控制系統(tǒng)工程設計第1章

1、1.1.1 1.1.1 電子器件圖例符號電子器件圖例符號 常用電子器件有分離元件和集成元件分離元件和集成元件兩大類。 包括電阻器、電容器、電感器、二極管、三極管、晶閘管和場效應管。 包括集成運算放大器和典型集成器件。圖1-1 電阻器阻值色碼表示圖例圖1-2 電阻器額定功率的通用符號 圖1-3 常用二極管外形圖例 圖1-4 片狀封裝二極管外形圖例圖1-5 三極管外形圖例圖1-6 片狀三極管 圖1-7 復合雙三極管 圖1-8 晶閘管外形圖例圖1-9 集成運放的符號 圖1-10 集成運放外形圖例 圖1-11 集成運放反饋回路和輸入形式1.1.2 控制流程圖例符號控制流程圖例符號圖1-12 檢測點的標

2、識圖1-13 儀表圖形符號 圖1-14 控制室內非監(jiān)視儀表圖形符號圖1-15 儀表位號組成示例 圖1-17 計算機控制流程圖示例1.1.3 電氣設備圖例符號電氣設備圖例符號表1-11 電機與變壓器圖形符號 表1-12 儀表、信號器件圖形符號 表1-13 配電箱、屏、控制臺圖形符號 表1-14 電氣線路圖形符號電氣圖中除使用設備圖形符號外，在電氣設備、裝備和元件旁邊還需要標注一些文字符號以表示電氣設備、裝備和元件的名稱、功能、狀態(tài)和特征。 表1-15 電氣設備基本文字符號 表1-16 電氣設備輔助文字符號 表1-17 電源線路和三相電氣設備標記符號 對于不同的控制對象，系統(tǒng)的設計方案和具體的技術

3、指標是不同的，但系統(tǒng)設計對于不同的控制對象，系統(tǒng)的設計方案和具體的技術指標是不同的，但系統(tǒng)設計的基本原則是一致的，這就是：的基本原則是一致的，這就是： 在自動化控制系統(tǒng)中，可靠性指標一般用系統(tǒng)的平均無故障時間（在自動化控制系統(tǒng)中，可靠性指標一般用系統(tǒng)的平均無故障時間（MTBF，Mean Time Between Failures）來表示。）來表示。MTBF反映了系統(tǒng)可靠工作的能力。反映了系統(tǒng)可靠工作的能力。但是，組成一個系統(tǒng)的元器件往往有成千上萬個，組合的方式也各種各樣，一但是，組成一個系統(tǒng)的元器件往往有成千上萬個，組合的方式也各種各樣，一個系統(tǒng)的個系統(tǒng)的MTBF再長，也有失效的時候。因此，通

4、常用平均修復時間（再長，也有失效的時候。因此，通常用平均修復時間（MTTR，Mean Time To Repair）表示每次失效（即出現(xiàn)故障）后所需的維修時間的）表示每次失效（即出現(xiàn)故障）后所需的維修時間的平均值，它表示系統(tǒng)在出現(xiàn)故障后立即恢復工作的能力。一般希望平均值，它表示系統(tǒng)在出現(xiàn)故障后立即恢復工作的能力。一般希望MTBF要大要大于某個規(guī)定值，而于某個規(guī)定值，而MTTR值越短越好。值越短越好。 操作性能好包括兩方面含義，操作性能好包括兩方面含義，即使用方便和維護容易。即使用方便和維護容易。首先是使用方便，首先是使用方便，系統(tǒng)設計時要盡量考慮方便用戶使用，并且要盡量降低對使用人員的專業(yè)知系

5、統(tǒng)設計時要盡量考慮方便用戶使用，并且要盡量降低對使用人員的專業(yè)知識的要求，使他們能在較短時間內熟悉和掌握操作方法。其次是維修容易，識的要求，使他們能在較短時間內熟悉和掌握操作方法。其次是維修容易，即故障一旦發(fā)生時易于排除。從軟件角度而言，要配置查錯程序和診斷程序，即故障一旦發(fā)生時易于排除。從軟件角度而言，要配置查錯程序和診斷程序，以便在故障發(fā)生時能用程序幫助查找故障發(fā)生的部位，從而縮短排除故障的以便在故障發(fā)生時能用程序幫助查找故障發(fā)生的部位，從而縮短排除故障的時間；在硬件方面，從零部件的排列位置，標準化的部件設計，以及能否便時間；在硬件方面，從零部件的排列位置，標準化的部件設計，以及能否便于帶

6、電插拔等都要通盤考慮，甚至操作順序等都要從方便用戶的角度進行設于帶電插拔等都要通盤考慮，甚至操作順序等都要從方便用戶的角度進行設計，如面板上的控制開關不能太多、太復雜等。計，如面板上的控制開關不能太多、太復雜等。 工業(yè)控制計算機的實時性，表現(xiàn)在對內部和外部事件能及時地響應，并做工業(yè)控制計算機的實時性，表現(xiàn)在對內部和外部事件能及時地響應，并做出相應的處理，不丟失信息，不延誤操作。計算機處理的事件一般分為兩類：出相應的處理，不丟失信息，不延誤操作。計算機處理的事件一般分為兩類：一類是定時事件，一類是定時事件，如數(shù)據(jù)的定時采集，運算控制等，對此類事件，系統(tǒng)應設置如數(shù)據(jù)的定時采集，運算控制等，對此類事

7、件，系統(tǒng)應設置時鐘，保證定時處理；時鐘，保證定時處理；另一類是隨機事件另一類是隨機事件，如事故報警等，對此類事件，系統(tǒng)，如事故報警等，對此類事件，系統(tǒng)應設置中斷，并根據(jù)故障的輕重緩急預先分配中斷級別，一旦事故發(fā)生，保證應設置中斷，并根據(jù)故障的輕重緩急預先分配中斷級別，一旦事故發(fā)生，保證優(yōu)先處理緊急故障。優(yōu)先處理緊急故障。 自動化控制的設備對象千變萬化，而控制計算機的研制開發(fā)又需要有一定自動化控制的設備對象千變萬化，而控制計算機的研制開發(fā)又需要有一定的投資和周期，的投資和周期，一般來說，不可能為一臺設備和一個過程對象研制一臺專用一般來說，不可能為一臺設備和一個過程對象研制一臺專用計算機。計算機。

8、因此，系統(tǒng)設計時應考慮能適應不同的設備和不同的控制對象。當因此，系統(tǒng)設計時應考慮能適應不同的設備和不同的控制對象。當設備或控制對象有所變更時，通用性好的系統(tǒng)一般稍作更改就可適應，這就設備或控制對象有所變更時，通用性好的系統(tǒng)一般稍作更改就可適應，這就需要系統(tǒng)能靈活擴充且便于修改功能。要使系統(tǒng)能達到這樣的要求，首先必需要系統(tǒng)能靈活擴充且便于修改功能。要使系統(tǒng)能達到這樣的要求，首先必須采用通用的系統(tǒng)總線結構，當需要擴充時，只要增加相應的板卡就能實現(xiàn)。須采用通用的系統(tǒng)總線結構，當需要擴充時，只要增加相應的板卡就能實現(xiàn)。當當CPU升級時，也只要更換相應的升級芯片及少量相關電路即可實現(xiàn)系統(tǒng)升升級時，也只要

9、更換相應的升級芯片及少量相關電路即可實現(xiàn)系統(tǒng)升級的目的。其次，系統(tǒng)設計時，各設計指標要留有一定的余量，如輸入級的目的。其次，系統(tǒng)設計時，各設計指標要留有一定的余量，如輸入/輸出輸出通道指標、內存容量、電源功率等均事先留有一定的余量，將為日后系統(tǒng)的通道指標、內存容量、電源功率等均事先留有一定的余量，將為日后系統(tǒng)的擴充創(chuàng)造有利的條件。擴充創(chuàng)造有利的條件。 自動化控制應該帶來高的經(jīng)濟效益。經(jīng)濟效益表現(xiàn)在兩方面：自動化控制應該帶來高的經(jīng)濟效益。經(jīng)濟效益表現(xiàn)在兩方面：一是系一是系統(tǒng)設計的性能價格比，統(tǒng)設計的性能價格比，在滿足設計要求的情況下，應盡量采用可靠、廉價的在滿足設計要求的情況下，應盡量采用可靠、

10、廉價的元器件并盡量縮短設計周期；元器件并盡量縮短設計周期；二是投入產(chǎn)出比，二是投入產(chǎn)出比，應該從提高生產(chǎn)過程的產(chǎn)品應該從提高生產(chǎn)過程的產(chǎn)品質量與產(chǎn)量，降低能耗，消除環(huán)境污染，改善勞動條件等方面進行綜合評估。質量與產(chǎn)量，降低能耗，消除環(huán)境污染，改善勞動條件等方面進行綜合評估。自動化系統(tǒng)工程的設計與實施一般可分為4個階段： （1 1）確定系統(tǒng)任務與控制方案）確定系統(tǒng)任務與控制方案首先應對控制對象的工藝流程進行首先應對控制對象的工藝流程進行透徹分析，明確具體控制要求，確定系統(tǒng)所要完成的任務，然后根據(jù)系統(tǒng)要求，透徹分析，明確具體控制要求，確定系統(tǒng)所要完成的任務，然后根據(jù)系統(tǒng)要求，以及所選設備的性能價格

11、比、操作的方便程度、可擴展性等，確定一種比較合理以及所選設備的性能價格比、操作的方便程度、可擴展性等，確定一種比較合理的設計方案，例如，采用開環(huán)還是閉環(huán)控制、簡單控制還是復雜控制等。的設計方案，例如，采用開環(huán)還是閉環(huán)控制、簡單控制還是復雜控制等。 （2 2）確定系統(tǒng)的構成方式）確定系統(tǒng)的構成方式進行控制裝置機型的選擇。進行控制裝置機型的選擇。 （3 3）選擇現(xiàn)場設備）選擇現(xiàn)場設備現(xiàn)場設備主要是傳感器、變送器和執(zhí)行器的選擇?，F(xiàn)場設備主要是傳感器、變送器和執(zhí)行器的選擇。隨著控制技術的發(fā)展，出現(xiàn)了能測量各種參數(shù)的傳感器，如溫度、壓力、流量、隨著控制技術的發(fā)展，出現(xiàn)了能測量各種參數(shù)的傳感器，如溫度、壓

12、力、流量、液位、成分、位移、重量、速度等，種類繁多，規(guī)格各異；而執(zhí)行器也有模擬液位、成分、位移、重量、速度等，種類繁多，規(guī)格各異；而執(zhí)行器也有模擬量執(zhí)行器、數(shù)字量執(zhí)行器及電動、氣動、液動等之分。因此，如何正確選擇這量執(zhí)行器、數(shù)字量執(zhí)行器及電動、氣動、液動等之分。因此，如何正確選擇這些現(xiàn)場設備，確實不是一件簡單的事情，其中的任何一個環(huán)節(jié)都會影響系統(tǒng)的些現(xiàn)場設備，確實不是一件簡單的事情，其中的任何一個環(huán)節(jié)都會影響系統(tǒng)的控制任務和控制精度?？刂迫蝿蘸涂刂凭?。（4 4）確定控制算法）確定控制算法控制算法的選擇與系統(tǒng)的數(shù)學模型有關，在系統(tǒng)控制算法的選擇與系統(tǒng)的數(shù)學模型有關，在系統(tǒng)的數(shù)學模型確定后，便可

13、推導出相應的控制算法。的數(shù)學模型確定后，便可推導出相應的控制算法。一般由實驗方法測出系統(tǒng)的階躍響應特性曲線，然后由一般由實驗方法測出系統(tǒng)的階躍響應特性曲線，然后由曲線確定出其數(shù)學模型。當系統(tǒng)模型確定之后，即可確定控制算法?？刂葡到y(tǒng)曲線確定出其數(shù)學模型。當系統(tǒng)模型確定之后，即可確定控制算法?？刂葡到y(tǒng)的主要任務就是按此控制算法進行控制?？刂扑惴ǖ恼_與否，直接影響控制的主要任務就是按此控制算法進行控制。控制算法的正確與否，直接影響控制系統(tǒng)的調節(jié)品質。系統(tǒng)的調節(jié)品質。 （5 5）硬、軟件功能的劃分）硬、軟件功能的劃分一般的考慮原則是，一般的考慮原則是，對于今后能批量生產(chǎn)的控制系統(tǒng)，為了降低成本，提對

14、于今后能批量生產(chǎn)的控制系統(tǒng)，為了降低成本，提高產(chǎn)品競爭力，在滿足指標功能的前提下，應盡量減少硬件器件，多用軟件來完高產(chǎn)品競爭力，在滿足指標功能的前提下，應盡量減少硬件器件，多用軟件來完成相應的功能。如果軟件實現(xiàn)很困難，而用硬件實現(xiàn)卻比較簡單，且系統(tǒng)的批量成相應的功能。如果軟件實現(xiàn)很困難，而用硬件實現(xiàn)卻比較簡單，且系統(tǒng)的批量又不大的話，則用硬件實現(xiàn)功能比較妥當。又不大的話，則用硬件實現(xiàn)功能比較妥當。 （6 6）其他方面的考慮）其他方面的考慮還應考慮人機界面、系統(tǒng)的機柜或機箱的結還應考慮人機界面、系統(tǒng)的機柜或機箱的結構設計、抗干擾等方面的問題。最后初步估算一下成本，做出工程概算。構設計、抗干擾等方

15、面的問題。最后初步估算一下成本，做出工程概算。（1 1）核心控制裝置）核心控制裝置 無論選用現(xiàn)成的無論選用現(xiàn)成的IPC，還是采用，還是采用PLC裝置，設計者都要根據(jù)系統(tǒng)要求選擇合適的裝置，設計者都要根據(jù)系統(tǒng)要求選擇合適的模板或模塊。選擇的內容一般包括：模板或模塊。選擇的內容一般包括： 根據(jù)控制任務的復雜程度、控制精度以及實時性要求等選擇主機板（包括總線根據(jù)控制任務的復雜程度、控制精度以及實時性要求等選擇主機板（包括總線類型、主機機型等）。類型、主機機型等）。 根據(jù)根據(jù)AI、AO點數(shù)、分辨率和精度，以及采集速度等選擇點數(shù)、分辨率和精度，以及采集速度等選擇A/D、D/A板（包括板（包括通道數(shù)量、信

16、號類別、量程范圍等）。通道數(shù)量、信號類別、量程范圍等）。 根據(jù)根據(jù)DI、DO點數(shù)和其他要求，選擇數(shù)字量輸入點數(shù)和其他要求，選擇數(shù)字量輸入/輸出板（包括通道數(shù)量、信輸出板（包括通道數(shù)量、信號類別、交直流和功率大小等）。號類別、交直流和功率大小等）。 根據(jù)人機聯(lián)系方式選擇相應的接口板或顯示操作面板（包括參數(shù)設定、狀態(tài)顯根據(jù)人機聯(lián)系方式選擇相應的接口板或顯示操作面板（包括參數(shù)設定、狀態(tài)顯示、手動自動切換和異常報警等）。示、手動自動切換和異常報警等）。 根據(jù)需要選擇各種外設接口、通信板塊等。根據(jù)需要選擇各種外設接口、通信板塊等。（2）現(xiàn)場儀表及設備根據(jù)工藝要求選擇電氣動力設備，包括電動機、水泵、風機等

17、的電壓、電根據(jù)工藝要求選擇電氣動力設備，包括電動機、水泵、風機等的電壓、電流等電氣參數(shù)、型號規(guī)格，這部分內容如果細分應歸屬為電氣設計人員。流等電氣參數(shù)、型號規(guī)格，這部分內容如果細分應歸屬為電氣設計人員。 根據(jù)工藝流程選擇測量裝置，包括被測參數(shù)種類、量程大小、信號根據(jù)工藝流程選擇測量裝置，包括被測參數(shù)種類、量程大小、信號類別、型號規(guī)格等。類別、型號規(guī)格等。 根據(jù)工藝流程選擇執(zhí)行裝置，包括能源類型、信號類別、型號規(guī)格根據(jù)工藝流程選擇執(zhí)行裝置，包括能源類型、信號類別、型號規(guī)格等。等。 根據(jù)工藝流程圖設計帶有測控點的工藝控制流程圖、復雜控制系統(tǒng)根據(jù)工藝流程圖設計帶有測控點的工藝控制流程圖、復雜控制系統(tǒng)

18、圖、現(xiàn)場管、線纜敷設圖及自控設備匯總表、綜合材料表等若干工圖、現(xiàn)場管、線纜敷設圖及自控設備匯總表、綜合材料表等若干工程圖。程圖。（3）控制柜（盤）控制柜（盤）控制柜（盤）對于大的系統(tǒng)，往往分成動力柜（強電）、控制柜對于大的系統(tǒng)，往往分成動力柜（強電）、控制柜（弱電）、儀表柜（盤）等幾種柜（盤）；而對于小系統(tǒng)，可以集成在一個柜（弱電）、儀表柜（盤）等幾種柜（盤）；而對于小系統(tǒng)，可以集成在一個柜（盤）上。（盤）上。 （1 1）編程語言的選擇）編程語言的選擇根據(jù)機型不同和控制工況不同，可以選擇不同的根據(jù)機型不同和控制工況不同，可以選擇不同的編程設計語言。目前常用的語言有編程設計語言。目前常用的語言有

19、 （2 2）數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)結構規(guī)劃）數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)結構規(guī)劃按數(shù)據(jù)類型來分類，可分為邏輯型按數(shù)據(jù)類型來分類，可分為邏輯型和數(shù)值型。通常將邏輯型數(shù)據(jù)歸到軟件標志中去考慮。數(shù)值型數(shù)據(jù)可分為定和數(shù)值型。通常將邏輯型數(shù)據(jù)歸到軟件標志中去考慮。數(shù)值型數(shù)據(jù)可分為定點數(shù)和浮點數(shù)，定點數(shù)具有直觀、編程簡單、運算速度快的優(yōu)點，缺點是表點數(shù)和浮點數(shù)，定點數(shù)具有直觀、編程簡單、運算速度快的優(yōu)點，缺點是表示的數(shù)值動態(tài)范圍小，容易溢出；而浮點數(shù)則相反，數(shù)值動態(tài)范圍大、相對示的數(shù)值動態(tài)范圍小，容易溢出；而浮點數(shù)則相反，數(shù)值動態(tài)范圍大、相對精度穩(wěn)定、不易溢出，但編程復雜，運算速度低。精度穩(wěn)定、不易溢出，但編程復雜，運算速度低

20、。 如果某參數(shù)是一系列有序數(shù)據(jù)的集合，如采樣信號序列，則不只有數(shù)據(jù)類型如果某參數(shù)是一系列有序數(shù)據(jù)的集合，如采樣信號序列，則不只有數(shù)據(jù)類型問題，還有一個數(shù)據(jù)存放格式問題，即數(shù)據(jù)結構問題。具體來說，就是按順問題，還有一個數(shù)據(jù)存放格式問題，即數(shù)據(jù)結構問題。具體來說，就是按順序結構、鏈形結構還是樹形結構來存放數(shù)據(jù)。序結構、鏈形結構還是樹形結構來存放數(shù)據(jù)。（3 3）資源分配）資源分配系統(tǒng)資源包括系統(tǒng)資源包括ROM、RAM、定時器、定時器/計數(shù)器、中斷源、計數(shù)器、中斷源、I/O地地 址等。址等。ROM資源用來存放程序和表格，而資源用來存放程序和表格，而I/O地址、定時器地址、定時器/計數(shù)器、中斷計數(shù)器、中

21、斷源在任務分析時已經(jīng)分配好了。源在任務分析時已經(jīng)分配好了。（4 4）控制軟件的設計）控制軟件的設計 主要包括模擬量和數(shù)字量多路信號的采樣、輸入變換、存主要包括模擬量和數(shù)字量多路信號的采樣、輸入變換、存儲等。數(shù)據(jù)處理程序主要包括數(shù)字濾波程序、線性化處理和非線性補償、標度變換程儲等。數(shù)據(jù)處理程序主要包括數(shù)字濾波程序、線性化處理和非線性補償、標度變換程序、越限報警程序等。序、越限報警程序等。 控制算法程序是控制算法程序是 控制量輸出程序控制量輸出程序控制量輸出程序實現(xiàn)對控制量的處理（上下限和變化率處理）、控制量的變換及輸出，控制量輸出程序實現(xiàn)對控制量的處理（上下限和變化率處理）、控制量的變換及輸出，

22、驅動執(zhí)行機構或各種電氣開關。驅動執(zhí)行機構或各種電氣開關。 人機界面程序人機界面程序。 程序實時時鐘和中斷處理程序程序實時時鐘和中斷處理程序計算機控制系統(tǒng)中有很多任務是按時間來安排的，因此計算機控制系統(tǒng)中有很多任務是按時間來安排的，因此 數(shù)據(jù)管理程序數(shù)據(jù)管理程序這部分程序用于生產(chǎn)管理，主要包括畫面顯示、變化趨勢分析、報警記錄、統(tǒng)計報表這部分程序用于生產(chǎn)管理，主要包括畫面顯示、變化趨勢分析、報警記錄、統(tǒng)計報表打印輸出等。打印輸出等。 數(shù)據(jù)通信程序數(shù)據(jù)通信程序數(shù)據(jù)通信程序主要完成計算機與計算機之間、計算機與智能設備之間的信息傳遞和交數(shù)據(jù)通信程序主要完成計算機與計算機之間、計算機與智能設備之間的信息傳遞和交換換。（5 5）程序設計的方法）程序設計的方法 可采用模塊化程序設計和自頂向下程序設計等方法?？刹捎媚K化程序設計和自頂向下程序設計等方法。 對于各種標準功能模板，應對于各種標準功能模板，應按照說明書按照說明書檢查主要功能檢查主要功能 。的順序是的順序是子程序子程序功能模塊功能模塊主程序主程序。 也稱為也稱為模擬調試模擬調試。所謂系統(tǒng)仿真，就是應用相似原。所謂系統(tǒng)仿真，就是應用相似原理和類比關系來研究事物，也就是用模型來代替實際被控對象進行實驗和研理和類比關系來研究事物，也就是用模型來代替實際被控對象進行實驗和研究。系統(tǒng)仿真