運(yùn)春英，李曉仲，周建軍

(1. 天津市一輕集團(tuán)(控股)有限公司計(jì)量站 天津300111；2. 天津市計(jì)量監(jiān)督檢測(cè)科學(xué)研究院 天津300192)

智能型單回路調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)思想的探討

運(yùn)春英1，李曉仲2，周建軍2

(1. 天津市一輕集團(tuán)(控股)有限公司計(jì)量站 天津300111；2. 天津市計(jì)量監(jiān)督檢測(cè)科學(xué)研究院 天津300192)

模擬式調(diào)節(jié)器是生產(chǎn)控制過(guò)程中常用的一種儀表，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，自動(dòng)化水平的提高，某些計(jì)量參數(shù)已經(jīng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)相關(guān)技術(shù)要求。因此，對(duì)具有計(jì)算、控制輸出、遠(yuǎn)傳通信、數(shù)字屏幕顯示等功能的智能型單回路調(diào)節(jié)器進(jìn)行研究、設(shè)計(jì)是必要的，這種調(diào)節(jié)器對(duì)解決自動(dòng)化生產(chǎn)中控制、調(diào)節(jié)和分散控制系統(tǒng)多參數(shù)的問(wèn)題起到了重要的作用。對(duì)智能型單回路調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)思路進(jìn)行了分析和探討，為此項(xiàng)目的研究工作提供了借鑒和參考。

調(diào)節(jié)器 智能控制 模擬

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們正在研究用智能模糊的控制方法對(duì)產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行參數(shù)調(diào)整和狀態(tài)控制。這使得工業(yè)計(jì)算機(jī)和具有調(diào)節(jié)功能的自動(dòng)化儀表開(kāi)始被研制和應(yīng)用，并且在可靠性和能耗方面不斷進(jìn)行完善和改進(jìn)。

智能控制的具體方式有兩種，即直接數(shù)字控制和計(jì)算機(jī)監(jiān)控。前者由計(jì)算機(jī)代替常規(guī)調(diào)節(jié)器的功能，后者由計(jì)算機(jī)向調(diào)節(jié)器傳輸給定值，由調(diào)節(jié)器完成控制、調(diào)節(jié)作用。從自動(dòng)化連續(xù)和安全生產(chǎn)考慮，計(jì)算機(jī)控制和分散控制兼顧，各取所長(zhǎng)。目前設(shè)計(jì)的調(diào)節(jié)方式中，都保留了數(shù)字通信功能，控制中心及其所屬回路與操作臺(tái)之間，保留數(shù)字通道聯(lián)系，實(shí)際上并不是單純的分散控制。隨著單回路調(diào)節(jié)器核心部件功能的不斷完善，新技術(shù)不斷應(yīng)用，使調(diào)節(jié)器成為一種智能儀器，在生產(chǎn)實(shí)踐中被廣泛應(yīng)用。

1 具有與常規(guī)模擬調(diào)節(jié)器相同的外型

智能型單回路調(diào)節(jié)器(以下簡(jiǎn)稱(chēng)調(diào)節(jié)器)，其內(nèi)部雖然以數(shù)字量的形式進(jìn)行運(yùn)算，但是外部的連接方式與模擬調(diào)節(jié)器相同，輸入、輸出電量參數(shù)為直流電壓、電流。同時(shí)，保留外接點(diǎn)的開(kāi)關(guān)量輸入和報(bào)警的通斷信號(hào)輸出，供電電源是直流DC24V。

由于引進(jìn)了智能芯片核心技術(shù)，調(diào)節(jié)器的功能比一臺(tái)常規(guī)模擬式調(diào)節(jié)器的功能要強(qiáng)大且豐富，同時(shí)實(shí)現(xiàn)這些功能主要依靠軟件完成，而不是硬件的增加。因此，外形結(jié)構(gòu)與原儀器保持一致，在自動(dòng)化儀表結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，各開(kāi)孔尺寸不必修改，可直接安裝。

正是因?yàn)橥庑徒Y(jié)構(gòu)特性一致，具有兼容性和互換性，使用操作方便，便于更新?lián)Q代。

2 保持常規(guī)模擬式調(diào)節(jié)器的操作方式

調(diào)節(jié)器的參數(shù)設(shè)定一般選擇在前面板，與模擬式調(diào)節(jié)器極為相近，采用數(shù)字顯示方式，包括瞬時(shí)量檢測(cè)值、參數(shù)設(shè)定值、過(guò)渡過(guò)程的狀態(tài)、累積量值、時(shí)鐘及調(diào)節(jié)性能等，有些調(diào)節(jié)器還能指示出與上位通訊口工作情況等，為了防止任意修改參數(shù)和檢測(cè)結(jié)果，通常設(shè)計(jì)中設(shè)置4位或多位數(shù)字密碼鎖，保證數(shù)字指示結(jié)果不受外界影響。

一般情況下，只有在整定參數(shù)或停機(jī)檢修時(shí)，才會(huì)對(duì)數(shù)字參數(shù)進(jìn)行修改操作。所以，對(duì)習(xí)慣于使用模擬調(diào)節(jié)器的技術(shù)操作及檢測(cè)人員來(lái)說(shuō)，僅僅需要培訓(xùn)操作方法，甚至對(duì)計(jì)算機(jī)知識(shí)了解較少時(shí)，也能順利地掌握并進(jìn)行操作。

即使需要進(jìn)行控制參數(shù)的整定，甚至對(duì)系統(tǒng)的工作方式重新組態(tài)而改變參數(shù)時(shí)，只需按照面板鍵盤(pán)的觸摸方法進(jìn)行操作，或利用編程器上的鍵盤(pán)編寫(xiě)、修改程序，即可以完成相應(yīng)工作。

由于上述特點(diǎn)，操作和有關(guān)檢驗(yàn)人員對(duì)這種原理新穎、功能強(qiáng)大、構(gòu)造迥異、安全可靠的調(diào)節(jié)器是能夠按照規(guī)范和方法熟練操作使用的。這不僅有利于推廣，對(duì)保證生產(chǎn)安全和產(chǎn)品質(zhì)量也十分重要。

3 降低經(jīng)濟(jì)成本提高性能

模擬式調(diào)節(jié)器要增加功能則需要增加電路元器件，改進(jìn)電路設(shè)計(jì)，選用優(yōu)級(jí)材料，這樣做不但會(huì)提高成本，而且會(huì)使系統(tǒng)的可靠性大大降低。調(diào)節(jié)器從設(shè)計(jì)開(kāi)始，就充分考慮系統(tǒng)的可靠和穩(wěn)定性，發(fā)揮軟件功能，最大化的占有核心部件——芯片的容量，增加軟件就可以賦予調(diào)節(jié)器新的功能，無(wú)需補(bǔ)充任何硬件，這樣利用提高軟件效率，就可節(jié)省某些其他儀表的投資。

例如，以一臺(tái)爐溫程序串級(jí)控制系統(tǒng)為例進(jìn)行分析。如圖1所示，采用常規(guī)模擬式儀表，不包括差壓變送器則需要6臺(tái)。若采用調(diào)節(jié)器，由于它本體可實(shí)現(xiàn)串級(jí)控制、開(kāi)方運(yùn)算及報(bào)警開(kāi)關(guān)量輸出，因此可實(shí)現(xiàn)1臺(tái)替代5臺(tái)的作用，如圖2所示。有些調(diào)節(jié)器還可以將溫度傳感器信號(hào)直接輸入，節(jié)省了溫度變送器。

圖1 爐溫程序串級(jí)控制系統(tǒng)Fig.1 Cascade control system of furnace temperature programme

圖2 調(diào)節(jié)器爐溫串級(jí)控制系統(tǒng)Fig.2 The controller’s cascade control system of furnace temperature

單回路調(diào)節(jié)器，在PID控制之外可附加其他功能，包括運(yùn)算、線性化、控制、報(bào)警、標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)系數(shù)修正等，所以許多常規(guī)儀表的專(zhuān)用單元都可以省略。

對(duì)調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)控制規(guī)律而言，調(diào)節(jié)器不僅可以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單PID方法，采樣保持PI控制、非線性PID修正、時(shí)間比例PID參數(shù)整定等，還可以實(shí)現(xiàn)串級(jí)、比值、選擇、時(shí)鐘設(shè)定、前饋等。

4 功能模塊化和軟連接

調(diào)節(jié)器由多個(gè)單元組成，它包括多種多樣的功能，涉及到不同的程序，每一個(gè)獨(dú)立功能組成一個(gè)“功能模塊”，它的作用和模擬儀表中獨(dú)立單元相當(dāng)，但它是無(wú)形的，沒(méi)有具體線路和元件。為了在構(gòu)成系統(tǒng)時(shí)便于分析，通常我們用方框圖表述模塊的作用，標(biāo)明輸入、輸出端子，在實(shí)際線路中這些都是抽象的，僅存在于軟件中。

每一個(gè)功能模塊和端子都設(shè)計(jì)有專(zhuān)門(mén)的代碼符號(hào)標(biāo)記，按照這些標(biāo)記由人機(jī)接口(鍵盤(pán)和顯示)連接需要的功能，預(yù)置在芯片中，組成控制系統(tǒng)，其效果和用導(dǎo)線把各個(gè)單元組合儀表連成系統(tǒng)是一樣的。這里既不用導(dǎo)線，也沒(méi)有端子，直接通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)，也稱(chēng)為軟接線，這樣做也增加了調(diào)節(jié)器工作的可靠性，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定。同時(shí)，在改變系統(tǒng)和更改功能時(shí)，不必重新設(shè)計(jì)硬件構(gòu)成，只需修改程序，即可實(shí)現(xiàn)。

5 自診斷和異常報(bào)警

為了保證系統(tǒng)運(yùn)行安全，需要對(duì)儀表控制參數(shù)進(jìn)行上、下限報(bào)警，同時(shí)還要使調(diào)節(jié)器對(duì)自身的參數(shù)運(yùn)行情況保持判斷能力。例如，主程序的運(yùn)行、模擬量與數(shù)字量之間轉(zhuǎn)換、通訊功能、硬件的可靠性、顯示參數(shù)準(zhǔn)確度等工作是否有自診斷措施。一旦發(fā)現(xiàn)異常現(xiàn)象要有報(bào)警信號(hào)，通過(guò)數(shù)字或屏幕顯示出特定的字母或數(shù)字表明故障所在。通過(guò)采取措施，例如將自動(dòng)切換到手動(dòng)或?qū)⑤敵霰３衷诠收锨盃顟B(tài)，或自動(dòng)脫離上位計(jì)算機(jī)而改成獨(dú)立運(yùn)行等。

在用鍵盤(pán)設(shè)定程序或參數(shù)時(shí)，如果操作方法不對(duì)，或所設(shè)定的參數(shù)超出允許范圍，數(shù)字或顯示屏就會(huì)出現(xiàn)代表“錯(cuò)誤”的符號(hào)。如果指示表頭、報(bào)警燈、鍵盤(pán)及顯示器有局部失效，也能發(fā)現(xiàn)并提示。外電路的故障也能識(shí)別，并發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

總之，自診斷的運(yùn)用和設(shè)計(jì)使得系統(tǒng)故障能被及時(shí)發(fā)現(xiàn)，并且能指出發(fā)生故障的地點(diǎn)、范圍，這對(duì)于安全生產(chǎn)，維護(hù)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行是十分必要的。

6 通信功能

調(diào)節(jié)器不僅能夠代替模擬式儀表在過(guò)程控制系統(tǒng)中工作。在設(shè)計(jì)中還充分考慮了發(fā)展過(guò)程的需要，使它能夠在集中分散控制系統(tǒng)中發(fā)揮作用。為此，調(diào)節(jié)器的操作功能在有操作臺(tái)或中央控制室存在的前提下，只要接上通信接口和電纜，就能實(shí)現(xiàn)集中分散控制。在這種條件下，各個(gè)單回路調(diào)節(jié)器的輸入、輸出及PID參數(shù)、數(shù)據(jù)都可以通過(guò)電纜傳送到操作臺(tái)中控機(jī)CRT顯示屏。此時(shí)，中心控制系統(tǒng)可以對(duì)任何一臺(tái)單回路調(diào)節(jié)器的運(yùn)行及參數(shù)發(fā)出控制指令，使被控參數(shù)在穩(wěn)定、準(zhǔn)確區(qū)向內(nèi)。

7 結(jié) 語(yǔ)

結(jié)合自動(dòng)化生產(chǎn)中各種調(diào)節(jié)、控制計(jì)量參數(shù)的要求，對(duì)調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)思想進(jìn)行了探討分析。完善的調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)思路能夠使它在自動(dòng)化生產(chǎn)中解決諸多問(wèn)題，同時(shí)也能夠預(yù)測(cè)各種故障的發(fā)生。

［1］ 朱欣華. 智能儀器原理與設(shè)計(jì)[M]. 北京：高等教育出版社，2012.

［2］ 王祁. 智能儀器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

［3］ 張?jiān)? 智能儀表設(shè)計(jì)實(shí)用技術(shù)及實(shí)例[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

On Design Ideas of Intellectual Single Loop Controllers

YUN Chunying1，LI Xiaozhong2，ZHOU Jianjun2
(1．Metering Station of Tianjin YIQING Group(Holding Share)Co.，Ltd.，Tianjin 300111，China；2．Tianjin Institute of Metrological Supervision Testing，Tianjin 300192，China)

Analog regulator is a commonly-applied instrument meter in the process of production control．With the progress of science and technology and the advancement of automation，some metrological parameters are unable to meet relevant technological demands．Therefore，it is necessary and essential to explore and further develop intellectual single loop controllers with functions of calculation，input data controlling and digital on-screen displaying．This type of controller plays an important role in solving problems of several metrological parameters during automatic production．The current analysis is aimed at studying and further exploring the design idea of intellectual single loop controllers，and providing a wider access to future studies.

controller；intellectual control；analog

TP368.1

：A

：1006-8945(2015)08-0043-02

2015-07-02