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1、石油化工自動化及儀表數(shù)字控制器數(shù)字控制器12.1 可編程調(diào)節(jié)器可編程調(diào)節(jié)器 本章介紹兩類常用的數(shù)字控制器：可編程調(diào)節(jié)器、可編程邏本章介紹兩類常用的數(shù)字控制器：可編程調(diào)節(jié)器、可編程邏輯控制器（輯控制器（PLC）。）?？删幊陶{(diào)節(jié)器是一種數(shù)字控制儀表，通常一臺儀表控制一個可編程調(diào)節(jié)器是一種數(shù)字控制儀表，通常一臺儀表控制一個或幾個回路?；驇讉€回路。近些年曾廣泛使用的有近些年曾廣泛使用的有KMM、SLPC、PMK、Micro760/761等，這些調(diào)節(jié)器均控制一個回路，因此習(xí)慣上又稱它們?yōu)閱蔚?，這些調(diào)節(jié)器均控制一個回路，因此習(xí)慣上又稱它們?yōu)閱位芈氛{(diào)節(jié)器回路調(diào)節(jié)器。12.1.1 可編程調(diào)節(jié)器的特點可編程調(diào)節(jié)

2、器的特點 可編程調(diào)節(jié)器與模擬式控制器相比具有如下優(yōu)點：可編程調(diào)節(jié)器與模擬式控制器相比具有如下優(yōu)點：1.實現(xiàn)了儀表和計算機一體化實現(xiàn)了儀表和計算機一體化2.具有豐富的運算、控制功能具有豐富的運算、控制功能3.通用性強、使用方便通用性強、使用方便4.具有通信功能，便于系統(tǒng)擴展形成中、大規(guī)模的多級、分具有通信功能，便于系統(tǒng)擴展形成中、大規(guī)模的多級、分散型綜合控制系統(tǒng)。散型綜合控制系統(tǒng)。5.可靠性高，維護方便可靠性高，維護方便12.1.2 可編程調(diào)節(jié)器的硬件基本構(gòu)成可編程調(diào)節(jié)器的硬件基本構(gòu)成可編程調(diào)節(jié)器類型有多種，總體結(jié)構(gòu)包括主機電路過程輸入可編程調(diào)節(jié)器類型有多種，總體結(jié)構(gòu)包括主機電路過程輸入通道、過

3、程輸出通道、人機聯(lián)系部件以及通信部件等部分。通道、過程輸出通道、人機聯(lián)系部件以及通信部件等部分?？删幊陶{(diào)節(jié)器的硬件電路結(jié)構(gòu)如圖所示?？删幊陶{(diào)節(jié)器的硬件電路結(jié)構(gòu)如圖所示。12.1.3 可編程調(diào)節(jié)器基本工作流程可編程調(diào)節(jié)器基本工作流程過程輸入通道通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器（過程輸入通道通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器（AD）和輸入緩沖器將）和輸入緩沖器將模擬量和開關(guān)量轉(zhuǎn)換成計算機能識別的數(shù)字信號，經(jīng)輸入接模擬量和開關(guān)量轉(zhuǎn)換成計算機能識別的數(shù)字信號，經(jīng)輸入接口送入主機?？谒腿胫鳈C。主機在程序控制下對輸入數(shù)據(jù)進行運算處理，運算結(jié)果經(jīng)輸主機在程序控制下對輸入數(shù)據(jù)進行運算處理，運算結(jié)果經(jīng)輸出接口送至過程輸出通道。出接口送至過程輸出通道

4、。一路由數(shù)模轉(zhuǎn)換器（一路由數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DA）將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成直流模擬）將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成直流模擬電壓，作為模擬量輸出信號；電壓，作為模擬量輸出信號；另一路經(jīng)由鎖存器直接輸出開關(guān)量信號。另一路經(jīng)由鎖存器直接輸出開關(guān)量信號。12.1.3 可編程調(diào)節(jié)器基本工作流程可編程調(diào)節(jié)器基本工作流程人機接口部件用來對系統(tǒng)進行監(jiān)視、操作，人機聯(lián)系部件中人機接口部件用來對系統(tǒng)進行監(jiān)視、操作，人機聯(lián)系部件中的鍵盤、按鈕用以輸入必要的變量和命令，切換運行狀態(tài)，的鍵盤、按鈕用以輸入必要的變量和命令，切換運行狀態(tài)，以及改變輸出值；以及改變輸出值；顯示器則用來顯示過程變量、給定值、輸出值、整定變量和顯示器則用來顯示過程變量、給

5、定值、輸出值、整定變量和故障標志等。故障標志等。通信部件實現(xiàn)調(diào)節(jié)器與其他數(shù)字儀表或裝置的數(shù)據(jù)交流，既通信部件實現(xiàn)調(diào)節(jié)器與其他數(shù)字儀表或裝置的數(shù)據(jù)交流，既可輸出各種數(shù)據(jù)，也可接受來自操作站或上位計算機的操作可輸出各種數(shù)據(jù)，也可接受來自操作站或上位計算機的操作命令和控制變量。命令和控制變量。可編程調(diào)節(jié)器的軟件系統(tǒng)可編程調(diào)節(jié)器的軟件系統(tǒng)分為系統(tǒng)程序和用戶程序兩大部分。分為系統(tǒng)程序和用戶程序兩大部分。系統(tǒng)初始化系統(tǒng)初始化鍵盤、顯示管理鍵盤、顯示管理中斷管理中斷管理自診斷處理自診斷處理運行狀態(tài)控制運行狀態(tài)控制監(jiān)監(jiān)控控程程序序中中斷斷處處理理程程序序鍵處理鍵處理定時處理定時處理輸入處理輸入處理和運算控制和

6、運算控制通信處理通信處理掉電處理掉電處理（a）監(jiān)控程序）監(jiān)控程序 （b）中斷處理程序）中斷處理程序系統(tǒng)程序的組成系統(tǒng)程序的組成用戶程序用戶程序用戶程序的作用是用戶程序的作用是“連接連接”系統(tǒng)程序中各功能模塊，使其完系統(tǒng)程序中各功能模塊，使其完成預(yù)定的控制任務(wù)。編制程序?qū)嶋H上是完成功能模塊的連接，成預(yù)定的控制任務(wù)。編制程序?qū)嶋H上是完成功能模塊的連接，即組態(tài)工作。即組態(tài)工作。編程采用編程采用POL語言，它是為了便于定義和解決某些問題而設(shè)語言，它是為了便于定義和解決某些問題而設(shè)計的專用程序語言。只要提出問題、輸入數(shù)據(jù)、指明數(shù)據(jù)處計的專用程序語言。只要提出問題、輸入數(shù)據(jù)、指明數(shù)據(jù)處理和運算控制的方式、

7、規(guī)定輸出形式，就能得到所需的結(jié)果。理和運算控制的方式、規(guī)定輸出形式，就能得到所需的結(jié)果。POL語言專用性強、操作方便、程序設(shè)計簡單、容易掌握和語言專用性強、操作方便、程序設(shè)計簡單、容易掌握和調(diào)試。調(diào)試。這類語言大致上分為空欄式語言和組態(tài)式語言兩種，組態(tài)式這類語言大致上分為空欄式語言和組態(tài)式語言兩種，組態(tài)式語言又有表格式和助記符式之分。語言又有表格式和助記符式之分。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 離散離散PID控制算法可分為三類：位置算法、增量算法、速控制算法可分為三類：位置算法、增量算法、速度算法。度算法。1）位置算法）位置算法 積分系數(shù)；微分系數(shù)；2）增量算法

8、）增量算法 PID控制增量算法為相鄰兩次采樣時刻所計算的位置值之控制增量算法為相鄰兩次采樣時刻所計算的位置值之差，即差，即3）速度算法）速度算法 PID控制速度算法是增量算式除以采樣周期控制速度算法是增量算式除以采樣周期T，即2、積分算法的改進、積分算法的改進積分分離法積分分離法 它的基本思想是：當偏差大于某個規(guī)定的門限值它的基本思想是：當偏差大于某個規(guī)定的門限值時，取消積分作用，從而使不至于過大；只有當偏差時，取消積分作用，從而使不至于過大；只有當偏差較小時，才引入積分作用，以消除余差。較小時，才引入積分作用，以消除余差。積分分離積分分離PID算法可以表示為：算法可以表示為：3、微分算法的改

9、進、微分算法的改進1）微分先行）微分先行 微分先行是只對被微分先行是只對被控變量進行微分作用，控變量進行微分作用，而不對設(shè)定值進行微分而不對設(shè)定值進行微分作用。作用。微分先行的微分先行的PID位置算式為：位置算式為：微分先行的微分先行的PID增量算式為：增量算式為：不完全微分不完全微分PID位置算式為：位置算式為：2）不完全微分）不完全微分 微分環(huán)節(jié)具有超前調(diào)節(jié)作用，常用來改善被控系統(tǒng)微分環(huán)節(jié)具有超前調(diào)節(jié)作用，常用來改善被控系統(tǒng)的動態(tài)性能，但微分作用對信號的高頻噪聲很敏感，實的動態(tài)性能，但微分作用對信號的高頻噪聲很敏感，實際使用時通常需要加上慣性環(huán)節(jié)。際使用時通常需要加上慣性環(huán)節(jié)。12.2 可

10、編程序控制器可編程序控制器可編程序控制器（可編程序控制器（Programmable Logic Controller，PLC）是）是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，是專為在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，是專為在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計的。計的。早期的可編程控制器主要用來代替繼電器實現(xiàn)邏輯控制。隨早期的可編程控制器主要用來代替繼電器實現(xiàn)邏輯控制。隨著技術(shù)的發(fā)展，這種采用著技術(shù)的發(fā)展，這種采用微型計算機技術(shù)微型計算機技術(shù)的工業(yè)控制裝置的的工業(yè)控制裝置的功能已經(jīng)大大超過了邏輯控制的范圍。功能已經(jīng)大大超過了邏輯控制的范圍。因此，今天這種裝置也稱作可編程控制器，簡稱因此，今天這種裝置也稱作可編程控制

11、器，簡稱PC。但是為了避免與個人計算機（但是為了避免與個人計算機（Personal Computer）的簡稱混）的簡稱混淆，所以將可編程序控制器簡稱淆，所以將可編程序控制器簡稱PLC。PLC是以微處理器為基礎(chǔ)，綜合了計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)是以微處理器為基礎(chǔ)，綜合了計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)和通信技術(shù)而發(fā)展起來的一種通用的工業(yè)自動控制裝置；具有和通信技術(shù)而發(fā)展起來的一種通用的工業(yè)自動控制裝置；具有體積小、功能強、程序設(shè)計簡單、靈活通用、維護方便等一系體積小、功能強、程序設(shè)計簡單、靈活通用、維護方便等一系列的優(yōu)點，特別是它的高可靠性和較強的適應(yīng)惡劣工業(yè)環(huán)境的列的優(yōu)點，特別是它的高可靠性和較強的適應(yīng)

12、惡劣工業(yè)環(huán)境的能力，使其廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)領(lǐng)域。能力，使其廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)領(lǐng)域。PLC具有如下特點。具有如下特點。1）可靠性高、抗干擾能力強）可靠性高、抗干擾能力強2）功能完善，通用靈活）功能完善，通用靈活3）編程簡單、使用方便）編程簡單、使用方便 4）體積小、維護方便）體積小、維護方便 可編程控制器的基本組成可編程控制器的基本組成PLC的主機由微處理器、存儲器、輸?shù)闹鳈C由微處理器、存儲器、輸入入/輸出模塊、外設(shè)輸出模塊、外設(shè)I/O接口、通信接接口、通信接口及電源等組成?？诩半娫吹冉M成。整體式整體式PLC，部件都在同一個機殼內(nèi)。，部件都在同一個機殼內(nèi)。模塊式結(jié)構(gòu)模塊式結(jié)構(gòu)PLC，各部件獨立封

13、裝，各部件獨立封裝，稱為模塊，各模塊通過機架和電纜連稱為模塊，各模塊通過機架和電纜連接在一起。接在一起。主機內(nèi)各個部分通過電源總線、控制主機內(nèi)各個部分通過電源總線、控制總線、地址總線和數(shù)據(jù)總線連接。根總線、地址總線和數(shù)據(jù)總線連接。根據(jù)實際控制的需要配備外部設(shè)備可構(gòu)據(jù)實際控制的需要配備外部設(shè)備可構(gòu)成不同的成不同的PLC控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)?？删幊炭刂破饔布到y(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)框圖可編程控制器硬件系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)框圖可編程序控制器的工作原理可編程序控制器的工作原理PLC運行工作過程一般分為三個階段，即輸入采樣、用戶程運行工作過程一般分為三個階段，即輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新階段。完成上述三個階段稱作一

14、個掃描周序執(zhí)行和輸出刷新階段。完成上述三個階段稱作一個掃描周期。在整個運行期間，期。在整個運行期間，PLC的的CPU以一定的掃描速度重復(fù)執(zhí)以一定的掃描速度重復(fù)執(zhí)行上述三個階段。行上述三個階段。PLC是依靠執(zhí)行用戶程序來實現(xiàn)控制要求的。是依靠執(zhí)行用戶程序來實現(xiàn)控制要求的。PLC進行邏輯進行邏輯運算、數(shù)據(jù)處理、輸入和輸出步驟的助記符稱為指令，實現(xiàn)運算、數(shù)據(jù)處理、輸入和輸出步驟的助記符稱為指令，實現(xiàn)某一控制要求的指令的集合稱為程序。某一控制要求的指令的集合稱為程序。PLC在執(zhí)行程序時，首先逐條執(zhí)行程序命令，把輸入端的狀在執(zhí)行程序時，首先逐條執(zhí)行程序命令，把輸入端的狀態(tài)值存放于輸入映象寄存器中，在執(zhí)行

15、程序過程中把每次運態(tài)值存放于輸入映象寄存器中，在執(zhí)行程序過程中把每次運行結(jié)果的狀態(tài)存放于輸出映象寄存器中。行結(jié)果的狀態(tài)存放于輸出映象寄存器中?？删幊绦蚩刂破鞯木幊陶Z言可編程序控制器的編程語言PLC的控制功能是由程序?qū)崿F(xiàn)的。的控制功能是由程序?qū)崿F(xiàn)的。PLC程序常用表達方式有：梯形圖、語句表和程序常用表達方式有：梯形圖、語句表和功能塊圖。功能塊圖。1梯形圖梯形圖梯形圖是通過連線把梯形圖是通過連線把PLC指令的梯形圖符號連接在一起的連通圖，用以表達所使指令的梯形圖符號連接在一起的連通圖，用以表達所使用的用的PLC指令及其前后順序。它的連線有兩種：一種為母線，另一種為內(nèi)部橫豎指令及其前后順序。它的連線

16、有兩種：一種為母線，另一種為內(nèi)部橫豎線。內(nèi)部橫豎線把一個個梯形圖符號指令連成一個指令組，這個指令組一般總是線。內(nèi)部橫豎線把一個個梯形圖符號指令連成一個指令組，這個指令組一般總是從裝載（從裝載（LD）指令開始，必要時再繼以若干個輸入指令，以建立邏輯條件，）指令開始，必要時再繼以若干個輸入指令，以建立邏輯條件，梯形圖表示的梯形圖表示的PLC程序?qū)嵗绦驅(qū)嵗?v最后為輸出類指令，實現(xiàn)輸出最后為輸出類指令，實現(xiàn)輸出控制或為數(shù)據(jù)控制、流程控制、控制或為數(shù)據(jù)控制、流程控制、通信處理、監(jiān)控工作等指令，以通信處理、監(jiān)控工作等指令，以進行相應(yīng)的工作。母線是用來連進行相應(yīng)的工作。母線是用來連接指令組的。接指令組的。2.語句表語句表語句表是一種類似于計算機中匯編語言的助記符指令編程語語句表是一種類似于計算機中匯編語言的助記符指令編程語言。指令語句由地址言。指令語句由地址(或步序或步序)、助記符、數(shù)據(jù)三部分組成。、助記符、數(shù)據(jù)三部分組成。指令語句表亦是指令語句表亦是PLC的常用編程語言，尤其是采用簡易編程的常用編程語言，尤其是采用簡易編程器進行器進行PLC編程、調(diào)試、監(jiān)控時，必須將梯形圖轉(zhuǎn)化成指令編程、調(diào)試、