計(jì)算機(jī)控制技術(shù)

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)第9章計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

9.1原則與步驟

9.1.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原則

1.安全可靠系統(tǒng)的可靠性是指系統(tǒng)在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力。平均無(wú)故障時(shí)間MTBF（MeanTimeBetweenFailure）MTBF反映了系統(tǒng)可靠工作的能力。平均維修時(shí)間MTTR（MeanTimeToRestoration）MTTR表示系統(tǒng)出現(xiàn)故障后立即恢復(fù)工作的能力。（1）高性能的主控模板。（2）可靠的控制方案，并具有各種安全保護(hù)措施，比如報(bào)警、事故預(yù)測(cè)、事故處理和不間斷電源等。（3）后備裝置。對(duì)于一般的控制回路選用手動(dòng)操作為后備；對(duì)于重要的控制回路，選用常規(guī)控制儀表作為后備。（4）各種軟、硬件的冗余設(shè)置。2.滿足工藝要求3.操作維護(hù)方便4.實(shí)時(shí)性強(qiáng)5.通用性好6.經(jīng)濟(jì)效益高9.1.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)的步驟（1）工程項(xiàng)目與控制任務(wù)的確定階段；（2）工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)階段；（3）離線仿真和調(diào)試階段；（4）在線調(diào)試和運(yùn)行階段。

1.工程項(xiàng)目與控制任務(wù)的確定階段(1)甲方提出任務(wù)委托書(shū)(2)乙方研究任務(wù)委托書(shū)(3)雙方對(duì)委托書(shū)進(jìn)行確認(rèn)性修改(4)乙方初步進(jìn)行系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)(5)乙方進(jìn)行方案可行性論證(6)簽訂合同書(shū)(1)組建項(xiàng)目研制小組(2)系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

1)系統(tǒng)總線與主機(jī)機(jī)型

2)I/O接口

3)變送器

4)執(zhí)行機(jī)構(gòu)

5)其它現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備(3)方案論證與評(píng)審(4)硬件和軟件的細(xì)化設(shè)計(jì)(5)硬件和軟件的調(diào)試(6)系統(tǒng)的組裝2.工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)階段3.離線仿真和調(diào)試階段4.在線調(diào)試和運(yùn)行階段圖9-1離線仿真和調(diào)試階段流程9.2可靠性技術(shù)1.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)(1)長(zhǎng)線傳輸干擾及其抑制(2)信號(hào)線的選擇和敷設(shè)

1)信號(hào)線的選擇（表9－1）9.2.1控制系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì)屏蔽結(jié)構(gòu)干擾衰減比屏蔽效果（db）特點(diǎn)銅網(wǎng)（密度85%）103:140.3電纜的可撓性好（短距離敷設(shè)較好）銅帶迭卷（密度90%）376:151.5帶有焊藥，便于接地（通用性好）鋁聚酯樹(shù)酯帶迭卷6610:176.4為便于接地，使用電纜溝（抗干擾效果好）2)信號(hào)線的敷設(shè)①模擬信號(hào)線與數(shù)字信號(hào)線不能合用同一股電纜，更要絕對(duì)避免信號(hào)線與電纜線合用同一股電纜。②屏蔽系統(tǒng)的屏蔽層應(yīng)該接地。在頻率低于1MHz時(shí)，一點(diǎn)接地即可。當(dāng)頻率高于1MHz時(shí)，最好在多個(gè)位置接地。③信號(hào)線的敷設(shè)盡量遠(yuǎn)離干擾源，避免敷設(shè)在大容量變壓器、電動(dòng)機(jī)等電器設(shè)備的近旁。如果有條件，應(yīng)將信號(hào)線單獨(dú)穿管配線，在電纜溝內(nèi)從上到下依次架設(shè)信號(hào)電纜、直流電源電纜、交流低壓電纜、交流高壓電纜等。④信號(hào)電纜與電源電纜必須分開(kāi)，并盡量避免平行敷設(shè)。當(dāng)信號(hào)電纜與電源電纜不得不敷設(shè)在一起時(shí)應(yīng)滿足：電纜溝內(nèi)設(shè)置隔板，且隔板與大地連接；電源電纜使用屏蔽罩；電纜溝內(nèi)用電纜架或在溝底自由敷設(shè)時(shí)，信號(hào)電纜與電源電纜間距要大于15cm；如電源電纜無(wú)屏蔽且交流電壓220VAC電流10A時(shí)，兩者間距應(yīng)在60cm以上。供電系統(tǒng)的一般保護(hù)2.系統(tǒng)供電與接地技術(shù)圖9-2一般計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)供電結(jié)構(gòu)電源異常的保護(hù)

由于計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的供電不允許中斷，一般采用不間斷電源UPS。正常情況下由交流電網(wǎng)供電，同時(shí)給電池組充電。如果交流電供電中斷，電池組經(jīng)逆變器輸出交流代替外界交流供電，這是一種無(wú)觸點(diǎn)的不間斷的切換。UPS用電池組作為后備電源，如果外界交流電中斷時(shí)間長(zhǎng)，就需要大容量的蓄電池組。此外為了確保供電安全，可以采用交流發(fā)電機(jī)，或第二路交流供電線路。模擬地系統(tǒng)中的傳感器、變送器、放大器、A/D和D/A轉(zhuǎn)換器中模擬電路的零電位。數(shù)字地計(jì)算機(jī)中各種數(shù)字電路的零電位，為避免對(duì)模擬信號(hào)造成數(shù)字脈沖的干擾，數(shù)字地應(yīng)與模擬地分開(kāi)。安全地又稱(chēng)為保護(hù)地或機(jī)殼地，其目的是讓設(shè)備機(jī)殼（包括機(jī)架、外殼、屏蔽罩等）與大地等電位，以免因機(jī)殼帶電而影響人身及設(shè)備安全。系統(tǒng)地上述幾類(lèi)地的最終回流點(diǎn)，直接與大地相連，如圖9-3所示。交流地計(jì)算機(jī)交流供電電源地，即動(dòng)力線地，其地電位很不穩(wěn)定。接地系統(tǒng)分析圖9-3分別回流法接地示例回流法單點(diǎn)接地

①一點(diǎn)接地方式低頻接地技術(shù)

圖9-4串聯(lián)一點(diǎn)接地圖9-5并聯(lián)一點(diǎn)接地一般在低頻時(shí)采用串聯(lián)一點(diǎn)接地的綜合接法，即分組接法：將低電平電路經(jīng)一組共同的地線接地；高電平電路經(jīng)另一組共同地線接地，也就是說(shuō)在同一組中的電路功率、噪聲電平均相差不大。在一般的過(guò)程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中為避免噪聲耦合至少有三條分開(kāi)的地線，如圖9-6所示。一條是低電平電路地線；一條是繼電器、電動(dòng)機(jī)等的地線（稱(chēng)為“噪聲”地線）；一條是設(shè)備機(jī)殼地線（稱(chēng)為“金屬件”地線）。若設(shè)備使用交流電源，則電源地線應(yīng)和金屬件地線相連。這三條地線應(yīng)在一點(diǎn)連接接地。使用這種接地方法可解決計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的大部分接地問(wèn)題。②實(shí)用的低頻接地圖9-6實(shí)用低頻接地方式若幾臺(tái)計(jì)算機(jī)的距離比較近（如安裝在同一機(jī)房?jī)?nèi)），可采用類(lèi)似圖9-8所示的多機(jī)一點(diǎn)接地的方法。各機(jī)柜用絕緣板墊起來(lái)，以防多點(diǎn)接地。對(duì)于遠(yuǎn)距離的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，則通過(guò)隔離的辦法把地分開(kāi)，例如采用變壓器隔離技術(shù)、光電隔離技術(shù)和無(wú)線電通信技術(shù)等。多機(jī)系統(tǒng)的接地圖9-8多機(jī)系統(tǒng)的接地采用三級(jí)浪涌電壓保護(hù)器（也叫瞬態(tài)過(guò)電壓保護(hù)器，SPD）是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)目前比較理想的防雷保護(hù)措施。第一級(jí)在變壓器二次側(cè)、進(jìn)線柜斷路器后的三根相線和中性線上，分別對(duì)地并聯(lián)，主要泄放外線等產(chǎn)生的較強(qiáng)過(guò)電壓第二級(jí)在PLC或UPS等專(zhuān)用配電母線處的三根相線和中性線上，分別對(duì)地并聯(lián)，主要泄放第一級(jí)殘壓，分流配電線路上傳輸過(guò)程中的感應(yīng)或耦合過(guò)電壓和其它用電設(shè)備的操作過(guò)電壓，有效抑制各種電磁干擾。第三級(jí)在主機(jī)、UPS或其它自控設(shè)備接線板熔斷器后的相線和中性線上，分別對(duì)地并聯(lián)，主要泄放前面的殘壓，進(jìn)一步保護(hù)設(shè)備不受過(guò)電壓的干擾。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的防雷設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的冗余技術(shù)可以分為多重化自動(dòng)備用和簡(jiǎn)易的手動(dòng)備用兩種方式。多重化自動(dòng)備用就是對(duì)設(shè)備或部件進(jìn)行雙重化或三重化設(shè)置，萬(wàn)一發(fā)生故障時(shí)，備用設(shè)備或部件自動(dòng)從備用狀態(tài)切入到運(yùn)行狀態(tài)。又分為同步運(yùn)轉(zhuǎn)方式、待機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)方式、后退運(yùn)轉(zhuǎn)方式三種?？刂葡到y(tǒng)的冗余設(shè)計(jì)

同步運(yùn)轉(zhuǎn)方式就是讓兩臺(tái)或兩臺(tái)以上的設(shè)備或部件同步運(yùn)行，進(jìn)行相同的處理，并將其輸出進(jìn)行核對(duì)，只有當(dāng)它們的輸出一致時(shí)，才作為正確的輸出，這種系統(tǒng)稱(chēng)為“雙重化系統(tǒng)”(DualSystem)。也可以將設(shè)備三重化設(shè)置，在三臺(tái)設(shè)備中取兩個(gè)相等的輸出作為正確的輸出值。待機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)方式就是使一臺(tái)設(shè)備處于待機(jī)狀態(tài)，在發(fā)生故障時(shí)，啟動(dòng)待機(jī)設(shè)備來(lái)保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。這種方式稱(chēng)為1:1的備用方式，這種類(lèi)型的系統(tǒng)稱(chēng)為“雙工系統(tǒng)”（DuplexSystem）。后退運(yùn)轉(zhuǎn)方式就是使用多臺(tái)設(shè)備，在正常運(yùn)行時(shí)，各自分擔(dān)各種功能運(yùn)行，當(dāng)其中之一發(fā)生故障時(shí)，其他設(shè)備放棄其中一些不重要的功能，進(jìn)行互相備用。簡(jiǎn)易的手動(dòng)備用方式即采用手動(dòng)操作方式實(shí)現(xiàn)對(duì)自動(dòng)控制方式的備用。當(dāng)自動(dòng)方式發(fā)生故障時(shí)，通過(guò)切換成手動(dòng)工作方式，來(lái)保持系統(tǒng)的控制功能。一般在進(jìn)行計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，主要包括如下關(guān)鍵部件的冗余設(shè)置：電源冗余、輸入/輸出模塊冗余、控制回路冗余、控制網(wǎng)絡(luò)冗余以及操作站冗余等。圖9-11發(fā)酵過(guò)程控制點(diǎn)示意圖9.3基于工業(yè)PC的計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.溫度控制圖9-12分程控制系統(tǒng)原理圖壓力控制pH值控制溶解氧（DO）值的控制表9-2監(jiān)控點(diǎn)情況一覽表描述范圍說(shuō)明描述范圍說(shuō)明發(fā)酵罐內(nèi)的溫度Pt1000～1500C回水溫度Pt1000～1500C發(fā)酵罐內(nèi)的PH值4～20mA0～14進(jìn)水溫度Pt1000～1500C發(fā)酵罐內(nèi)的溶氧4～20mA0～150%發(fā)酵罐內(nèi)壓力0～1KPa發(fā)酵罐的空氣流量0～10KPa/0～120m3/min冷水控制閥DO輸出電磁閥電機(jī)轉(zhuǎn)速4～20mA蒸汽控制閥DO輸出電磁閥空氣流量控制閥AO輸出電動(dòng)閥氨流量控制閥DO輸出空氣開(kāi)關(guān)排出氣體流量控制閥AO輸出電動(dòng)閥變頻調(diào)速器AO輸出電動(dòng)閥圖9-13基于IPC的計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)示意圖9.4基于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖9-14污水處理廠工藝流程圖人工控制RTU自動(dòng)控制中控室遠(yuǎn)程遙控1.污水廠監(jiān)控系統(tǒng)的控制方式2.氧化溝溶解氧控制圖9-15氧化溝溶解氧控制流程示意圖初沉污泥泵房?jī)?nèi)設(shè)兩臺(tái)進(jìn)泥泵。進(jìn)泥管上各設(shè)一個(gè)進(jìn)泥閥，泵房前池內(nèi)設(shè)置高低泥位開(kāi)關(guān)。泵房前池泥位控制策略為：按時(shí)間周期控制泵和閥的啟停。而時(shí)間周期的設(shè)定修正有兩種方式：①人工設(shè)定；②按泥位開(kāi)關(guān)的動(dòng)作來(lái)作出修正。如圖9-16所示，若高位開(kāi)關(guān)動(dòng)作，一方面立即啟動(dòng)第二臺(tái)泵，另一方面修正時(shí)間周期的設(shè)定，減小△T（△T可“正”可“負(fù)”，“負(fù)”表示兩臺(tái)污泥泵同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)）。若低位開(kāi)關(guān)動(dòng)作，則相反。3.初沉池污泥泵房前池泥位控制圖9-16進(jìn)泥泵運(yùn)行時(shí)間示意圖回流污泥系統(tǒng)把二沉池中沉淀下來(lái)的絕大部分活性污泥再回流到氧化溝，以保證氧化溝中有足夠的微生物濃度。回流污泥量和回流比是活性污泥系統(tǒng)的重要工藝參數(shù)?；亓鞅仁侵富亓魑勰嗔颗c入流污水量之比回流系統(tǒng)的控制有三種方式：保持回流量恒定；保持回流比恒定；定期或隨時(shí)調(diào)節(jié)回流量及回流比，使系統(tǒng)狀態(tài)處于最佳。4.回流污泥控制實(shí)際采用第2種和第3種相結(jié)合的方式圖9-17活性污泥回流比控制示意圖按時(shí)間周期啟停。按格柵前后液位差來(lái)決定啟停。當(dāng)液位差超過(guò)某個(gè)數(shù)值（如0.2m）時(shí)，啟動(dòng)格柵除污機(jī)；液位差小于某個(gè)值（如0.1m）時(shí)，停格柵除污