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CX500调节器的设计与应用
发布时间:2015/3/12 15:30:01
 

摘要:探讨调节器的原理、应用、分类及目前调节器市场的状况。重点介绍C5调节器的技术特点与技术创新,主要包括控制算法、程序控制、硬件可靠性设计、软件多功能设计和通讯联网功能。最后介绍了C5调节器的现场应用以及未来调节器的发展方向。

关键字:盘古自动化、C5调节器、PID算法、程序控制、技术特点、技术创新、应用

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

     调节器是一种将生产过程参数的测量值与给定值进行比较,得出偏差后根据一定的调节规律产生输出信号推动执行器消除偏差量,使该参数保持在给定值附近或按预定规律变化的控制器。

调节器有很多种分类方法。根据控制回路区分,调节器可以分为单回路调节器和多回路调节器。根据给定值来分,调节器可以分为定值控制、外给定控制和程序控制调节器。根据控制对象的区分,可以分为温度调节器、压力调节器、流量调节器、液位调节器、转速调节器等。从产品样式上分,调节器有数码显示、液晶显示、模块式调节器等产品。

调节器的应用领域非常广泛,在航空航天、化工、交通运输、电力、机电、制药、食品加工、造纸等行业都需要使用调节器,调节器在现代生产生活中已经不可缺少。巨大的应用带来了巨大的市场,很多公司设计、研发、生产、调节器,很多大厂家有霍尼韦尔、山武、欧陆、欧姆龙、横河、西门子都在生产制造调节器,他们占据了调节器的高端市场。国内市场的中低端市场被一些大的厂家占据,主要包括富士、台达、宇电、岛电、RKC等。更低端的市场基本上为本土企业都占据。

虽然调节器生产制造厂家众多,但在产品的外观、样式、功能上却大同小异。C5调节器是由杭州盘古自动化系统有限公司经三年多的研发最新设计出来的的一款调节器,仪表在硬件的可靠性、稳定性做了大量的实验与测试,并在控制算法、显示、人机操作、软件多功能性上做出了很多创新,填补了市场的空白。

1C5调节器的技术特点及技术创新

1.1  控制算法

       调节器的控制算法一般采用经典PID算法或改良的PID算法。

      

经典PID的结构框图

   

经典PID的传递函数

        其中Kp为比例增益,Ti为积分时间,Td为微分时间,Kd为微分增益。

        经典PID算法是按偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)进行控制的PID调节器,具有原理简单,易于实现,适用面广,参数的选定比较简单等优点,是应用最为广泛的一种调节器,非常适合流量、液位、压力等线性对象。

        温控专用PID则是在经典PID的基础上做了改良,在控制过程中对超调进行抑制,最大限度抑制超调,这种算法适合电炉类的具备大惯性,非对称的控制对象。C5调节器提供经典PID算法和温控专用PID算法两种算法。对不同的控制对象,可以选用不同的控制算法。

        有些控制对象,如温度控制,属于非线性对象,在高温阶段与低温阶段,模型的参数会有较大的差别,只用一组PID参数,很难得到更高品质的控制效果。C5调节器提供4PID参数,用于满足不同设定区域内的控制要求。

1.2 程序控制

        在生产过程中,经常涉及程序控制。程序控制是指设定值按照固定程序实现的自动控制,广泛应用于控制各种生产和工艺加工过程。

      C5调节器最多提供10组程序,每组程序最多带30段程序,用于满足不同的工艺要求。

        C5调节器提供程序段预览功能,可以在仪表上预览设置好的工艺曲线,减少设置错误的发生。程序段预览功能是C5调节器的一大创新。

       1.3   高稳定性的硬件

        C5调节器的一大技术特点是采用了高可靠性的硬件。与普通调节器相比,C5调节器测量速度更快,测量精度更高。低温漂、抗干扰设计保证调节器在应用过程的强壮性与安全性。

       1.3.1  高精度/高速度测量

       目前市场上的调节器,信号采样基本上都采用双积分电路,双积分电路的优点是抗干扰能力强,硬件成本低,缺点是精度差,一般只能达到12位或14位。如果采用滤波的方法提升测量精度,会带来响应速度慢的问题。C5调节器采用了TI公司的24位Σ-Δ A/D转换芯片。 热电偶、热电阻信号在全量程范围内测量精度高达±0.1℃以内,0-5V 4-20mA等信号,精度高达±0.1%以内,C5调节器对信号的响应速度控制在0.2秒内。高精度/高速度测量能大幅提升控制品质。

      1.3.2  低温漂设计

       C5调节器的采用低温漂性能的元器件,仪表在高低温环境下使用时,测量精度得以保证,控制效果不失真。

      1.3.3   抗干扰设计

       调节器最严重的故障之一是测量值跳变,测量值跳变会带来输出的不稳定,从而引起控制对象的不稳定,严重的会损坏控制对象,甚至引起火灾等灾难性事件。引起测量值跳变的原因有很多,如接线松动、信号断线等,最多的原因还是来自设备的干扰。一些设备厂家,考虑成本因素或自身设计水平不足,有时会把信号线、动力线混搭在一起,这些设备往往还不接地线。在使用变频器、功率调整器等变频装置下,会产生强大的电磁干扰,干扰信号的强度有时会超过信号强度,此时调节器的抗干扰能力就显得格外重要。

C5调节器采用多重滤波、大面积接地等方法,增强仪表的抗干扰能力。C5调节器通过电快速瞬变脉冲群、抗雷击浪涌抗扰度、信号串模干扰、信号共模干扰等多种实验,确保仪表在强干扰环境下信号不跳变。

       1.3.4   电流输出、电压脉冲输出 一体化设计

       调节器的控制输出方式有电流电压输出、电压脉冲输出等几种方式。电压电流输出用于驱动功率调整器、调节阀类的执行器,电压脉冲输出是时间比例方式的电压输出,驱动固态继电器类的执行器。

       目前市场上的调节器,采用小模块输出方式,不同种类的输出模块,输出不同的信号。这种方式设计比较简单,但通用性差,销售服务时需要预先了解现场情况,才能配置调节器。

C5调节器,采用一体化设计,在一个电路上同时实现使电流输出与电压脉冲输出,并在同一个输出端子上得以实现。只需在调节器的组态参数上更改输出方式即可实现输出方式的切换。一体化设计给调节器的生产、销售、服务带来很大的便利。

1.4  多功能设计

       目前市场上的调节器,主机大部分采用的是单CPU结构,需要实现输入、控制运算、输出、通讯、显示、存储、报警等多项功能,实现起来比较复杂,往往是强化了某一项功能,另外的功能就会弱化。而一些更为复杂的功能、如以太网、USB、彩色液晶显示等,采用单CPU模式,很难实现。

C5调节器采用双CPU结构,辅CPU实现输入、控制运算、输出、报警等基本功能,主CPU实现液晶显示、记录、报表、通讯、USB等复杂功能。双CPU结构使调节器的多功能设计的实现得以可行。

1.4.1  彩色液晶显示

C5调节器采用彩色液晶显示,丰富显示内容,简化人机操作。在同一个画面内可以同时显示测量值、设定值、程序运行状态、程序号、段号、设定时间、运行时间、升降温状态、手自动状态等基本元素,C5调节器还实现了测量值与给定值的实时曲线,这些功能在数码显示调节器上是不可能实现的。

与传统数码管调节器相比,采用液晶显示最大的优点是简化人机操作。C5调节器的组态设置及操作非常简单,具有很好的人机交换,新手稍加培训,即可熟练使用。

1.4.2  记录与备份功能

C5调节器具有测量值与设定值的记录功能,用户可以在仪表上追忆历史数据。也可以通过U盘把历史数据备份到计算机,通过上位机管理软件查看、分析、打印和管理。C5调节器集调节器与记录仪于一身,这个功能也是C5调节器的一大创新。

1.4.3 组态导入导出

C5调节器有多达10×30个程序段,这么多参数的设置是一个非常繁琐的工作。C5调节器提供两种非常快捷的方法设置参数。一种是通讯导入组态,一种是U盘导入组态。在上位机组态软件编辑组态参数,生成组态文件,然后通过通讯或U盘导入的方式,把组态文件导入到仪表。使用这种方法,可以节约大量的人力成本,特别是一批调节器采用相同参数时,效果尤其明显。

1.5 通讯功能

C5调节器提供两组485通讯,一组通讯实现仪表与计算机通讯,另一组通讯实现仪表与仪表或仪表与其他设备之间的通讯。

C5提供强大的上位机管理软件,可以对485网上的C5调节器执行程序段的运行、暂停、停止、手自动切换、程序切换、段切换、自整定等,也可以下传程序段参数。485网最多可以接16台调节器,上位机管理软件对网上的调节器进行实时监控,并对实时数据进行保存、分析、打印和管理。

2 C5调节器的应用

       C5调节器性能稳定,控制精度高,在很多工业现场得以应用。其中,在中国科学院硅酸研究所的一台多段式升降炉上的应用是一个比较典型的应用。升降炉共有9个控温区,每个温区都需要执行升温、保温与降温过程,需要执行程序控制。升降炉烧制两种完全不同的材料,需要两条完全不同的工艺曲线。硅酸研究所对程序控制的曲线要求非常高,升温过程的测量值曲线的斜率与设定值曲线的斜率需要保持一致,保温过程的控制精度要求在±0.1℃以内。C5调节器满足了升降炉的要求。

       在这台多段式升降炉上,还实现了9C5调节器的485组网,使用C5调节器的上位机管理软件,在计算机上方便的实现实时监控、数据记录、数据打印、数据分析。通过上位机管理软件可以方便操作调节器,实现程序的运行、暂停、停止、手/自动切换、程序切换以及实现程序段的设置,给现场操作人员带来很大的便利。

3 结束语

       随着时代的发展,生产过程的自动化水平越来越高,人工智能水平会越来越高,调节器的需求也会越来越大。同时,时代也会对传统调节器提出更高的要求,未来的调节器将会朝智能化、网络化发展,控制本身需要更快的控制速度、更高控制精度。C5调节器将会朝这个目标继续完善,为我国智能调节仪表的发展做贡献。

参考文献:

1:胡寿松  自动控制原理[M]  北京 科学出版社  2007

2:杨献勇  热工过程自动控制[M] 北京 清华大学出版社 2008

3:刘金琨  先进PID可控制MATLAB仿真[M]  北京 电子工业出版社 2011

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