1、石油化工自动化及仪表数字控制器数字控制器12.1 可编程调节器可编程调节器 本章介绍两类常用的数字控制器：可编程调节器、可编程逻本章介绍两类常用的数字控制器：可编程调节器、可编程逻辑控制器（辑控制器（PLC）。）。可编程调节器是一种数字控制仪表，通常一台仪表控制一个可编程调节器是一种数字控制仪表，通常一台仪表控制一个或几个回路。或几个回路。近些年曾广泛使用的有近些年曾广泛使用的有KMM、SLPC、PMK、Micro760/761等，这些调节器均控制一个回路，因此习惯上又称它们为单等，这些调节器均控制一个回路，因此习惯上又称它们为单回路调节器回路调节器。12.1.1 可编程调节器的特点可编程调节
2、器的特点 可编程调节器与模拟式控制器相比具有如下优点：可编程调节器与模拟式控制器相比具有如下优点：1.实现了仪表和计算机一体化实现了仪表和计算机一体化 2.具有丰富的运算、控制功能具有丰富的运算、控制功能 3.通用性强、使用方便通用性强、使用方便 4.具有通信功能，便于系统扩展形成中、大规模的多级、分具有通信功能，便于系统扩展形成中、大规模的多级、分散型综合控制系统。散型综合控制系统。5.可靠性高，维护方便可靠性高，维护方便12.1.2 可编程调节器的硬件基本构成可编程调节器的硬件基本构成可编程调节器类型有多种，总体结构包括主机电路过程输入可编程调节器类型有多种，总体结构包括主机电路过程输入通
3、道、过程输出通道、人机联系部件以及通信部件等部分。通道、过程输出通道、人机联系部件以及通信部件等部分。可编程调节器的硬件电路结构如图所示。可编程调节器的硬件电路结构如图所示。12.1.3 可编程调节器基本工作流程可编程调节器基本工作流程过程输入通道通过模数转换器（过程输入通道通过模数转换器（AD）和输入缓冲器将）和输入缓冲器将模拟量和开关量转换成计算机能识别的数字信号，经输入接模拟量和开关量转换成计算机能识别的数字信号，经输入接口送入主机。口送入主机。主机在程序控制下对输入数据进行运算处理，运算结果经输主机在程序控制下对输入数据进行运算处理，运算结果经输出接口送至过程输出通道。出接口送至过程输
4、出通道。一路由数模转换器（一路由数模转换器（DA）将数字信号转换成直流模拟）将数字信号转换成直流模拟电压，作为模拟量输出信号；电压，作为模拟量输出信号；另一路经由锁存器直接输出开关量信号。另一路经由锁存器直接输出开关量信号。12.1.3 可编程调节器基本工作流程可编程调节器基本工作流程人机接口部件用来对系统进行监视、操作，人机联系部件中人机接口部件用来对系统进行监视、操作，人机联系部件中的键盘、按钮用以输入必要的变量和命令，切换运行状态，的键盘、按钮用以输入必要的变量和命令，切换运行状态，以及改变输出值；以及改变输出值；显示器则用来显示过程变量、给定值、输出值、整定变量和显示器则用来显示过程变
5、量、给定值、输出值、整定变量和故障标志等。故障标志等。通信部件实现调节器与其他数字仪表或装置的数据交流，既通信部件实现调节器与其他数字仪表或装置的数据交流，既可输出各种数据，也可接受来自操作站或上位计算机的操作可输出各种数据，也可接受来自操作站或上位计算机的操作命令和控制变量。命令和控制变量。可编程调节器的软件系统可编程调节器的软件系统分为系统程序和用户程序两大部分。分为系统程序和用户程序两大部分。系统初始化系统初始化键盘、显示管理键盘、显示管理中断管理中断管理自诊断处理自诊断处理运行状态控制运行状态控制监控程序监控程序中断处理程序中断处理程序键处理键处理定时处理定时处理输入处理输入处理和运算
6、控制和运算控制通信处理通信处理掉电处理掉电处理（a）监控程序）监控程序 （b）中断处理程序）中断处理程序系统程序的组成系统程序的组成用户程序用户程序用户程序的作用是用户程序的作用是“连接连接”系统程序中各功能模块，使其完系统程序中各功能模块，使其完成预定的控制任务。编制程序实际上是完成功能模块的连接成预定的控制任务。编制程序实际上是完成功能模块的连接，即组态工作。，即组态工作。编程采用编程采用POL语言，它是为了便于定义和解决某些问题而设语言，它是为了便于定义和解决某些问题而设计的专用程序语言。只要提出问题、输入数据、指明数据处计的专用程序语言。只要提出问题、输入数据、指明数据处理和运算控制的
7、方式、规定输出形式，就能得到所需的结果理和运算控制的方式、规定输出形式，就能得到所需的结果。POL语言专用性强、操作方便、程序设计简单、容易掌握和语言专用性强、操作方便、程序设计简单、容易掌握和调试。调试。这类语言大致上分为空栏式语言和组态式语言两种，组态式这类语言大致上分为空栏式语言和组态式语言两种，组态式语言又有表格式和助记符式之分。语言又有表格式和助记符式之分。基本控制算法基本控制算法 1、理想、理想PID控制算法控制算法 离散离散PID控制算法可分为三类：位置算法、增量算法、速控制算法可分为三类：位置算法、增量算法、速度算法。度算法。1）位置算法）位置算法TkekeTKTjeTKkeK
8、kudpkjipp)1()()()()(0)1()()()()(0kekeKjeKkeKkuDkjIpipITTKK TTKKdpD 积分系数；微分系数；2）增量算法）增量算法 PID控制增量算法为相邻两次采样时刻所计算的位置值之控制增量算法为相邻两次采样时刻所计算的位置值之差，即差，即)2()1(2)()()1()()(kekekeKkeKkekeKkuDIp)1()()()()(kekeKkeKkeKkuDIp)1()()()()()(2kekeTTKkeTKTkeKTkukvdpipp3）速度算法）速度算法 PID控制速度算法是增量算式除以采样周期控制速度算法是增量算式除以采样周期T，即
9、2、积分算法的改进、积分算法的改进积分分离法积分分离法 它的基本思想是：当偏差大于某个规定的门限值它的基本思想是：当偏差大于某个规定的门限值时，取消积分作用，从而使不至于过大；只有当偏差时，取消积分作用，从而使不至于过大；只有当偏差较小时，才引入积分作用，以消除余差。较小时，才引入积分作用，以消除余差。积分分离积分分离PID算法可以表示为：算法可以表示为：)1()()()()(0kekeKjeKKkeKkuDkjIep时，加入积分作用，当时，取消积分作用，当00)(1)(0EkeEkeKe3、微分算法的改进、微分算法的改进1）微分先行）微分先行 微分先行是只对被微分先行是只对被控变量进行微分作
10、用，控变量进行微分作用，而不对设定值进行微分而不对设定值进行微分作用。作用。微分先行的微分先行的PID位置算式为：位置算式为：)1()()()()(0kykyKjeKkeKkuDkjIp 微分先行的微分先行的PID增量算式为：增量算式为：)2()1(2)()()1()()(kykykyKkeKkekeKkuDIp 不完全微分不完全微分PID位置算式为：位置算式为：)1()1()()()()(*0kukekeTTKjeTTKkeKkuDdpkjipp2）不完全微分）不完全微分 微分环节具有超前调节作用，常用来改善被控系统微分环节具有超前调节作用，常用来改善被控系统的动态性能，但微分作用对信号的高
11、频噪声很敏感，实的动态性能，但微分作用对信号的高频噪声很敏感，实际使用时通常需要加上惯性环节。际使用时通常需要加上惯性环节。12.2 可编程序控制器可编程序控制器可编程序控制器（可编程序控制器（Programmable Logic Controller，PLC）是一种数字运算操作的电子系统，是专为在工业环境应用而是一种数字运算操作的电子系统，是专为在工业环境应用而设计的。设计的。早期的可编程控制器主要用来代替继电器实现逻辑控制。随早期的可编程控制器主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种采用着技术的发展，这种采用微型计算机技术微型计算机技术的工业控制装置的的工业控制装置的功能已经大
12、大超过了逻辑控制的范围。功能已经大大超过了逻辑控制的范围。因此，今天这种装置也称作可编程控制器，简称因此，今天这种装置也称作可编程控制器，简称PC。但是为了避免与个人计算机（但是为了避免与个人计算机（Personal Computer）的简称）的简称混淆，所以将可编程序控制器简称混淆，所以将可编程序控制器简称PLC。PLC是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术而发展起来的一种通用的工业自动控制装置；具有和通信技术而发展起来的一种通用的工业自动控制装置；具有体积小、功能强、程序设计简单、灵活通用、维护方便等一系体积小、功能强
13、、程序设计简单、灵活通用、维护方便等一系列的优点，特别是它的高可靠性和较强的适应恶劣工业环境的列的优点，特别是它的高可靠性和较强的适应恶劣工业环境的能力，使其广泛应用于各种工业领域。能力，使其广泛应用于各种工业领域。PLC具有如下特点。具有如下特点。1）可靠性高、抗干扰能力强）可靠性高、抗干扰能力强2）功能完善，通用灵活）功能完善，通用灵活3）编程简单、使用方便）编程简单、使用方便 4）体积小、维护方便）体积小、维护方便 可编程控制器的基本组成可编程控制器的基本组成PLC的主机由微处理器、存储器、输的主机由微处理器、存储器、输入入/输出模块、外设输出模块、外设I/O接口、通信接接口、通信接口及
14、电源等组成。口及电源等组成。整体式整体式PLC，部件都在同一个机壳内，部件都在同一个机壳内。模块式结构。模块式结构PLC，各部件独立封装，各部件独立封装，称为模块，各模块通过机架和电，称为模块，各模块通过机架和电缆连接在一起。缆连接在一起。主机内各个部分通过电源总线、控主机内各个部分通过电源总线、控制总线、地址总线和数据总线连接制总线、地址总线和数据总线连接。根据实际控制的需要配备外部设。根据实际控制的需要配备外部设备可构成不同的备可构成不同的PLC控制系统。控制系统。可编程控制器硬件系统的基本结构框图可编程控制器硬件系统的基本结构框图可编程序控制器的工作原理可编程序控制器的工作原理PLC运行
15、工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程运行工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周序执行和输出刷新阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，期。在整个运行期间，PLC的的CPU以一定的扫描速度重复执以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。行上述三个阶段。PLC是依靠执行用户程序来实现控制要求的。是依靠执行用户程序来实现控制要求的。PLC进行逻辑进行逻辑运算、数据处理、输入和输出步骤的助记符称为指令，实现运算、数据处理、输入和输出步骤的助记符称为指令，实现某一控制要求的指令的集合称为程序。某一控制要求的指令的集合称为程序。
16、PLC在执行程序时，首先逐条执行程序命令，把输入端的状在执行程序时，首先逐条执行程序命令，把输入端的状态值存放于输入映象寄存器中，在执行程序过程中把每次运态值存放于输入映象寄存器中，在执行程序过程中把每次运行结果的状态存放于输出映象寄存器中。行结果的状态存放于输出映象寄存器中。可编程序控制器的编程语言可编程序控制器的编程语言PLC的控制功能是由程序实现的。的控制功能是由程序实现的。PLC程序常用表达方式有：梯形图、语句表和程序常用表达方式有：梯形图、语句表和功能块图。功能块图。1梯形图梯形图梯形图是通过连线把梯形图是通过连线把PLC指令的梯形图符号连接在一起的连通图，用以表达所使指令的梯形图符
17、号连接在一起的连通图，用以表达所使用的用的PLC指令及其前后顺序。它的连线有两种：一种为母线，另一种为内部横竖指令及其前后顺序。它的连线有两种：一种为母线，另一种为内部横竖线。内部横竖线把一个个梯形图符号指令连成一个指令组，这个指令组一般总线。内部横竖线把一个个梯形图符号指令连成一个指令组，这个指令组一般总是从装载（是从装载（LD）指令开始，必要时再继以若干个输入指令，以建立逻辑条件，）指令开始，必要时再继以若干个输入指令，以建立逻辑条件，梯形图表示的梯形图表示的PLC程序实例程序实例 v最后为输出类指令，实现输出最后为输出类指令，实现输出控制或为数据控制、流程控制、控制或为数据控制、流程控制
18、、通信处理、监控工作等指令，以通信处理、监控工作等指令，以进行相应的工作。母线是用来连进行相应的工作。母线是用来连接指令组的。接指令组的。2.语句表语句表语句表是一种类似于计算机中汇编语言的助记符指令编程语语句表是一种类似于计算机中汇编语言的助记符指令编程语言。指令语句由地址言。指令语句由地址(或步序或步序)、助记符、数据三部分组成。、助记符、数据三部分组成。指令语句表亦是指令语句表亦是PLC的常用编程语言，尤其是采用简易编程的常用编程语言，尤其是采用简易编程器进行器进行PLC编程、调试、监控时，必须将梯形图转化成指令编程、调试、监控时，必须将梯形图转化成指令语句表，然后通过简易编程器输入语句表，然后通过简易编程器输入PLC进行编程、调试、监进行编程、调试、监控。控。语句表表示的语句表表示的PLC程序实例程序实例 3功能块图功能块图功能块图编程是一种在数字逻辑电路设计基础上开发的一种功能块图编程是一种在数字逻辑电路设计基础上开发的一种图形编程语言。逻辑功能清晰、输入输出关系明确，适用于图形编程语言。逻辑功能清晰、输入输出关系明确，适用于熟悉数字电路系统设计人员采用智能型编程器熟悉数字电路系统设计人员采用智能型编程器(专用图形编专用图形编程器或计算机软件编程程器或计算机软件编程)编程。编程。图12-8功能块图表示的PLC程序实例
