一种带馈电的PID多功能过程程序控制器及其控制流程的制作方法

本发明涉及工业自动化控制设备领域，具体为一种带馈电的PID多功能过程程序控制器及其控制流程。

背景技术：

在工业控制领域经常需要对多种信号进行控制，PID控制器是一个在工业控制应用中常见的反馈回路部件，当前的工业PID控制器大多兼容的输入信号类型偏少，对于非线性热电偶、热电阻等信号采用模拟曲线拟合技术实现，精度较低，量程参数设置比较繁琐，输入量程设置不支持非线性化处理功能，对于特殊应用场合不适用，不支持多段程序控制，并且现有的控制器中没有存储元件，即使有也均是挥发性存储部件，无法实现断电保存程序运行过程中的各个状态，并且大部分的控制器没有自整定参数功能，无法快速确定系统的控制参数，现有的经典控制器在实际生产过程中对于扰动控制效果不理想，输出方式比较单一，设计控制回路时可选择的方案有限，只有一路输入，回路模式比较单一，没有远程设定SV功能，而目前大多数DCS系统都需要远程SV设定，除此之外没有馈电供电电源，对于需要提供电源的变送器还需要额外配置供电电源，另外现有的控制器大部分不支持自定义DI输入功能，应用场合比较局限，不能很好的扩展功能。为此，提出一种带馈电的PID多功能过程程序控制器及其控制流程。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种带馈电的PID多功能过程程序控制器及其控制流程，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种带馈电的PID多功能过程程序控制器及其控制流程，包括单片机、供电系统、采样系统、输入系统、输出系统，控制器还包括存储器、报警系统以及通信系统，所述采样系统、输入系统、输出系统、报警系统、存储器以及通信系统均与单片机电连接，所述输入系统包括第一输入接口和第二输入接口，所述第一输入接口和第二输入接口设有对应的数字式DI输入，所述输出系统包括PID控制输出和变送输出，所述供电系统的前后级均设有光电隔离模块，且所述供电系统包括开关电源和馈电供电电源，所述开关电源包括EMC抑制电路、负温度系数热敏电阻器、稳压反馈电压回路、滤波电容以及变压器，所述报警系统包括两路相互独立的报警继电器，所述单片机通过串行外设接口连接有显示系统，所述显示系统包括13位数码管和LED指示灯，且所述显示系统的电路中包括去抖动电容。

具体的，所述第二输入接口与氧电势探头连接。

具体的，所述第一输入接口和第二输入接口的量程可切换。

具体的，所述存储器为铁电存储元件。

具体的，所述通信系统采用RS485通信芯片，通信系统的前后级均设有光电隔离器件。

具体的，所述PID控制输出为线性电流、晶体管、可控硅和继电器。

具体的，所述输出系统中包括电压跟随器。

具体的，所述采样系统的采样数据为温度、压力或流量。

具体的，所述第一输入接口支持非线性数据输入，所述非线性数据输入为分段线性化，且分段的段数至少为八段。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过嵌入式单片机作为运算系统，可以兼容工业控制领域中绝大部分的常见信号输入类型，可对温度、压力、流量等过程参量进行控制和显示，并且具有馈电供电电源，可以给需要供电的特殊变送器提供电源，无需要额外配置供电电源，同时还设有两路相互独立的报警继电器，报警方式可以单独设定，满足不同报警场合应用，另外输入系统还设有两路数字式DI输入方式，支持多达11种自定义功能，应用方式灵活，并且设有具有铁电存储元件，能够断电保存程序运行过程中的各种状态，安全可靠，同时输入系统支持至少八段的程序设定，每个程序段可单独定义，应用灵活便捷适用性强，同时具有模块化的双PID控制输出功能，可根据执行设备的不同灵活选择。

附图说明

图1为本发明单片机的电路原理图；

图2为本发明单片机的外接端子连接图；

图3为本发明采样系统以及电源转换模块的电路原理图；

图4为本发明输入系统的电路原理图；

图5为本发明铁电存储元件的电路原理图；

图6为本发明数字式DI输入的电路原理图；

图7为本发明通信系统的电路原理图；

图8为本发明PID控制输出的电路原理图I；

图9为本发明PID控制输出的电路原理图II；

图10为本发明供电系统的电路原理图I；

图11为本发明供电系统的电路原理图II；

图12为本发明报警系统的电路原理图；

图13为本发明显示系统的电路原理图I；

图14为本发明显示系统的电路原理图II；

图15为本发明显示系统的电路原理图III；

图16为本发明的按键的电路原理图；

图17为本发明PID控制输出为晶体管输出方式的电路原理图；

图18为本发明PID控制输出为可控硅输出方式的电路原理图；

图19为本发明PID控制输出为继电器输出方式的电路原理图；

图20为本发明的控制流程原理图；

图21为本发明端子接线图；

图22为本发明的产品实物外观图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-22，本发明提供一种技术方案：一种带馈电的PID多功能过程程序控制器及其控制流程，包括单片机、供电系统、采样系统、输入系统、输出系统，所述单片机是整个控制器的核心部件，可以采用高速RISC指令集嵌入式单片机，其电路如图1所示，采用全数字式运算，实现测量、输出、显示、报警等功能，图1中的Y1是晶振元件，C29、C30是补偿电容，给单片机内部的RTCC实时时钟提供稳定的震荡源，产生程序段运行所需要的稳定时钟信号，PG1、R19组成烧写程序端子，可以实现在线烧写程序功能，便于调试测验以及程序更新，另外单片机的外接端子连接图如图2所示，其中P8、P9上的D15、D9、D11、D13是TVS管，抑制外接导线上的干扰，保护内部电路，本发明的PID控制输出具有双通道，其中P2、P6是第一PID控制输出的内部连接端子，P3、P7是第二PID控制输出2的内部连接端子，P4、P5是变送输出的内部连接端子，PH1是RS485通信的内部连接端子，采样系统采用高精度AD芯片，其电路原理如图3所示，图3中的U11、U12是电源转换模块，给AD芯片提供模拟工作电源，U2是24位的高精度AD芯片，全差分多通道输入，带有两路恒流源输出，采样率快、稳定性好，内部自带参考电压模块，实现最终电气量模拟信号转换为单片机可接受的数字量信号，C22、C24、C25、C26、C35是去耦合电容，输入系统的电路图如图4所示，且输入系统包括第一输入接口和第二输入接口，其中U6和U16是模拟多路开关，实现输入信号类型量程的切换以及输入1和输入2的切换，U5实现第一输入接口的5V和10V量程与其他2V以下电压输入范围信号的切换，U16实现第二输入接口的5V和10V量程与其他2V以下电压输入范围信号的切换，U6实现第一输入接口和第二输入接口的切换，控制器还包括存储器、报警系统以及通信系统，进一步的为了保证能够实时保存程序段运行过程中的各种工作参数和工作状态，可以实现掉电保存，安全可靠，本发明还包括了铁电存储元件，其电路图如图5所示，铁电存储元件在掉电后仍能够继续保存数据，写入速度快且具有无限次写入寿命，不容易写坏并且功率小，所述采样系统、输入系统、输出系统、报警系统、存储器以及通信系统均与单片机电连接，所述第一输入接口和第二输入接口设有对应的数字式DI输入，其电路如图6所示，其中U24、U25是光电隔离器件，实现外部数字开关输入量与单片机的光电隔离，R1、R2、R3、R81、C79与U25是数字输入DI1的输入侧检测电路，R78是DI1单片机侧的上拉电阻，C77是DI1单片机侧的滤波电容；R4、R5、R6、R80、C78与U24是数字输入DI2的输入侧检测电路，R77是DI2单片机侧的上拉电阻，C76是DI2单片机侧的滤波电容；所述输出系统包括PID控制输出和变送输出，且输出系统的PID控制输出为线性电流是，电路图如图8-9所示，其中U9是高精度DA转换芯片，实现数字量到模拟量的转换，产生输出电压，C46是去耦合电容；U8是精密参考电压模块为U9提供5V参考电压，R22、R23、R26、R36是限流电阻，C35是滤波电容，U10、U13、U14光电隔离器件，实现输出与单片机的光电隔离，R43、R44、R45是限流电阻，R47、R48、R49是下拉电阻；U7是低温漂精密运算放大器，U7A和限流电阻R30、R21、R24、R27、R29、R33以及扩流三极管V、V2组成电流转换电路，将U9输出的模拟量电压信号转换为电流信号，C28是去耦合电容，进一步的，为了提高参考电压的带负载能力，设置U7B、R25、R28组成电压跟随器；所述供电系统的前后级均设有光电隔离模块；

所述供电系统包括开关电源和馈电供电电源，为整个控制器以及各元件提供电源，所述供电系统的电路图如10-11所示，其中U22是整流桥元件、U23是开关电源控制元件，控制220V经过变压器T1转换成20V、24V和-15V，R73和RV2是电路保护器件，限制输入电压和输入电流，另外为了抑制EMC干扰，设有L9、CX1、L7、CY1、CY2组成的EMC抑制电路，除此之外为了保护U23在上电瞬间不被击穿，设置负温度系数热敏电阻器即R70为NTC电阻，抑制浪涌电流，并且通过C68、L8、C70、L10、R76组成滤波电路，抑制U22整流输出的干扰及杂波，使整流电压输出稳定，R69、R72、D19、D21、U26、C75组成U23的控制电路，实现过压、欠压保护功能，使整个电路能在85-265VAC输入电压范围内容可靠工作，同时通过R79、R83、D23、U26组成稳压反馈电压回路，使输出电压稳定，控制U23的工作状态，C63是去耦合电容，滤除变压器初级与次级之间的干扰；D18、D20、D22是整流二极管，把变压器T1产生的交流电压整流为直流电压，C64、C65、C69、C71、C73、C74是滤波电容，使输出电压稳定，R65、C62、R74、C67、R75、C72是反向电压吸收电路，保护整流二极管，20V电压给后级的输出系统、报警系统、通信系统等供电，15V和-15V给前级的采样系统供电，U29是开关电源控制元件，实现24V转换为3.3V，给单片机以及显示系统提供工作电源，C81、L11、C82是输入滤波电容，R86是U29的输入电压范围限定电阻，C80、L12、D24、R88、R90组成反馈及输出电压控制电路，使输出电压稳定在3.3V，C83、L13、C84、C85是输出滤波电容；D27、F2、C92组成24V馈电供电电路，对外接电路具有保护作用；R92、R94是数字地和模拟地的连接电路，实现数字地和模拟地的单点连接功能，供电系统的前后级在电气上完全隔离，安全系数高，抗干扰能力强。

所述报警系统包括两路相互独立的报警继电器，其电路如图12所示，K2、K3是报警继电器，实现报警系统开关动作，或者程序段指示动作，U33、U34是光电隔离器件，实现报警系统与单片机的光电隔离；R95、R96、R97、R98是限流电阻，D25、D26、C93、C94是辅助保护器件，Q3、Q4是驱动三极管；所述单片机通过串行外设接口连接有显示系统，其电路如图13-15所述，其中显示系统通过SPI总线通信可以实现驱动13位数码管和LED指示灯，13位数码管可分别显示过程值、设定值、输出百分比、程序段运行状态等信息，过程值与设定值分别都是5位显示，参考图13-15，其中LED1、LED2、LED3是共阳级数码管，R8、R9、R10是SPI通信的上拉电阻，C2、C3、C4是SPI通信的滤波电容，TR是RS485通信指示灯，在有数据传输时，闪烁指示通信状态，R11是限流电阻，OUT1和OUT2是PID1输出和PID2输出状态指示灯，当有PID控制输出时指示灯常亮，R17、R18是限流电阻，AL1和AL2是报警继电器的状态指示灯，当报警系统工作时指示灯亮，R12、R13是限流电阻，A/M是手自动指示灯，灯灭时表示自动控制，灯亮时表示手动控制，闪烁时表示控制器正在进行自整定参数状态，R7是限流电阻，DI1和DI2是数字量状态指示灯，当输入系统工作时指示灯亮，R14、R15是限流电阻，图16为按键电路的电路图，S1、S2、S3、S4是按键电路，操作实现参数修改及工作状态的转换等功能，C7、C10、C14、C15是去抖动电容使显示系统更加稳定，RP1是按键的上拉电阻。

进一步的，所述第二输入接口与氧电势探头连接，具有工业用的氧电势探头输入转碳势控制功能。

进一步的，所述通信系统采用RS485通信芯片，通信系统的前后级均设有光电隔离器件，其电路图如图7所示，其中U27是专用RS485通信芯片，U24、U25是光电隔离器件，实现通信总线系统与单片机的光电隔离，抗干扰能力强，R82、R84、R89是上拉电阻，R87、R89是下拉电阻，R85、R91是限流电阻。

进一步的，所述PID控制输出晶体管、可控硅和继电器，PID控制输出为晶体管输出方式时的电路如图17所示，其中V3是PID输出晶体管，D17是V3的保护二极管，U19是光电隔离器件，实现V3控制端与单片机的光电隔离，R55、R59、R60是限流电阻，F1是自恢复保险丝、限制输出电流不会过大；

PID控制输出可控硅输出方式时的电路如图18所示，其中U21是光电隔离器件，实现Q2控制端与单片机的光电隔离，U21与Q3组成可控硅输出类型的PID输出控制方式，R67、R66、R71是限流电阻，R68、C66是RC吸收电路，RV1是压敏器件、防止输入电压过高烧毁Q2；

PID控制输出继电器输出方式时的电路如图19所示，其中K1是PID输出继电器，D16是K1的保护二极管，Q1是驱动三极管，U20是光电隔离器件，实现K1控制端与单片机的光电隔离。

进一步的，所述S2中的数据参数为温度、压力或流量，可以根据实际情况对多种过程参量进行控制和显示。

进一步的，所述S3中的第一输入接口支持非线性数据输入，所述非线性数据输入为分段线性化，且分段的段数至少为八段，具有8段的程序段功能，每个程序段可单独定义PID控制输出的开关状态，程序段可以自定义循环次数以及程序运行结束后的输出状态，还可以设置段内循环，应用非常灵活便捷、适用性强。

本发明的的控制流程的步骤如下：

S1，控制器复位后进行初始化，

S2，采样系统对数据参数进行检测采样得到数据D0，

S3，通过输入系统中的第一输入接口输入数据值D1，

S4，通过输入系统中的第二输入接口输入数据值D2，

S5，通过单片机通过逻辑判断确定设置数据值DN即SV值，

S6，所述单片机通过数据值计算得出输入系统的动作指令，并将指令与报警系统的设定情况比对，进行逻辑判断是否触发警报，

S7，所述S6中的动作指令通过PID控制输出从而进行相应的动作，并通过变送输出将信号转变输出到远程设备中，之后再次出发控制的采样系统，从而完成一个控制循环。

本发明的接线端子如图21所示，其中端子号(13～15)对应开关电源，端子号(16～18)对应报警系统，端子号(19～21)对应数字式DI输入，端子号(21～22)对应变送输出，端子号(23～24)对应RS485通信系统，端子号(1～4)对应PID控制输出，端子号(5～6)对应馈电供电电源，端子号(7～12)对应采样系统。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。