本发明涉及一工业过程控制装置，特别是涉及一种微型的可编程工业过程控制装置。 自从70年代微处理机问世以来，控制工程师用予工业过程控制的手段有了根本性的变革。使得控制工程师第一次有可能站到一个新的高度，对整个工业过程进行一种全新的控制。
传统的仪表控制系统，投资少，回收快，易于为用户接受。但是，从现在过程控制来看，传统仪表控制系统的改进主要为防止干扰，稳定运转，没有考虑节能。而考虑节能的控制系统，不仅必须迅速处理过程干扰，适应运转条件的变化，保证产品质量，防止环境污染，同时还要把能耗减少到最低限度。因此，要求比传统的模拟仪表恒值反馈控制-温度、流量、压力保持恒值的PID控制具有更加高级的控制功能，包括非线性控制、前馈控制、纯滞后时间补偿、相位补偿、多变量复合运算控制等。
用模拟表实现这种高级控制，存在以下问题和限度。
1.增加运算器和仪器的台数，因而各种仪器的误差重叠，精度下降，可靠性下降。此外，数量众多的仪器对整个系统的调试必定带来困难，同时也使仪表屏变得庞大无比。
2.传统的模拟仪表由于电气性能上的限止，实际上无法进行精确的钝滞后时间补偿，相位补偿和非线性运算。更无法对各种关键参数进行储存、分析、比较，从而对整个工业过程实现最佳控制。
采用数字计算机的直接数字控制（DDC）具有上述高级控制功能，而且使用方便，早已获得实际应用。但由于采用集中控制，遇到了以下问题，无法在工业界推广。
1.用一台过程计算机控制几十个回路，甚至上百个回路，计算机一旦发生故障，所有设备都停止运转。要避免这种弊害，就得使用多台计算机，或设置备用仪表，二者都使设备投资大为增加。
2.计算机编程需要专门知识，软件的人事费用极高。这样，硬件、软件都要求大量投资，难以为用户接受。
因此，本发明的目的是提供一种能克服上述先有技术中不足之处地系统或装置。
本发明的另一目的提供一种体积小，易于安装，操作简单的工业过程控制装置。
本发明的又一目的提供一种微型的，具有多种控制功能，并可根据需要选择功能的灵活经济的控制装置。
本发明装置首先包括一功能部件（或称功能卡）。该功能部件有许多功能单元组成。其中每一个功能单元可执行一种算法操作。用户可以通过功能部件上与各功能单元对应的功能选择开关来选择是否执行这些算法操作。上述功能单元执行的算法操作可以是加法，减法，乘法，除法，以及一些函数进行，逻辑运算等（具体见表1）。
本发明装置还包括有参数部件（或称参数卡）。参数部件中包括有多个精密电位器。该电位器用于调整所需的控制参数。这些可由用户调整的控制参数被送到功能部件上的相应的功能单元中，从而可执行用户所需的算法操作。
本发明装置还包括单片微型计算机作为本发明的控制核心。本发明装置可以单独使用，也可以多台联网使用，也可以与上位机联网使用。本发明装置单独使用时，可以构成一些简单的控制系统。多台本发明装置通过RS-232接口联网时可以构成各种复杂的综合控制系统。当多台本发明装置通过RS-232接口与上位机联网使用时，不仅可以构成各种复杂的综合控制系统还可以通过上位机对整个生产过程进行调校，作为上位机的一个智能化前级工作站进行工作。
本发明的微型工业过程控制系统是采用单片微型计算机的微机分散型控制装置。与先有技术相比，本发明装置更加注重以下三方面：
1.使整个系统完全仪表化，这不仅使得系统的使用，安装更接近于传统的习惯，而且由于控制回路的进一步分散，使整个系统的可靠性进一步提高。同时，由于每个系统均独立地具有自己的就地控制单元与回路显示单元，用户可以像使用传统模拟仪表那样单独使用。
2.在功能方面，本发明系统增加了非线性函数，使得不仅能构成线性控制系统，而且能构成非线性控制系统。在许多工业应用场合，一个调整得好的非线性控制系统往往比线性控制系统有效得多。
3.在软结构上，本发明系统采取了选择性固定程序控制模式与可编程序控制模式。力求兼顾量大面广的一些较基本的控制要求与一些复杂、精密的高级控制要求。并注意加强了系统间的联网及与上位机联机的能力。系统小到能单独构成二个独立的带有上下限报警、输出上下限控制的PID调节器，大到构成与上位机连机并具有上百个控制回路的高级综合控制系统。
因此本发明装置的优点在于其极大的灵活性和经济性，从而将大大提高工厂企业的生产效率与产品质量，同时大大降低能源消耗产品成本。
本系统主要用于化工，热电厂，治金，纺织，铸造，医药等行业的各种生产过程中的流量、温度、压力、液位等一些参量进行控制。
图1是本发明装置功能部件中的功能单元的原理图。
图2是本发明功能部件的示意图。
图3是本发明一实施例的详细电路原理图。
图4是本发明实施例的可编程状态原理图。
图5是本发明装置面板上的功能矩阵示意图。
图6是本实施例的操作举例示意图。
图7是本发明实施例的装置的机箱结构示意图。
图8是本发明一实施例。
图9是本发明另一实施例。
下面结合附图介绍本发明的装置。
图1是本发明装置的功能部件中的功能单元的原理图。其中S1是输入信号，S2是输出信号，方块Ai表示与算法Ai相应的模块，Ki是与Ai算法模块相应的开关。
当开关Ki打开时，Ai算法模块参与控制，此时图1-A等效于图1-B。当开关Ki闭合时，Ai算法模块不参与控制，此时图1-A等效于图1-C。
在本发明的功能部件可以有两种工作模式。第一种工作模式是固定程序模式第二种是可编程工作模式。
图2是本发明功能部件示意图。表1是本发明功能部件中各功能单元可执行的算法，功能种类表：
表1
如图3所示在本发明一具体实施例中包括有4个参数部件（参数卡），每个参数卡上有16个精密电位器，该电位器用于调整所需的控制参数。每个电位器的调整范围为0000-1950，分辨率为0.25%。电位器的具体数值可通过一面板显示部件显示出来。这样整个装置共有64个精密电位器，分别由W1-W64表示。
在本发明的实施例中，在工作模式1的情况可执行表1中的33种算法。而这些算法是以固定的次序搭配在一起的，构成了如图3的系统。用户可以通过功能部件上的功能选择开关来选择这些算法的有无，即选择功能单元中的算法模块是否参与控制。但不能改变这些算法的相互之间的关系和先后顺序。
图3中，A，B，C，D是四个输入通道口，W1至W64是前面所提到的参数卡上的64个精密电位器。K1至K32为开关，其中K6，K7，K8，K31，K32图中未示出，这些开关用于系统控制，如K6为“ON”时，本机为编程状态，K6为“OFF”时，上位机为编程状态;K7为“ON”，系统为运行状态，K7为“OFF”时系统为编程输入状态;K8为“ON”时，表示RAM运行方式，K8为“OFF”时，表示ROM运行方式;K31为“ON”，表示工作模式（一），K31为“OFF”时，表示工作模式（二）。K32为信号制式选择开关，可选择两种信号制式，在本实施例中K32为“ON”时，表示0-10mA信号制式，K32为“OFF”时，表示4-20mA信号制式。
图3中的方块表示为功能部件上的功能单元，方块中的符号，表示该功能单元可执行的算法操作（请参见表1）。
图4是本系统装置处于可编程时的原理图。用户在控制要求高时可通过功能部件上的K9选用工作模式2。工作模式2又有二种运行方式RAM与ROM方式。RAM方式为用户提供了在线修改控制系统的可能性。RAM方式与ROM方式的选择是通过功能部件的K8进行的。当用户调试完后，可把调试好的算法模块程序固化到EPROM中去，这样各模块所需的控制参数都受到断电保护。
本发明为了用户操作方便，还在操作板上提供一简便的功能矩阵。图5是该功能矩阵的示意图。
该功能矩阵由8个“列LED”与4个“行LED”组成的4×8矩阵与功能卡上有关开关Ki相配合，共可产生近百种不同的操作功能。
功能矩阵中的“列LED”，“行LED”及功能卡上的开关Ki三者组合构成第一具体的操作功能。下面给出“列LED”与“行LED”的选择方法。
进入功能矩阵操作：
开机后，如果装置处于RAM运行方式，则主机直接进入功能矩阵操作。
开机后，如果装置处于ROM运行方式，则表板上标有“F”标志的LED闪烁点亮。此时如果用户在三秒内不按下⊙键，则主机进入运行状态。如果用户在三秒内按下⊙键，则主机进入功能矩阵操作。
“列LED”的选择：
进入功能矩阵操作后，用户可按下“→”键，此时“列LED”从现行状态依次从左往右逐个点亮。如果按下“→”键时，原来8个“而LED”均未被点亮，则以左起第一个“列LED起”，从左往右逐个点亮“列LED”。
如果当等8个“列LED”被点亮后，继续按“→”键，则8个“列LED”全部熄灭。如果此时继续按“→”键，则“列LED”重新以左起第一个起被逐个点亮。
进入功能矩阵操作后，用户若按下“←”键，则可得到一个与上述反的的过程，即“列LED”从右往左被逐个点亮。
“行LED”的选择：
进入功能矩阵操作后，用户可按下↓”键，此时“行LED”从现行状态依次从上至下逐个被点亮。如果按下“↓”键时，4个“行LED”都处于熄灭状态，则“列LED”从最上面一个起，依次往下被逐个点亮。当标有“F”标志的“行LED”被点亮时，继续按“↓”键，则4个“行LED”全部熄灭。若此时用户继续按“↓”键，则最上面的“U”标志的“行LED”重新被点亮。
本发明装置具有四个独立的控制通道，分别用标有“A”，“B”，“C”，“D”的LED表示。用户可以自由选择这四个通道中的一个。具体操作如下：
1.通过功能矩阵的操作，使标有“D”标志的“行LED”及标有数字“6”的“列LED”亮。
2.此时每按一下“⊙”键可使显示通道从现行状态按A→B→C→D→A”的次序依次右移。
3.当用户所需的通道所对应的通道指示LED（“A”，“B”，“C”，“D”）亮时，用户停止按动“⊙”键。此时通道指示LED所指示的通道，就是用户所需的通道。
当用户选定通道后，只有当所有“列LED”与“行LED”全灭时，功能矩阵才会恢复到巡回显示测量值的状态。
选择输入通道的操作并不影响对四个输入通道进行采样及进行相应的控制。
四个通道均有丰富的预处理功能。用户通过对功能矩阵的操作，可检查或修改各种预处理所需要的参数。输入预处理所需的参数由参数卡1上的W1-W16给出。输出预处理所需的参数由参数卡2上的W1-W4给出。
1.输入预处理的通道选择：
由于四个输入通道均有预处理功能，因此预处理的操作须与选择功能通道的操作配合。面板显示的预处理参数或预处理结果仅对应当时通道指示LED所指示的那一路输入通道。例如当“A”通道指示LED亮时，表示此时用户进行的预处理操作是针对“A”输入通道的，与其它输入通道无关。此时面板显示的值也表示是“A”输入通道的预处理参数。
2.预处理参数的检查与给定：（以“B”通道为例）
首先通过选择通道操作，使“B”通道指示LED亮，然后进行以下操作：
a）输入信号滤波系数的检查与给定：
通过功能矩阵的操作，使“列LED”与“行LED”处于如图6-1位置，此时面板显示内容为滤波系数（在显示的千位与百位。例0200表示滤波系数为2，1500表示滤波系数为15）。如果用户调节参数卡上相对的电位器，（对应“B”通道，此电位器为W5）可使面板显示值变化，直至达到所需要的值。
b）函数转换种类f（x）的检查与给定：
通过功能矩阵的操作，使“列LED”与“行LED”位于如图6-2所示位置。此时MI-1面板显示内容为f（x）种类的编号（在显示的十位与个位）。例：0002表示为f（x）2，0010表示为f（x）10，显示的千位与百位不论何值均无效，但建议千位与百位的值为55较佳）。如果用户调节参数卡上相对的电位器（对应“B”通道，此电位器为W6）可使面板显示值变化，直至达到所需要的值。
检查“PID”算法模块的各控制参数：
检查给定值“G”参数：
通过“功能矩阵操作”使“列LED”“行LED”处于如图6-3所示位置，此时面板显示值为“PID”算法模块的给定值“G”参数。
检查“P”参数：
通过“功能矩阵操作”使“列LED”与“行LED”处于如图6-4所示位置，此时面板显示值为“PID”算法模块的“P”参数。
检查“I”参数：
通过“功能矩阵操作”使“列LED”与“行LED”处于如图6-5所示位置，此时MI-1面板显示值为“PID”算法模块的“I”参数。
检查“D”参数：
通过“功能矩阵操作”使“列LED”与“行LED”处于如图6-6所示位置，此时面板显示值为“PID”算法模块的“D”参数。
给定各算法模块控制参数的操作：
当样查各参数时，若用户调节在参数卡上与此参数对应的电位器可使面板上的显示值变化，直至到达所需要值为止。注意，由于在工作模式1时，其P，I，D，及G参数是各由二个对应的电位器值所组成，因此P，I，D及G参数在面板上的显示值为四位数（千、百、十、个位）。其中千位与百位对应电位器编号较大的，十个位则对应电位器编号较小的。例如用户在检查“B”通道的“P”参数时，面板显示的千位与百位所显示的值对应于电位器W48，而十位个位所显示的值对应于电位器W47。
本发明装置中还包括有一个全双工串行通讯口。串行口的输入输出。串行口可以是以电平方式或电流环方式与其它设备如主机联系，在和其它设备联系时均有光耦管隔离。因此本发明装置的串行通讯具有很高抗干扰能力。
图7是根据本发明原理而设计的一实施例的机箱结构图。在该实施例中系统机箱最多可插18块功能卡，用户可以根据自己的需要来选择功能部件的种类与数目。
图7中
1 为显示驱动卡 11 为I/V卡 21 为低通滤波器
2 为显示控制卡 12 为D/A卡 22 为变压器
3 为功能选择卡 13 为串行通讯卡 23 为支架
4 为编程卡 14 为电源1 24 为外壳
5 为主机卡 15 为电源2 25 为底壳
6 为设定参数卡1 16 为继电器卡 26 为动圈指示仪表
7 为设定参数卡2 17 为扁平电缆 27 为面框
8 为设定参数卡3 18 为电源插座
9 为设定参数卡4 19 为后端板
10 为A/D卡 20 为保险丝座
图8示出了根据本发明的装置控制锅炉汽泡液位串级三冲量控制。报警及用汽、水量积算的过程。
图9示出了根据本发明的装置控制热电厂铟炉过热器出口的过热汽温分段控制、报警过程。
本发明装置可以应用许多其它领域中，其安装简单，使用方便，不仅可以构成线性控制功能矩阵。而且能构成非线性控制功能矩阵。而在许多工业应用场合，本发明装置往往比单一的线性控制功能矩阵更有效。当本发明采用数字设定时，设定参数卡1-4可省略。