8 计算机控制系统设计与实现

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计算机控制技术高等院校自动化新编系列教材

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8.1系统设计的原则与步骤

8.1.1系统设计的原则⒈安全可靠⒉操作维护方便⒊实时性强⒋通用性好⒌经济效益高

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8.1.2系统设计的步骤

⒈工程项目与控制任务的确定阶段⑴甲方提出任务委托书⑵乙方研究任务委托书⑶双方对委托书进行确认性修改⑷乙方初步进行系统总体方案设计⑸乙方进行方案可行性论证⑹签订合同书

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⒉工程项目的设计阶段组建项目研制小组、系统总体方案的设计、方案论证与评审、硬件和软件的细化设计、硬件和软件的调试、系统的组装

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计算机控制技术高等院校自动化新编系列教材 ⒋在线调试和运行阶段

系统离线仿真和调试后便可进行在线调试和运

行。在线调试和运行就是将系统和生产过程联

接在一起,进行现场调试和运行。尽管离线仿

真和调试工作非常认真、仔细,现场调试和运

行仍可能出现问题,因此必须认真分析加以解

决。系统运行正常后,可以再试运行一段时

间,即可组织验收。验收是系统项目最终完成

的标志,应由甲方主持乙方参加,双方协同办

理。验收完毕应形成验收文件存档 。

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8.2系统的工程设计与实现

8.2.1系统总体方案设计

⒈确定系统的性质和结构

⒉确定系统的构成方式

⒊现场设备选择

⒋确定控制策略和控制算法

⒌硬件、软件功能的划分

⒍其它方面的考虑

⒎系统总体方案

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计算机控制技术高等院校自动化新编系列教材 ⒎系统总体方案

总体设计后将形成系统的总体方案。总体方案确认后,要形成文件,建立总体方案文档。系统总体文件的内容包括: ⑴系统的主要功能、技术指标、原理性方框图及文字说明。 ⑵控制策略和控制算法,例如PID控制、达林算法、Smith补偿控制、最级控制、前馈控制、解耦控制、模糊控制、最优控制等。

⑶系统的硬件结构及配置,主要的软件功能、结构及框图。 ⑷方案比较和选择。

⑸保证性能指标要求的技术措施。

⑹抗干扰和可靠性设计。

⑺机柜或机箱的结构设计。

⑻经费和进度计划的安排。

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8.2.2硬件的工程设计与实现

⒈选择系统的总线和主机机型

⑴选择系统的总线

①内总线选择

常用的工业控制机内总线有两种:PC总线和STD总线。一般常选用PC总线工业控制机。

②外总线选择

根据计算机控制系统的基本类型,如果采用分级控制系统DCS等,必然有通信的问题。

外总线就是计算机与计算机之间、计算机与智能仪器或智能外设之间进行通信的总线,它包括并行通信总线(IEEE-488)和串行通信总线(RS—232C)。另外还有可用来进行远距离通信、多站点互联的通信总线RS—422和RS—485。

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计算机控制技术高等院校自动化新编系列教材 选择主机机型

在总线式工业控制机中,有许多机型,都因采用的CPU不同而不同。

以PC总线工业控制既为例,其CPU有

8088、80286、80386、80486、

Pentium(586)等多种型号,

内存、硬盘、主频、显示卡、CRT显示

器也有多种规格。

设计人员可根据要求合理地进行选型

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8.2.2硬件的工程设计与实现

⒉选择输入输出通道模板

⑴数字量(开关量)输入输出(DI/DO)模板

PC总线的并行I/O接口模板多种多样,通常可

分为TTL电平的DI/DO和带光电隔离的DI/

DO。通常和工业控制机共地装置的接口可以

采用TTL电平,而其它装置与工业控制机之间

则采用光电隔离。对于大容量的DI/DO系

统,往往选用大容量的TTL电平的DI/DO板,

而将光电隔离及驱动功能安排在工业控制机总

线之外的非总线模板上,如继电器板(包括固

体继电器板)等。

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计算机控制技术高等院校自动化新编系列教材 ⒉选择输入输出通道模板

⑵模拟量输入输出(AI/AO)模板

AI/AO模板包括A/D、D/A板及信号调理

电路等。AI模板输入可能是0~±5V、1~10V、0~10mA、4~20mA以及热电偶、热电阻和各种变送器的信号。AO模板输出可能0~5V、

1~10V、0~10mA、4~20mA等信号。选择AI/AO模板时必须注意分辨率、转换速度、量程范围等技术指标。

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8.2.2硬件的工程设计与实现

⒊选择变送器和执行机构

⑴选择要送器

–变送器是这样一种仪表,它能将被测变量(如温度、压力、物位、流量、电压、电流等)转换为可远传的统一标准信号(0~10mA、4~20mA等),且输出信号与被测变量有一定的连续关系。在控制系统中其输出信号被送至工业控制机进行处理、实现数据采集。

–DDZ-Ⅱ型变送器输出的是4~20mA信号,供电电源为24V(DC)且采用二线制,DDZ-Ⅲ型比DDZ-Ⅱ型变送器性能好,使用方便。DDZ-S系列变送器是在总结DDZ型变送器的基础上,吸取了国外同类变送器的先进技术,采用模拟技术与数字技术相结合,从而开发出的新一代变送器。现场总线仪表也将被推广应用。

–常用的变送器有温度变送器、压力变送器、液位变送器、差压变送器、流量变送器、各种电量变送器等。系统设计人员可根据被测参数的种类、量程、被测对象的介质类型和环境来选择变送器的具体型号。

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计算机控制技术高等院校自动化新编系列教材 ⑵选择执行机构

–执行机构是控制系统中必不可少的组成部分,它的作用是接受计算机发出的控制信号,并把它转换成调整机构的动作,使生产过

程按预先规定的要求正常运行。

–执行机构分为气动、电动、液压三种类型。气动执行机构的持点是结构简单、价格低、防火防爆;电动执行机构的持点是体积小、种类多、使用方便;液压执行机构的特点是推力大、精度高。常

用的执行机构为气动和电动两种。

–另外,还有各种有触点和无触点开关,也是执行机构,实现开关动作。电磁阀作为一种开关阀在工业中也得到了广泛的应用。

–在系统中,选样气动调节阀、电动调节阀、电磁阀、有触点和无触点开关之中的哪种,要跟据系统的要求来确定。但要实现连续

的精确的控制目的,必须选用气动或电动调节阀,对要求不高的

控制系统可选用电磁阀。

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8.2.3软件的工程设计与实现

⒈编程语言选择

⑴汇编语言

– 汇编语言是面向具体微处理器的,使用它能够具体描述控制运算和处理的过程、紧凑地使用内存,对内存和[八)空间的分配比较清楚,能够充分发挥硬件的性能,所编软件运算速度快、实时性好,所以主要用于过程信号的检测、控制计算和控制输出的处理。

⑵高级语言

–采用高级语言编程的优点是编程效率高,不必了解计算机的指令系统和内存分配等问题,其计算公式与数学公式相近等。其缺点是,编制的源程序经过编译后、可执行的目标代码比完成同样功能的汇编语言的目标代码长得多,一方面占用内存量增多,另一方面使得执行时间增加很多,往往难于满足实时性的要求。

⑶组态软件

–组态软件是一种针对控制系统而设计的面向问题的高级语言,它为用户提供了众多的功能模块