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经济型单回路智能调节器的可靠性设计



摘要 经济型单回路智能调节器是自行开发研制的新型数字调节器,CPU采用8098单片机,带有通讯和自诊断功能,向上兼容于日本横河公司生产的YS-80单回路数字调节器,可作为集散控制系统的下位机。本文介绍基本原理,并着重介绍设计中所采用的可靠性措施。

  关键词: 调节器 单片机 控制 数字通讯

  1 前 言

  数字计算机具有实现各种数字运算和逻辑运算的能力,可对调节回路进行检测和控制。由于运算速度快,一台计算机可同时对多个回路集中进行处理,称多回路调节器。多回路调节器的优点是一机多用,但有故障集中的缺点。计算机技术的发展使得微处理器出现,它的价格低,功能强,可靠性高。为了克服多回路调节器故障集中的隐患,采用微处理器作为核心部件的单回路数字调节器相继出现。到目前为止,智能化数字调节器在石油、化工、冶金等工业生产过程中得到广泛的应用。

  在智能化过程控制仪表中,目前我国大量依靠进口和引进技术生产,但价格都比较昂贵,特别不适合于中小型企业。为此,我们研制了一种价格低廉,性能价格比高,适合于我国国情的单回路智能调节器。该调节器向上兼容于日本横河公司生产的YS-80单回路数字调节器,但价格只有YS-80的三分之一,经济实惠。

  2 单回路智能调节器的基本结构

  调节器基本原理如图1所示,由8098微处理器、程序存贮器、数据存贮器、译码电路等形成的最小系统;输出跟踪电路;模拟量输入输出通道;数字量输入输出通道;数字通讯电路;系统监视电路等构成。由于8098微处理器集成度高,功能全,因而大大简化了外围电路,降低了设计成本,增强了系统的可靠性。

  调节器有模拟量输入信号2点,1~5VDC,分别为过程量(PV)和串级设定(CV)输入;模拟量输出信号7点,4~20mA及1~5VDC;通讯接口为20mA电流环,可与μXL、CENTUM及兼容通讯单元通信。正面操作板有5点信号指示,故障指示1点,报警指示1点,运行状态指示3点(手动LM、自动LA、串级LC);3组功能键,分别为运行状态切换功能(M、A、C),设定值增减键(SET)和手动输出增减键(INC、DEC);测量及给定指示采用双针动圈表,精度0.5级。侧面操作板有3组3位拨盘,用于设置调节参数(PID);2个倒位开关,分别为正反作用和开方运算开关。

  3 可靠性设计

  3.1 主机运行中的抗干扰措施

  (1)机器指令代码的巧妙利用。8098软复位指令的机器代码为FFH,与EPROM空白单元的内容相同,若程序受干扰而跳飞至空白单元时,会产生软复位,使系统迅速返回到初始状态执行。在烧写EPROM时,除程序占用存贮单元外,其余存贮单元必须保持原空白状态(FFH)。

  (2)看门狗监视电路。若程序无意进入死循环或者主机工作不正常时,上述方法是无能为力的,可采用看门狗电路(WDT)来处理。看门狗电路如图2所示。主机正常工作时,向计数器定时发清零信号。主机工作异常时,计数器会发生溢出,同时产生主机复位信号,使主机重新复位。

  3.2 安全运行的后备措施

  在调节器的设计中,安全可靠运行占及其重要的地位。调节器除具有软手动、自动、串级三种工作方式外,还必须具备硬手动备用工作方式,一但主机故障失灵,就自动切换到手动备用状态,同时进行故障报警,以便操作人员根据现场情况进行手动操作。硬手动操作一般采用图3所示的电路,其中C 1为输出保持电容器,通过增、减键对电容充电或放电,以达到手动控制的目的。图中12V电源和电阻R 1用来补偿电容C 1的静态放电。这种电路似乎比较合理,但实际上还存在着问题,因为随着电容C 1上的电压改变,很难做到电容的静态放电和补偿完全平衡。实验证明,就YS-80而言,尽管采用了等电位隔离、专用电容等措施阻止,但还是以每小时15%~20%的速度放电。这样不便于操作,更重要的是在调节器发生故障而自动切换到手动操作状态时,若操作人员未及时发现,就会影响整个控制系统,造成不合格产品出现或者出现更大的事故。更可靠的方法是输出采用数字保持,图4所示。图中采用了一个可逆计数器,在正常工作时,对调节量进行输出跟踪,以便平稳地切换到手动备用状态,而在故障情况时,可通过增、减键改变计数值,达到手动操作输出的目的。


  3.3 自检功能

  调节器在恶劣的环境下运行,会使电路参数发生改变,因此,必须具备自检功能,以便进行校正或错误处理。

  (1)RAM自检。将具有代表性的代码“55H”、“AAH”分别写入某些单元,再分别读出来与写入代码进行比较,检查是否有错,有错则进行故障报警处理。

  (2)EPROM自检。在EPROM的非代码区开辟8个单元空间,置入校验数据、校验字及校验和,如表1所示。校验字按偶校验设置,校验数据、校验字按位进行异或运算,结果为校验和“OOH”。调节器在运行中按此方法对EPROM自检,若校验和不为零,则故障报警。

  (3)A/D自检。A/D转换器的转换精度直接影响着仪表的精度,因此,对它的检测十分重要。本调节器采用精密基准电压源产生了1V和5V两个基准电压,在A/D转换前先对基准电压进行检测,看误差是否在允许范围内,并进行相应的处理。

  (4)D/A自检。D/A自检是在确认A/D正常的情况下进行的,把所有D/A输出通过A/D反读回来,与输出至D/A的数字量进行比较,看误差是否在规定的范围内,并进行相应的处理。

  调节器在运行中除具有以上自检功能外,还有操作输出开路自检,备用电池电压自检等,这里不再一一赘述。

  3.4 A/D转换器的抗干扰措施

  (1)滤除工频干扰。在工业过程控制中,工频干扰是难以避免的,它常叠加在有用信号上,影响控制效果。工频干扰的周期为20ms,可通过采样间隔为10ms,即在工频信号正、负半周的对应位置分别采样,两次采样求平均值的方法滤除。

  (2)克服零漂及增益误差。A/D转换因受环境的影响,零漂和增益的变化是不可避免的,可采用实时自动校正措施予以克服,即在每个控制周期都要进行校正处理。具体方法为:对1V和5V标准电压进行A/D转换,根据转换结果计算转换特性,以求出A/D转换的准确值。转换特性如图5所示,图中L 1为A/D转换的理论特性,L 2为增益变化后的特性,L 3为产生零漂时的特性,L 4为增益变化和零漂同时存在时的特性。

  设特性L2的增益为K1

  设输入电压为V′时,A/D转换量为PV′,则准确值PV=1/K(PV′-d)。

  3.5 D/A转换的补偿措施

  调节器有四路模拟输出量,用一个D/A转换器采用多路开关按时间段分别输出到保持电容上。保持电容的漏电会是输出产生偏差,必须进行补偿,以保证输出精度。在每次D/A转换前,先把输出的模拟量通过A/D反读回来,与上次输出数字量进行比较,若偏差大于2bit,把偏差值加在本次输出上,作为补偿;若偏差小于2bit,则作1bit积累,累积值大于等于10时,则对本次输出做1bit补偿。

  4 结束语

  经济型单回路智能调节器是针对中小型企业开发的控制仪表,亦可作为大专院校的教学仪器。作为小型集散控制系统的下位机,首先使用于西安化工厂氯乙烯精馏塔计算机控制系统中。现已安全运行近两年,控制效果良好,深受用户欢迎。

  参考文献

  1 方建淳.8098单片机原理与应用技术.天津科学技术出版社,1990

  2 施仁,蔡建陵.微机控制仪表及系统.陕西科学技术出版社,1988


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