智能型單回路調節器設計思想的探討

運春英，李曉仲，周建軍

(1. 天津市一輕集團(控股)有限公司計量站 天津300111；2. 天津市計量監督檢測科學研究院 天津300192)

智能型單回路調節器設計思想的探討

運春英1，李曉仲2，周建軍2

(1. 天津市一輕集團(控股)有限公司計量站 天津300111；2. 天津市計量監督檢測科學研究院 天津300192)

模擬式調節器是生產控制過程中常用的一種儀表，隨著科學技術的進步，自動化水平的提高，某些計量參數已經無法實現相關技術要求。因此，對具有計算、控制輸出、遠傳通信、數字屏幕顯示等功能的智能型單回路調節器進行研究、設計是必要的，這種調節器對解決自動化生產中控制、調節和分散控制系統多參數的問題起到了重要的作用。對智能型單回路調節器設計思路進行了分析和探討，為此項目的研究工作提供了借鑒和參考。

調節器 智能控制 模擬

隨著科學技術的不斷發展，人們正在研究用智能模糊的控制方法對產品的生產過程進行參數調整和狀態控制。這使得工業計算機和具有調節功能的自動化儀表開始被研制和應用，并且在可靠性和能耗方面不斷進行完善和改進。

智能控制的具體方式有兩種，即直接數字控制和計算機監控。前者由計算機代替常規調節器的功能，后者由計算機向調節器傳輸給定值，由調節器完成控制、調節作用。從自動化連續和安全生產考慮，計算機控制和分散控制兼顧，各取所長。目前設計的調節方式中，都保留了數字通信功能，控制中心及其所屬回路與操作臺之間，保留數字通道聯系，實際上并不是單純的分散控制。隨著單回路調節器核心部件功能的不斷完善，新技術不斷應用，使調節器成為一種智能儀器，在生產實踐中被廣泛應用。

1 具有與常規模擬調節器相同的外型

智能型單回路調節器(以下簡稱調節器)，其內部雖然以數字量的形式進行運算，但是外部的連接方式與模擬調節器相同，輸入、輸出電量參數為直流電壓、電流。同時，保留外接點的開關量輸入和報警的通斷信號輸出，供電電源是直流DC24V。

由于引進了智能芯片核心技術，調節器的功能比一臺常規模擬式調節器的功能要強大且豐富，同時實現這些功能主要依靠軟件完成，而不是硬件的增加。因此，外形結構與原儀器保持一致，在自動化儀表結構設計中，各開孔尺寸不必修改，可直接安裝。

正是因為外型結構特性一致，具有兼容性和互換性，使用操作方便，便于更新換代。

2 保持常規模擬式調節器的操作方式

調節器的參數設定一般選擇在前面板，與模擬式調節器極為相近，采用數字顯示方式，包括瞬時量檢測值、參數設定值、過渡過程的狀態、累積量值、時鐘及調節性能等，有些調節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和檢測結果，通常設計中設置4位或多位數字密碼鎖，保證數字指示結果不受外界影響。

一般情況下，只有在整定參數或停機檢修時，才會對數字參數進行修改操作。所以，對習慣于使用模擬調節器的技術操作及檢測人員來說，僅僅需要培訓操作方法，甚至對計算機知識了解較少時，也能順利地掌握并進行操作。

即使需要進行控制參數的整定，甚至對系統的工作方式重新組態而改變參數時，只需按照面板鍵盤的觸摸方法進行操作，或利用編程器上的鍵盤編寫、修改程序，即可以完成相應工作。

由于上述特點，操作和有關檢驗人員對這種原理新穎、功能強大、構造迥異、安全可靠的調節器是能夠按照規范和方法熟練操作使用的。這不僅有利于推廣，對保證生產安全和產品質量也十分重要。

3 降低經濟成本提高性能

模擬式調節器要增加功能則需要增加電路元器件，改進電路設計，選用優級材料，這樣做不但會提高成本，而且會使系統的可靠性大大降低。調節器從設計開始，就充分考慮系統的可靠和穩定性，發揮軟件功能，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節器新的功能，無需補充任何硬件，這樣利用提高軟件效率，就可節省某些其他儀表的投資。

例如，以一臺爐溫程序串級控制系統為例進行分析。如圖1所示，采用常規模擬式儀表，不包括差壓變送器則需要6臺。若采用調節器，由于它本體可實現串級控制、開方運算及報警開關量輸出，因此可實現1臺替代5臺的作用，如圖2所示。有些調節器還可以將溫度傳感器信號直接輸入，節省了溫度變送器。

圖1 爐溫程序串級控制系統Fig.1 Cascade control system of furnace temperature programme

圖2 調節器爐溫串級控制系統Fig.2 The controller’s cascade control system of furnace temperature

單回路調節器，在PID控制之外可附加其他功能，包括運算、線性化、控制、報警、標準狀態系數修正等，所以許多常規儀表的專用單元都可以省略。

對調節器的調節控制規律而言，調節器不僅可以實現簡單PID方法，采樣保持PI控制、非線性PID修正、時間比例PID參數整定等，還可以實現串級、比值、選擇、時鐘設定、前饋等。

4 功能模塊化和軟連接

調節器由多個單元組成，它包括多種多樣的功能，涉及到不同的程序，每一個獨立功能組成一個“功能模塊”，它的作用和模擬儀表中獨立單元相當，但它是無形的，沒有具體線路和元件。為了在構成系統時便于分析，通常我們用方框圖表述模塊的作用，標明輸入、輸出端子，在實際線路中這些都是抽象的，僅存在于軟件中。

每一個功能模塊和端子都設計有專門的代碼符號標記，按照這些標記由人機接口(鍵盤和顯示)連接需要的功能，預置在芯片中，組成控制系統，其效果和用導線把各個單元組合儀表連成系統是一樣的。這里既不用導線，也沒有端子，直接通過軟件實現，也稱為軟接線，這樣做也增加了調節器工作的可靠性，保證了系統的穩定。同時，在改變系統和更改功能時，不必重新設計硬件構成，只需修改程序，即可實現。

5 自診斷和異常報警

為了保證系統運行安全，需要對儀表控制參數進行上、下限報警，同時還要使調節器對自身的參數運行情況保持判斷能力。例如，主程序的運行、模擬量與數字量之間轉換、通訊功能、硬件的可靠性、顯示參數準確度等工作是否有自診斷措施。一旦發現異常現象要有報警信號，通過數字或屏幕顯示出特定的字母或數字表明故障所在。通過采取措施，例如將自動切換到手動或將輸出保持在故障前狀態，或自動脫離上位計算機而改成獨立運行等。

在用鍵盤設定程序或參數時，如果操作方法不對，或所設定的參數超出允許范圍，數字或顯示屏就會出現代表“錯誤”的符號。如果指示表頭、報警燈、鍵盤及顯示器有局部失效，也能發現并提示。外電路的故障也能識別，并發出報警信號。

總之，自診斷的運用和設計使得系統故障能被及時發現，并且能指出發生故障的地點、范圍，這對于安全生產，維護系統穩定運行是十分必要的。

6 通信功能

調節器不僅能夠代替模擬式儀表在過程控制系統中工作。在設計中還充分考慮了發展過程的需要，使它能夠在集中分散控制系統中發揮作用。為此，調節器的操作功能在有操作臺或中央控制室存在的前提下，只要接上通信接口和電纜，就能實現集中分散控制。在這種條件下，各個單回路調節器的輸入、輸出及PID參數、數據都可以通過電纜傳送到操作臺中控機CRT顯示屏。此時，中心控制系統可以對任何一臺單回路調節器的運行及參數發出控制指令，使被控參數在穩定、準確區向內。

7 結 語

結合自動化生產中各種調節、控制計量參數的要求，對調節器的設計思想進行了探討分析。完善的調節器設計思路能夠使它在自動化生產中解決諸多問題，同時也能夠預測各種故障的發生。

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

［2］ 王祁. 智能儀器設計基礎[M]. 北京：機械工業出版社，2010.

［3］ 張元良. 智能儀表設計實用技術及實例[M]. 北京：機械工業出版社，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