程平臺。生產商預先將常用的運算控制功能編制成標準程序模產商預先將常用的運算控制功能編制成標準程序模塊塊 ，以指令命名。使用時將所需運算模塊和控制模，以指令命名。使用時將所需運算模塊和控制模塊塊“組態組態”，實現控制功能。，實現控制功能。SLPC的用戶的用戶基本指令共基本指令共46種分三類種分三類數據傳輸類指令兩種：信號輸入數據傳輸類指令兩種：

27、信號輸入LD 信號輸出信號輸出ST結束指令：結束指令：END功能指令：功能指令：43種種2. SLPC可編程數字調節器的軟件可編程數字調節器的軟件 1) 基本運算模塊基本運算模塊 11個個 有有運算；運算；、 E運算（小信號切除點運算（小信號切除點固定的開方、小信號切除點可變的開方）；取絕對固定的開方、小信號切除點可變的開方）；取絕對值運算；高選、低選；高、低限幅。值運算；高選、低選；高、低限幅。2) 函數運算模塊函數運算模塊 13個個折線函數、一階慣性、微分運算、純滯后運算、折線函數、一階慣性、微分運算、純滯后運算、變化率運算、變化率限幅、移動平均運算、狀態變變化率運算、變化率限幅、移動平均

28、運算、狀態變化監測、計時、程序設定、脈沖計數、積算脈沖輸化監測、計時、程序設定、脈沖計數、積算脈沖輸出。出。3) 條件判斷運算模塊條件判斷運算模塊 14個個上下限報警、邏輯運算、轉移指令、轉子指令、上下限報警、邏輯運算、轉移指令、轉子指令、子程序塊、比較指令、信號切換子程序塊、比較指令、信號切換4) 運算寄存器位移指令運算寄存器位移指令 CHG ROT 5) 控制模塊控制模塊 3種種（1）基本控制模塊基本控制模塊BSC內含內含1個調節單元個調節單元CNT1，相當于，相當于模擬儀表中的模擬儀表中的1臺臺PID調節器，其功能調節器，其功能框圖如圖所示。框圖如圖所示。（2）串級控制模塊串級控制模塊C

29、SC 內含兩個調節單元內含兩個調節單元CNT1和和CNT2，根據串級開關狀態，根據串級開關狀態，CNT2可接受可接受CNT1的輸出作為的輸出作為設定信號，組成雙回路串級設定信號，組成雙回路串級控制系統，也可直接接受另控制系統，也可直接接受另一設定信號一設定信號SV2，實現副回路，實現副回路的單獨控制。的單獨控制。 （3）選擇控制模塊選擇控制模塊SSC內部包含兩個并行工作的內部包含兩個并行工作的PID調節單元調節單元CNTI和和CNT2，另，另有一自動選擇單元有一自動選擇單元CNT3。CNT3的控制規律為三選一：的控制規律為三選一：CNT3 = 0 低值選擇低值選擇CNT3 = 1 高值選擇高值

30、選擇每臺每臺SLPC調節器只能選用其中的一種，調節器只能選用其中的一種，且同一應用程序中只能使用一次且同一應用程序中只能使用一次 控制算法以控制字代碼由鍵盤確定：CNT1=1 標準標準PIDCNT1=2 采樣采樣PICNT1=3 批量批量PIDCNT2=1 標準標準PIDCNT2=2 采樣采樣PI編程舉例：編程舉例：例例1 把兩個輸入變量把兩個輸入變量X1 、X2相加后，從相加后，從Y1端口端口 輸出。輸出。 程序：程序： LD X1 （讀入（讀入X1 數據）數據） LD X2 （讀入（讀入X2數據）數據） + （對（對X1 、X2求和）求和） ST Y1 (將結果送往將結果送往Y1) END

31、 (結束程序結束程序) 運算寄存器結構示意圖運算寄存器結構示意圖A/B/C/D/E分別對應分別對應S1S5的內容的內容EDCBAS5S4S3S2S1運算前運算前+CCBAX1+X2LD X1DCBAX1 X1LD X2CBAX1X2 X1ST Y1CCBAX1+X2 Y1五個運算寄存器以堆棧方式構成五個運算寄存器以堆棧方式構成.例例2 2：BSCBSC(1)LD X1 (1)LD X1 讀入測量值讀入測量值X1X1(2)BSC (2)BSC 基本控制基本控制(3)ST Y1 (3)ST Y1 控制輸出控制輸出MVMV送送Y1Y1(4)END(4)END例：某單回路控制系統， 被控變量接到模擬量

32、輸入通道X1 閥位信號接到模擬量輸出通道Y1， 則實現單回路PID控制的程序如下 主要作用是把運算寄存器S1里的數據與設定值相減， 得到偏差。再經過由CNT1所決定的控制算法運算后， 把結果再存入S1CNT1BSCPVMV例例3 3：CSSCSS(1)LD X2 讀入測量值副回路讀入測量值副回路X2(2)LD X1 讀入測量值主回路讀入測量值主回路X2(3)CSC 串級控制串級控制(4)ST Y1 控制輸出控制輸出MV送送Y1(5)ENDCSC指令中具有兩個調節單元CNT1和CNT2，可實現串級控制。串級控制時，將主回路的測量值PV1送入S1，副回路的測量值PV2送入S2，并執行CNT1和CN

33、T2所指定的運算，最后將運算結果（即將要輸出的MV值）存入S1中。CNT1CSCPV1MV2CNT2PV2MV1用戶程序的寫入和調試用戶程序的寫入和調試1) 利用編程器逐句健入用戶程序：利用編程器逐句健入用戶程序： 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 其它參數其它參數 END2) 程序的調試程序的調試仿真調試仿真調試 真實對象調試真實對象調試 寫入寫入EPROM補充：補充： SLPCSLPC可編程調節器的應用可編程調節器的應用 帶溫壓補償的氣體流量調節系統帶溫壓補償的氣體流量調節系統 帶溫壓補償

34、的氣體流量調節系統帶溫壓補償的氣體流量調節系統 已知儀表設計參數如下 ： 孔板設計壓力 Pd=600 kPa ； 孔板設計溫度 Td =300 ； 壓力變送器量程 01000 kPa； 溫度變送器量程 0500 ； 差壓變送器量程 032 kPa ； 流量測量范圍 08000 Nm2/h。 PIDPID運算和溫差補償運算運算和溫差補償運算 采用基本控制指令采用基本控制指令BSCBSC控制算法采用標準控制算法采用標準PIDPID算法算法 PTPPTKQdd式中 Q補償運算后的體積流量； P孔板前后差壓； P工作狀態下氣體的絕壓 Pd設計狀態下氣體的絕壓 T工作狀態下的絕對溫度； Td設計狀態下的

35、絕對溫度； K流量系數。設設P PS S、T TS S 、 PPS S分別為壓力變送器、溫度變送器和差壓變送器的分別為壓力變送器、溫度變送器和差壓變送器的量程，量程，QQS S為換算為標準狀態下的流量量程，為換算為標準狀態下的流量量程， P Pminmin 、T Tminmin分別為用絕對壓力和絕對溫度表示的壓變和溫變的下分別為用絕對壓力和絕對溫度表示的壓變和溫變的下限值限值因差壓和流量測量范圍下限值均為零，因此有下列關系因差壓和流量測量范圍下限值均為零，因此有下列關系 ： P = P P = PS S X1 X1 P = P P = PS S X2 X2 P Pminmin T= T T=

36、TS S X3 X3 T Tminmin Q = Q Q = QS S Y2 Y2 如果把如果把PP、P P、T T分別送入分別送入X X1 1、X X2 2、X X3 3經過補償運算以后的經過補償運算以后的QQ存入存入Y Y2 2由于調節器內部的由于調節器內部的X X、Y Y的信號范圍是的信號范圍是0 01 1但是，補償公式中用到的都是實際的物理量，因此需要進行規格化處理但是，補償公式中用到的都是實際的物理量，因此需要進行規格化處理min221min3SddSSSddppXppQ YKP XTTXTT設設K1= 、K2= 、K3= 、K4= dSppdppmindSTTdTTmin因為設計狀

37、態下有 ：PTPPTKQddddSSddP TQKPP TSKPmin221min3SddSddppXppYXTTXTT代入已知條件可求得代入已知條件可求得K1=1.422;K2=0.147;K3=0.872;K4=0.477最后得到的溫差補償運算的數學模型為最后得到的溫差補償運算的數學模型為 ：13224770872014704221X.X.X.Y 補償運算式和控補償運算式和控制指令功能圖構制指令功能圖構成的組合功能圖成的組合功能圖 800.0 0流量10Nm3/h Y2 0.477K4 100.0 0操作輸出% Y1 模擬輸出 0.872 K3 500.0 0溫度 X3 0.147 K2

38、10.00 0壓力kgf/cm2注 X2 1.422 K1 3200 0差壓mmH2O X1 模擬輸入 記 事 數 值 固定常數 上限 下限 記事 數 據 名 No程序S1S2S3說明1LD X2X2讀取壓力信號2LD K01K1X2讀取系數K11.422（預先設置）3K1X24LD K02K02K1X2讀取系數K20.147（預先設置）5aa=K1*X2+K26LD X3X3a讀取溫度信號7LD K03K3X3a讀取系數K30.872（預先設置）8K3X3a9LD K04K4K3X3a讀取系數K40.477（預先設置）10bab=K3*X3+K411a b算出根號內部的補償系數12LD X1

39、X1a b13X1a/b算出根號內部項14c開根號，c歸一化的流量計算結果15ST Y2c流量信號的輸出（第二通道，電壓輸出）16BSCMVPID運算17ST Y1閥位輸出（第一通道，電流輸出）18END3.4 3.4 執行器及安全柵執行器及安全柵3.4.1 執行器的構成原理執行器的構成原理組成組成: 執行機構執行機構和和調節機構（調節閥）調節機構（調節閥）兩部分兩部分控制信號控制信號:調節器輸出調節器輸出改變調節閥流通面積控制流量控制過程參數執行器種類n自動調節閥門自動調節閥門n自動電壓調節器自動電壓調節器n自動電流調節器自動電流調節器n控制電機等控制電機等最常見自動調節閥按照工作所用能源形

40、式可分為：自動調節閥按照工作所用能源形式可分為：q電動調節閥電動調節閥：電源配備方便，信號傳輸快、：電源配備方便，信號傳輸快、損失小，可遠距離傳輸；但推力較小，結構復雜，損失小，可遠距離傳輸；但推力較小，結構復雜，價貴。價貴。q氣動調節閥氣動調節閥：結構簡單，工作可靠，價格便結構簡單，工作可靠，價格便宜，維護方便，防火防爆；但氣源配備不方便。宜，維護方便，防火防爆；但氣源配備不方便。q液動調節閥液動調節閥：用液壓傳遞動力，推力最大；：用液壓傳遞動力，推力最大；但安裝、維護麻煩，使用不多。但安裝、維護麻煩，使用不多。 工業中使用最多的是氣動調節閥和電動調節閥。工業中使用最多的是氣動調節閥和電動調

41、節閥。 1. 氣動執行機構氣動執行機構 1-上蓋 2膜片 3一平衡彈簧 4一閥桿 5閥體 6閥座 7閥芯 氣動執行機構有正作用和反作用兩種形式氣動執行機構有正作用和反作用兩種形式: :口徑較大口徑較大口徑較小口徑較小齒輪齒條式（安全）單/多彈簧薄膜式撥叉式（大扭矩）活塞式（大推力 ）薄膜式活塞式撥叉式齒輪齒條式 氣動執行機構分類薄膜式應用最廣；活塞式次之氣動薄膜執行機構的靜態特性氣動薄膜執行機構的靜態特性lKAp 氣動薄膜執行機構的靜態特性表示氣動薄膜執行機構的靜態特性表示平衡狀態平衡狀態時輸入時輸入的氣壓的氣壓p與閥桿位移與閥桿位移l的關系，即的關系，即 A為膜片的有效面積；K為平衡彈簧的彈

42、性系數 氣動薄膜執行機構的動態特性氣動薄膜執行機構的動態特性 氣動執行機構的動態特性可近似成氣動執行機構的動態特性可近似成一階慣性環節一階慣性環節1()1GsT s慣性的大小取決于膜頭空間的大小與氣管線的長度和直徑。慣性的大小取決于膜頭空間的大小與氣管線的長度和直徑。2. 電動執行機構電動執行機構 電動執行機構根據配用的調節機構不同，其輸出方式有電動執行機構根據配用的調節機構不同，其輸出方式有直行程、角行程和多轉式三種類型。直行程、角行程和多轉式三種類型。電動執行機構角行程：輸出為輸出軸轉角， 帶動角行程閥（蝶閥、 球閥、偏心旋轉閥等）直行程：輸出為輸出軸直線 位移，帶動直行程閥 (單座閥、雙

43、座閥、 三通閥等）多轉式：需要運行超過360 才能實現閥門啟閉 （閘閥、截止閥、 管夾閥、隔膜閥）電動執行機構的組成框圖電動執行機構的組成框圖輸入的控制信號是電壓還是電流？減速器輸入信號：420 mA電動執行機構:比例恒速（正/反）伺服放大器原理圖伺服放大器原理圖 前置級磁放大器觸發器晶閘管交流開關校正網絡校正網絡原理圖校正網絡原理圖 克服電源干擾 改善執行機構的動態特性（1） 直通單座閥直通單座閥流體對閥芯的流體對閥芯的不平不平衡作用力大衡作用力大。一般用在小。一般用在小口徑、低壓差的場合。口徑、低壓差的場合。q結構簡單、結構簡單、泄漏量小泄漏量小。3調節機構調節機構 調節機構就是閥門，是一

44、個局部阻力可以改變調節機構就是閥門，是一個局部阻力可以改變的節流元件。根據不同的使用要求，閥門的結構型的節流元件。根據不同的使用要求，閥門的結構型式很多。式很多。 正裝閥正裝閥閥芯下移時，閥芯與閥閥芯下移時，閥芯與閥座間的流通截面積增大座間的流通截面積增大閥門中的柱式閥芯可以正裝，也可以反裝。閥門中的柱式閥芯可以正裝，也可以反裝。 反裝閥反裝閥閥芯下移時，閥芯與閥閥芯下移時，閥芯與閥座間的流通截面積減小座間的流通截面積減小（2 2） 直通雙座閥直通雙座閥 閥體內有兩個閥芯和閥座。閥體內有兩個閥芯和閥座。q流體流過時，作用在上、下兩個閥芯上的推流體流過時，作用在上、下兩個閥芯上的推力方向相反且大

45、小相近，可以互相抵消，所以力方向相反且大小相近，可以互相抵消，所以不平不平衡力小衡力小。q但是，由于加工的但是，由于加工的限制，上下兩個閥芯閥限制，上下兩個閥芯閥座不易保證同時密閉，座不易保證同時密閉，因此因此泄漏量較大泄漏量較大。（3）角形控制閥角形控制閥兩個接管呈直角形，一般為底進側出，這種閥的兩個接管呈直角形，一般為底進側出，這種閥的流路簡單、對流體的阻力較小。流路簡單、對流體的阻力較小。q適用于現場管道適用于現場管道要求要求直角連接直角連接，介質，介質為高粘度、高壓差和為高粘度、高壓差和含有少量懸浮物和固含有少量懸浮物和固體顆粒狀的場合。體顆粒狀的場合。 （4 4） 三通控制閥三通控制

46、閥 有三個出入口與工藝管道連接。流通方式有合有三個出入口與工藝管道連接。流通方式有合流型（兩種介質混合成一路）和分流型（一種介質流型（兩種介質混合成一路）和分流型（一種介質分成兩路）兩種。適用于配比控制與旁路控制。分成兩路）兩種。適用于配比控制與旁路控制。分流型見課本（5）隔膜控制閥隔膜控制閥 采用耐腐蝕材料作采用耐腐蝕材料作隔膜，將閥芯與流體隔隔膜，將閥芯與流體隔開。開。q結構簡單、流阻小、流通能力比同口徑的其他結構簡單、流阻小、流通能力比同口徑的其他種類的閥要大。由于介質用隔膜與外界隔離，故無填種類的閥要大。由于介質用隔膜與外界隔離，故無填料，介質也不會泄漏。料，介質也不會泄漏。q耐腐蝕能

47、力強，適用于強酸、強堿、強腐蝕性耐腐蝕能力強，適用于強酸、強堿、強腐蝕性介質的控制，也能用于高粘度及懸浮顆粒狀介質的控介質的控制，也能用于高粘度及懸浮顆粒狀介質的控制。制。 q適用于大口徑、適用于大口徑、大流量、低壓差的場大流量、低壓差的場合，也可以用于含少合，也可以用于含少量纖維或懸浮顆粒狀量纖維或懸浮顆粒狀介質的控制。介質的控制。（6）蝶閥蝶閥又名翻板閥。又名翻板閥。結構簡單、重量輕、流阻極小，但泄漏量大。結構簡單、重量輕、流阻極小，但泄漏量大。3.4.2 氣動執行器的應用氣動執行器的應用1. 調節閥的尺寸調節閥的尺寸 通常用公稱直徑通常用公稱直徑Dg和閥座直徑和閥座直徑dg表示表示 合理

48、應用執行器的前提條件合理應用執行器的前提條件 確定調節閥尺寸的主要依據是確定調節閥尺寸的主要依據是流通能力流通能力當流體為不可壓縮時，通過調節閥的當流體為不可壓縮時，通過調節閥的體積流量體積流量為為: 0122()VgqAppr為流量系數，查閱手冊或由實驗確定；A0為調節閥接管截面積；g為重力加速度；r為流體重度。 定義：調節閥定義：調節閥全開全開、閥、閥前后壓差為前后壓差為0.1MPa、流體重度為流體重度為1g/cm3時，時，每每小時小時通過閥門的流體通過閥門的流體流量（流量（m3或或kg）。）。依據流通能力的定義，則有依據流通能力的定義，則有 gAC20確定調節閥尺寸的理論依據確定調節閥尺

49、寸的理論依據：流通能力C與調節閥的結構參數有確定的對應關系。 可得流通能力與流體重度、閥前后壓差和介質流量三者的定量關系，即 VrCqpmaxqpmaxCmaxC調節閥尺寸的確定過程為：根據通過調節閥的最大流量，r流體重度以及調節閥的前后壓差，先由式（335）求得最大的流通能力，然后選取大于即可依據表32確定出Dg和dg的大小。 的最低級別的C值，公稱直徑Dg(mm)202532405065閥門直徑dg(mm)245678101215202532405065流通能力C單座閥0.080.120.200.320.500.801.22.03.25.0812203256雙座閥1016254063公稱直

50、徑Dg(mm)80100125150200250300閥門直徑dg(mm)80100125150200250303流通能力C單座閥80120200280450雙座閥10016025040063010001600表3-2 調節閥流通能力C與其尺寸的關系 思考：Cmax=18時，閥徑？執行器的執行器的“氣開、氣關氣開、氣關”序號序號執行機構執行機構作用方式作用方式閥體作用閥體作用方式方式執行器氣開、執行器氣開、氣關形式氣關形式a正正正正氣關氣關b正正反反氣開氣開c反反正正氣開氣開d反反反反氣關氣關P0.02MPa“氣開，氣關”選擇n控制信號中斷時，保障工藝生產的安全n加熱器n鍋爐（進水）氣開氣關3

51、 調節閥的調節閥的流量特性流量特性調節閥的閥芯位移與流量之間的關系調節閥的閥芯位移與流量之間的關系對控制系統的調節品質有很大影響對控制系統的調節品質有很大影響流量流量特性的定義：特性的定義：被控介質流過閥門的被控介質流過閥門的相對流量相對流量與閥門的與閥門的相對開相對開度（相對位移）度（相對位移）間的關系稱為調節閥的流量特性。間的關系稱為調節閥的流量特性。max( )qlfqLq/qmax 相對流量相對流量 l/L 相對開度相對開度 相對流量相對流量q/qmax 是控制閥某一開是控制閥某一開度流量度流量q與全開時流量與全開時流量qmax之比；之比； 相對開度相對開度l/L 是控制閥某一開度是控

52、制閥某一開度行程行程l與全開行程與全開行程L之比。之比。 調節閥的流量特性不僅與閥門調節閥的流量特性不僅與閥門的結構和開度有關，還與閥前后的的結構和開度有關，還與閥前后的壓差有關，必須分開討論。壓差有關，必須分開討論。max( )qlfqLlq為了便于分析，先將閥前后壓差固定，然后為了便于分析，先將閥前后壓差固定，然后再引伸到實際工作情況，于是有再引伸到實際工作情況，于是有固有流量特性固有流量特性與與工作流量特性工作流量特性之分。之分。1、固有（固有（理想）理想）流量特性流量特性在將控制閥前后壓差固定時得到的流量特性在將控制閥前后壓差固定時得到的流量特性稱為稱為固有固有流量特性。它取決于閥芯的

53、形狀。流量特性。它取決于閥芯的形狀。（a）快開特性）快開特性（b）直線特性直線特性（c）對數特性對數特性（1）直線流量特性直線流量特性控制閥的相對流量與相對開度成直線關系控制閥的相對流量與相對開度成直線關系數學式表示為：數學式表示為：KlldqqdmaxmaxmaxmaxqlKCql積分C為積分常數 可調比可調比R為調節閥所能為調節閥所能控制的最大流量與最小流量控制的最大流量與最小流量的比值。的比值。 其中其中qmin不是指閥門全關時的泄漏量，而是閥不是指閥門全關時的泄漏量，而是閥門能平穩控制的最小流量，約為最大流量的門能平穩控制的最小流量，約為最大流量的24%一般閥門的可調比一般閥門的可調比

54、R=30。maxmax11(1)qlqRlRmaxmin1qRqC3.3%控制力：閥門開度改變時，相對流量的改變比值。控制力：閥門開度改變時，相對流量的改變比值。 例如在不同的開度上，再分別增加例如在不同的開度上，再分別增加10%開度，開度，相對流量的變化比值為相對流量的變化比值為10時：時：（20-10）/10100%=100%50時：時：（60-50）/50100%=20%80時：時：（90-80）/80100%=12.5%Q/Q100L/Lmaxs=1 v直線閥的流量放大系數在任何一點上都是相同直線閥的流量放大系數在任何一點上都是相同的，但其對流量的控制力卻是不同的。的，但其對流量的控制

55、力卻是不同的。 （2） 等百分比（對數）流量特性等百分比（對數）流量特性單位相對行程變化所引起的相對流量變化與單位相對行程變化所引起的相對流量變化與此點的相對流量成正比關系：此點的相對流量成正比關系：v曲線斜率（放大系數）曲線斜率（放大系數）隨行程的增大而增大。流量隨行程的增大而增大。流量小時，流量變化小；流量大小時，流量變化小；流量大時，流量變化大。時，流量變化大。VKqqKlldqqdmax1maxmax1max1maxlnCllKqq1maxmaxllRqq求 C、Kv等百分比閥在各流量點的放大系數不同，但對等百分比閥在各流量點的放大系數不同，但對流量的控制力卻是相同的。流量的控制力卻是

56、相同的。10%處：處：（6.58%-4.68%）/4.68%41%50%處：處：（25.7%-18.2%）/18.2%41%80%處：處：（71.2%-50.6%）/50.6%41% 同樣以同樣以10、50及及80三點為例，分別增加三點為例，分別增加10%開度，相對流量變化的比值為：開度，相對流量變化的比值為：Q/Q100L/Lmaxs=1（3）快開特性快開特性開度較小時就有較大流量，隨開度的增大，流開度較小時就有較大流量，隨開度的增大，流量很快就達到最大，故稱為快開特性。適用于迅速量很快就達到最大，故稱為快開特性。適用于迅速啟閉的切斷閥或雙位控制系統。啟閉的切斷閥或雙位控制系統。1max2m

57、axmaxqqKlldqqd2/1max2max1) 1(1llRRqq積分2、調節閥的工作流量特性調節閥的工作流量特性實際使用時，調節閥裝在具有阻力的管道系統實際使用時，調節閥裝在具有阻力的管道系統中。管道對流體的阻力隨流量而變化，閥前后壓差中。管道對流體的阻力隨流量而變化，閥前后壓差也是變化的，這時流量特性會發生畸變。也是變化的，這時流量特性會發生畸變。1) 管道串聯時的工作流量特性管道串聯時的工作流量特性如圖，管道如圖，管道系統總壓力系統總壓力P等于管路系統的壓降等于管路系統的壓降PG與控制閥的壓降與控制閥的壓降PV之和。之和。從串聯管道中調節閥兩端壓差從串聯管道中調節閥兩端壓差PV的變

58、化曲線的變化曲線可看出，調節閥全關時閥上壓力最大，基本等于系可看出，調節閥全關時閥上壓力最大，基本等于系統總壓力；調節閥全開時閥上壓力降至最小。統總壓力；調節閥全開時閥上壓力降至最小。為了表示調節閥兩端壓差為了表示調節閥兩端壓差PV的變化范圍，以的變化范圍，以閥權度閥權度s表示調節閥全開時，閥前后最小壓差表示調節閥全開時，閥前后最小壓差PVmin與總壓力與總壓力 P之比。之比。s = PVmin / Pv流量特性畸變：流量特性畸變：以以qmax表示串聯管道阻力為零時表示串聯管道阻力為零時(s=1)，閥全，閥全開時達到的最大流量。可得串聯管道在不同開時達到的最大流量。可得串聯管道在不同s值時，值

59、時，以自身以自身qmax作參照的工作流量特性。作參照的工作流量特性。對數閥變為直線閥對數閥變為直線閥 直線閥變為快開閥直線閥變為快開閥s 圖圖3 333 33 調節閥的流量特性曲線調節閥的流量特性曲線a)a)直線；直線；b)b)對數（等百分比）對數（等百分比）結論結論q串聯管道使調節閥的流量特性發生畸變。串聯管道使調節閥的流量特性發生畸變。q串聯管道使調節閥的流量可調范圍降低，最大流量減小。串聯管道使調節閥的流量可調范圍降低，最大流量減小。q串聯管道會使調節閥的放大系數減小，調節能力降低，串聯管道會使調節閥的放大系數減小，調節能力降低，s值低于值低于0.3時，調節閥能力基本喪失。時，調節閥能力

60、基本喪失。q實際使用中，實際使用中，不希望不希望s小于小于0.30.52) 與管道并聯工作時的流量特性與管道并聯工作時的流量特性 圖中圖中S=1時，旁路閥關閉，工時，旁路閥關閉，工作流量特性即為理想流量特性。作流量特性即為理想流量特性。隨著旁路閥逐漸打開，隨著旁路閥逐漸打開，s值逐值逐漸減小，調節閥的可調范圍也漸減小，調節閥的可調范圍也將大大降低，從而使調節閥的將大大降低，從而使調節閥的控制能力大大下降，影響控制控制能力大大下降，影響控制效果。根據實際經驗，效果。根據實際經驗，s值不值不能低于能低于0.8。 圖圖3 337 37 并聯管道時調節閥工作流量特性并聯管道時調節閥工作流量特性a)直線