控制系统设计与工程实现.ppt课件

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1、 控制系统设计与工程实现控制系统设计与工程实现本章要点本章要点1学习计算机控制系统的设计原则。学习计算机控制系统的设计原则。2初步掌握计算机控制系统的设计步骤。初步掌握计算机控制系统的设计步骤。3学习实例，加深认识与初步掌握单片机、学习实例，加深认识与初步掌握单片机、IPC和和 PLC控制系统的设计思路。控制系统的设计思路。本章主要内容本章主要内容引引 言言 11.1 控制系统的设计原则控制系统的设计原则11.2 控制工程的实现步骤控制工程的实现步骤11.3 控制工程的应用实例控制工程的应用实例本章小结本章小结思考题思考题引引言言v 前前面面讨论了了计算算机机控控制制系系统各各部部分分的的结构

2、构组成成、工工作作原原理理、硬硬件件和和软件件技技术、控控制制规律律算算法法以以及及典典型型的的控控制制装装置置类型型，这就就为计算算机机控控制制系系统的的设计与与工工程程实现奠奠定定了了基基础。由由于于控控制制对象象多多种种多多样，要要求求控控制制系系统达达到到的的功功能能也也各各不不相相同同，这使使得得计算算机机控控制制系系统的的构构成成方方式式和和规模模大大小小也具有多也具有多样性。性。11.1 控制系控制系统的的设计原原则对于于不不同同的的控控制制对象象，系系统的的设计方方案案和和具具体体的的技技术指指标是是不不同同的的，但但控控制制系系统的的设计原原则是是相相同同的的。这就就是是满足

3、足工工艺要要求求，可可靠靠性性高高，操操作作性性能能好好，实时性性强，通通用用性性好好，经济效益高。效益高。主要内容主要内容1. 满足工艺要求满足工艺要求2. 可靠性要高可靠性要高3. 操作性要好操作性要好4. 实时性要强实时性要强5. 通用性要好通用性要好6. 经济效益要高经济效益要高 （1 1）满足工足工艺要求要求 在在设计计算机控制系算机控制系统时，首先，首先应满足足生生产过程所提出的各种要求及性能指程所提出的各种要求及性能指标。因。因为计算机控制系算机控制系统是是为生生产过程自程自动化服化服务的，因此的，因此设计之前必之前必须对工工艺过程有一定的程有一定的熟悉和了解，系熟悉和了解，系统

4、设计人人员应该和工和工艺人人员密切密切结合，才能合，才能设计出符合生出符合生产工工艺要求和要求和性能指性能指标的控制系的控制系统。设计的控制系的控制系统所达所达到的性能指到的性能指标不不应低于生低于生产工工艺要求，但片要求，但片面追求面追求过高的性能指高的性能指标而忽而忽视设计成本和成本和实现上的可能性也是不可取的。上的可能性也是不可取的。（2 2）可靠性要高可靠性要高 对工工业控制的控制的计算机系算机系统最基本的要求是可靠性高。否最基本的要求是可靠性高。否则，一旦系，一旦系统出出现故障，将造成整个控制故障，将造成整个控制过程的混乱，会引程的混乱，会引起起严重的后果，由此造成的重的后果，由此造

5、成的损失往往大大超出失往往大大超出计算机控制系算机控制系统本身的价本身的价值。在工。在工业生生产过程中，特程中，特别是在一些是在一些连续生生产过程的企程的企业中，是不允中，是不允许故障率高的故障率高的设备存在的。存在的。系系统的可靠性是指系的可靠性是指系统在在规定的条件下和定的条件下和规定的定的时间内完成内完成规定功能的能力。在定功能的能力。在计算机控制系算机控制系统中，可靠性指中，可靠性指标一般用系一般用系统的平均无故障的平均无故障时间MTBF和平均和平均维修修时间MTTR来来表示。表示。MTBF反映了系反映了系统可靠工作的能力，可靠工作的能力，MTTR表示系表示系统出出现故障后立即恢复工作

6、的能力，一般希望故障后立即恢复工作的能力，一般希望MTBF要大于某个要大于某个规定定值，而，而MTTR值越短越好。越短越好。 因此，在系因此，在系统设计时，首先要，首先要选用高性能的工用高性能的工业控控制制计算机，保算机，保证在在恶劣的工劣的工业环境下仍能正常运行。其境下仍能正常运行。其次是次是设计可靠的控制方案，并具可靠的控制方案，并具备有各种安全保有各种安全保护措施，措施，比如比如报警、事故警、事故预测、事故、事故处理、不理、不间断断电源等。源等。为了了预防防计算机故障，算机故障，还须设计后后备装置。装置。对于一般的控制回路，于一般的控制回路，选用手用手动操作器作操作器作为后后备；对于重于

7、重要的回路，要的回路，选用常用常规控制控制仪表作表作为后后备。这样，一旦，一旦计算机出算机出现故障，就把后故障，就把后备装置切装置切换到控制回路中去，以到控制回路中去，以维持生持生产过程的正常运行。程的正常运行。对于特殊的控制于特殊的控制对象，可象，可设计两台两台计算机互算机互为备用地用地执行控制任行控制任务，成，成为双机系双机系统。对于于规模模较大的系大的系统，应注意功能分散，即可采用分散注意功能分散，即可采用分散控制系控制系统或或现场总线控制系控制系统。 （3 3）操作性要好操作性要好 操作性能好包括两个含操作性能好包括两个含义，即使用方便和，即使用方便和维护容易。容易。首先是使用方便。系

8、首先是使用方便。系统设计时要尽量考要尽量考虑用用户的方便的方便使用，尤其是操作面板的使用，尤其是操作面板的设计，既要体，既要体现操作的先操作的先进性，性，又要兼又要兼顾原有的操作原有的操作习惯，控制开关不能太多、太复，控制开关不能太多、太复杂，尽，尽量降低量降低对使用人使用人员专业知知识的要求，使他的要求，使他们能在能在较短短时间内内熟悉和掌握操作。熟悉和掌握操作。其次是其次是维修容易，即一旦修容易，即一旦发生故障，易于生故障，易于查找和排除。找和排除。在硬件方面，从零部件的排列位置，在硬件方面，从零部件的排列位置，标准化的模板准化的模板结构，以构，以及能否便于及能否便于带电插拔等等都要通插拔

9、等等都要通盘考考虑；从；从软件角度而言，件角度而言，要配置要配置查错程序和程序和诊断程序，以便在故障断程序，以便在故障发生生时能用程序帮能用程序帮助助查找故障找故障发生的部位，从而生的部位，从而缩短排除故障的短排除故障的时间。 （4 4）实时性要性要强 计算算机机控控制制系系统的的实时性性，表表现在在对内内部部和和外外部部事事件件能能及及时地地响响应，并并作作出出相相应的的处理理，不不丢失失信信息息，不不延延误操操作作。计算算机机处理理的的事事件件一一般般分分为两两类。一一类是是定定时事事件件，如如数数据据的的定定时采采集集，运运算算控控制制等等，对此此系系统应设置置时钟，保保证定定时处理理；

10、另另一一类是是随随机机事事件件，如如事事故故报警警等等，对此此系系统应设置置中中断断，并并根根据据故故障障的的轻重重缓急急预先先分分配配中中断断级别，一一旦旦事事故故发生，保生，保证优先先处理理紧急故障。急故障。（5 5）通用性要好通用性要好 工工业控制的控制的对象千差万象千差万别，而，而计算机控制系算机控制系统的研制开的研制开发又需又需要有一定的投要有一定的投资和周期。一般来和周期。一般来说，不可能，不可能为一台装置或一个生一台装置或一个生产过程研制一台程研制一台专用用计算机，常常是算机，常常是设计或或选用通用性好的用通用性好的计算机控算机控制装置灵活地构成系制装置灵活地构成系统。当。当设备

11、和控制和控制对象有所象有所变更更时或者再或者再设计另外一个控制系另外一个控制系统时，通用性好的系，通用性好的系统一般稍作更改或一般稍作更改或扩充就可适充就可适应。计算机控制系算机控制系统的通用灵活性体的通用灵活性体现在两方面：一是硬件在两方面：一是硬件设计方面，首先方面，首先应采用采用标准准总线结构，配置各种通用的功能模板或功能构，配置各种通用的功能模板或功能模模块，以便在需要，以便在需要扩充充时，只要增加相，只要增加相应板、板、块就能就能实现，即便当，即便当CPU升升级时，也只要更，也只要更换相相应的升的升级芯片及少量相关芯片及少量相关电路即可路即可实现系系统升升级的目的。其次，在系的目的。

12、其次，在系统设计时，各，各设计指指标要留有一定的要留有一定的余量，如余量，如输入入输出通道指出通道指标、内存容量、内存容量、电源功率等。二是源功率等。二是软件方件方面，面，应采用采用标准模准模块结构，尽量不构，尽量不进行二次开行二次开发，主要是按要求，主要是按要求选择各种各种软件功能模件功能模块，灵活地，灵活地进行控制系行控制系统的的组态。（6 6）经济效益要高效益要高 计算算机机控控制制应该带来来高高的的经济效效益益，要要有有市市场竞争争意意识。经济效效益益表表现在在两两方方面面：一一是是系系统设计的的性性能能价价格格比比要要尽尽可可能能的的高高，在在满足足设计要要求求的的情情况况下下，尽尽

13、量量采采用用物物美美廉廉价价的的元元器器件件；二二是是投投入入产出出比比要要尽尽可可能能的的低低，应该从从提提高高生生产的的产品品质量量与与产量量、降降低低能能耗耗、消消除除污染染、改改善善劳动条条件件等等方方面面进行行综合合评估。估。11.2控制工程的控制工程的实现步步骤主要知识点主要知识点简单介介绍11.2.1 准准备阶段段 11.2.2 设计阶段段 11.2.3仿真及仿真及调试阶段段 简单介绍简单介绍v 作作为一一个个计算算机机控控制制系系统的的工工程程项目目，在在设计研研制制过程程中中应经过哪哪些些步步骤，这是是需需要要认真真考考虑的的。如如果果步步骤不不清清，或或者者每每一一步步需需

14、要要做做什什么么不不明明确确，就就有有可可能能引引起起研研制制过程程中中的的混混乱乱甚甚至至返返工工。计算算机机控控制制系系统的的研研制制过程程一一般般可可分分为4个个阶段段：准准备阶段段、设计阶段段、仿仿真真及及调试阶段段和和现场调试运行运行阶段。段。11.2.1 准准备阶段段在一个工程在一个工程项目研制目研制实施的开始施的开始阶段，首段，首先碰到的先碰到的问题是甲方和乙方之是甲方和乙方之间的双方合的双方合同关系。甲方是任同关系。甲方是任务的委托方，乙方是任的委托方，乙方是任务的承接方。的承接方。图14-1给出了系出了系统研制准研制准备阶段的流程，段的流程，该流程既适合于甲方，也适流程既适合

15、于甲方，也适合于乙方。合于乙方。14-1 系系统研制准研制准备阶段流程段流程14-1 系统研制准备阶段流程1甲方提出任务委托书甲方提出任务委托书2乙方研究任务委托书乙方研究任务委托书3双方对委托书进行确双方对委托书进行确认性修改认性修改4乙方初步进行系统总乙方初步进行系统总体方案设计体方案设计5乙方进行方案可行性乙方进行方案可行性论证论证6签订合同书签订合同书 在在委委托托乙乙方方承承接接系系统项目目前前，甲甲方方一一定定要要提提供供正正式式的的书面面任任务委委托托书，该委委托托书一一定定要要有有清清楚楚准准确确的的系系统技技术性性能能指指标，还要要包包含含经费、计划划进度及合作方式等内容。度

16、及合作方式等内容。1甲方提出任务委托书甲方提出任务委托书 乙乙方方在在接接到到任任务委委托托书后后要要认真真阅读，并并逐逐条条进行行研研究究。对含含糊糊不不清清、认识上上有有分分歧歧和和需需补充充或或删节的的地地方方要要逐逐条条标出出，并并拟订出出要要进一一步步弄清的弄清的问题及修改意及修改意见。2乙方研究任务委托书乙方研究任务委托书 在在乙乙方方对委委托托书进行行了了认真真研研究究之之后后，双双方方应就就委委托托书的的确确认或或修修改改事事宜宜进行行协商商和和讨论。经过确确认或或修修改改过的的委委托托书中中不不应再再有有含含义不不清清的的词汇和和条条款款，而而且且双双方方的的任任务和和技技术

17、界界面面必必须划分清楚。划分清楚。3双方对委托书进行确认性修改双方对委托书进行确认性修改 由由于于任任务和和经费没没有有落落实，所所以以这时总体体方方案案的的设计只只能能是是粗粗线条条的的。但但应能能反反映映出出三三大大关关键问题：技技术难点点；经费概概算算；工工期期。乙乙方方应多多做几个不同的方案以便比做几个不同的方案以便比较。4乙方初步进行系统总体方案设计乙方初步进行系统总体方案设计 方案可行性方案可行性论证的目的是要估的目的是要估计承接承接该项任任务的把握性，并的把握性，并为签合同后合同后设计阶段的段的总体体设计打下打下基基础。论证的主要内容是：的主要内容是： 技技术可行性；可行性； 经

18、费可行可行性；性； 进度度计划可行性。特划可行性。特别要指出，要指出，对控制控制项目尤目尤其是其是对可可测性和可控性性和可控性应给予充分重予充分重视。如果如果论证的的结果可行，接着就果可行，接着就应做好做好签合同合同前的准前的准备工作；如果不可行，工作；如果不可行，则应与甲方与甲方进一步一步协商任商任务委托委托书的有关内容或的有关内容或对条款条款进行修改。若不行修改。若不能修改，能修改，则合同不能合同不能签订。5乙方进行方案可行性论证乙方进行方案可行性论证 这是准是准备阶段的最后一个步段的最后一个步骤。合同。合同书是是双方达成一致意双方达成一致意见的的结果，也是以后双方合作的果，也是以后双方合

19、作的唯一依据和凭唯一依据和凭证。合同。合同书应包含如下内容：双方包含如下内容：双方的任的任务划分和各自划分和各自应承担的承担的责任；合作方式；付任；合作方式；付款方式；款方式；进度和度和计划安排；划安排；验收方式及条件；成收方式及条件；成果的果的归属；属；违约的解决的解决办法等。法等。合同合同书的最后的最后签订，也就意味着双方，也就意味着双方认可的系可的系统总体方案得以确定，可以体方案得以确定，可以进入下一个入下一个设计阶段。段。6签订合同书签订合同书11.2.2 设计阶段段 控控制制系系统的的设计阶段段又又分分为总体体设计、硬件、硬件设计、软件件设计等几个步等几个步骤。1总体体设计2.2.硬

20、件硬件设计3软件件设计1总体体设计 总体体设计就就是是要要了了解解控控制制对象象、熟熟悉悉控控制制要要求求，确确定定总的的技技术性性能能指指标，确确定定系系统的的构构成成方方式式及及控控制制装装置置与与现场设备的的选择，以以及及控控制制规律律算算法法和和其其它它特殊功能要求。特殊功能要求。（1）确定系统任务与控制方案（2）确定系统的构成方式设计（3）选择现场设备（4）确定控制算法（5）硬、软件功能的划分（6）其它方面的考虑 在在进行行系系统设计之之前前，首首先先应对控控制制对象象的的工工艺流流程程进行行分分析析归纳，明明确确具具体体要要求求，确确定定系系统所所要要完完成成的的任任务，一一般般应

21、同同用用户讨论并并得得到到用用户的的认可可。然然后后根根据据系系统要要求求，确确定定采采用用开开环还是是闭环控控制制；闭环控控制制还需需进一一步步确确定定是是单闭环还是是多多闭环；进而而还要要确确定定出出整整个个系系统是是采采用用DDC，还是采用是采用SCC，或者采用，或者采用DCS或或FCS。（1）确定系统任务与控制方案）确定系统任务与控制方案 控制方案确定后，就可以控制方案确定后，就可以进一步确定系一步确定系统的构成方式即的构成方式即进行控制装置机型的行控制装置机型的选择。目前已。目前已经生生产出出许多用于工多用于工业控制的控制的计算机装置可供算机装置可供选择，如，如单片机、可片机、可编程

22、程调节器、器、IPC、PLC和和DCS、FCS等。等。（2）确定系统的构成方式）确定系统的构成方式 在以模在以模拟量量为主的中小主的中小规模的模的过程控制程控制环境下，一般境下，一般应优先先选择总线式式IPC来构成系来构成系统的方式；在以数字量的方式；在以数字量为主的中小主的中小规模的运模的运动控制控制环境下，一般境下，一般应优先先选择PLC来构成系来构成系统的方式。的方式。IPC或或PLC具有系列化、模具有系列化、模块化、化、标准化和开放式系准化和开放式系统结构，有构，有利于系利于系统设计者在系者在系统设计时根据要求任意根据要求任意选择，象搭，象搭积木般地木般地组建系建系统。这种方式可提高系

23、种方式可提高系统研制和开研制和开发速度，提高系速度，提高系统的技的技术水平和性能，增加可靠性。水平和性能，增加可靠性。当系当系统规模模较小、控制回路小、控制回路较少少时，可以考，可以考虑采用可采用可编程程调节器或控制器或控制仪表；如果是小型控制装置或智能表；如果是小型控制装置或智能仪器器仪表的研表的研制制设计，则可以采用可以采用单片机系列。当系片机系列。当系统规模模较大，自大，自动化水平化水平要求高，甚至集控制与管理要求高，甚至集控制与管理为一体的系一体的系统可可选用用DCS、FCS、高、高档档PLC或其它工控网或其它工控网络构成。构成。 主主要要包包含含传感感器器、变送送器器和和执行行器器的

24、的选择。随随着着控控制制技技术的的发展展，测量量各各种种参参数数的的传感感器器，如如温温度度、压力力、流流量量、液液位位、成成分分、位位移移、重重量量、速速度度等等等等，种种类繁繁多多，规格格各各异异；而而执行行器器也也有有模模拟量量执行行器器、数数字字量量执行行器器以以及及电动、气气动、液液动等等之之分分。因因此此，如如何何正正确确选择这些些现场设备，确确实不不是是一一件件简单的的事事情情，这其其中中的的任任何何一一个个环节都会影响系都会影响系统的控制任的控制任务和控制精度。和控制精度。（3）选择现场设备）选择现场设备 选用什么控制算法才能使系用什么控制算法才能使系统达到要求的控制指达到要求

25、的控制指标，也是系也是系统设计的关的关键问题之一。控制算法的之一。控制算法的选择与系与系统的的数学模型有关，在系数学模型有关，在系统的数学模型确定后，便可推的数学模型确定后，便可推导出相出相应的控制算法。的控制算法。所所谓数学模型就是系数学模型就是系统动态特性的数学表达式，它特性的数学表达式，它表示系表示系统输入入输出及其内部状出及其内部状态之之间的关系。一般多由的关系。一般多由实验方法方法测出系出系统的的阶跃响响应特性曲特性曲线，然后由曲，然后由曲线确定出确定出其数学模型。当系其数学模型。当系统模型确定之后，即可确定控制算法。模型确定之后，即可确定控制算法。计算机控制系算机控制系统的主要任的

26、主要任务就是按此控制算法就是按此控制算法进行控制。行控制。因此，控制算法的正确与否，直接影响控制系因此，控制算法的正确与否，直接影响控制系统的的调节品品质。（4）确定控制算法）确定控制算法 由由于于控控制制对象象多多种种多多样，相相应控控制制模模型型也也各各异异，所所以以控控制制规律律及及其其控控制制算算法法也也是是多多种种多多样的的。如如一一般般简单的的生生产过程程常常采采用用P、PI或或PID控控制制；对于于工工况况复复杂工工艺要要求求高高的的生生产过程程，一一般般的的PID不不能能达达到到性性能能指指标时，应采采取取其其它它控控制制规律律如如串串级、前前馈、自自适适应等等；对于于快快速速

27、随随动系系统，可可选用用最最少少拍拍控控制制；对具具有有纯滞滞后后的的控控制制对象象，可可选用用纯滞滞后后补偿或或大大林林控控制制；对具具有有时变、非非线性性特特性性的的控控制制对象象以以及及难以以建建立立数数学学模模型型的的控控制制对象象，可可选用用模模糊糊控控制制；另另外外，还有有随随机机控控制制、智智能能控控制制等其它控制算法。等其它控制算法。 在在计算算机机控控制制系系统中中，一一些些控控制制功功能能既既能能由由硬硬件件实现，亦亦能能用用软件件实现。故故系系统设计时，硬硬、软件件功功能能的的划划分分要要综合合考考虑。用用硬硬件件来来实现一一些些功功能能的的好好处是是可可以以加加快快处理

28、理速速度度，减减轻主主机机的的负担担，但但要要增增加加部部件件成成本本；而而软件件实现正正好好相相反反，可可以以降降低低成成本本，增增加加灵灵活活性性，但但要要占占用用主主机机更更多多的的时间。一一般般的的考考虑原原则是是视控控制制系系统的的应用用环境境与与今今后后的的生生产数数量量而而定定。对于于今今后后能能批批量量生生产的的系系统，为了了减减低低成成本本，提提高高产品品竞争争力力，在在满足足指指标功功能能的的前前提提下下，应尽尽量量减减少少硬硬件件器器件件，多多用用软件件来来完完成成相相应的的功功能能。如如果果软件件实现很很困困难，而而用用硬硬件件实现却却比比较简单，且且系系统的的批批量量

29、又不大的又不大的话，则用硬件用硬件实现功能比功能比较妥当。妥当。（5）硬、软件功能的划分）硬、软件功能的划分 还应考考虑人机界面、系人机界面、系统的机柜或机箱的的机柜或机箱的结构构设计、抗干、抗干扰等方面的等方面的问题。最后初步估算。最后初步估算一下成本，做出工程概算。一下成本，做出工程概算。对所提出的所提出的总体体设计方案要方案要进行合理性、行合理性、经济性、可靠性以及可行性性、可靠性以及可行性论证。论证通通过后，后，便可形成作便可形成作为系系统设计依据的系依据的系统总体方案体方案图和和系系统设计任任务书，以指，以指导具体的系具体的系统设计过程。程。（6）其它方面的考虑）其它方面的考虑2.硬

30、件硬件设计 对于于通通用用控控制制系系统，可可以以首首选现成成的的总线式式IPC系系统或或者者PLC装装置置，以以加加快快设计研研制制进程程，使使系系统硬硬件件设计的的工工作作量量减减到到最最小小。例例如如STD总线、PC总线IPC有有数数十十种种国国内内外外的的品品牌牌，PLC也也有有十十几几种种品品牌牌几几十十种种系系列列可可供供选择。这些些符符合合工工业化化标准准的的控控制制装装置置的的模模板板、模模块产品品都都经过严格格测试，并并可可提提供供各各种种软硬硬件件接接口口，包包括括相相应的的驱动程程序序等等。这些些模模板板模模块产品品只只要要总线标准准一一致致，买回回后后插插入入相相应空空

31、槽槽即即可可运运行行，构构成成系系统极极为方方便便。所所以以。除除非非无无法法买到到满足足自自己己要要求求的的产品品，否否则绝不不要要随随意决定自行研制。意决定自行研制。无无论是是选用用现成的成的IPC，还是采用是采用PLC装置，装置，设计者都要根据系者都要根据系统要求要求选择合适的模板合适的模板或模或模块。选择内容一般包括：内容一般包括：（1）根根据据控控制制任任务的的复复杂程程度度、控控制制精精度度以以及及实时性性要要求求等等选择主主机机板板（包包括括总线类型型、主主机机机机型等）；型等）；（2） 根根据据AI、AO点点数数、分分辨辨率率和和精精度度，以以及及采采集集速速度度等等选AD、D

32、A板板（包包括括通通道道数数量量、信信号号类别、量程范、量程范围等）；等）；（3）根据）根据DI、DO点数和其它要求，点数和其它要求，选择开关量开关量输入入输出板（包括通道数量、信号出板（包括通道数量、信号类别、交直流和功、交直流和功率大小等）；率大小等）；（4）根据人机）根据人机联系方式系方式选择相相应的接口板或的接口板或显示示操作面板（包括参数操作面板（包括参数设定、状定、状态显示、手示、手动自自动切切换和异常和异常报警等）；警等）；（5）根据需要）根据需要选择各种外各种外设接口、通信板接口、通信板块等；等；（6）根据工）根据工艺流程流程选择测量装置（包括被量装置（包括被测参数参数种种类、

33、量程大小、信号、量程大小、信号类别、型号、型号规格等）；格等）；（7）根据工）根据工艺流程流程选择执行装置（包括能源行装置（包括能源类型、型、信号信号类别、型号、型号规格等）。格等）。 采采用用通通用用控控制制装装置置构构成成系系统的的优点点是是：系系统配配置置灵灵活活，规模模可可大大可可小小，扩充充方方便便，维修修简单，由由于于无无须进行行硬硬件件线路路设计，因因而而对设计人人员的的硬硬件件技技术水水平平要要求求不不高高。一一般般IPC都都配配有有系系统软件件，有有的的还配配有有各各种种控控制制软件件包包；而而有有的的IPC只只提提供供硬硬件件设计上上的的方方便便，而而应用用软件件需需自自行

34、行开开发，或或者者系系统设计者者愿愿意意自自己己开开发研研制制全全部部应用用软件件。以以获取取这部分部分较高的商高的商业利利润。 专用用控控制制系系统是是指指应用用领域域比比较专一一，或或者者是是为某某项应用用而而专门设计、开开发的的计算算机机控控制制系系统，如如数数控控机机床床控控制制设备、彩彩色色印印刷刷控控制制设备、电子子称称重重仪及及其其它它智智能能数数字字测控控设备等等专用用的的智智能能化化仪器器仪表表及及小小型型控控制制系系统。另另外外，带有有智智能能控控制制功功能能的的家家电产品品也也属属这类系系统。这些些系系统偏偏重重于于某某几几项特特定定的的功功能能，系系统的的软硬硬件件比比

35、较简单和和紧凑凑，常常用用于于批批量量的的定定型型产品品中中。硬硬件件完完全全按按系系统的的要要求求进行行配配置置，软件件多多采采用用固固化化的的专用用芯芯片片和和相相应器器件件，一一般般可可采采用用单片片机机系系统或或专用用的的控控制制芯芯片片来来实现，开开发完完成成后后一一般般不不作作较大大的的更更动。这种种方方法法的的优点点是是系系统针对性性强、价价格格便便宜宜，缺缺点点是是设计制制造造周周期期长，设计人人员应具具备较深深的的计算算机机知知识，系系统的的全全部部硬硬件件、软件件均均需需自自行行开开发研制。研制。3软件件设计 用用IPC或或PLC来来组建建计算算机机控控制制系系统不不仅能能

36、减减小小系系统硬硬件件设计工工作作量量，而而且且还能能减减小小系系统软件件设计工工作作量量。一一般般它它们都都配配有有实时操操作作系系统或或实时监控控程程序序以以及及各各种种控控制制、运运算算软件件和和组态软件件等等，可可使使系系统设计者者在在最最短短的的周周期期内，开内，开发出出应用用软件。件。 如果从如果从选择单片机入手来研制控制系片机入手来研制控制系统，那系，那系统的全部硬件、的全部硬件、软件均需自行开件均需自行开发研制。自行开研制。自行开发控制控制软件件时，应先画出程序先画出程序总体流程体流程图和各功能模和各功能模块流程流程图，再，再选择程序程序设计语言，然后言，然后编制程序。程序制程

37、序。程序编制制应先模先模块后整体。后整体。软件件设计应考考虑以下几个方面。以下几个方面。（1）编程程语言的言的选择根据机型不同和控制工况不同，可以根据机型不同和控制工况不同，可以选择不不同的同的编程程设计语言。目前常用的言。目前常用的语言有言有汇编语言、高言、高级语言、言、组态语言等。言等。 汇编语言是使用助言是使用助记符代替二符代替二进制指令制指令码的面向机的面向机器的器的语言。用言。用汇编语言言编出的程序出的程序质量量较高，且易高，且易读、易易记、易、易检查和修改，但不同的机器有不同的和修改，但不同的机器有不同的汇编语言，言，如如MCS51单片机片机汇编语言、言、8086CPU汇编语言等。

38、言等。编程程者必者必须先熟悉先熟悉这种机器的种机器的汇编语言才能言才能编程，程，这就要求就要求编程者要有程者要有较深的深的计算机算机软件和硬件知件和硬件知识以及一定程度以及一定程度的程序的程序设计技能与技能与经验。高高级语言更接近英言更接近英语自然自然语言和数学表达式，程言和数学表达式，程序序设计人人员只要掌握只要掌握该种种语言的特点和使用方法，而不言的特点和使用方法，而不必了解机器的指令系必了解机器的指令系统就可以就可以编程程设计。因而它具有通。因而它具有通用性好、功能用性好、功能强、更易于、更易于编写等特点，是近年来写等特点，是近年来发展很展很快的一种快的一种编程方式。目前，程方式。目前，

39、AT89、51系列系列单片机常用的片机常用的高高级语言有言有C-51、PLM-51以及以及MBASIC-51等。等。 高高级语言在言在编写控制算法和写控制算法和图形形显示方面具有独特的示方面具有独特的优点，而点，而汇编语言言编写的程序比用高写的程序比用高级语言言编写的程序写的程序执行速度行速度快、占用内存少。所以，一种快、占用内存少。所以，一种较好的模式是混合使用两种好的模式是混合使用两种语言，言，用用汇编语言言编写中断管理、写中断管理、输入入输出等出等实时性性强的程序，而用的程序，而用高高级语言言编写写计算、算、图形形显示、打印等运算管理程序。示、打印等运算管理程序。组态语言是一种言是一种针

40、对控制系控制系统而而设计的面向的面向问题的高的高级语言，它言，它为用用户提供了众多的功能模提供了众多的功能模块。比如，控制算法模。比如，控制算法模块（如（如PID），运算模），运算模块（四（四则运算、开方、最大运算、开方、最大值/最小最小值选择、一、一阶惯性、超前滞后、工程量性、超前滞后、工程量变换、上下限、上下限报警等数十种）警等数十种），计数数/计时模模块，逻辑运算模运算模块，输入模入模块，输出模出模块，打，打印模印模块，CRT显示模示模块等。系等。系统设计者只需根据控制要求，者只需根据控制要求，选择所需的模所需的模块就能十分方便地生成系就能十分方便地生成系统控制控制软件，因而件，因而软件

41、件设计工作量大工作量大为减小。常用的减小。常用的组态软件有件有Intouch、FIX、WinCC、KingView组态王、王、MCGS、力控等。、力控等。 在在软件技件技术飞速速发展的今天，各种展的今天，各种软件开件开发工具琳琅工具琳琅满目，每种开目，每种开发语言都有其各自的言都有其各自的长处和短和短处。在。在设计控制系控制系统的的应用程序用程序时，究竟究竟选择哪种哪种语言言编程，程，还是两种是两种语言混合使言混合使用，用，这要根据被控要根据被控对象的特点、控制任象的特点、控制任务的要的要求以及所具求以及所具备的条件而定。的条件而定。（2）数据类型和数据结构规划系系统的各个模的各个模块之之间要

42、要进行各种信息行各种信息传递，如数据采集模如数据采集模块和数据和数据处理模理模块之之间、数据、数据处理模理模块和和显示模示模块、打印模、打印模块之之间的接口条件，也即各的接口条件，也即各接口参数的数据接口参数的数据结构和数据构和数据类型必型必须严格格统一一规定。定。从数据从数据类型上来分型上来分类，可分，可分为逻辑型和数型和数值型。通常将型。通常将逻辑型数据型数据归到到软件件标志中去考志中去考虑。数数值型数据可分型数据可分为定点数和浮点数，定点数具有直定点数和浮点数，定点数具有直观、编程程简单、运算速度快的、运算速度快的优点，缺点是表示的点，缺点是表示的数数值动态范范围小，容易溢出；而浮点数小

43、，容易溢出；而浮点数则相反，数相反，数值动态范范围大、相大、相对精度精度稳定、不易溢出，但定、不易溢出，但编程程复复杂，运算速度低。，运算速度低。 如果某参数是一系列有序数据的集合，如采如果某参数是一系列有序数据的集合，如采样信号序列，信号序列，则不只有数据不只有数据类型型问题，还有一个数据有一个数据存放格式存放格式问题，即数据，即数据结构构问题。具体。具体说来，就是来，就是按按顺序序结构、构、链形形结构构还是是树形形结构来存放数据。构来存放数据。（3）资源分配源分配完成数据完成数据类型和数据型和数据结构的构的规划后，便开划后，便开始分配系始分配系统的的资源。系源。系统资源包括源包括ROM、R

44、AM、定定时器器/计数器、中断源、数器、中断源、I/O地址等。地址等。ROM资源用源用来存放程序和表格，来存放程序和表格，I/O地址、定地址、定时器器/计数器、中数器、中断源在任断源在任务分析分析时已已经分配好了。因此，分配好了。因此，资源分配源分配的主要工作是的主要工作是RAM资源的分配。源的分配。RAM资源源规划好划好后，后，应列出一列出一张RAM资源的源的详细分配清分配清单，作，作为编程依据。程依据。（4）控制）控制软件的件的设计 计算机控制系算机控制系统的的实时控制控制应用程序一般包括以下几部分。用程序一般包括以下几部分。数据采集及数据数据采集及数据处理程序理程序数据采集程序主要包括模

45、数据采集程序主要包括模拟量和数字量多路信号的量和数字量多路信号的采采样、输入入变换、存、存储等。数据等。数据处理程序主要包括数字理程序主要包括数字滤波程序、波程序、线性化性化处理和非理和非线性性补偿、标度度变换程序、越限程序、越限报警程序等。警程序等。控制算法程序控制算法程序控制算法程序是控制算法程序是计算机控制系算机控制系统的核心程序，其内的核心程序，其内容由控制系容由控制系统的的类型和控制型和控制规律所决定。一般有：数字律所决定。一般有：数字PID控制算法、大林算法、控制算法、大林算法、Smith补偿控制算法、最少拍控制控制算法、最少拍控制算法、串算法、串级控制算法、前控制算法、前馈控制算

46、法、解耦控制算法、模控制算法、解耦控制算法、模糊控制算法、最糊控制算法、最优控制算法等。控制算法等。实际实现时，可，可选择合适合适的一种或几种控制算法，来的一种或几种控制算法，来实现控制。控制。控制量控制量输出程序出程序控制量控制量输出程序出程序实现对控制量的控制量的处理（上下限和理（上下限和变化率化率处理）、控制量的理）、控制量的变换及及输出，出，驱动执行机构或各种行机构或各种电气开关。控制量也包括模气开关。控制量也包括模拟量和开关量量和开关量输出两种。出两种。人人-机界面程序机界面程序这是面板操作管理程序，包括是面板操作管理程序，包括键盘、开关、开关、拨码盘等信息等信息输入程序，入程序，显

47、示器、指示灯、示器、指示灯、监视器和打印机等器和打印机等输出程序，事故出程序，事故报警以及故障警以及故障检测程序等。程序等。程序程序实时时钟和中断和中断处理程序理程序计算机控制系算机控制系统中有很多任中有很多任务是按是按时间来安排的，来安排的，因此因此实时时钟是是计算机控制系算机控制系统的运行基的运行基础。时钟有有绝对时钟和相和相对时钟两种。两种。绝对时钟与当地的与当地的时间同步，相同步，相对时钟与当地与当地时间无关。无关。 许多多实时任任务如采如采样周期、定周期、定时显示打印、定示打印、定时数数据据处理等都必理等都必须利用利用实时时钟来来实现，并由定，并由定时中断中断服服务程序去程序去执行相

48、行相应的的动作或作或处理理动作状作状态标志。另志。另外，事故外，事故报警、掉警、掉电保保护等一些重要事件的等一些重要事件的处理也常理也常常使用中断技常使用中断技术，以使，以使计算机能算机能对事件做出及事件做出及时处理。理。数据管理程序数据管理程序这部分程序用于生部分程序用于生产管理，主要包括画面管理，主要包括画面显示、示、变化化趋势分析、分析、报警警记录、统计报表打印表打印输出等。出等。数据通信程序数据通信程序数据通信程序主要完成数据通信程序主要完成计算机与算机与计算机之算机之间、计算机与智能算机与智能设备之之间的信息的信息传递和交和交换。（5）程序）程序设计的方法的方法应用程序的用程序的设计

49、方法可采用模方法可采用模块化程序化程序设计和自和自顶向下程序向下程序设计等方法。等方法。模模块化程序化程序设计是把一个是把一个较长的程序按功的程序按功能分成若干个小的程序模能分成若干个小的程序模块，然后分，然后分别进行独立行独立设计、编程、程、测试和和查错之后，最后把各之后，最后把各调试好的程好的程序模序模块连成一个完整的程序。模成一个完整的程序。模块化程序化程序设计的特的特点是点是单个小程序模个小程序模块的的编写和写和调试比比较容易；一个容易；一个模模块可以被多个程序可以被多个程序调用；用；检查错误容易，且修改容易，且修改时只需改正只需改正该模模块即可，无即可，无须牵涉其它模涉其它模块。但。

50、但这种种设计在在对各个模各个模块进行行连接接时有一定困有一定困难。 自自顶向向下下程程序序设计时，先先从从主主程程序序进行行设计，从从属属的的程程序序或或子子程程序序用用程程序序符符号号来来代代替替。主主程程序序编好好后后，再再编写写从从属属的的程程序序，最最后后完完成成整整个个系系统的的程程序序设计。这种种方方法法的的特特点点是是设计、测试和和连接接同同时按按一一个个线索索进行行，比比较符符合合人人们的的日日常常思思维方方式式，设计中中的的矛矛盾盾和和问题可可以以较早早发现和和解解决决。但但这种种设计的的最最大大问题就就是是上上一一级的的程程序序错误将将会会对整整个个程序程序产生影响，并且局

51、部的修改将生影响，并且局部的修改将牵连全局。全局。11.2.3仿真及仿真及调试阶段段离离线仿仿真真及及调试阶段段一一般般在在实验室室进行行，首首先先进行行硬硬件件调试与与软件件调试，然然后后进行行硬硬件件软件件统调，最最后后考考机机运运行行，为现场投投运做好准运做好准备。主要内容1硬件硬件调试2软件件调试3系系统仿真仿真4考机考机1硬件硬件调试对于各种于各种标准功能模板，准功能模板，应按照按照说明明书检查主要功能。比如主机板（主要功能。比如主机板（CPU板）上板）上RAM区的区的读写功能、写功能、ROM区的区的读出功能、复位出功能、复位电路、路、时钟电路等的正确性。路等的正确性。在在调试 A/

52、D和和 D/A模板之前，必模板之前，必须准准备好信号源、数字好信号源、数字电压表、表、电流表等流表等标准准仪器。器。对这两种模板首先两种模板首先检查信号的零点和信号的零点和满量程，然后再分量程，然后再分档档检查，并且上行和下行来回，并且上行和下行来回调试，以便，以便检查线性性度是否合乎要求。度是否合乎要求。 利用开关量利用开关量输入和入和输出程序来出程序来检查开关量开关量输入入（DI）和开关量）和开关量输出（出（DO）模板。）模板。测试时可在可在输入端加开关量信号，入端加开关量信号，检查读入状入状态的正确性；可在的正确性；可在输出端用万用表或灯泡出端用万用表或灯泡检查输出状出状态的正确性。的正

53、确性。硬件硬件调试还包括包括现场仪表和表和执行器，行器，这些些仪表必表必须在安装之前按在安装之前按说明明书要求校要求校验完完毕。如是如是DCS等通信网等通信网络系系统，还要要调试通信通信功能，功能，验证数据数据传输的正确性。的正确性。2软件件调试软件件调试的的顺序是子程序、功能模序是子程序、功能模块和主程序。和主程序。控制模控制模块的的调试应分分为开开环和和闭环两种情况两种情况进行。开行。开环调试是是检查PID控制模控制模块的开的开环阶跃响响应特性，开特性，开环阶跃响响应实验是分是分析析记录在不同的在不同的P、I、D参数下，参数下，针对不同不同阶跃输入幅度、不同控入幅度、不同控制周期、正反两种

54、作用方向制周期、正反两种作用方向时的的纯比例控制、比例比例控制、比例积分控制以及比分控制以及比例例积分微分控制等三种主要响分微分控制等三种主要响应曲曲线，从而确定，从而确定较佳的佳的P、I、D参参数。数。在完成在完成PID控制模控制模块开开环特性特性调试的基的基础上，上，还必必须进行行闭环特性特性调试，即，即检查PID控制模控制模块的反的反馈控制功能。被控控制功能。被控对象可以象可以使用使用实验室物理模室物理模拟装置，也可以使用装置，也可以使用电子式模子式模拟实验室室设备。实验方法与模方法与模拟仪表表调节器器组成的控制系成的控制系统类似，即分似，即分别做做给定定值和和外部外部扰动的的阶跃响响应

55、实验，改，改变P、I、D参数以及参数以及阶跃输入的幅度，入的幅度，分析被控制量的分析被控制量的阶跃响响应曲曲线和和PID控制器控制器输出控制量的出控制量的记录曲曲线，判断判断闭环工作是否正确。在工作是否正确。在纯PID控制控制闭环实验通通过的基的基础上，再上，再逐逐项加入一些加入一些计算机控制的特殊功能，如算机控制的特殊功能，如积分分离、微分先行、非分分离、微分先行、非线性性PID等，并逐等，并逐项检查是否正确。是否正确。 一般与一般与过程程输入入输出通道无关的程序，如运算模出通道无关的程序，如运算模块都都可用开可用开发装置或仿真器的装置或仿真器的调试程序程序进行行调试，有，有时为了了调试某些

56、程序，可能某些程序，可能还要要编写写临时性的性的辅助程序。助程序。一旦所有的子程序和功能模一旦所有的子程序和功能模块调试完完毕，就可以，就可以用主程序将它用主程序将它们连接在一起，接在一起，进行整体行整体调试。整体。整体调试的的方法是自底向上逐步方法是自底向上逐步扩大，首先按分支将模大，首先按分支将模块组合起来，合起来，以形成模以形成模块子集，子集，调试完各模完各模块子集，再将部分模子集，再将部分模块子集子集连接起来接起来进行局部行局部调试，最后，最后进行全局行全局调试。这样经过子子集、局部和全局三步集、局部和全局三步调试，完成了整体，完成了整体调试工作。通工作。通过整整体体调试能能够把把设计

57、中存在的中存在的问题和和隐含的缺陷暴露出来，含的缺陷暴露出来，从而基本上消除了从而基本上消除了编程上的程上的错误，为以后的系以后的系统仿真仿真调试和在和在线调试及运行打下良好的基及运行打下良好的基础。 3系系统仿真仿真在硬件和在硬件和软件分件分别调试后，必后，必须再再进行全系行全系统的硬件、的硬件、软件件统调，即所，即所谓的系的系统仿真，也称仿真，也称为模模拟调试。所。所谓系系统仿真，就是仿真，就是应用用相似原理和相似原理和类比关系来研究事物，也就是用模型来代替比关系来研究事物，也就是用模型来代替实际被控被控对象象进行行实验和研究。系和研究。系统仿真有以下三种仿真有以下三种类型：全物理仿真（即

58、在模型：全物理仿真（即在模拟环境条件下的全境条件下的全实物仿真）；半物理仿真（即硬件物仿真）；半物理仿真（即硬件闭路路动态试验）；）；数字仿真（即数字仿真（即计算机仿真）。算机仿真）。系系统仿真尽量采用全物理或半物理仿真。仿真尽量采用全物理或半物理仿真。试验条件或工作状条件或工作状态越接近真越接近真实，其效果也就越好。，其效果也就越好。对于于纯数据采集系数据采集系统，一般可做到，一般可做到全物理仿真；而全物理仿真；而对于控制系于控制系统，要做到全物理仿真几乎是不可能的。，要做到全物理仿真几乎是不可能的。这是因是因为，我，我们不可能将不可能将实际生生产过程搬到自己的程搬到自己的实验室中。因此，室

59、中。因此，控制系控制系统只能做离只能做离线半物理仿真，被控半物理仿真，被控对象可用象可用实验模型代替。自模型代替。自顶向下程序向下程序设计时，先从主程序，先从主程序进行行设计，从属的程序或子程序用程序，从属的程序或子程序用程序符号来代替。主程序符号来代替。主程序编好后，再好后，再编写从属的程序，最后完成整个系写从属的程序，最后完成整个系统的程序的程序设计。这种方法的特点是种方法的特点是设计、测试和和连接同接同时按一个按一个线索索进行，比行，比较符合人符合人们的日常思的日常思维方式，方式，设计中的矛盾和中的矛盾和问题可以可以较早早发现和解决。但和解决。但这种种设计的最大的最大问题就是上一就是上一

60、级的程序的程序错误将会将会对整个整个程序程序产生影响，并且局部的修改将生影响，并且局部的修改将牵连全局。全局。4考机考机在系在系统仿真的基仿真的基础上，上，还要要进行考机运行，行考机运行，即即进行行长时间的运行考的运行考验，有，有时还要根据要根据实际的运的运行行环境，境，进行特殊运行条件的考行特殊运行条件的考验，如高温和低温，如高温和低温剧变运行运行试验、振、振动和抗和抗电磁干磁干扰试验、电源源电压剧变和掉和掉电试验等。等。11.2.4 现场调试运行运行阶段段系系统离离线仿仿真真和和调试后后便便可可将将控控制制系系统和和生生产过程程联接接在在一一起起，进行行在在线现场调试和和运运行行，最最后后

61、经过签字字验收收，才才标志志着着工工程程项目的最目的最终完成。完成。 尽管上述离尽管上述离线仿真和仿真和调试工作最工作最终做到了天衣无做到了天衣无缝，但但现场调试和运行仍可能出和运行仍可能出现问题。现场调试与运行与运行阶段是一个从小到大、从易到段是一个从小到大、从易到难、从手、从手动到自到自动、从、从简单回路到复回路到复杂回路逐步回路逐步过渡的渡的过程。此前程。此前应制定一系列制定一系列调试计划、划、实施方案、安全措施、分工合作施方案、安全措施、分工合作细则等。等。为了了做到有把握，在做到有把握，在线调试前前还要要进行下列行下列检查：1检测元件、元件、变送器、送器、显示示仪表、表、调节阀等必等

62、必须通通过校校验，保，保证精确度要求。作精确度要求。作为检查，可，可进行一些行一些现场校校验。2各种各种电气接气接线和和测量量导管必管必须经过检查，保，保证连接接正确。例如，正确。例如，传感器的极性不能接反，各个感器的极性不能接反，各个传感器感器对号号位置不能接位置不能接错，各个气，各个气动导管必管必须畅通，特通，特别是不能把是不能把强电接在弱接在弱电上。上。 3检查系系统的干的干扰情况和接地情况，如果不符合情况和接地情况，如果不符合要求，要求，应采取措施。采取措施。4对安全防安全防护措施也要措施也要检查。经过检查并已安装正确后，即可并已安装正确后，即可进行系行系统的投运的投运和参数的整定。投

63、运和参数的整定。投运时应先切入手先切入手动，等系，等系统运行接近运行接近于于给定定值时再切入自再切入自动。有关控制参数的整定，可按第。有关控制参数的整定，可按第9.1.4 数字数字PID参数的整定介参数的整定介绍的方法的方法进行。行。在在现场调试的的过程中，往往会出程中，往往会出现错综复复杂、时隐时现的奇怪的奇怪现象，一象，一时难以找到以找到问题的根源。此的根源。此时此此刻，刻，计算机控制系算机控制系统的的设计者者们要要认真地共同分析，不真地共同分析，不要要轻易地易地怀疑疑别人所做的工作，以便尽快找到人所做的工作，以便尽快找到问题的根的根源并解决。源并解决。系系统运行正常后，再运行正常后，再试

64、运行一段运行一段时间，即可，即可组织签字字验收。收。验收是系收是系统项目最目最终完成的完成的标志，志，应由甲方由甲方主持、乙方参加，双方主持、乙方参加，双方协同同办理。理。验收完收完毕应形成形成验收收文件存档。文件存档。11.3 控制工程的控制工程的应用用实例例要要真真正正成成功功地地完完成成一一个个工工程程项目目，除除了了要要讲究究科科学学的的设计方方法法外外，还要要借借助助于于丰丰富富的的实践践经验。因因此此，我我们应当当总结和和学学习一一些些成成功功项目目的的实践践经验。下下面面分分别介介绍四四种种典典型型控制装置的工程控制装置的工程应用用实例。例。主要内容11.3.1 水槽水位水槽水位

65、单片机控制系片机控制系统11.3.2 循循环水装置水装置IPC系系统11.3.3 中水回用中水回用PLC控制系控制系统11.3.4 火火电厂厂DCS控制系控制系统11.3.1 水槽水位水槽水位单片机控制系片机控制系统对于于小小型型测控控系系统或或者者某某些些专用用的的智智能能化化仪器器仪表表，一一般般可可采采用用以以单片片机机为核核心心、配配以以接接口口电路路和和外外围设备、再再编制制应用用程程序序的的模模式式来来实现。下下面面以以一一个个简单的的水水槽槽水水位位控控制制系系统为例。例。主要内容1 1系系统概述概述 2 2硬件硬件电路路 3 3程序程序设计1系系统概述概述通通过水槽水位的高低水

66、槽水位的高低变化来启停水化来启停水泵，从而达到从而达到对水位的控制目的，水位的控制目的，这是一种常是一种常见的的工工艺控制。如控制。如图14-2点划点划线框内所示，一般可框内所示，一般可在水槽内安装在水槽内安装3个金属个金属电极极A、B、C，它，它们分分别代表水位的下下限、下限与上限。工代表水位的下下限、下限与上限。工艺要求：要求：当水位升到上限当水位升到上限C以上以上时，水，水泵应停止供水；停止供水；当水位降到下限当水位降到下限B以下以下时，应启启动水水泵供水；供水；当水位当水位处于下限于下限B与上限与上限C之之间，水，水泵应维持原持原有的工作状有的工作状态。图14-2 水槽水位控制水槽水位

67、控制电路路 动画链接动画链接2硬件硬件电路路根据工根据工艺要求，要求，设计的控制系的控制系统硬件硬件电路路如如图14-2所示，所示，这是一个用是一个用单片机采集水位信号并片机采集水位信号并通通过继电器控制水器控制水泵的小型的小型计算机控制系算机控制系统。主要。主要组成部分的功能如下：成部分的功能如下：(1) 系系统核心部分：采用低档型核心部分：采用低档型AT89C2051单片机，用片机，用P1.0和和P1.1端作端作为水位信水位信号的采集号的采集输入口，入口，P1.2和和P1.3端作端作为控制与控制与报警警输出口。出口。(2) 水位水位测量部分：量部分：电极极A接接+5V电源，源，电极极B、C

68、各通各通过一个一个电阻与地相阻与地相连。b点点电平与平与c点点电平分平分别接到接到P1.0和和P1.1输入端，可以代表水位的入端，可以代表水位的各种状各种状态与操作要求，共有与操作要求，共有4种种组合，如合，如表表14-1所所示。示。 表表14-1 水位信号及操作状态表水位信号及操作状态表C(P1.1) C(P1.1) b(P1.0) b(P1.0) 水位水位 操作操作 0 00 0B B点以下点以下 水泵启动水泵启动 0 01 1B B、C C之之间间 维持原状维持原状 1 10 0系统故障系统故障 故障报警故障报警 1 11 1C C点以上点以上 水泵停止水泵停止 当当水水位位降降到到下下

69、限限B以以下下时，电极极B与与电极极C在在水水面面上上方方悬空空，b点点、c点点呈呈低低电平平，这时应启启动水水泵供供水水，即即是是表表中中第第一一种种组合合；当当水水位位处于于下下限限与与上上限限之之间，由由于于水水的的导电作作用用，电极极B连到到电极极A及及+5V，则b点点呈呈高高电平平，而而电极极C 仍仍悬空空则c点点为低低电平平，这时不不论水水位位处于于上上升升或或下下降降趋势，水水泵都都应继续维持持原原有有的的工工作作状状态，见表表中中第第二二种种组合合；当当水水位位上上升升达达到到上上限限时，电极极B、C通通过水水导体体连到到 电极极A及及+5V，因因此此b点点、c点点呈呈高高电平

70、平，这时水水泵应停停止止供供水水，如如表表中中第第四四种种组合合；还有有第第三三种种组合合即即水水位位达达到到电极极C却却未未达达到到电极极B，即即c点点为高高电平平而而b点点为低低电平平，这在在正正常常情情况况下下是是不不可可能能发生生的，作的，作为一种故障状一种故障状态，在，在设计中中还是是应考考虑的。的。 (3) 控控制制报警警部部分分：由由P1.2端端输出出高高电平平，经反反相相器器使使光光耦耦隔隔离离器器导通通，继电器器线圈圈KM得得电，常常开开触触点点KA闭合合，启启动水水泵运运转；当当P1.2端端输出出低低电平平，经反反相相器器使使光光耦耦隔隔离离器器截截止止，继电器器线圈圈J失

71、失电，常常开开触触点点断断开开，则使使水水泵停停转。由由P1.3端端输出出高高电平平，经反反相相器器变为低低电平平，驱动一一支支发光光二二极极管管发光光进行故障行故障报警。警。3程序设计程序流程如程序流程如图14-3所示。所示。开始P1.1、P1.0=00？启动水泵P1.21设置堆栈指针P1.1、P1.0=10？P1.1、P1.0=11？停止水泵P1.20故障报警P1.3111.3.2 循循环水装置水装置IPC系系统在在以以模模拟量量为主主的的中中小小规模模控控制制条条件件下下，应优先先选择IPC控控制制装装置置，下下面面介介绍用用一一台台STD总线IPC控控制制循循环水水动态模模拟试验装置的

72、装置的实例。例。主要内容1 1系系统概述概述 2 2硬件硬件电路路 3 3软件件设计4 4功能画面功能画面1系系统概述概述大型化工企大型化工企业普遍采用冷却水循普遍采用冷却水循环使用技使用技术，但循，但循环冷却水同冷却水同时带来来设备的的结垢与腐垢与腐蚀问题，为此利用循此利用循环水水动态模模拟试验装置，模装置，模拟生生产现场的流的流态水水质、流速、流速、金属材金属材质和循和循环冷却水冷却水进出口温度等主要参出口温度等主要参数，来数，来评价价稳定水定水质的配方、阻垢效果及的配方、阻垢效果及寻求相求相应的操作工的操作工艺条件。条件。（1）工）工艺流程流程模模拟试验装置的主要流程如装置的主要流程如图

73、14-4所所示，左下方水槽中的冷水示，左下方水槽中的冷水经水水泵、调节阀打打入入换热器，与蒸汽器，与蒸汽换热后，后，导入冷却塔与冷入冷却塔与冷风换冷，冷，喷淋而下回落到水槽，再由水淋而下回落到水槽，再由水泵打打循循环。图图14-4 14-4 循环水动态模拟试验装置控制流程图循环水动态模拟试验装置控制流程图（2）控制要求）控制要求通常情形是用通常情形是用户配置两套配置两套这样的模的模拟装置同装置同时运行，运行，因而因而计算机系算机系统应同同时面向两台模面向两台模拟装置，集装置，集检测、控制、控制与管理于一体，主要完成如下功能：与管理于一体，主要完成如下功能：10点参数点参数检测功能功能入口水温、

74、出口水温、蒸汽温度、冷却塔底温度，入口水温、出口水温、蒸汽温度、冷却塔底温度，共共8路温度，量程路温度，量程为0100，检测精度精度为02级。两路循。两路循环水流量，量程水流量，量程为2001200Lh，检测精度精度为1级。还有有计算算显示出入口温差、瞬示出入口温差、瞬时污垢垢热阻、水阻、水阀与与风阀门开度、开度、试验时间与剩余与剩余时间。22个参数个参数设定功能定功能换热器器试管直径与管直径与长度、流量与温度的度、流量与温度的给定定值、PID控制的比例系数、控制的比例系数、积分分时间、微分、微分时间以及即以及即时时间与与试验时间。 10个参数个参数标定功能定功能对8路温度、路温度、2路流量路

75、流量进行行现场标定。定。PID控制功能控制功能实时控制控制2路入口水温与路入口水温与2路循路循环水流量，温度控制精度：水流量，温度控制精度：设定定值05；流量控制精度：；流量控制精度：设定定值2 FS（FS即即Full Scale，意，意为满刻度或刻度或满量程）。量程）。工工艺计算、列表算、列表绘图功能功能根据根据污垢垢热阻阻计算公式算公式计算并算并显示出瞬示出瞬时污垢垢热阻，而且自阻，而且自动生成生成试 验数据列表。自数据列表。自动绘制制时间-污垢垢热阻曲阻曲线。其他功能指其他功能指标所有参数的采所有参数的采样、计算、控制周期均算、控制周期均为0.25S，刷新，刷新显示周期示周期为2S，试验

76、数据数据记录时间间隔按工隔按工艺要求而定，数据保存要求而定，数据保存时间为10年，系年，系统内部内部设有有软件硬件自件硬件自诊断、自恢复功能，具有永不断、自恢复功能，具有永不“死机死机”的高度可靠的高度可靠性。性。上述所有参数均以上述所有参数均以汉字分屏幕字分屏幕显示，且附有提示菜示，且附有提示菜单以便操作。以便操作。2硬件硬件设计根据上述系根据上述系统功能及技功能及技术指指标的要的要求，采用一台求，采用一台现成的成的STD总线IPC较为适宜。适宜。选用北京工用北京工业大学大学电子工厂的子工厂的IPC产品，共品，共由由10块功能模板及外功能模板及外设组成，成，如如图14-5所示。所示。图14-

77、5 IPC硬件硬件组成框成框图 图中（中（1）CPU板及打印机、（板及打印机、（2）CRT板及板及CRT、（、（3）键盘接口及自接口及自诊断板及断板及键盘、（、（4）存）存储器板、（器板、（5）电源，构成了源，构成了STD工工业控制机基本系控制机基本系统。在自在自诊断板中使用了断板中使用了WDT看看门狗技狗技术，无，无论何种原因引起死机，自何种原因引起死机，自诊断系断系统能能在在128内内测出并恢复正常运行，整个出并恢复正常运行，整个计算机系算机系统工作十分可靠。工作十分可靠。其中的（其中的（6）温度）温度检测板，是一个由板，是一个由单片机构成的智能型温度接口板，片机构成的智能型温度接口板，该

78、板本身能板本身能够完成完成8路温度的路温度的检测，滤波波处理，理，铂电阻阻线性化性化处理。在理。在这个板上个板上利用利用软件技件技术从根本上克服了温度漂移从根本上克服了温度漂移问题。其中的（其中的（7）D/A转换板是流量及温度控制的板是流量及温度控制的驱动接口板。接口板。计算机系算机系统检测两路塔底温度与两路流量，与两路塔底温度与两路流量，与设定定值进行比行比较，并，并对其偏差其偏差进行行PID运算，运算，其运算其运算结果通果通过D/A转换变成模成模拟电压信号信号输出至（出至（8）伺服放大板，从而控制）伺服放大板，从而控制相相应的的4个个调节阀。其中的（其中的（8）伺服放大板，其功能相当于）伺

79、服放大板，其功能相当于电动单元元组合合仪表中的表中的4个伺服放大器，个伺服放大器，但其精度及可靠性但其精度及可靠性优于常于常规的伺服放大器。它接收来自的伺服放大器。它接收来自D/A转换板的板的4路路阀位信位信号，并号，并检测4个个阀的的实际位置，如果位置，如果实际位置与位置与D/A转换板板输出的出的阀位有偏差，位有偏差，则使使阀动作，达到与作，达到与D/A输出一致的位置后停止，从而出一致的位置后停止，从而实现计算机系算机系统对调节阀的控制。的控制。其中的（其中的（10）滤波板，波板，对STD总线的有关信号的有关信号进行行滤波波处理，从而提理，从而提高整个系高整个系统的可靠性。的可靠性。其中的（

80、其中的（9）流量）流量检测板，主要由板，主要由计数数电路路组成，成，检测两路来自两路来自涡轮流流量量变送器的脉冲信号。送器的脉冲信号。对其其实行行滤波、整形、放大、光隔、波、整形、放大、光隔、计数数处理，并向两理，并向两个个涡轮流量流量变送器提供送器提供+12V电压，可参考第，可参考第4.2.2 脉冲脉冲计数数电路部分与参看路部分与参看书后文献。后文献。3 软件件设计该系系统采用了采用了现成的成的IPC，计算机厂家已提供了算机厂家已提供了监控控程序或系程序或系统程序，程序，设计者的者的软件件设计任任务主要是主要是进行系行系统的的应用用软件件编制。制。该应用用软件主要完成两方面的任件主要完成两方

81、面的任务：（1）8路温度、两路流量的采集与路温度、两路流量的采集与处理，入口温度与流量理，入口温度与流量的控制，定的控制，定时存存储实验数据；数据；（2）允）允许操作者操作者查看、打印各种数据，看、打印各种数据，设定、定、标定各个参定各个参数。数。由于前者任由于前者任务要求适要求适时性性较强，且完成任，且完成任务所需所需时间较短，故安排在中断服短，故安排在中断服务子程序中完成。而后者属人机子程序中完成。而后者属人机对话性性质，任，任务完成完成时间较长，且不需，且不需严格适格适时性，故放性，故放于主程序中完成。于主程序中完成。图14-7 中断服中断服务子程序由于子程序由于该控制系控制系统小、比小

82、、比较简单，功能画面要求也不复，功能画面要求也不复杂，因而，因而软件部分全部采用件部分全部采用汇编语言言编制。制。图图14-7 中断服中断服务子程序子程序IPC硬件硬件组成框成框图 主程序主程序结构框构框图如如图14-6所示。在初始化所示。在初始化过程中，主要程中，主要完成完成对CRT、打印机工作方式、打印机工作方式设定，四个定，四个调节阀门初始定初始定位及位及软件件标志志设置等。置等。在每一个画面在每一个画面处理理过程中，能程中，能够查看其他画面，同看其他画面，同时完成本画面完成本画面应完成的一些功能。完成的一些功能。中断服中断服务子程序如子程序如图14-7所示。所示。这是一个是一个时间中断

83、中断子程序。系子程序。系统设置每隔置每隔250ms中断一次，中断服中断一次，中断服务子程序子程序中各个任中各个任务，应能在能在250ms内完成。每四次中断即内完成。每四次中断即时间间隔隔为1S时，刷新，刷新时钟，处理秒、分、理秒、分、时、日、月、年的、日、月、年的递增，增，实现准确准确计时。每八次中断，即。每八次中断，即时间间隔隔为2S时，采，采集集8路温度、路温度、2路流量，利用路流量，利用软件件实现滤波波处理，以消除瞬理，以消除瞬间干干扰的影响。控制采用的影响。控制采用传统的的PID控制方式，控制方式，实行行输出速出速率限定，即在率限定，即在2S控制周期内，控制周期内，输出出变化幅度不大于

84、化幅度不大于输出全出全范范围的的5。实验数据的存数据的存储，若系，若系统在在强稳过程中，程中，则每每隔隔5min记录一次，若系一次，若系统在在实验过程中，程中，则每隔每隔120min记录一次。一次。实验记录数据、数据、设定的定的实验条件及各参数的条件及各参数的标定定值存于系存于系统的的 E2ROM存存储器中，有效保存器中，有效保存时间为10年。年。图14-6 主程序主程序结构框构框图4功能画面功能画面该系系统共有共有6个功能画面，个功能画面，汉字字显示示且每个画面都有提示菜且每个画面都有提示菜单，向操作者提示操，向操作者提示操作的方式。通作的方式。通过对这6个菜个菜单的的选择操作，操作，便可便

85、可实现本本计算机系算机系统的所有功能。的所有功能。这6个功能画面分个功能画面分别是参数是参数检测画面、画面、参数参数设定画面、参数定画面、参数标定画面、数据列表画定画面、数据列表画面、面、热阻曲阻曲线画面和系画面和系统状状态画面。由于篇画面。由于篇幅所限，不一一幅所限，不一一赘述，述，读者可者可查阅书后参考后参考文献。文献。11.3.3 中水回用中水回用PLC控制系控制系统在在以以数数字字量量为主主的的中中小小规模模控控制制环境境下下，一一般般应首首选PLC装装置置，下下面面介介绍一一个个用用西西门子子PLC监控中水控中水处理流程的工程理流程的工程实例。例。主要内容1 1系系统概述概述 2 2

86、硬件硬件设计 3 3程序程序设计1系系统概述概述将生活将生活污水水进行几行几级处理，作理，作为除除饮用以外用以外的其它生活用水，将形成一个非常宝的其它生活用水，将形成一个非常宝贵的回用水的回用水资源。其中用源。其中用PLC作作为主要控制装置已成主要控制装置已成为一种共一种共识。（1）工）工艺流程流程中水中水处理主要工理主要工艺流程如流程如图14-8所示。生活所示。生活污水首先通水首先通过格格栅机机滤除固除固态杂物，物，进入入调节池池缓冲，再冲，再进入生化池，利用生物接触氧化、化学絮凝入生化池，利用生物接触氧化、化学絮凝和机械和机械过滤方法使水中方法使水中COD、BOD5等几种水等几种水质指指标

87、大幅度降低，再采用活性炭和碳大幅度降低，再采用活性炭和碳纤维复合吸附复合吸附过滤方式，使出水达到生活使用要求。方式，使出水达到生活使用要求。图14-8 中水中水处理工理工艺流程流程图格栅机调节池生化池 压滤罐清水池集水池加药 加氯 排掉 回用 风机 反冲洗 污水 动画链接动画链接（2）控制要求）控制要求该流程共有被控流程共有被控设备（含（含备用）用）14台台泵和和电机，机，4个池的水位需要个池的水位需要检测。水位水位计的作用：在任何控制方式下，的作用：在任何控制方式下，水位水位计的上上限或下下限到位的上上限或下下限到位时，都将，都将发出出声光声光报警信号；在全自警信号；在全自动、分、分组自自动

88、、半自、半自动控制方式下，水位控制方式下，水位计的上限、下限分的上限、下限分别作作为该池排水池排水泵自自动开、停的开、停的PLC输入信号。入信号。 采用采用4种控制方式：手种控制方式：手动、半自、半自动、分、分组自自动和全自和全自动。手手动控制方式控制方式 即用手操作即用手操作14个按个按钮开停开停14个被控个被控负荷，不受水位影响。荷，不受水位影响。生化半自生化半自动控制方式控制方式 指生化池水位机指生化池水位机组的半自的半自动控制方式，也即由生化池水位的上限与下控制方式，也即由生化池水位的上限与下限自限自动控制生化控制生化泵的开、停，而加的开、停，而加药计量量泵、CLO2发生器的开、停由生

89、器的开、停由手手动操作。操作。分分组自自动控制方式控制方式 为了便于了便于维护，整个系，整个系统分分为六个独立的机六个独立的机组：调节池水位自池水位自动机机 组、生化池水位自生化池水位自动机机组、清水池水位自、清水池水位自动机机组、集水池水位自、集水池水位自动机机 组、溢流溢流泵自自动机机组、罗茨茨风机自机自动机机组。 控制要求：当按下分控制要求：当按下分组自自动按按钮时，被按下按，被按下按钮的灯的灯闪亮，当亮，当选定定 主、主、备电机按机按钮后，分后，分组自自动按按钮指示灯指示灯长亮；当水位达到上限亮；当水位达到上限时， 电机机停止而按停止而按钮指示灯指示灯转为闪亮。亮。全自全自动方式控制要

90、求方式控制要求 就是当全自就是当全自动准准备按按钮启启动后，首先后，首先选择主、主、备用用电机，然后启机，然后启动全全自自动开停按开停按钮，则整个系整个系统进入全自入全自动运行状运行状态。2硬件硬件设计（1）PLC 系系统配置配置根据工根据工艺流程与控制要求，要完成流程与控制要求，要完成14台被控台被控设备的启的启动、停止、停止按按钮操作，运行、停止、故障状操作，运行、停止、故障状态的灯指示以及的灯指示以及4种控制方式，如果采种控制方式，如果采用常用常规的控制模式，的控制模式，1台台设备约需需56个启、停按个启、停按钮及状及状态指示灯等器指示灯等器件，整个控制件，整个控制盘面上大面上大约需要需

91、要90余个按余个按钮与指示灯。与指示灯。这将将带来器件成来器件成本的增高、控制本的增高、控制盘面的增大、人工操作的面的增大、人工操作的杂乱。本系乱。本系统采用采用软件件编程的程的方法，充分利用方法，充分利用PLC内部的内部的输入入输出出变量及量及软件件计数器，使数器，使1个个带灯按灯按钮集成了集成了1台台设备的全部控制与状的全部控制与状态指示功能，加上指示功能，加上4种控制方式及其种控制方式及其切切换，总计只需配置只需配置24个个带灯按灯按钮，分，分别代表代表14台被控台被控设备与与10种控种控制方式。制方式。整个系整个系统需要开关量需要开关量输入入40点与开关量点与开关量输出出32点。因此，

92、点。因此，选用用德国德国SIEMENS的的S7-200主机主机CPU226，有开关量，有开关量24输入入16输出点，出点，数字量数字量扩展模展模块EM223，提供开关量，提供开关量16输入入/16输出点，出点，总计正好构成正好构成了系了系统要求的要求的40点点输入入/32点点输出。出。操作界面操作界面选用用TD200中文文本中文文本显示器。示器。（2）PLC输入入输出接出接线图PLC输入入输出接出接线如如图14-9所示，所示，输入按入按钮124AN分分别对应于于PLC I0.0I1.7与与I4.0I4.7计24个开关量个开关量输入点；入点；4个水位个水位计的的16个水位个水位电极点分极点分别对

93、应I2.0I3.7计16个开关量个开关量输入点；入点；PLC输出点出点Q0.0Q0.7，Q1.0Q1.5分分别对应于于14台台输出出设备；输出出点点Q1.6Q3.7分分别对应于于8台被控台被控设备与与10种控制方式的状种控制方式的状态指示灯，共指示灯，共计32个开关量个开关量输出点；另外出点；另外6台被控台被控设备的运行指示灯由的运行指示灯由相相应的中的中间继电器触点器触点驱动。图14-9 PLC输入入输出接出接线图（3）TD200中文中文显示器示器与与SIEMENS主机配套的主机配套的显示器的种示器的种类很多，很多，而而TD200中文文本中文文本显示器是所有示器是所有SIMATIC S7-2

94、00系列最系列最简洁、价格最低的操作界面。而且、价格最低的操作界面。而且连接接简单，不需要独立不需要独立电源，只需源，只需专用用电缆连接到接到S7-200CPU的的PPI接口上即可，如接口上即可，如图14-10所示。所示。S7-200系列的系列的CPU中保留了一个中保留了一个专用区域用区域用于与用于与TD200交交换数据，数据，TD200直接通直接通过这些数据些数据区区访问CPU。如信息。如信息显示内容示内容“调节池水位已达上池水位已达上上限上限”，其地址，其地址应来自于来自于调节池水位池水位计的上上限接的上上限接点点I2.0的的输入响入响应。图14-10 TD200中文文本中文文本显示器及其

95、示器及其连接接3程序程序设计（1）主程序流程）主程序流程图S7-200系列系列PLC使用基于使用基于Windows平台的平台的32位位编程程软件包件包STEP-7-Micro/WIN，通常采用，通常采用语义直直观、功能、功能强大、适合修改大、适合修改和和维护的梯形的梯形图语言。言。图14-11给出控制系出控制系统主程序流程主程序流程图，整个工，整个工艺过程分程分为四种控四种控制方式，在全自制方式，在全自动与分与分组自自动方式下，首先方式下，首先要要选择主、主、备用用电机。机。图14-11 主要程序流程主要程序流程图PLC上电上电进进入入手手动动进进入入手手动动是全自动吗？是全自动吗？是手动吗？

96、是手动吗？ 是生化池是生化池 半自动吗？半自动吗？ 进入手动进入手动 进入生化池进入生化池 半自动半自动 选择风机选择风机 选择调节池泵选择调节池泵 进入自动状态进入自动状态 选择风机选择风机 选择调节池泵选择调节池泵 分机分组分机分组调节池分组自动调节池分组自动进进入入手手动动（2）功能按）功能按钮程序程序24个个带灯按灯按钮，分，分别启停启停14台被控台被控设备与与10种操作方式。通种操作方式。通过软件件编程，使按程，使按钮第一次按下第一次按下时有效，第二次按下有效，第二次按下时失效失效(复位复位)。有关有关细节内容可内容可查阅书后参考文献。后参考文献。本本设计完成了所有的工完成了所有的工

97、艺要求，要求，实现了手了手动控制、半自控制、半自动控制、分控制、分组自自动控制和全自控制和全自动控制等控制等四种控制方式，而且硬件器件少，控制四种控制方式，而且硬件器件少，控制盘面面简洁，操作操作简单灵活，中文界面友好。在灵活，中文界面友好。在现场经过调试后后已正常运行，工作可靠已正常运行，工作可靠稳定。定。11.3.4 火火电厂厂DCS控制系控制系统近近年年来来，DCS在在火火电厂厂过程程控控制制领域域的的应用用已已经相相当当普普及及，应用用水水平平提提高高得得很很快快。DCS从从单一一功功能能向向多多功功能能、一一体体化化方方向向发展展，已已经实现了了包包括括数数据据采采集集（DAS）、模

98、模拟量量控控制制（MCS）、开开关关量量控控制制（SCS）、汽汽轮机机控控制制（DEH）、旁旁路路控控制制（BPS）、电气气控控制制（ECS）等等多多项功功能能，在在减减轻运运行行维护人人员的的劳动强度度、提提高高火火电厂厂的的综合合自自动化化水水平平、改改善善火火电机机组运运行行安安全全经济性性等等多方面多方面发挥了极了极为重要的作用。重要的作用。 图14-12所所示示为某某300MW单元元机机组锅炉炉控控制制部部分分采采用用美美国国贝利利公公司司INFI-90系系统的的硬硬件件配配置置图，下下面面以以其其中中的的锅炉炉主主蒸蒸汽汽温温度度控控制制为例例，给出出一一个个DCS在在火火电厂厂过

99、程程控控制制系系统中中应用的用的实例。例。图14-12 某某300MW机机组锅炉控制炉控制INFI-90系系统硬件配置硬件配置图1主汽温度控制方案主汽温度控制方案主汽温度是主汽温度是单元机元机组主要的安全主要的安全经济参数，在正常参数，在正常运行工况下主汽温度的偏差要求控制在运行工况下主汽温度的偏差要求控制在 2 C范范围内，内，动态情况下的偏差不能超情况下的偏差不能超过额定定值的的+5-10 C，对控制性能要控制性能要求比求比较高。高。为了克服主汽温度被控了克服主汽温度被控对象的滞后象的滞后惯性大的影性大的影响，增响，增强系系统抗干抗干扰能力，大型能力，大型单元机元机组的主汽温度控制的主汽温

100、度控制一般采用二一般采用二级喷水减温的水减温的调温方式（一温方式（一级减温相当于粗减温相当于粗调，二二级减温相当于减温相当于细调），同），同时又分又分为甲乙两甲乙两侧进行分行分别控控制，制，这样共有四个共有四个结构构类似的控制回路。似的控制回路。为了了进一步克服一步克服滞后和滞后和惯性性对控制的不良影响，两控制的不良影响，两侧每每级的的喷水水调节均采均采用了串用了串级控制方式，控制方式，图14-13为采用采用喷水水调节的串的串级温度控温度控制系制系统。除了减温水量以外，影响主蒸汽温度的其他主要因除了减温水量以外，影响主蒸汽温度的其他主要因素素还有蒸汽量有蒸汽量扰动和烟气量和烟气量扰动，统称称为

101、外部干外部干扰。为了了提高控制系提高控制系统抵御外部干抵御外部干扰的能力，主蒸汽温度控制系的能力，主蒸汽温度控制系统中中还采用了前采用了前馈方式。方式。图14-14为机机组实际的二的二级减温控制减温控制系系统的的结构构图（SAMA图），），图中中给出了控制回路的基本出了控制回路的基本结构及构及调节器跟踪、手器跟踪、手动/自自动切切换逻辑。图14-13 温度串温度串级控制系控制系统图14-14 主汽温控制主汽温控制SAMA图（1）输入入/输出信号出信号连接接在上述温度控制回路中有在上述温度控制回路中有5个个输入信号（即入信号（即主汽温度、主汽温度、喷水后温度、主蒸汽流量、送水后温度、主蒸汽流量、

102、送风量和量和阀位信号）以及位信号）以及1个个输出信号（出信号（阀位指令）。在位指令）。在INFI-90系系统中，中，对所有的所有的I/O信号都要分配信号都要分配I/O模件与端模件与端子子单元，端子元，端子单元与元与I/O模件相模件相对应。该系系统中涉中涉及的及的I/O模件及其端子模件及其端子单元如元如表表14-2所示。所示。这里使用里使用IMASI03作作为热电偶偶输入模件，入模件，相相应端子端子单元元为NTAI06，用于，用于输入主汽温度信号入主汽温度信号和和喷水后温度信号；使用水后温度信号；使用IMFBS01作作为电流信号流信号输入模件，相入模件，相应端子端子单元元为NTAI05，用于，用

103、于输入主入主蒸汽流量信号、送蒸汽流量信号、送风量信号和量信号和阀位信号；使用位信号；使用IMASO01作作为模模拟量量输出模件，相出模件，相应端子端子单元元为NTDI01，用于，用于输出出阀位指令信号。位指令信号。表表14-2 常见的常见的I/O模件及其端子单元模件及其端子单元 I/OI/O模件模件模件模件端子单元端子单元端子单元端子单元通道数通道数通道数通道数说明说明说明说明IMASI03IMASI03NTAI06NTAI061616通用信号输入模件通用信号输入模件通用信号输入模件通用信号输入模件IMFBS01IMFBS01NTAI05NTAI0515154 420mA/120mA/15V5

104、V输入模输入模输入模输入模件件件件IMASO01IMASO01NTDI01NTDI0114144 420mA/120mA/15V5V输出模输出模输出模输出模件件件件IMDSI02IMDSI02NTDI01NTDI011616开关量输入模件开关量输入模件开关量输入模件开关量输入模件IMDSO14IMDSO14NTDI01NTDI011616开关量输出模件开关量输出模件开关量输出模件开关量输出模件（2）控制模件）控制模件组态系系统中采用的中采用的INFI-90控制模件控制模件为IMMFP02，它可与若干个，它可与若干个I/O模件相模件相连。控制模件中固化有。控制模件中固化有200余种算法模余种算法

105、模块，用，用户通通过组态的方式生成自己的方式生成自己的控制回路。的控制回路。控制模件的控制模件的组态是在工程是在工程师工作站工作站EWS上上通通过运行运行组态软件来件来进行的。行的。组态的的过程是以程是以CAD图的形式将相的形式将相应模模块连接起来，生成若干接起来，生成若干页组态图。将将这些些组态图编译后下装到控制模件后，控制模件后下装到控制模件后，控制模件就可以就可以执行行组态时指定的功能。指定的功能。一般来一般来说，组态图中包含中包含I/O模件模件组态（如上述（如上述输入模件入模件IMASI03、IMFBS01和和输出模件出模件IMASO01的的组态）、控制回路）、控制回路组态、例外、例外

106、报告告组态、趋势组态等内容。等内容。 图14-15为主汽温控制系主汽温控制系统的控制回路的控制回路简化化CAD组态图。其中。其中APID（即功能（即功能码FC156）为改改进的的PID控制算法，是一种具有相当完善控制算法，是一种具有相当完善功能的数字功能的数字PID算法，具有完善的跟踪、抗算法，具有完善的跟踪、抗积分分饱和、高低限幅、前和、高低限幅、前馈输入等功能；入等功能；M/A（即功能（即功能码FC80）为控制接口站，提供与数字量控控制接口站，提供与数字量控制站、操作制站、操作员接口接口单元、管理命令系元、管理命令系统和和计算机接口算机接口单元等装置之元等装置之间的的接口，它可以接口，它可

107、以实现基本、串基本、串级和比率和比率设定点控制以及手定点控制以及手动/自自动站站转换。上述主汽温控制采用了典型的串上述主汽温控制采用了典型的串级控制方式，其中主控制方式，其中主调节器采器采用用PID控制，副控制，副调节器采用器采用PI控制，有利于克服汽温控制，有利于克服汽温对象的大象的大惯性、大性、大滞后特性。由于滞后特性。由于导前汽温（前汽温（喷水后温度）的滞后水后温度）的滞后时间和和惯性性时间常数与常数与出口汽温（主汽温度）相比相出口汽温（主汽温度）相比相对较小，副回路作小，副回路作为一个快速回路，能尽一个快速回路，能尽快消除内快消除内扰（减温水流量）的影响，（减温水流量）的影响，实现对出

108、口汽温的初出口汽温的初调，同，同时也有也有利于消除外利于消除外扰影响。影响。同同时，还引入了主汽流量和送引入了主汽流量和送风量信号作量信号作为主主调节器的前器的前馈信信号。当号。当负荷或荷或风量量发生生变化化时，预先先调整减温水量，以尽快消除外整减温水量，以尽快消除外扰影影响。前响。前馈系数根据系数根据风量及量及负荷荷对汽温汽温对象的象的扰动试验进行整定。行整定。此外，主此外，主调节器器还采取了抗采取了抗积分分饱和措施，和措施，这是通是通过对喷水水阀位指令的高低限幅位指令的高低限幅块H/L（即（即FC12）的）的输出出连接到主接到主调节器器II和和DI实现饱和和时的的积分限制分限制实现的。的。

109、图14-15 主汽温系主汽温系统控制回路控制回路简化化组态图（3）数据）数据库组态凡是需要在操作凡是需要在操作员站站OIS上上显示操作的参示操作的参数都必数都必须在数据在数据库中中进行定行定义，表表14-3所示所示为汽温汽温控制的控制的标签数据数据库示例。示例。表表14-3 标签数据库标签数据库TAGINTAGINDEXDEX标签索标签索标签索标签索引引引引TAGDESTAGDESC C标签描述标签描述标签描述标签描述TAGTYTAGTYPEPE标签类型标签类型标签类型标签类型NUMDENUMDECPCP小数位数小数位数小数位数小数位数LOOPLOOP环路号环路号环路号环路号PCUPCUPCU

110、PCU号号号号MODMODULULE E模件模件模件模件号号号号BLOCBLOCKK块号块号块号块号ALMGROALMGROUGUG报警组报警组报警组报警组1001001MAINTEM1MAINTEMP PANALOGANALOG2 21 110105 5101010101 11021021DESUPTE1DESUPTEMMANALOGANALOG2 21 110105 5101210121 11031031STMFLOW1STMFLOWANALOGANALOG2 21 110105 5111011101 11041041AIRFLOW1AIRFLOWANALOGANALOG2 21 1101

111、05 5111211122 21051051VALVEPO1VALVEPOS SANALOGANALOG2 21 110105 5111411142 21061061VALVEINS1VALVEINSANALOGANALOG2 21 110105 5131013102 2（4）画面）画面组态INFI-90中，操作中，操作员站站OIS上的所有上的所有显示操示操作画面均可通作画面均可通过工程工程师站上的站上的图形形组态软件来制作。件来制作。显示操作画面中主要包括静示操作画面中主要包括静态图形、形、动态参数及操参数及操作器等，通作器等，通过图形形组态软件中相件中相应的工具可以方便的工具可以方便地予以

112、地予以实现。图14-16为针对本例所作的一个本例所作的一个简单的主汽温系的主汽温系统显示操作画面。示操作画面。图14-16 主汽温系主汽温系统显示操作画面示操作画面 本章小结本章小结 控制系控制系统的的设计与工程与工程实现，既是一个理，既是一个理论方方法法问题，又是一个工程，又是一个工程经验问题。要成功地完成一。要成功地完成一个工程个工程项目的目的设计，除了要，除了要讲究科学的究科学的设计方法外，方法外，还要借助于丰富的要借助于丰富的实践践经验。本章在本章在讨论计算机控制系算机控制系统设计的一般原的一般原则和工程的和工程的实现步步骤之后，分之后，分别介介绍了了针对不同控制不同控制对象的四种典型

113、控制装置的工程象的四种典型控制装置的工程应用用实例，意在例，意在说明不同的控制明不同的控制对象象总会有一种会有一种较优的控制装置以及的控制装置以及如何融合硬、如何融合硬、软件技件技术。无疑，。无疑，这将会将会对读者提供者提供一个有益的借一个有益的借鉴。思考题思考题 1简述述计算机控制系算机控制系统的的设计原原则。 2在做在做计算机控制系算机控制系统总体体设计方案方案时，要考要考虑哪些哪些问题？3分析分析说明明图14-2单片机控制水槽水位片机控制水槽水位电路中各元器件的功能，并解路中各元器件的功能，并解释说明表明表14-2所所列出的水位操作控制列出的水位操作控制码。思考题思考题 4 4结合图结合图14-414-4、14-514-5，请参考有关资料选，请参考有关资料选用一种用一种PCPC总线式总线式IPCIPC，画出满足循环水装置控，画出满足循环水装置控制系统的制系统的PCPC总线式总线式IPCIPC硬件组成框图。硬件组成框图。 5 5结合图结合图14-914-9，熟悉西门子，熟悉西门子PLCPLC输入输出输入输出配线，注意输入与输出的电源线的接法。配线，注意输入与输出的电源线的接法。 6 6简单说明循环水装置系统与中水回用系简单说明循环水装置系统与中水回用系统分别选用统分别选用线式线式IPCIPC与与PLCPLC控制装置的理由。控制装置的理由。