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盤古學報

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CX500調節器的設計與應用
發布時間:2015/3/12 15:30:01
 

摘要:探討調節器的原理、應用、分類及目前調節器市場的狀況。重點介紹C5調節器的技術特點與技術創新,主要包括控制算法、程序控制、硬件可靠性設計、軟件多功能設計和通訊聯網功能。最后介紹了C5調節器的現場應用以及未來調節器的發展方向。

關鍵字:盤古自動化、C5調節器、PID算法、程序控制、技術特點、技術創新、應用

Abstract:   Discuss the principle, application, and classification of the controller. C5 regulator focuses on technical characteristic and technological innovation, including the control algorithm, process control, reliability of hardware design, software design and communication function. Finally, the development direction of the C5 controller field applications and future regulators.

Keywords:   PANGU automation, C5 controller, PID algorithm, Technical characteristic, Technology Innovation Aplication  


0:引言

     調節器是一種將生產過程參數的測量值與給定值進行比較,得出偏差后根據一定的調節規律產生輸出信號推動執行器消除偏差量,使該參數保持在給定值附近或按預定規律變化的控制器。

調節器有很多種分類方法。根據控制回路區分,調節器可以分為單回路調節器和多回路調節器。根據給定值來分,調節器可以分為定值控制、外給定控制和程序控制調節器。根據控制對象的區分,可以分為溫度調節器、壓力調節器、流量調節器、液位調節器、轉速調節器等。從產品樣式上分,調節器有數碼顯示、液晶顯示、模塊式調節器等產品。

調節器的應用領域非常廣泛,在航空航天、化工、交通運輸、電力、機電、制藥、食品加工、造紙等行業都需要使用調節器,調節器在現代生產生活中已經不可缺少。巨大的應用帶來了巨大的市場,很多公司設計、研發、生產、調節器,很多大廠家有霍尼韋爾、山武、歐陸、歐姆龍、橫河、西門子都在生產制造調節器,他們占據了調節器的高端市場。國內市場的中低端市場被一些大的廠家占據,主要包括富士、臺達、宇電、島電、RKC等。更低端的市場基本上為本土企業都占據。

雖然調節器生產制造廠家眾多,但在產品的外觀、樣式、功能上卻大同小異。C5調節器是由杭州盤古自動化系統有限公司經三年多的研發最新設計出來的的一款調節器,儀表在硬件的可靠性、穩定性做了大量的實驗與測試,并在控制算法、顯示、人機操作、軟件多功能性上做出了很多創新,填補了市場的空白。

1C5調節器的技術特點及技術創新

1.1  控制算法

       調節器的控制算法一般采用經典PID算法或改良的PID算法。

      

經典PID的結構框圖

   

經典PID的傳遞函數

        其中Kp為比例增益,Ti為積分時間,Td為微分時間,Kd為微分增益。

        經典PID算法是按偏差的比例(P)、積分(I)和微分(D)進行控制的PID調節器,具有原理簡單,易于實現,適用面廣,參數的選定比較簡單等優點,是應用最為廣泛的一種調節器,非常適合流量、液位、壓力等線性對象。

        溫控專用PID則是在經典PID的基礎上做了改良,在控制過程中對超調進行抑制,最大限度抑制超調,這種算法適合電爐類的具備大慣性,非對稱的控制對象。C5調節器提供經典PID算法和溫控專用PID算法兩種算法。對不同的控制對象,可以選用不同的控制算法。

        有些控制對象,如溫度控制,屬于非線性對象,在高溫階段與低溫階段,模型的參數會有較大的差別,只用一組PID參數,很難得到更高品質的控制效果。C5調節器提供4PID參數,用于滿足不同設定區域內的控制要求。

1.2 程序控制

        在生產過程中,經常涉及程序控制。程序控制是指設定值按照固定程序實現的自動控制,廣泛應用于控制各種生產和工藝加工過程。

      C5調節器最多提供10組程序,每組程序最多帶30段程序,用于滿足不同的工藝要求。

        C5調節器提供程序段預覽功能,可以在儀表上預覽設置好的工藝曲線,減少設置錯誤的發生。程序段預覽功能是C5調節器的一大創新。

       1.3   高穩定性的硬件

        C5調節器的一大技術特點是采用了高可靠性的硬件。與普通調節器相比,C5調節器測量速度更快,測量精度更高。低溫漂、抗干擾設計保證調節器在應用過程的強壯性與安全性。

       1.3.1  高精度/高速度測量

       目前市場上的調節器,信號采樣基本上都采用雙積分電路,雙積分電路的優點是抗干擾能力強,硬件成本低,缺點是精度差,一般只能達到12位或14位。如果采用濾波的方法提升測量精度,會帶來響應速度慢的問題。C5調節器采用了TI公司的24位Σ-Δ A/D轉換芯片。 熱電偶、熱電阻信號在全量程范圍內測量精度高達±0.1℃以內,0-5V、 4-20mA等信號,精度高達±0.1%以內,C5調節器對信號的響應速度控制在0.2秒內。高精度/高速度測量能大幅提升控制品質。

      1.3.2  低溫漂設計

       C5調節器的采用低溫漂性能的元器件,儀表在高低溫環境下使用時,測量精度得以保證,控制效果不失真。

      1.3.3   抗干擾設計

       調節器最嚴重的故障之一是測量值跳變,測量值跳變會帶來輸出的不穩定,從而引起控制對象的不穩定,嚴重的會損壞控制對象,甚至引起火災等災難性事件。引起測量值跳變的原因有很多,如接線松動、信號斷線等,最多的原因還是來自設備的干擾。一些設備廠家,考慮成本因素或自身設計水平不足,有時會把信號線、動力線混搭在一起,這些設備往往還不接地線。在使用變頻器、功率調整器等變頻裝置下,會產生強大的電磁干擾,干擾信號的強度有時會超過信號強度,此時調節器的抗干擾能力就顯得格外重要。

C5調節器采用多重濾波、大面積接地等方法,增強儀表的抗干擾能力。C5調節器通過電快速瞬變脈沖群、抗雷擊浪涌抗擾度、信號串模干擾、信號共模干擾等多種實驗,確保儀表在強干擾環境下信號不跳變。

       1.3.4   電流輸出、電壓脈沖輸出 一體化設計

       調節器的控制輸出方式有電流電壓輸出、電壓脈沖輸出等幾種方式。電壓電流輸出用于驅動功率調整器、調節閥類的執行器,電壓脈沖輸出是時間比例方式的電壓輸出,驅動固態繼電器類的執行器。

       目前市場上的調節器,采用小模塊輸出方式,不同種類的輸出模塊,輸出不同的信號。這種方式設計比較簡單,但通用性差,銷售服務時需要預先了解現場情況,才能配置調節器。

C5調節器,采用一體化設計,在一個電路上同時實現使電流輸出與電壓脈沖輸出,并在同一個輸出端子上得以實現。只需在調節器的組態參數上更改輸出方式即可實現輸出方式的切換。一體化設計給調節器的生產、銷售、服務帶來很大的便利。

1.4  多功能設計

       目前市場上的調節器,主機大部分采用的是單CPU結構,需要實現輸入、控制運算、輸出、通訊、顯示、存儲、報警等多項功能,實現起來比較復雜,往往是強化了某一項功能,另外的功能就會弱化。而一些更為復雜的功能、如以太網、USB、彩色液晶顯示等,采用單CPU模式,很難實現。

C5調節器采用雙CPU結構,輔CPU實現輸入、控制運算、輸出、報警等基本功能,主CPU實現液晶顯示、記錄、報表、通訊、USB等復雜功能。雙CPU結構使調節器的多功能設計的實現得以可行。

1.4.1  彩色液晶顯示

C5調節器采用彩色液晶顯示,豐富顯示內容,簡化人機操作。在同一個畫面內可以同時顯示測量值、設定值、程序運行狀態、程序號、段號、設定時間、運行時間、升降溫狀態、手自動狀態等基本元素,C5調節器還實現了測量值與給定值的實時曲線,這些功能在數碼顯示調節器上是不可能實現的。

與傳統數碼管調節器相比,采用液晶顯示最大的優點是簡化人機操作。C5調節器的組態設置及操作非常簡單,具有很好的人機交換,新手稍加培訓,即可熟練使用。

1.4.2  記錄與備份功能

C5調節器具有測量值與設定值的記錄功能,用戶可以在儀表上追憶歷史數據。也可以通過U盤把歷史數據備份到計算機,通過上位機管理軟件查看、分析、打印和管理。C5調節器集調節器與記錄儀于一身,這個功能也是C5調節器的一大創新。

1.4.3 組態導入導出

C5調節器有多達10×30個程序段,這么多參數的設置是一個非常繁瑣的工作。C5調節器提供兩種非??旖莸姆椒ㄔO置參數。一種是通訊導入組態,一種是U盤導入組態。在上位機組態軟件編輯組態參數,生成組態文件,然后通過通訊或U盤導入的方式,把組態文件導入到儀表。使用這種方法,可以節約大量的人力成本,特別是一批調節器采用相同參數時,效果尤其明顯。

1.5 通訊功能

C5調節器提供兩組485通訊,一組通訊實現儀表與計算機通訊,另一組通訊實現儀表與儀表或儀表與其他設備之間的通訊。

C5提供強大的上位機管理軟件,可以對485網上的C5調節器執行程序段的運行、暫停、停止、手自動切換、程序切換、段切換、自整定等,也可以下傳程序段參數。485網最多可以接16臺調節器,上位機管理軟件對網上的調節器進行實時監控,并對實時數據進行保存、分析、打印和管理。

2 C5調節器的應用

       C5調節器性能穩定,控制精度高,在很多工業現場得以應用。其中,在中國科學院硅酸研究所的一臺多段式升降爐上的應用是一個比較典型的應用。升降爐共有9個控溫區,每個溫區都需要執行升溫、保溫與降溫過程,需要執行程序控制。升降爐燒制兩種完全不同的材料,需要兩條完全不同的工藝曲線。硅酸研究所對程序控制的曲線要求非常高,升溫過程的測量值曲線的斜率與設定值曲線的斜率需要保持一致,保溫過程的控制精度要求在±0.1℃以內。C5調節器滿足了升降爐的要求。

       在這臺多段式升降爐上,還實現了9C5調節器的485組網,使用C5調節器的上位機管理軟件,在計算機上方便的實現實時監控、數據記錄、數據打印、數據分析。通過上位機管理軟件可以方便操作調節器,實現程序的運行、暫停、停止、手/自動切換、程序切換以及實現程序段的設置,給現場操作人員帶來很大的便利。

3 結束語

       隨著時代的發展,生產過程的自動化水平越來越高,人工智能水平會越來越高,調節器的需求也會越來越大。同時,時代也會對傳統調節器提出更高的要求,未來的調節器將會朝智能化、網絡化發展,控制本身需要更快的控制速度、更高控制精度。C5調節器將會朝這個目標繼續完善,為我國智能調節儀表的發展做貢獻。

參考文獻:

1:胡壽松  自動控制原理[M]  北京 科學出版社  2007

2:楊獻勇  熱工過程自動控制[M] 北京 清華大學出版社 2008

3:劉金琨  先進PID可控制MATLAB仿真[M]  北京 電子工業出版社 2011

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