《过程控制装置》课程授课教案（控制仪表及装置）第四章 可编程控制器

第四章可编程调节器学习目的和要求：学习掌握控制器的基本控制规律和模拟数字控制器的结构组成，学会在实际工作中对各类控制器进行设计、选型和应用。重点、难点：掌握控制器的控制规律：理解模拟数字控制器的基本结构、电路分析；了解其他相关调节器。外语词汇：digital，controller,supervision,inerface参考资料：张永德过程控制装置，北京化学工业出版社，2000主要内容：数字控制器4.1概述可编程调节器又称数字控制器（DigitalController)，其特点如下：丰富的运算控制功能通过软件实现所需功能带有自诊断功能带有数字通讯功能具有和模拟控制器相同的外特性保持常规模拟式控制器的操作方式数字式控制器类型：定程序控制器可编程控制器混合控制器批量控制器数字式控制器构成原理4.2数字式控制器组成：二大部分硬件电路一—以微处理器CPU为核心软件——包括系统程序和用户程序4.2.1.数字式控制器的硬件电路

第四章 可编程调节器 学习目的和要求：学习掌握控制器的基本控制规律和模拟数字控制器的结构组成，学会 在实际工作中对各类控制器进行设计、选型和应用。 重点、难点：掌握控制器的控制规律；理解模拟数字控制器的基本结构、电路分析；了 解其他相关调节器。 外语词汇：digital, controller, supervision,inerface 参考资料：张永德 过程控制装置，北京 化学工业出版社，2000 主要内容： 数字控制器 4.1 概述 可编程调节器又称数字控制器（Digital Controller)，其特点如下： 丰富的运算控制功能 通过软件实现所需功能 带有自诊断功能 带有数字通讯功能 具有和模拟控制器相同的外特性 保持常规模拟式控制器的操作方式 数字式控制器类型 ： 定程序控制器 可编程控制器 混合控制器 批量控制器 4.2 数字式控制器构成原理 数字式控制器组成:二大部分 硬件电路──以微处理器 CPU 为核心 软 件──包括系统程序和用户程序 4.2.1. 数字式控制器的硬件电路

ROMEPROMRAM过程输出通道过程输人通道3NtJV/模模拟量输采样保持器金甜.换拟量箱入童A/DD/A：输-输-拟持-出接口人接出CPU1誉出锁存A状态量箱输入经冲器--..主机电路下定时入键盘显发通数键盘K-计数器示接口信送电接接路信口收显示器人/机联系部件通信接口电路主机电路一用于实现仪表数据运算处理，各组成部分之间的管理CPU完成数据传递、算术逻辑运算、转移控制等功能ROM存放系统程序：EPROM存放用户程序RAM存放输入数据、显示数据、运算的中间值和结果值。CTC的定时功能用来确定控制器的采样周期，并产生串行通信接口所需的时钟脉冲：计数功能主要用来对外部事件进行计数。I/O接口是CPU同过程输入、输出通道等进行数据交换的器件，它有并行接口和串行接口两种：并行接口具有数据输入、输出双向传送和位传送的功能，用来连接过程输入、输出通道，或直接输入、输出开关量信号。串行接口具有异步或同步传送串行数据的功能，用来连接可接收或发送串行数据的外部设备过程输入通道-将多个模拟量输入信号分别转换为CPU所接受的数字量。多路模拟开关将多个模拟量输入信号分别连接到采样/保持器。采样/保持器具有暂时存储模拟输入信号的作用A/D转换器的作用是将模拟信号转换为相应的数字量。利用D/A转换器与电压比较器，按逐位比较原理来实现模／数转换的。开关量输入通道-将多个开关输入信号转换成能被计算机识别的数字信号。开头量指的是在控制系统中电接点的通与断，或者逻辑电平为"1"与"0"这类两种状态的信号。开关量输入通道常采用电耦合器件作为输入电路进行隔离传输。过程输出通道

主机电路 ──用于实现仪表数据运算处理，各组成部分之间的管理 CPU 完成数据传递、算术逻辑运算、转移控制等功能; ROM 存放系统程序; EPROM 存放用户程序; RAM 存放输入数据、显示数据、运算的中间值和结果值。 CTC 的定时功能用来确定控制器的采样周期，并产生串行通信接口所需的时钟脉冲； 计数功能主要用来对外部事件进行计数。 I／O 接口是 CPU 同过程输入、输出通道等进行数据交换的器件， 它有并行接口和串 行接口两种: 并行接口具有数据输入、输出双向传送和位传送的功能，用来连接过程输入、输出通道， 或直接输入、输出开关量信号。 串行接口具有异步或同步传送串行数据的功能，用来连接可接收或发送串行数据的外部 设备 过程输入通道 ──将多个模拟量输入信号分别转换为 CPU 所接受的数字量。 多路模拟开关将多个模拟量输入信号分别连接到采 样／保持器。 采样／保持器具有暂时存储模拟输入信号的作用 A／D 转换器的作用是将模拟信号转换为相应的数字量。 利用 D／A 转换器与电压比较器，按逐位比较原理来实现 模／数转换的。 开关量输入通道 ──将多个开关输入信号转换成能被计算机识别的数字信号。 开头量指的是在控制系统中电接点的通与断，或者逻 辑电平为“1”与“0”这类两种状态的信号。 开关量输入通道常采用电耦合器件作为输入电路进行 隔离传输。 过程输出通道

模拟量输出通道依次将多个运算处理后的数字信号进行数/模转换D/A转换器起数/模转换作用。U/I转换器将1~5V的模拟电压信号转换成4~20mA的电流信号。开关量输出通道一通过锁存器输出开关量（包括数字、脉冲量）信号，以便控制继电器触点和无触点开关的接通与释放，也可控制步进电机的运转。采用光电耦合器件作为输出电路进行隔离传输人/机联系部件正面板测量值和给定值显示器，输出电流显示器，运行状态（自动／串级／手动）切换按钮、给定值增/减按钮和手动操作按钮等，还有一些状态显示灯。侧面板有设置和指示各种参数的键盘、显示器。通信接口电路一将欲发送的数据转换成标准通信格式的数字信号，经发送电路送至通信线路（数据通道）上；同时通过接收电路接收来自通信线路的数字信号，将其转换成能被计算机接受的数据。通信接口有并行和串行两种：并行传送是以位并行、字节串行形式串行传送为串行形式，即一次传送一位，连续传送4.2.2.数字式控制器的软件数字式控制器的软件分为系统程序和用户程序两大部分系统程序：系统程序是控制器软件的主体部分，通常由监控程序和功能模块两部分组成。监控程序使控制器各硬件电路能正常工作并实现所规定的功能，同时完成各组成部分之间的管理。其主要完成的任务有：系统初始化通信处理键盘、显示管理自诊断处理键处理掉电处理中断管理运行状态控制定时处理功能模块提供了各种功能，用户可以选择所需要的功能模块以构成用户程序，使控制器实现用户所规定的功能。控制器提供的功能模块主要有：数据传送高值选择和低值选择PID运算上限幅和上限幅四则运算折线逼近法函数运算·逻辑运算一阶惯性滞后处理开平方运算纯滞后处理取绝对值运算，移动平均值运算脉冲输入计数与积算脉冲输出控制方式切换用户程序用户程序是用户根据控制系统要求，在系统程序中选择所需要的功能模块，并将它们按一定的规则连接起来的结果，其作用是使控制器完成预定的控制与运算功能。使用者编制程序实际上是完成功能模块的连接，也即组态工作用户程序的编程通常采用面向过程POL语言

模拟量输出通道 ──依次将多个运算处理后的数字信号进行数／模转换 D／A 转换器起数／模转换作用。 U／I 转换器将 1~5V 的模拟电压信号转换成 4~20mA 的 电流信号。 开关量输出通道 ──通过锁存器输出开关量（包括数字、脉冲量） 信号，以便控制继电器触点和无触点开关的接通与释放， 也可控制步进电机的运转。 采用光电耦合器件作为输出电路进行隔离传输 人／机联系部件 正面板测量值和给定值显示器，输出电流显示器，运行状态（自动／串级／手动）切换 按钮、给定值增／减按钮和手动操作按钮等，还有一些状态显示灯。 侧面板有设置和指示各种参数的键盘、显示器。 通信接口电路 ──将欲发送的数据转换成标准通信格式的数字信号，经发送电路送至通信线路（数 据通道）上；同时通过接收电路接收来自通信线路的数字信号，将其转换成能被计算机 接受的数据。 通信接口有并行和串行两种： 并行传送是以位并行、字节串行形式 串行传送为串行形式，即一次传送一位，连续传送 4.2. 2.数字式控制器的软件 数字式控制器的软件分为系统程序和用户程序两大部分 系统程序: 系统程序是控制器软件的主体部分，通常由监控程序和功能模块两部分组成 。 监控程序使控制器各硬件电路能正常工作并实现所规定的功能，同时完成各组成部分之 间的管理。其主要完成的任务有： 系统初始化 通信处理 键盘、显示管理 自诊断处理 键处理 掉电处理 中断管理 运行状态控制 定时处理 功能模块提供了各种功能，用户可以选择所需要的功能模块以构成用户程序，使控制器 实现用户所规定的功能。控制器提供的功能模块主要有 : 数据传送 高值选择和低值选择 PID 运算 上限幅和上限幅 四则运算 折线逼近法函数运算 ·逻辑运算 一阶惯性滞后处理 开平方运算 纯滞后处理 取绝对值运算 移动平均值运算 脉冲输入计数与积算脉冲输出 控制方式切换 用户程序 用户程序是用户根据控制系统要求，在系统程序中选择所需要的功能模块，并将它们按 一定的规则连接起来的结果，其作用是使控制器完成预定的控制与运算功能。使用者编制程 序实际上是完成功能模块的连接，也即组态工作 。 用户程序的编程通常采用面向过程 POL 语言

(Procedure-Oriented Language)。控制器的编程工作是通过专用的编程器进行的，有“在线”和“离线两种编程方法：在线：编程器与控制器通过总线连接共用一个CPU离线：编程器自带一个CPU构成一台独立的仪表4.3SLPC可编程控制器SLPC可编程控制器是一种有代表性的、功能较为齐全的可编程控制器，它具有基本PID、串级、选择、非线性、采样PI、批量PID等控制功能，并具有自整定功能，可使PIL参数实现最佳整定。用户只需使用简单的编程语言，即可编制各种控制与运算程序，使控制器具有规定的控制运算功能。SLPC可编程控制器SLPC还具有通信功能，可与上位计算机联系起来构成集散型控制系统；具有可变型给定值平滑功能，能够改善给定值变更的响应特性；具有自诊断功能，在输入输出信号、运算控制回路、备用电池及通信出现异常情况时，进行故障处理并进行故障显示4.3.1.SLPC可编程控制器的硬件电路显示器链盘PV460用户ROMDI故障BESVOO0DI,/DODI/DOHN0000PVBP8SPRGDOC婚幽DIDOI/DOR0O0O通顿D通信DIs/DODI/DOB信数据总线1BPA系统ROMDL/DOs.pI/DOB时钟XYDI,/DO2 DI/DOB/ERAM1输下故险D/A报警报量效DIe/DOTD/DOBLLACPUWDrX,+多路开关Xo0(i-sV)比较器国0fY2心00-(1~5V)VCx-指示器多路开关放障回回YXs+80HT本(4~20mA)手摇器按钮LLGND(1)主机电路CPU采用8085AHC，时钟频率为10MHz。ROM分为系统ROM和用户ROM系统ROM采用两片27256型EPROM，32KB，用于存放监控程序和各种功能模块：用户ROM采用一片2716型EPROM，用于存放用户程序。RAM采用两片μPD4464C低功耗CMOS存储器，8KB

(Procedure-Oriented Language)。 控制器的编程工作是通过专用的编程器进行的，有“在线”和“离线”两种编程方法： 在线: 编程器与控制器通过总线连接共用一个 CPU 离线: 编程器自带一个 CPU 构成一台独立的仪表 4.3 SLPC 可编程控制器 SLPC 可编程控制器是一种有代表性的、功能较为齐全的可编程控制器，它具有基本 PID、串级、选择、非线性、采样 PI、批量 PID 等控制功能，并具有自整定功能，可使 PID 参数实现最佳整定。用户只需使用简单的编程语言，即可编制各种控制与运算程序，使控制 器具有规定的控制运算功能。 SLPC 可编程控制器 SLPC 还具有通信功能，可与上位计算机联系起来构成集散型控制系统；具有可变型 给定值平滑功能，能够改善给定值变更的响应特性；具有自诊断功能，在输入输出信号、运 算控制回路、备用电池及通信出现异常情况时，进行故障处理并进行故障显示 4.3.1. SLPC 可编程控制器的硬件电路 (1) 主机电路 CPU 采用 8085AHC，时钟频率为 10MHz。ROM 分为系统 ROM 和用户 ROM 系统 ROM 采用两片 27256 型 EPROM，32KB，用于存放监控程序和各种功能模块；用 户 ROM 采用一片 2716 型 EPROM，用于存放用户程序。RAM 采用两片μPD4464C 低功耗 CMOS 存储器，8KB

(2）过程输入通道SLPC控制器共有5个模拟量输入通道，A/D转换器是利用μPC648D型高速12位D／A转换器和比较器，X1输入通道具有备用方式，正常工作时的信息途径之外，发生故障时，进行测量值指示。（3）过程输出通道SLPC控制器共有3个模拟量输出通道，其中一路Y1为4～20mADC电流输出，两路Y2、Y3为1～5VDC电压输出，相互间也不隔离。+24V (U.)IsRsR:I2R2DU3R.VT2U2MVMD++VTI.VT4~20mACALUiRIr:过程输出通道U,=MV I=I2 U,=U,Io=IMVU-Ucc -U.I,12RRR,U, =Ucc-MV(R, / R)U-UCC13三R3MVUcc-Ucc+MV(R,/R)=MVR=-I.=R32502RR

(2) 过程输入通道 SLPC 控制器共有 5 个模拟量输入通道，A／D 转换器是利用μPC648D 型高速 12 位 D ／A 转换器和比较器，X1 输入通道具有备用方式 ，正常工作时的信息途径之外，发生故障 时，进行测量值指示 。 (3) 过程输出通道 SLPC 控制器共有 3 个模拟量输出通道，其中一路 Y1 为 4～20mADC 电流输出，两路 Y2、Y3 为 1～5VDC 电压输出，相互间也不隔离 。 过程输出通道

+24V(U)IstRRrIORaU,R.VT2U2MVAa+VTs1VT~20mAMt1U,"RIRi工过程输出通道P点输出电压用于判断是否有断线故障电流输出具有备用方式工作时，为D/A转换器输出的电压故障时，软手动操作输出（4）开关量输入和输出通道SLPC控制器有六个开关量输入和输出通道，它们既可以当作输入也可以当作输出，由使用者设定。开关量输入输出通道都经过高频变压器隔离（5）人/机联系部件正面板的布置类似于模拟式控制器，显示器可显示主被控变量的测量值、给定值，控制器输出值，故障显示灯和报警灯侧面板有触模式键盘和数字显示器，用以显示或修改输入、输出数据、PD参数和其他数据，显示的项目由键操作来选择(6）通信接口电路采用半双工、串行异步通讯方式o+通VT通信端子信CPU接口4.3.2SLPC可编程控制器的软件部分包括系统程序和功能模块：系统程序用于保证整个控制器正常运行，这部分用户是不能调用的功能模块提供了各种功能，用户可以根据需要选用，以构成用户程序，功能模块以指令形式提供功能模块---以指令形式提供指令对各种寄存器进行操作，寄存器实际上是对应于随机读写存储器RAM中各个不同

过程输出通道 P 点输出电压用于判断是否有断线故障电流输出具有备用方式 工作时，为 D／A 转换器输出的电压 故障时，软手动操作输出 (4) 开关量输入和输出通道 SLPC 控制器有六个开关量输入和输出通道，它们既可以当作输入也可以当作输出，由 使用者设定。开关量输入输出通道都经过高频变压器隔离 (5) 人／机联系部件 正面板的布置类似于模拟式控制器，显示器可显示主被控变量的测量值、给定值，控制 器输出值，故障显示灯和报警灯 侧面板有触摸式键盘和数字显示器，用以显示或修改输入、输出数据、PID 参数和其他 数据，显示的项目由键操作来选择 (6) 通信接口电路 采用半双工、串行异步通讯方式 4.3.2 SLPC 可编程控制器的软件部分 包括系统程序和功能模块: 系统程序用于保证整个控制器正常运行，这部分用户是不能调用的 功能模块提供了各种功能，用户可以根据需要选用，以构成用户程序，功能模 块以指令形式提供 功能模块-以指令形式提供 指令对各种寄存器进行操作，寄存器实际上是对应于随机读写存储器 RAM 中各个不同

的存储单元，只是为了使用和表示方便，才特地定义了不同的名称和符号。指令都与五个运算寄存器S1~S5有关。这五个运算寄存器以堆栈方式构成运算寄存器结构示意图输人存储器输出存储器X输人1输人2x2输出Y2→+SiA输人2(X2)输人1+输人2输人1+输人2输入1SBA输人1(X)AASscABBBBccS4DcSsccEDcLD XILD X2STY2运算前+Y=X1+X2指令类型指令有4种类型1、信号读取指令LD一用于把输入或输出等数据→S12、信号存储指令ST—一用于把S1中的数据→有关寄存器3、程序结束指令END-将控制无条件地转移出用户程序，结束本控制周期内的一切运算4、功能指令一完成各种指定功能基本运算一一+、-、X、÷等带设备编号的运算一十段折线函数运算等条件判断一一上下限报警、逻辑运算、转移跳转等寄存器移位一S寄存器交换、S寄存器循环移位控制功能-BSC、CSC、SSC控制功能指令的基本功能■①基本控制指令BSC：内含一个控制单元CNT1，相当于模拟仪表中的一台PID控制器：②串级控制指令CSC：内含两个串联的控制单元CNT1、CNT2，可组成串级控制系统③选择控制指令SSC：内含两个并联的控制单元CNT1、CNT2和一个单刀三掷切换开关CNT3，可组成选择控制系统每台SLPC控制器只能选用其中的一种，且同一应用程序中只能使用一次控制功能指令的基本功能

的存储单元，只是为了使用和表示方便，才特地定义了不同的名称和符号 。 指令都与五个运算寄存器 S1~S5 有关。这五个运算寄存器以堆栈方式构成. 运算寄存器结构示意图 Y=X1+X2 指令类型 指令有 4 种类型 1、信号读取指令 LD——用于把输入或输出等数据→S1 2、信号存储指令 ST——用于把 S1 中的数据→有关寄存器 3、程序结束指令 END——将控制无条件地转移出用户程 序，结束本控制周期内的一切运算 4、功能指令——完成各种指定功能 基本运算—— +、-、×、÷ 等 带设备编号的运算—— 十段折线函数运算等 条件判断—— 上下限报警、逻辑运算、转移跳转等 寄存器移位—— S 寄存器交换、S 寄存器循环移位 控制功能—— BSC、CSC、SSC 控制功能指令的基本功能 ◼ ① 基本控制指令 BSC：内含一个控制单元 CNT1， 相当于模拟仪表中的一台 PID 控制器； ② 串级控制指令 CSC：内含两个串联的控制单 元 CNT1、CNT2，可组成串级控制系统 ③ 选择控制指令 SSC：内含两个并联的控制单 元 CNT1、CNT2 和一个单刀三掷切换开关 CNT3， 可组成选择控制系统 每台 SLPC 控制器只能选用其中的一种， 且同一应用程序中只能使用一次 控制功能指令的基本功能

WMVMVSPMVMV,MV基本控制事级控制选拆控制控制功能指令的基本功能被控变量接到模拟量输入通道X1，实现单回路PID控制的程序如下(I)LD XI读入测量值X1(2)BSC基本控制(3)STY1控制输出MV送Y1(4)END控制功能指令的功能扩展①基本控制指令BSC的功能扩展BSC指令的主要作用是把运算寄存器S1里的数据与设定值相减，得到偏差，再经过由CNT1所决定的控制算法运算后，把结果再存入S1BSC指令的功能还需要进行扩展①基本控制指令BSC的功能扩展BSC指令的主要作用是把运算寄存器S1里的数据与设定值相减，得到偏差，再经过由CNT1所决定的控制算法运算后，把结果再存入S1。BSC指令的功能还需要进行扩展1.A寄存器（模拟量功能扩展寄存器）提供八种功能：2.FL寄存器（状态量功能扩展寄存器）提供七种功能（a）实现内、外给定的切换（b）输出跟踪（c）自动、手动切换

控制功能指令的基本功能 • 被控变量接到模拟量输入通道 X1，实现单回路 PID 控制的程序如下 (1)LD X1 读入测量值 X1 (2)BSC 基本控制 (3)ST Y1 控制输出 MV 送 Y1 (4)END 控制功能指令的功能扩展 ① 基本控制指令 BSC 的功能扩展 BSC 指令的主要作用是把运算寄存器 S1 里的数据与设定值相减，得到偏差，再经过 由 CNT1 所决定的控制算法运算后，把结果再存入 S1 BSC 指令的功能还需要进行扩展 ① 基本控制指令 BSC 的功能扩展 BSC 指令的主要作用是把运算寄存器 S1 里的数据与设定值相减，得到偏差，再经过由 CNT1 所决定的控制算法运算后，把结果再存入 S1。 BSC 指令的功能还需要进行扩展 1. A 寄存器(模拟量功能扩展寄存器) 提供八种功能； 2.FL 寄存器(状态量功能扩展寄存器) 提供七种功能 （a）实现内、外给定的切换 （b）输出跟踪 （c）自动、手动切换

SISET口验人授警上限报警FLPAM!下限报背FLa偏差报警FL,9A申级给定C交化率报警FLA给定值输出C/A如换FLye敬偏益报警-++标准PIDA2输入补偿xA,可变增益CNT,采祥值PIA输出补楼L带批量开关的PMDA输出限踪眼陈FLa输出限租MCIAS手动操作AM划换FLSTd）输入报警或偏差报警e）输入和输出补偿f）引入可变增益作业：pg1694.2, 4.3

d）输入报警或偏差报警 e）输入和输出补偿 f）引入可变增益 作业：pg169 4.2, 4.3