第8章计算机控制系统设计与实现

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1、 计算机控制系统的设计，既是一个理论问题，又是一个工程问题。 计算机控制系统的理论设计包括：建立被控对象的数学模型；确定满足一定技术经济指标的系统目标函数，寻求满足该目标函数的控制规律；选择适宜的计算方法和程序设计语言；进行系统功能的软、硬件界面划分，并对硬件提出具体要求。 计算机控制系统的工程设计，不仅要求掌握生产过程的工艺要求，以及被控对象的动态和静态特性，而且要通晓自动检测技术、计算机技术、通信技术、自动控制技术、微电子技术等。第第8章章 计算机控制系算机控制系统设计与与实现8.1 系统的设计原则与步骤8.1.1 系统设计的原则1安全可靠安全可靠(环境境恶劣、干劣、干扰，备份系份系统，故

2、障，故障诊断断) 2操作操作维护方便方便 3实时性性强(定定时事件、随机事件事件、随机事件) 4通用性好通用性好(硬件硬件标准准总线与模与模块结构、构、软件和算法件和算法采用采用标准模准模块结构，构，组态) 5经济效益高效益高 对工业控制的计算机系统最基本的要求是可靠性高。否则，一旦系统出现故障，将造成整个控制过程的混乱，会引起严重的后果，由此造成的损失往往大大超出计算机控制系统本身的价值。在工业生产过程中，特别是在一些连续生产过程的企业中，是不允许故障率高的设备存在的。 系统的可靠性是指系统在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力。在计算机控制系统中，可靠性指标一般用系统的平均无故障时

3、间MTBF和平均维修时间MTTR来表示。MTBF反映了系统可靠工作的能力，MTTR表示系统出现故障后立即恢复工作的能力，一般希望MTBF要大于某个规定值，而MTTR值越短越好。（1 1）安全可靠）安全可靠）安全可靠）安全可靠 因此，在系统设计时，首先要选用高性能的工业控制计算机，保证在恶劣的工业环境下仍能正常运行。其次是设计可靠的控制方案，并具备有各种安全保护措施，比如报警、事故预测、事故处理、不间断电源等。 为了预防计算机故障，还须设计后备装置。对于一般的控制回路，选用手动操作器作为后备；对于重要的回路，选用常规控制仪表作为后备。这样，一旦计算机出现故障，就把后备装置切换到控制回路中去，以维

4、持生产过程的正常运行。对于特殊的控制对象，可设计两台计算机互为备用地执行控制任务，成为双机系统。对于规模较大的系统，应注意功能分散，即可采用分散控制系统或现场总线控制系统。 包括两个含义，即使用方便和维护容易。 首先是使用方便。系统设计时要尽量考虑用户的方便 使用，尤其是操作面板的设计，既要体现操作的先进 性，又要兼顾原有的操作习惯，控制开关不能太多、太复杂，尽量降低对使用人员专业知识的要求，使他们能在较短时间内熟悉和掌握操作。 其次是维修容易，即一旦发生故障，易于查找和排除。在硬件方面，从零部件的排列位置，标准化的模板结构，以及能否便于带电插拔等等都要通盘考虑；从软件角度而言，要配置查错程序

5、和诊断程序，以便在故障发生时能用程序帮助查找故障发生的部位，从而缩短排除故障的时间。（2 2）操作维护方便）操作维护方便）操作维护方便）操作维护方便（3 3）实时性强）实时性强）实时性强）实时性强 计算机控制系统的实时性，表现在对内部和外部事件能及时地响应，并作出相应的处理，不丢失信息，不延误操作。计算机处理的事件一般分为两类。一类是定时事件，如数据的定时采集，运算控制等，对此系统应设置时钟，保证定时处理；另一类是随机事件，如事故报警等，对此系统应设置中断，并根据故障的轻重缓急预先分配中断级别，一旦事故发生，保证优先处理紧急故障。（4 4）通用性好）通用性好）通用性好）通用性好 工业控制的对象

6、千差万别，而计算机控制系统的研制开发又需要有一定的投资和周期。一般来说，不可能为一台装置或一个生产过程研制一台专用计算机，常常是设计或选用通用性好的计算机控制装置灵活地构成系统。当设备和控制对象有所变更时或者再设计另外一个控制系统时，通用性好的系统一般稍作更改或扩充就可适应。 计算机控制系统的通用灵活性体现在两方面：一是硬件设计方面，首先应采用标准总线结构，配置各种通用的功能模板或功能模块，以便在需要扩充时，只要增加相应板、块就能实现，即便当CPU升级时，也只要更换相应的升级芯片及少量相关电路即可实现系统升级的目的。其次，在系统设计时，各设计指标要留有一定的余量，如输入输出通道指标、内存容量、

7、电源功率等。二是软件方面，应采用标准模块结构，尽量不进行二次开发，主要是按要求选择各种软件功能模块，灵活地进行控制系统的组态。 （5 5）经济效益高）经济效益高）经济效益高）经济效益高 计算机控制应该带来高的经济效益，要有市场竞争意识。经济效益表现在两方面：一是系统设计的性能价格比要尽可能的高，在满足设计要求的情况下，尽量采用物美廉价的元器件；二是投入产出比要尽可能的低，应该从提高生产的产品质量与产量、降低能耗、消除污染、改善劳动条件等方面进行综合评估。计算机控制系统的工程项目的研制可分为四个阶段： 1.工程项目与控制任务的确定阶段 (1) 甲方提出任务委托书(系统技术性能指标、经费、计划进度

8、、合作方式等) (2) 乙方研究任务委托书 (3) 双方对委托书进行修改 (4) 乙方初步进行系统总体方案设计 (5) 乙方进行方案可行性论证 (6) 签订合同书 (双方任务划分和各自承担责任、合作方式、付款方式、进度和计划安排、验收方式及条件、成果归属及违约的解决办法等) 8.1.2 系统设计的步骤 (1)组建项目研制小组(明确分工和相互协调的合作关系) (2)制定系统的总体方案(硬件总体方案、软件总体方案) (3)方案的论证与送审 (4)硬件与软件的分别细化设计 (5)硬件和软件的分别调试 (6)系统的组装2.工程项目的设计阶段3. 离线仿真和调试阶段 在实验室而不是在工业现场进行仿真和调

9、试。离线仿真和调试后还要进行考机运行，以便在连续不停机的运行中暴露问题和解决问题。 4. 在线调试和运行阶段 即将系统和生产过程联接在一起，进行现场调试和运行。系统正常运行后，可组织验收。验收是系统项目最终完成的标志。 8.2 系统的工程设计与实现 8.2.1 系统总体方案设计 总总体体设设计计就就是是要要了了解解控控制制对对象象、熟熟悉悉控控制制要要求求，确确定定总总的的技技术术性性能能指指标标，确确定定系系统统的的构构成成方方式式及及控控制制装装置置与与现现场场设设备备的的选择，以及控制规律算法和其它特殊功能要求。选择，以及控制规律算法和其它特殊功能要求。（1 1）确定系统任务与控制方案确

10、定系统任务与控制方案（2 2）确定系统的构成方式设计确定系统的构成方式设计（3 3）选择现场设备选择现场设备（4 4）确定控制算法确定控制算法（5 5）硬、软件功能的划分硬、软件功能的划分（6 6）其它方面的考虑其它方面的考虑1. 硬件总体方案设计 (1) 确定系统的结构和类型（开环、闭环、DDC、SCC、DCS、FCS等） (2) 确定系统的构成方式 (工控机、PLC、智能调节器，采用积木式模块化结构) (3) 现场设备选择(传感器、变送器、执行机构) (4) 其它方面的考虑（人机联系、机柜机箱、抗干扰等） 对于通用控制系统，可以首选现成的总线式IPC系统或者PLC装置，以加快设计研制进程，

11、使系统硬件设计的工作量减到最小。例如PC总线IPC有数十种国内外的品牌，PLC也有十几种品牌几十种系列可供选择。这些符合工业化标准的控制装置的模板、模块产品都经过严格测试，并可提供各种软硬件接口，包括相应的驱动程序等。这些模板模块产品只要总线标准一致，买回后插入相应空槽即可运行，构成系统极为方便。所以。除非无法买到满足自己要求的产品，否则绝不要随意决定自行研制。2. 软件总体方案设计 用IPC或PLC来组建计算机控制系统不仅能减小系统硬件设计工作量，而且还能减小系统软件设计工作量。一般它们都配有实时操作系统或实时监控程序以及各种控制、运算软件和组态软件等，可使系统设计者在最短的周期内，开发出应

12、用软件。3. 系统总体方案 (1) 系统主要功能、技术指标、原理图及文字说明 (2) 控制策略和控制算法 (3) 系统硬件结构及配置 (4) 方案比较和选择 (5) 保证性能指标要求的技术措施 (6) 抗干扰和可靠性设计 (7) 机柜或机箱的结构设计 (8) 经费和进度计划的安排8.2.2 硬件工程的硬件工程的设计与与实现 1. 选择系统的总线和主机类型 (1)选择系统的总线 包括内总线和外总线选择 (2)选择主机机型 2. 选择输入输出通道模板 (1)数字量（开关量）输入输出(DI/DO)模板 (2)模拟量输入输出(AI/AO)模板 3. 选择变送器和执行机构 (1)选择变送器 (2)选择执

13、行机构（电动、气动、液动） 8.2.3 软件的工程件的工程设计与与实现 1. 数据类型和数据结构规划 2. 资源分配 （RAM/ROM,I/O地址,中断源,定时器等） 3. 实时控制软件设计 包括数据采集及数据处理程序、控制算法程序、控制量输出程序和实时时钟、中断处理程序、数据管理程序和数据通信程序 8.2.4 系系统的的调试与运行与运行 1. 离线仿真和调试（硬件调试，软件调试，系统仿真） 2. 在线调试和运行 在现场进行调试之前应对各种仪器、设备、抗干扰和接地情况以及安全防护措施进行检查。经检查并安装正确之后，就可以进行系统的投运和参数整定。8.3 计算机控制系算机控制系统设计举例例 以啤

14、酒发酵过程计算机控制系统为例8.3.1 啤酒发酵工艺及控制要求 要求控制发酵罐按下图的温度工艺曲线运行8.3.2系统总体方案设计 1. 发酵罐测控点分布及管线结构 系统共有10个发酵罐，每个罐测量5各参数，有3个控制点，他们分别是上段温度TTa、中段温度TTb、下段温度TTc、罐内上部气体压力PT、液位LT、上段冷带调节阀TVa、中段冷带调节阀TVb、下段冷带调节阀TVc。 2. 检测装置和执行机构 温度检测采用WZP-231铂热电阻和RTTB-EKT温度变送器；压力检测采用CECY-150G电容式压力变送器；液位检测采用CECU-341G电容式液位变送器 执行机构采用ZDLP-6B电动调节阀

15、 3. 控制规律 在恒温阶段采用增量型PI控制算法，在升温、降温阶段采用PID控制算法，在控制软件设计中提供了Smith预估控制算法 4. 控制系统主机及过程通道模板 控制主机选用康拓IPC-8500工业控制机 过程通道模板选用康拓IPC-5488 12位光电隔离板 5. 控制系统软件 包括采样、滤波、标度变换、控制输出、中断、计时、打印显示、报警、参数修改及报表、图形、曲线显示等功能8.3.3 系统硬体和软件设计 1. 硬件设计 2. 软件设计 (1)数据采集程序，共有50个参数，采用周期T=2S (2)数字滤波程序 (3)标度变换程序（温度、液位、压力的标度变换） (4)给定工艺曲线的实时插补计算（多段折线） (5)控制算法 （PI/PID+限幅，Smith预估控制算法） (6)其它应用程序（计时、打印、显示、报警、调节、报表、图形、曲线显示等） 8.3.4 系统的安装调试运行及控制效果 系统投入运行之后，首先能满足系统的控制指标要求。 优点： 系统操作简便，维护方便，性能可靠； 采用微机控制，有利于提高啤酒质量； 改善了劳动条件，消除了人为因素； 易于现代化管理和产品质量分析。