智能型单回路调节器设计思想的探讨

运春英，李晓仲，周建军

(1. 天津市一轻集团(控股)有限公司计量站 天津300111；2. 天津市计量监督检测科学研究院 天津300192)

智能型单回路调节器设计思想的探讨

运春英1，李晓仲2，周建军2

(1. 天津市一轻集团(控股)有限公司计量站 天津300111；2. 天津市计量监督检测科学研究院 天津300192)

模拟式调节器是生产控制过程中常用的一种仪表，随着科学技术的进步，自动化水平的提高，某些计量参数已经无法实现相关技术要求。因此，对具有计算、控制输出、远传通信、数字屏幕显示等功能的智能型单回路调节器进行研究、设计是必要的，这种调节器对解决自动化生产中控制、调节和分散控制系统多参数的问题起到了重要的作用。对智能型单回路调节器设计思路进行了分析和探讨，为此项目的研究工作提供了借鉴和参考。

调节器 智能控制 模拟

随着科学技术的不断发展，人们正在研究用智能模糊的控制方法对产品的生产过程进行参数调整和状态控制。这使得工业计算机和具有调节功能的自动化仪表开始被研制和应用，并且在可靠性和能耗方面不断进行完善和改进。

智能控制的具体方式有两种，即直接数字控制和计算机监控。前者由计算机代替常规调节器的功能，后者由计算机向调节器传输给定值，由调节器完成控制、调节作用。从自动化连续和安全生产考虑，计算机控制和分散控制兼顾，各取所长。目前设计的调节方式中，都保留了数字通信功能，控制中心及其所属回路与操作台之间，保留数字通道联系，实际上并不是单纯的分散控制。随着单回路调节器核心部件功能的不断完善，新技术不断应用，使调节器成为一种智能仪器，在生产实践中被广泛应用。

1 具有与常规模拟调节器相同的外型

智能型单回路调节器(以下简称调节器)，其内部虽然以数字量的形式进行运算，但是外部的连接方式与模拟调节器相同，输入、输出电量参数为直流电压、电流。同时，保留外接点的开关量输入和报警的通断信号输出，供电电源是直流DC24V。

由于引进了智能芯片核心技术，调节器的功能比一台常规模拟式调节器的功能要强大且丰富，同时实现这些功能主要依靠软件完成，而不是硬件的增加。因此，外形结构与原仪器保持一致，在自动化仪表结构设计中，各开孔尺寸不必修改，可直接安装。

正是因为外型结构特性一致，具有兼容性和互换性，使用操作方便，便于更新换代。

2 保持常规模拟式调节器的操作方式

调节器的参数设定一般选择在前面板，与模拟式调节器极为相近，采用数字显示方式，包括瞬时量检测值、参数设定值、过渡过程的状态、累积量值、时钟及调节性能等，有些调节器还能指示出与上位通讯口工作情况等，为了防止任意修改参数和检测结果，通常设计中设置4位或多位数字密码锁，保证数字指示结果不受外界影响。

一般情况下，只有在整定参数或停机检修时，才会对数字参数进行修改操作。所以，对习惯于使用模拟调节器的技术操作及检测人员来说，仅仅需要培训操作方法，甚至对计算机知识了解较少时，也能顺利地掌握并进行操作。

即使需要进行控制参数的整定，甚至对系统的工作方式重新组态而改变参数时，只需按照面板键盘的触摸方法进行操作，或利用编程器上的键盘编写、修改程序，即可以完成相应工作。

由于上述特点，操作和有关检验人员对这种原理新颖、功能强大、构造迥异、安全可靠的调节器是能够按照规范和方法熟练操作使用的。这不仅有利于推广，对保证生产安全和产品质量也十分重要。

3 降低经济成本提高性能

模拟式调节器要增加功能则需要增加电路元器件，改进电路设计，选用优级材料，这样做不但会提高成本，而且会使系统的可靠性大大降低。调节器从设计开始，就充分考虑系统的可靠和稳定性，发挥软件功能，最大化的占有核心部件——芯片的容量，增加软件就可以赋予调节器新的功能，无需补充任何硬件，这样利用提高软件效率，就可节省某些其他仪表的投资。

例如，以一台炉温程序串级控制系统为例进行分析。如图1所示，采用常规模拟式仪表，不包括差压变送器则需要6台。若采用调节器，由于它本体可实现串级控制、开方运算及报警开关量输出，因此可实现1台替代5台的作用，如图2所示。有些调节器还可以将温度传感器信号直接输入，节省了温度变送器。

图1 炉温程序串级控制系统Fig.1 Cascade control system of furnace temperature programme

图2 调节器炉温串级控制系统Fig.2 The controller’s cascade control system of furnace temperature

单回路调节器，在PID控制之外可附加其他功能，包括运算、线性化、控制、报警、标准状态系数修正等，所以许多常规仪表的专用单元都可以省略。

对调节器的调节控制规律而言，调节器不仅可以实现简单PID方法，采样保持PI控制、非线性PID修正、时间比例PID参数整定等，还可以实现串级、比值、选择、时钟设定、前馈等。

4 功能模块化和软连接

调节器由多个单元组成，它包括多种多样的功能，涉及到不同的程序，每一个独立功能组成一个“功能模块”，它的作用和模拟仪表中独立单元相当，但它是无形的，没有具体线路和元件。为了在构成系统时便于分析，通常我们用方框图表述模块的作用，标明输入、输出端子，在实际线路中这些都是抽象的，仅存在于软件中。

每一个功能模块和端子都设计有专门的代码符号标记，按照这些标记由人机接口(键盘和显示)连接需要的功能，预置在芯片中，组成控制系统，其效果和用导线把各个单元组合仪表连成系统是一样的。这里既不用导线，也没有端子，直接通过软件实现，也称为软接线，这样做也增加了调节器工作的可靠性，保证了系统的稳定。同时，在改变系统和更改功能时，不必重新设计硬件构成，只需修改程序，即可实现。

5 自诊断和异常报警

为了保证系统运行安全，需要对仪表控制参数进行上、下限报警，同时还要使调节器对自身的参数运行情况保持判断能力。例如，主程序的运行、模拟量与数字量之间转换、通讯功能、硬件的可靠性、显示参数准确度等工作是否有自诊断措施。一旦发现异常现象要有报警信号，通过数字或屏幕显示出特定的字母或数字表明故障所在。通过采取措施，例如将自动切换到手动或将输出保持在故障前状态，或自动脱离上位计算机而改成独立运行等。

在用键盘设定程序或参数时，如果操作方法不对，或所设定的参数超出允许范围，数字或显示屏就会出现代表“错误”的符号。如果指示表头、报警灯、键盘及显示器有局部失效，也能发现并提示。外电路的故障也能识别，并发出报警信号。

总之，自诊断的运用和设计使得系统故障能被及时发现，并且能指出发生故障的地点、范围，这对于安全生产，维护系统稳定运行是十分必要的。

6 通信功能

调节器不仅能够代替模拟式仪表在过程控制系统中工作。在设计中还充分考虑了发展过程的需要，使它能够在集中分散控制系统中发挥作用。为此，调节器的操作功能在有操作台或中央控制室存在的前提下，只要接上通信接口和电缆，就能实现集中分散控制。在这种条件下，各个单回路调节器的输入、输出及PID参数、数据都可以通过电缆传送到操作台中控机CRT显示屏。此时，中心控制系统可以对任何一台单回路调节器的运行及参数发出控制指令，使被控参数在稳定、准确区向内。

7 结 语

结合自动化生产中各种调节、控制计量参数的要求，对调节器的设计思想进行了探讨分析。完善的调节器设计思路能够使它在自动化生产中解决诸多问题，同时也能够预测各种故障的发生。

［1］ 朱欣华. 智能仪器原理与设计[M]. 北京：高等教育出版社，2012.

［2］ 王祁. 智能仪器设计基础[M]. 北京：机械工业出版社，2010.

［3］ 张元良. 智能仪表设计实用技术及实例[M]. 北京：机械工业出版社，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