現(xiàn)代測控系統(tǒng)設計與實現(xiàn)PPT課件

1、10.07.2020,.,1,第7章 現(xiàn)代測控系統(tǒng)設計與實現(xiàn),現(xiàn)代測控系統(tǒng)的工程設計，不僅要通曉自動檢測技術、計算機技術、通信技術、自動控制技術、微電子技術等，而且要求掌握生產(chǎn)過程和工藝要求。 通常涉及總體方案設計，體系結構設計，設備選型訂貨，系統(tǒng)安裝調(diào)試，工程驗收和交付使用等具體工作。,10.07.2020,.,2,盡管控制的生產(chǎn)過程多種多樣，計算機控制系統(tǒng)的設計方案和具體的技術指標也是千變?nèi)f化，但在系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)過程中，有共同的設計原則與步驟。,7.1 控制系統(tǒng)的工程設計方法,10.07.2020,.,3,7.1.1 系統(tǒng)設計原則 安全可靠性高 在工業(yè)控制計算機系統(tǒng)中，衡量可靠性的指標一

2、般有： 平均無故障時間MTBF(Mean-Time-Before-Failure)，即無故障時間的平均值，一般希望MTBF大于某個規(guī)定值 平均維修時間MTTR(Mean-Time-To-Repair)，每次出現(xiàn)故障后所需維修時間的平均值，表示系統(tǒng)出現(xiàn)故障后立即恢復工作的能力 元器件的可靠性通過嚴格的工藝及產(chǎn)品控制體系來保證。 系統(tǒng)的可靠性通過規(guī)范化設計來達到。,10.07.2020,.,4,為了預防計算機故障，常設計后備裝置，對于一般的控制回路，選用手動操作作為后備。對于較重要的控制場合，采用雙機系統(tǒng)作為控制系統(tǒng)的核心控制器，一般的方式有： 備份工作方式。即一臺投入運行，另一臺作為系統(tǒng)的備份機

3、。 當投入運行的微機出現(xiàn)故障時，由專用切換裝置將備份機自動投入，接替故障機，使系統(tǒng)照常運行；故障機修復后，則作為備份機使用。 主從工作方式。即兩臺微機同時投入運行。 一臺擔任主要工作，另一臺擔任從屬工作。當擔任主要工作的主機發(fā)生故障時，由擔任從屬工作的從屬機接替主機的工作，保證系統(tǒng)的繼續(xù)運行。,10.07.2020,.,5, 雙工工作方式。兩臺主機同時投入系統(tǒng)運行，任何時刻，都同步執(zhí)行同一個任務，并將結果送到一個專門的裝置進行核對。 兩臺機器輸出結果相符，說明兩臺主機都正常，允許將結果輸出到被控對象或設備 兩臺機器結果不符，封鎖輸出，如經(jīng)幾次核對后結果仍不符，則說明其中一臺發(fā)生故障 調(diào)用診斷程

4、序確定故障所在機器，并將其換下，讓另一臺主機繼續(xù)完成執(zhí)行控制任務,10.07.2020,.,6, 分布式控制方案。各控制單元控制各自的被控對象，由上一級計算機進行監(jiān)視和管理。 某一臺控制單元出現(xiàn)故障時，其影響僅限于所涉及的局部區(qū)域，其控制任務由上位機承擔 上位機出現(xiàn)故障時，各控制單元仍維持對各被控對象的控制 大大提高了整個系統(tǒng)的可靠性,10.07.2020,.,7,系統(tǒng)操作性能好 使用方便和維修容易 使用方便表現(xiàn)在操作簡單、直觀形象、便于掌握。 不強求操作工要掌握計算機知識 既體現(xiàn)操作的先進性，又兼顧原有的操作習慣 維修方便體現(xiàn)在易于查找故障，易于排除故障。 采用標準的功能模板式結構，便于更換

5、故障模板 在功能模板上安裝工作狀態(tài)指示燈和檢測點，便于維修人員檢查 配置診斷程序，用來查找故障,10.07.2020,.,8,實時性強 表現(xiàn)在對內(nèi)部和外部事件能及時響應，并作出相應的處理，不丟失信息，不延誤操作。 對于定時事件，如數(shù)據(jù)的定時采集，運算控制等，系統(tǒng)設置時鐘，保證定時處理。 對于隨機事件，如事故、報警等，系統(tǒng)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。,10.07.2020,.,9,通用性、靈活性好 能適應不同的設備和不同的控制對象 稍作更改就可適應設備或被控對象的變更 采用積木式結構，按照控制要求靈活構成系統(tǒng)，并能靈活地進行擴充 各設計指

6、標要留有一定的余量，為日后系統(tǒng)的擴充創(chuàng)造有利的條件 工業(yè)控制機的通用靈活性體現(xiàn)在兩方面： 硬件模板設計采用標準總線結構，配置各種通用的功能模板，以便在擴充功能時，只需增加功能模板就能實現(xiàn)； 軟件模塊或控制算法采用標準模塊結構，用戶使用時不需要二次開發(fā)，只需按要求選擇各種功能模塊，靈活地進行控制系統(tǒng)組態(tài)。,10.07.2020,.,10,經(jīng)濟效益高 系統(tǒng)設計時要考慮性能價格比，要有市場競爭意識。經(jīng)濟效益表現(xiàn)在： 系統(tǒng)設計的性能價格比要盡可能的高 投入產(chǎn)出比要盡可能地低,10.07.2020,.,11,7.1.2 工程項目的確定 確定工程項目與控制任務一般由甲、乙共同工作來實現(xiàn)： 甲方任務的委托方

7、 乙方工程項目的承接方 甲方提出任務委托書 在委托乙方承接系統(tǒng)工程項目前，甲方提供正式的書面任務。 委托書要明確系統(tǒng)技術性能指標要求，還要包含經(jīng)費、計劃進度、合作方式等內(nèi)容。 乙方研究任務委托書 乙方在接到任務委托書后要認真閱讀，并逐條進行研究。對含糊不清、認識上有分歧和需補充或刪節(jié)的地方要逐條標出，并擬定出要進一步弄清的問題及修改意見。,10.07.2020,.,12,雙方對委托書進行確認性修改 在乙方對委托書進行了認真研究之后，雙方應就委托書的確認或修改事宜進行協(xié)商和討論。 為避免因行業(yè)和專業(yè)不同所帶來的局限性，在討論時應有各方面有經(jīng)驗的人員參加。經(jīng)過確認或修改過的委托書中不應有含義不清的

8、的詞匯和條款，而且雙方的任務和技術界面必須劃分清楚。 乙方初步進行系統(tǒng)總體方案設計 由于任務和經(jīng)費沒有落實，所以這時總體方案的設計只能是粗線條的。在條件允許的情況下，應多做幾個方案以便比較。 這些方案應在“粗線條”的前提下，盡量詳細，其把握的尺度是能清楚地反映出三大關鍵問題：技術難點、經(jīng)費概算、工期。,10.07.2020,.,13,乙方進行方案可行性論證 方案可行性論證的目的是要估計承接該項任務的把握性，并為簽訂合同后的設計工作打下基礎。論證的主要內(nèi)容是：技術可行性；經(jīng)費可行性；進度可行性。 特別要指出，對控制項目尤其是對可測性和可控性應給予充分重視。 簽訂合同書 合同書是雙方達成一致意見的

9、結果，也是雙方合作的依據(jù)和憑證。 合同書應包含如下內(nèi)容：經(jīng)過雙方修改和認可的甲方“任務委托書”的全部內(nèi)容，雙方的任務劃分和各自應承擔的責任，合作方式，付款方式，進度和計劃安排，驗收方式及條件，成果歸屬及違約的解決辦法。,10.07.2020,.,14,7.1.3 工程項目設計 創(chuàng)建項目研制小組 為了完成系統(tǒng)設計，應首先把項目組成員確定下來。這個項目組應由懂得計算機硬件、軟件和有控制經(jīng)驗的技術人員組成，還要明確分工和項目的協(xié)調(diào)合作關系。 形成總體方案 系統(tǒng)總體方案包括硬件總體方案和軟件總體方案。硬件和軟件的設計是互相有機聯(lián)系的。因此，在設計時要經(jīng)過多次的協(xié)調(diào)和反復，最后才能形成硬件和軟件的方塊圖

10、，并建立說明文檔，包括控制策略和控制算法的確定等。,10.07.2020,.,15,方案論證與評審 方案論證與評審是對系統(tǒng)設計方案的把關和最終裁定。評審后確定的方案是進行具體設計和工程實施的依據(jù)，因此應邀請有關專家、主管領導及甲方代表參加。評審后應重新修改總體方案，評審過的方案設計應該作為正式文件存檔，原則上不應再作大的改動。 硬件和軟件的分別細化設計 在總體方案評審后，將方塊圖中的方塊劃到最低層，然后進行底層塊內(nèi)的結構細化設計。 對于硬件設計來說，就是選購模板以及設計制作專用模板 對軟件設計來說，就是將一個個模塊編成一條條的程序,10.07.2020,.,16,硬件和軟件的分別調(diào)試 硬件、軟

11、件的設計都需邊設計邊調(diào)試邊修改。往往要經(jīng)過幾個反復過程才能完成。 系統(tǒng)的組裝 硬件細化設計和軟件細化設計后，分別進行調(diào)試。之后就可進行系統(tǒng)的組裝，組裝是離線仿真和調(diào)試階段的前提和必要條件。,10.07.2020,.,17,7.1.4 項目仿真和調(diào)試 離線仿真和調(diào)試,離線仿真和調(diào)試是指在實驗室而不是在工業(yè)現(xiàn)場進行的仿真和調(diào)試，調(diào)試流程如圖7.1所示。 離線仿真和調(diào)試試驗后，還要進行考機運行。 考機的目的是要在連續(xù)不停機的運行中暴露問題和解決問題。,圖 7.1,10.07.2020,.,18,在線調(diào)試和運行 在線調(diào)試和運行就是將系統(tǒng)和生產(chǎn)過程聯(lián)接在一起，進行現(xiàn)場調(diào)試和運行。 盡管離線仿真和調(diào)試工作

12、非常認真、仔細，現(xiàn)場調(diào)試和運行仍可能出現(xiàn)問題，因此必須認真分析加以解決。 系統(tǒng)運行正常后，再試運行一段時間，即可組織驗收。 驗收是系統(tǒng)項目最終完成的標志，應由甲方主持乙方參加，雙方協(xié)同辦理。 驗收完畢應形成驗收文件存檔。,10.07.2020,.,19,在實時過程控制中，要把控制系統(tǒng)的安全可靠放在首位，因此在系統(tǒng)設計時，必須重視采取各種技術措施，提高系統(tǒng)的可靠性。 7.2.1 工業(yè)控制機的可靠性措施 采用模塊化、積木化、標準化結構 模塊化、積木化的結構，允許用戶對模板有一定的備份，而不增加很多投資，對提高系統(tǒng)的可靠性，縮短平均修復時間有重要意義。,7.2 控制系統(tǒng)可靠性技術,10.07.202

13、0,.,20,工業(yè)控制機標準化，通常是指系統(tǒng)總線的標準化和模板尺寸的標準化。 系統(tǒng)總線、模板尺寸標準化，系統(tǒng)的模板、插槽、外殼可大規(guī)模、大批量生產(chǎn)，降低生產(chǎn)成本，又具通用性、互換性。 設計模板時應合理安排各部分電路的位置，使得信號路徑最短，信號流向標準化，避免I/O接口與總線接口之間的相互干擾。 印刷電路板設計時，應避免長距離平行走線，線條應該在可能的情況下盡量加粗，尤其是地線和電源線。這樣既可以減小線電阻，減小電阻壓降引進的干擾，又能提高線路的可靠性。,10.07.2020,.,21,注意電源配置與散熱措施 電源配置，應考慮電源電壓數(shù)值、波動范圍、紋波的大小、輸出電流數(shù)值，并且電源容量要留有

14、較大裕量。 在電路設計用到穩(wěn)壓塊或功率器件時，務必裝備散熱器，否則不可能提供標定的電流或者因嚴重發(fā)熱，損壞穩(wěn)壓塊。 在控制箱、柜中，加裝小風機，盡管花費不大，但對提高系統(tǒng)的可靠性效果顯著。小風機既可散熱、防塵，還可防潮、防濕。,10.07.2020,.,22,重視安裝工藝措施 在生產(chǎn)現(xiàn)場或運輸過程中，免不了會受到振動和沖擊，要充分重視對控制系統(tǒng)組件、導線和電線的固定，接插件的選擇、安裝。 對于體積較大，重量較重的電阻、電容、電感、變壓器等組件，應采用機械加固，防止因振動或沖擊使組件脫落。 機箱或機柜中的電線必須整齊排列、捆扎和固定。 控制機中的接插件、接線牢靠程度，直接影響到系統(tǒng)的可靠性。印刷

15、電路板上的插座盡量選用雙簧插座或者不用插座，直接焊接。 在選用信號線的接插件時，也應保證接觸可靠，接頭帶有簧片，固定牢靠。,10.07.2020,.,23,多重化結構設計 在生產(chǎn)過程控制中為了提高可靠性可采用多重結構，系統(tǒng)采用的方法是使若干同樣裝置并聯(lián)運行。只要其中有一臺正常工作時，系統(tǒng)就能維持功能，即用控制計算機的冗余結構提高系統(tǒng)的可靠性。 為了便于分析討論，先介紹關于可靠性的初步概念。,10.07.2020,.,24,1. 系統(tǒng)可靠性的度量參數(shù)介紹 平均故障間隔時間(或稱平均無故障時間)MTBF 平均修復時間(或稱平均維修時間)MTTR 可靠性(或稱可靠度) 故障率(或稱失效率) 利用率（

16、或稱可用度） 不可利用率（或稱不可利用度）,10.07.2020,.,25,2. 雙重結構系統(tǒng)可靠性 設系統(tǒng)D由兩臺彼此獨立、功能完全相同的設備組成，如圖7.3所示。 如圖D1，D2中任一設備正常工作，系統(tǒng)(等效輸入X，輸出Y)就正常工作。只有在同時失效，系統(tǒng)D才失效。,圖 7.3,設備D1，D2的可靠性R1=R2=R0，不可靠性U1=U2=1-R0 。系統(tǒng)的可靠性R，不可靠性U=(1R0)2。 系統(tǒng)D的可靠性 由R0 1，可得RR0，表明雙重結構單臺設備的可靠性高。,10.07.2020,.,26,3. 雙重結構系統(tǒng)的平均故障間隔時間 設雙重結構系統(tǒng)D及各設備Di的平均故障間隔時間，平均修復

17、時間，不可利用率分別為MTBF，MTBFi，MTTR，MTTRi，U，Ui。則有,由于 ，故平均故障間隔時間,由此表明雙重結構的平均故障間隔時間MTBF遠遠大于單機的平均故障間隔時間MTBF。,10.07.2020,.,27,7.2.2 控制系統(tǒng)的抗干擾措施 7.2.2.1 信號系統(tǒng)的抗干擾措施 計算機與測量、控制現(xiàn)場間有各種信號傳輸與聯(lián)系，計算機與測量、控制現(xiàn)場信號的抗干擾的重要措施之一是采用信號隔離措施，采用隔離放大器、光電隔離器件等隔離信號，使計算機與測量、控制現(xiàn)場沒有直接的電的聯(lián)系。 傳送信號用屏蔽的雙絞線，當傳送距離較遠時，加金屬管屏蔽可抗御空間干擾。對于串模干擾，除了信號屏蔽外，還

18、采用RC濾波和數(shù)字濾波。對于共模干擾，可以采用平衡式傳輸器件與技術、浮空加屏蔽和信號隔離等措施。,10.07.2020,.,28,7.2.2.2 電源系統(tǒng)的抗干擾措施 控制系統(tǒng)的交流電源直接引自照明電源或直接引自電源總閘，以減少其它大功率設備因導線降壓造成對計算機控制系統(tǒng)的干擾。交流電源采用交流穩(wěn)壓，變壓器隔離，LC濾波和不間斷電源等。電源變壓器加電磁屏蔽，直流電源加穩(wěn)壓、RC濾波，印刷板電源、IC芯片電源側加置RC濾波，均是有力的抗干擾措施。 7.2.2.3 接地與抗干擾 電路板的走線，盡量采用雙面板，使一面布設組件和走線，另一面作整體地線。 雙面板走線時，采用將印刷板的空位和邊緣留作地線，

19、板邊延地線，應盡量寬些。平行信號線間，添插一些地線。,10.07.2020,.,29,操作面板上安裝的開關、按鈕是信息輸入，而顯示器件是信息輸出監(jiān)視。應防止輸入、輸出之間通過地線公共阻抗耦合干擾，常把這兩種信號的地線分別設置，各自單獨引到匯流板。 應注意在接口地線的敷設過程中連接可靠，絕緣良好；不同等級的電壓、電流線和容易引進干擾的信號線，應分別設置地線；在信號電纜線束中，合理設置地線，對信號線起到屏蔽和隔離的作用。 對于感性負載回路的開關、按鈕、觸點，為了保護觸點和抑制干擾，可設置抑制網(wǎng)絡；對于不同的交流AC、直流DC回路，可以采用二極管D、穩(wěn)壓管DW、電容C、電阻R和壓敏電阻等組成不同的抑

20、制網(wǎng)絡。,10.07.2020,.,30,7.2.2.4 信號隔離技術 采用信號隔離技術，能有效地抑制干擾信號，使計算機跟現(xiàn)場沒有電氣的直接聯(lián)系，即使現(xiàn)場信號或電源短路也不會發(fā)生毀滅性事故，因此，信號隔離技術是提高可靠性的重要措施。 信號隔離通常分為光電耦合電路和變壓器耦合電路。前者用于數(shù)字或模擬信號的隔離，后者用于模擬信號的隔離。,10.07.2020,.,31,（1）光電耦合電路 光電耦合電路具有明顯的優(yōu)點，傳輸信號是單方向的。具有寄生反饋??；傳輸信號的頻帶寬；抗干擾能力強，不容易受周圍電磁場的影響；體積小，重量輕；耐沖擊，耐振動；絕緣電壓高等特點。 （2）變壓器耦合電路 變壓器耦合電路也

21、稱隔離放大器。 隔離放大器的特點是： 精度高，非線性小；輸入失調(diào)電壓漂移低；寬頻帶；增益范圍可調(diào)；高共模隔離電壓；高共模抑制比；隔離電源輸出；功耗低；工作溫度范圍寬。,10.07.2020,.,32,7.2.2.5 看門狗技術 看門狗即監(jiān)控定時器，定時器受CPU控制，CPU可重新設置定時值，或重新啟動，也可以清“零”重新開始計時。 看門狗不但可用來檢測系統(tǒng)出錯并自動恢復運行，同時，看門狗也可用來檢測硬件的故障，這種硬件故障常是不可修復的，一旦出現(xiàn)，看門狗會連續(xù)產(chǎn)生溢出脈沖，頻繁進行中斷處理程序，這時可判定為硬件故障，發(fā)出硬件故障報警信號。,10.07.2020,.,33,7.2.2.6 電源掉

22、電處理技術 控制系統(tǒng)應設計電源掉落檢測電路，當發(fā)生掉電時，應能及時檢測電源掉落，利用直流電源電容器存儲的能量，將斷點狀態(tài)保護在由后備電池供電的存儲區(qū)里，記下停電時間便可在來電后實現(xiàn)補償運行。 為了實現(xiàn)斷點保護，電源掉落檢測電路應能產(chǎn)生掉電信號，引起不可屏蔽中斷，在CPU及存儲器失效前，完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)保護任務。利用上電復位信號，重新進入斷點，實現(xiàn)補償運行。,10.07.2020,.,34,7.2.3 軟件設計的可靠性措施 在應用程序設計中可采取下述措施，提高軟件的可靠性。 7.2.3.1 使程序高速循環(huán) 簡練高效地編制應用程序，從頭到尾執(zhí)行程序，進行高速循環(huán)，執(zhí)行周期小于繼電器、接觸器等執(zhí)行機構的

23、動作時間，一次偶然的錯誤輸出不會造成事故。,10.07.2020,.,35,7.2.3.2 輸出反饋、表決和周期刷新 對重要的輸出控制信號，設計多路輸出及表決電路，防止輸出電路偶然失效。把輸出的控制信號反饋引入計算機并與存儲器中的輸出量比較，若不符，立即再次輸出，多次故障時報警，采取相應措施。 編程中對輸出信號進行周期刷新，是經(jīng)常采用的可靠性措施。,10.07.2020,.,36,7.2.3.3 存儲器使用技巧 把關鍵數(shù)據(jù)分區(qū)存放三個單元，使用時讀出來表決，以防止存儲器偶然失效。 每段程序或每個控制周期的結果數(shù)據(jù)不可立即沖掉，而保留12個控制周期，以便機器故障時使用。 把控制計算機中不用的EP

24、ROM或RAM區(qū)一律提前寫成FFH或OOH，如果由于干擾造成數(shù)據(jù)改寫，改寫了RAM區(qū)內(nèi)容，可能寫入某個隨機數(shù)。但與RAM區(qū)提前寫入的FFH或OOH不易巧合形成地址指針、判斷轉換的條件、狀態(tài)等關鍵數(shù)據(jù)，會引起存儲區(qū)的數(shù)據(jù)緩沖器誤開放，這是一個提高可靠性的簡單有效的方法。,10.07.2020,.,37,7.2.3.4 實時診斷 在每個控制周期或定時對被控設備的狀態(tài)和控制計算機本身進行測試，發(fā)現(xiàn)異常現(xiàn)象和狀態(tài)，立即報警并采取安全措施。,10.07.2020,.,38,7.3 控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn) 作為一個計算機控制系統(tǒng)工程項目，在研制過程中應該經(jīng)過哪些步驟，應該怎樣有條不紊地保證工作順利進行，這是

25、需要認真考慮的。本節(jié)就系統(tǒng)的工程設計與實現(xiàn)的具體問題作進一步的討論，這些具體問題對實際工作有重要的指導意義。 7.3.1 系統(tǒng)總體方案設計 設計一個性能優(yōu)良的計算機控制系統(tǒng)，要注重對實際問題的調(diào)查。通過對生產(chǎn)過程的深入了解、分析以及對工作過程和環(huán)境的熟悉，才能確定系統(tǒng)的控制任務，提出切實可行的系統(tǒng)總體設計方案來。,10.07.2020,.,39,7.3.1.1 硬件總體方案設計 依據(jù)合同書的技術要求和已做過的初設方案，開展系統(tǒng)的硬件總體設計。硬件總體方案設計的方法通常是“黑箱”設計。 所謂“黑箱”設計，就是畫方塊圖的方法。 用這種方法做出的系統(tǒng)結構設計，只需明確各方塊之間的信號輸入輸出關系和功

26、能要求，而不需知道“黑箱”內(nèi)具體結構。,10.07.2020,.,40,硬件總體方案設計主要包含以下幾個方面的內(nèi)容： （1）確定系統(tǒng)的結構和類型 根據(jù)系統(tǒng)要求，確定采用開環(huán)還是閉環(huán)控制。 閉環(huán)控制還需進一步確定是單閉環(huán)還是多閉環(huán)控制。 實際可供選擇的控制系統(tǒng)類型有：操作指導控制系統(tǒng)；直接數(shù)字控制系統(tǒng)；監(jiān)督計算機控制系統(tǒng)；分級控制系統(tǒng)；分散型控制系統(tǒng)；工業(yè)測控網(wǎng)絡系統(tǒng)等。,10.07.2020,.,41,（2）確定系統(tǒng)的構成方式 系統(tǒng)的構成方式應優(yōu)先選擇工業(yè)控制機來構成系統(tǒng)的方式。也可以采用可編程控制器或智能調(diào)節(jié)器來構成計算機控制系統(tǒng)的前端機（下位機）。 工業(yè)控制機具有系列化、模塊化、標準化和開

27、放結構，有利于系統(tǒng)設計者在系統(tǒng)設計時根據(jù)要求來任意選擇，像積木般地組建系統(tǒng)。這種方式可提高研制和開發(fā)速度，提高系統(tǒng)的技術水平和性能,增加可靠性。也可以采用通用的PLC或智能調(diào)節(jié)器來構成計算機控制系統(tǒng)（如分散型控制系統(tǒng)、分級控制系統(tǒng)、工業(yè)網(wǎng)絡）的前端機（或下位機）。,10.07.2020,.,42,（3）現(xiàn)場設備選擇 主要包括傳感器、變送器和執(zhí)行機構的選擇，這些裝置的選擇要正確，它是影響系統(tǒng)控制精度的重要因素之一。 其它方面的總體設計方案中還應考慮人機聯(lián)系方式、系統(tǒng)的機柜或機箱的結構設計、抗干擾等方面的問題。,10.07.2020,.,43,7.3.1.2 軟件總體方案設計 依據(jù)合同書的技術要求

28、和已做過的初設方案，進行軟件的總體設計。軟件總體設計和硬件總體設計一樣，通常也是采用結構化的“黑箱”設計法。 先畫出較高一級的方框圖，然后再將大的方框分解成小的方框，直到能表達清楚為止。 軟件設計方案還應考慮確定系統(tǒng)的數(shù)學模型、控制策略、控制算法等，選擇合適的控制組態(tài)軟件，也是軟件總體設計的重要內(nèi)容。,10.07.2020,.,44,7.3.1.3 系統(tǒng)總體方案 將上面的硬件總體方案和軟件總體方案合在一起構成系統(tǒng)的總體方案?？傮w方案論證可行后，要形成文件，建立總體方案文檔。系統(tǒng)總體文件的內(nèi)容包括： 系統(tǒng)的主要功能、技術指標。原理性方框圖及文字說明。 控制策略和控制算法。例如PID控制、Smit

29、h補償控制、串級控制、前饋控制、解耦控制、模糊控制、最優(yōu)控制等。 系統(tǒng)的硬件結構及配置，主要的軟件功能、結構及框圖。 方案的比較和選擇。 保證性能指標要求的技術措施。 抗干擾和可靠性設計。 機柜和機箱的結構設計。 經(jīng)費和進度計劃的安排。,10.07.2020,.,45,對所提出的總體設計方案要進行合理性、經(jīng)濟性、可靠性及可行性論證。論證結束后，便可形成系統(tǒng)設計依據(jù)的系統(tǒng)總體方案圖和設計任務書，以指導具體的系統(tǒng)設計過程。,10.07.2020,.,46,7.3.2 硬件的工程設計和實現(xiàn) 采用總線式工業(yè)控制機進行系統(tǒng)的硬件設計，可以解決工業(yè)控制中的眾多問題。由于總線式工業(yè)控制機的高度模塊化和插板結

30、構，因此，可以采用組合方式來大大簡化計算機控制系統(tǒng)的設計。 采用總線式工業(yè)控制機，只需要簡單的更換幾塊模板，就可以很方便地變成另外一種功能的控制系統(tǒng)。 在計算機控制系統(tǒng)中，一些控制功能既能用硬件實現(xiàn)，亦能用軟件實現(xiàn)，故系統(tǒng)設計時，硬件、軟件的功能要綜合考慮。,10.07.2020,.,47,7.3.2.1 選擇系統(tǒng)的總線和主機類型 （1）選擇系統(tǒng)的總線 系統(tǒng)采用總線結構，具有很多優(yōu)點。 簡化硬件結構 用戶可根據(jù)需要直接選用符合總線標準的功能模板，而不必考慮模板插件之間的匹配問題，使系統(tǒng)硬件設計大大簡化。 系統(tǒng)可擴性好，僅需將按總線標準研制的新的功能模板插在總線槽中即可。,10.07.2020,

31、.,48,系統(tǒng)更新性好，一旦出現(xiàn)新的微處理器、存儲器芯片和接口電路，只要將這些新的芯片及總線標準研制成各類插件，即可取代原來的模板而升級更新系統(tǒng)。 內(nèi)總線選擇 常用的工業(yè)控制機內(nèi)總線有兩種，即PC總線和STD總線。一般常選用PC總線進行系統(tǒng)的設計。,10.07.2020,.,49, 外總線選擇 外總線就是計算機與計算機之間、計算機與智能儀器或智能外設之間進行通信的總線。 它包括并行通信總線(IEEE488)和串行通信總線(RS232C)。另外還有可用來進行遠距離通信、多站點互聯(lián)的通信總線RS422和RS485。 具體選擇哪一種，要根據(jù)通信的速率、距離、系統(tǒng)拓撲結構、通信協(xié)議等要求來綜合分析、才

32、能確定。 但需要說明的是RS422和RS485總線在工業(yè)控制機的主機中沒有現(xiàn)成的接口裝置，必須另外選擇相應的通信接口板。 要注意現(xiàn)場總線技術應是當前的優(yōu)先選擇。,10.07.2020,.,50,（2）選擇主機機型 在總線式工業(yè)控制機中，有許多機型，都因采用的CPU不同而不同。 以PC總線工業(yè)控制機為例，其CPU有8088、8086、80846、Pentium(586、P2、P3)等多種型號，內(nèi)存、硬盤、主頻、CRT顯示卡也有多種規(guī)格。 設計人員可根據(jù)要求合理地進行選擇。,10.07.2020,.,51,7.3.2.2 選擇輸入輸出信道模板 一個典型的計算機控制系統(tǒng)，除了工業(yè)控制機的主機以外，還

33、必須有各種輸入輸出信道模板，其中包括數(shù)字量I/O(即DI/DO)、模擬量I/O (即AI/AO)等模板。 （1）數(shù)字量(開關量)輸入輸出(DI/DO)模板 PC總線的并行I/O 接口模板多種多樣，通常可分為TTL電平的DI/DO和帶光電隔離的DI/DO。 通常和工業(yè)控制機共地裝置的接口可以采用TTL電平，而其它裝置與工業(yè)控制機之間則采用光電隔離。 對于大容量的DI/DO系統(tǒng)，往往選用大容量的TTL電平DI/DO板，而將光電隔離及驅動功能安排在工業(yè)控制機總線之外的非總線模板上，如繼電器板等。,10.07.2020,.,52,（2）模擬量輸入輸出(AI/AO)模板 AI/AO模板包括A/D、D/A

34、板及信號調(diào)理電路等。 AI模板輸入可能是05V、1 10V、0 10mA、4 20mA以及熱電偶、熱電阻和各種變送器的信號。 AO模板輸出可能是05V、1 10V、0 10mA、4 20mA等信號。 選擇AI/AO模板時必須注意分辨率、轉換速度、量程范圍等技術指標。 系統(tǒng)中的輸入輸出模板，可按需要進行組合，不管那種類型的系統(tǒng)，其模板的選擇與組合均由生產(chǎn)過程的輸入?yún)?shù)和輸出控制信道的種類和數(shù)量來確定。,10.07.2020,.,53,7.3.2.3 選擇變送器和執(zhí)行機構 （1）選擇變送器 變送器是能將被測變量（如溫度、壓力、物位、流量、電壓、電流等）轉換為可遠傳的統(tǒng)一標準信號（010mA、420

35、mA）的一種儀表，且輸出信號與被測變量有一定的連續(xù)關系。在控制系統(tǒng)中其輸出信號被送至工業(yè)控制機進行處理，實時數(shù)據(jù)采集。 常用的變送器有溫度變送器、壓力變送器、液位變送器、差壓變送器、流量變送器、各種電量變送器等。系統(tǒng)設計人員可根據(jù)被測參數(shù)的種類、量程、被測對象的介質(zhì)類型和環(huán)境來選擇變送器的具體型號。,10.07.2020,.,54,（2）選擇執(zhí)行機構 執(zhí)行機構(也稱調(diào)節(jié)閥)是控制系統(tǒng)中必不可少的組成部分，它的作用是接受計算機發(fā)出的控制信號，并把它轉換成調(diào)整機構的動作，使生產(chǎn)過程按預定規(guī)定的要求正常運行。 執(zhí)行機構分為氣動、電動、液壓三種類型。氣動執(zhí)行機構的特點是結構簡單、價格低、防火防爆；電動

36、執(zhí)行機構的特點是體積小、種類多、使用方便；液壓執(zhí)行機構的特點是推力大、精度高。常用的執(zhí)行機構為氣動和電動兩種。 另外，還有各種有觸點和無觸點開關，也是執(zhí)行機構，實現(xiàn)開關操作。電磁閥作為一種開關閥在工業(yè)中也得到了廣泛的應用。,10.07.2020,.,55,7.3.3 軟件的工程設計與實現(xiàn) 用工業(yè)控制機來組建計算機控制系統(tǒng)不僅能減小系統(tǒng)硬件設計工作量，而且還能減小系統(tǒng)軟件設計工作量。一般的工業(yè)控制機都配有實時操作系統(tǒng)或實時監(jiān)控程序，各種控制、運算軟件、組態(tài)軟件等，可使系統(tǒng)設計者在最短的周期里，開發(fā)出目標系統(tǒng)軟件。 一般工業(yè)控制機把工業(yè)控制所需的各種功能以模塊形式提供給用戶。其中包括：控制算法模塊

37、，運算模塊，計數(shù)/計時模塊等。系統(tǒng)設計者根據(jù)控制要求，選擇所需的模塊就能生成系統(tǒng)控制軟件，使得軟件設計工作量減少。為了便于系統(tǒng)組態(tài)（即選擇模塊組成系統(tǒng)），工業(yè)控制機提供了組態(tài)語言。,10.07.2020,.,56,自行開發(fā)控制軟件時，應先畫出程序總體流程圖和各功能模塊流程圖，再選擇程序設計語言，然后編制程序。程序編制應先模塊后整體，具體程序設計要處理以下內(nèi)容。 7.3.3.1 數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)結構規(guī)劃 在系統(tǒng)總體方案設計中，系統(tǒng)的各個模塊之間有著各種因果關系，互相之間要進行各種信息傳遞。 為了避免脫節(jié)現(xiàn)象，必須： 將每一個執(zhí)行模塊要用到的參數(shù)和要輸出的結果列出來 對于與不同模塊都有關的參數(shù)，只取

38、一個名稱，以保證同一個參數(shù)只有一種格式 為每一參數(shù)規(guī)劃一個數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)結構,10.07.2020,.,57,從數(shù)據(jù)類型上來分類，可分為邏輯型和數(shù)值型，但通常將邏輯型數(shù)據(jù)歸到軟件標志中去考慮。數(shù)值型可分為定點數(shù)和浮點數(shù)。定點數(shù)有直觀、編程簡單、運算速度快的優(yōu)點，其缺點是表示的數(shù)值動態(tài)范圍小，容易溢出。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。 如果某參數(shù)是一系列數(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，需要很好的規(guī)劃。,10.07.2020,.,58,7.3.3.2 資源分配 完成數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)結構的規(guī)劃后，

39、便可開始分配系統(tǒng)的資源了。 系統(tǒng)資源包括ROM、RAM、定時器/計數(shù)器、中斷源、I/O地址等。 ROM資源用來存放程序和表格。 I/O地址、定時器/計數(shù)器、中斷源在任務分析時已經(jīng)分配好了。因此資源分配的主要工作是RAM資源的分配。 RAM資源規(guī)劃好后，應列出一張RAM資源的詳細分配清單，作為編程依據(jù)。,10.07.2020,.,59,7.3.3.3 實時控制軟件設計 （1）數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理程序 數(shù)據(jù)采集程序主要包括多路信號的采樣、輸入變換、存儲等。模擬輸入信號為mA(DC)或mV(DC)和電阻等?？梢灾苯幼鳛锳/D轉換模板的輸入。輸入信號的點數(shù)可根據(jù)需要選取，每個信號的量程和工業(yè)單位用戶必須

40、規(guī)定清楚。 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、超限報警程序等。,10.07.2020,.,60,（2）控制算法程序 控制算法程序主要實現(xiàn)控制規(guī)律的計算，產(chǎn)生控制量。其中包括：數(shù)字PID控制算法、解耦算法等。實際實現(xiàn)時，可選擇合適的一種或幾種控制算法，來實現(xiàn)控制。 （3）控制量輸出程序 控制量輸出程序實現(xiàn)對控制量的處理、控制量的變換及輸出，驅動執(zhí)行機構或各種電氣開關?？刂屏恳舶M量和開關量兩種。模擬控制量由轉換模板輸出，驅動執(zhí)行機構如各種調(diào)節(jié)閥。開關量控制信號驅動各種電氣開關。,10.07.2020,.,61,（4）實時時鐘和中斷處理程序 實時時鐘是計算

41、機控制系統(tǒng)一切與時間有關過程的運行基礎。時鐘有兩種，即絕對時鐘和相對時鐘。絕對時鐘與當?shù)氐臅r間同步，有年、月、日、時、分、秒等功能。相對時鐘與當?shù)貢r間無關，一般只要時、分、秒就可以，在某些場合要精確到0.1秒甚至毫秒。 作為一般情況，假設系統(tǒng)中有幾個任務，每個任務都有自己的啟動和撤銷時刻。在系統(tǒng)中建立兩個表格：一個任務啟動時刻表，一個任務撤銷時刻表。為使任務啟動和撤銷及時準確，這一過程應安排時鐘中斷子程序來完成。,10.07.2020,.,62,計算機控制系統(tǒng)中，有很多控制過程雖與時間(相對時鐘)有關，但與當?shù)貢r間(絕對時鐘)無關。相對時鐘的運行速度與絕對時鐘一致，但數(shù)值完全獨立。這就要求相對時鐘必須另外開辟存放單元。在使用上，相對時鐘要初始化