计算机控制系统的电气设计

1、计算机控制系统的电气设计微电子技术的发展不断推进计算机技术的发展， 计算机技术在人类社会发展中的作用越来越 大。计算机的应用主要分为科学计算、信息处理与工业控制三个领域。计算机运行与计算速度 的提高促进了科学计算的发展。在基础科学研究、气象分析、地质勘探、地震预测及军事科学 研究等都离不开科学计算。我国大型计算机开发研究在某些方面已接近世界领先水平，从而为 我国科学技术的发展创造了良好的条件。计算机技术与通信技术相结合产生了信息技术，信息技术的发展又促进了人类社会文明与发 展。在一个城市实现计算机联网之后，在金融系统以及交通运输、物业管理、教育培训、电子 商务等行业计算机网络都发挥着非常重要的

2、作用。计算机控制是计算机技术又一个非常重要与广泛的应用领域。指示与调节仪表在逐步实现数 字化与智能化。常规工业控制系统也逐渐被计算机控制系统所代替。计算机控制系统在生产过 程控制、电力、能源、交通及建筑智能化等行业中已得到广泛应用。1 概述1.1 我国计算机控制系统的应用与发展概况 我国计算机控制系统的应用开始于 20 世纪 70 年代，当时以引进国外产品为主。1980 年国内开始研制与开发计算机控制有关产品与控制系统。当时主机还依赖进口，国内以各种工业控 制接口板的开发与生产为主，国产的单板机开始应用于一些小型控制系统。由于进口工业计算 机主机价格昂贵，一些项目只好用商业机作为主机，有些项目

3、还用单板机作为主机。由于硬件 与软件的水平都比较低，运行过程中出现了不少问题，造成了投资上的浪费。当时计算机控制 技术在国外已经成熟，应用也比较普遍。上世纪 80 年代开始， 随着改革开放的发展与国力的增强， 计算机控制系统及工业型控制计算 机开始进入国内市场。我国计算机控制的硬件及软件水平提高也很快，计算机控制的应用进入 成熟阶段。当时国外计算机控制系统已发展为集散型控制系统，国内还以集中式计算机控制为 主，技术上落后于国外一个等级。从上世纪 90 年代开始， 建筑物智能化的发展大大促进了我国计算机控制的应用与发展。 集散 型计算机控制系统开始进入我国市场，变电站综合自动化在电力系统中也得到

4、了普遍的应用， 在生产过程中也可开始采用现场总线控制系统。随着单片机技术的发展，各种测控仪表也逐步 实现智能化。随着计算机技术、电子技术、通信技术及自动控制技术的发展，我国计算机控制系统的应用 范围越来越广泛。生产过程控制、能源交通以及电力系统普遍采用了计算机控制，在建筑智能 化工程中，楼宇自动化系统、消防自动控制也都采用了计算机控制。住宅智能化中智能化抄表 系统与安防也采用了计算机采集与管理。1.2 计算机控制系统的应用效果1.2.1 测量精度高，数字显示准确，历史数据存盘后可进行报表打印。1.2.2 事故报警容量大，显示内容丰富，并可进行事故追忆。通过存盘后，可随时打印。1.2.3 软件可

5、完成各种复杂的算法，完成各种复杂的控制。1.2.4 通过优化运行，提高产品生产效率与质量，有效节约能源从而降低生产成本。1.2.5 提高自动化水平，减少生产人员。1.2.6 通过计算机网络，实现现代化管理。1.3 我国计算机控制系统应用中存在的主要问题1.3.1 20 世纪 90 年代以前，我国中小型计算机控制系统自行开发的非定性产品比较多, 产品 硬件与软件技术水平比较低，兼容性与可扩展性很差，给系统运行维护管理带来许多困难，系 统无法升级与扩展，造成很大浪费。1.3.2 20 世纪 90 年代改革开放以后，从国外引进的计算机控制系统较多，除了PLC 可编程控制器之外，楼宇自动化系统、变配电

6、站综合自动化系统开始大量引进。也开始生产变配电站 综合自动化系统及楼宇自动化系统， 国产变配电站综合自动化系统的技术水平还是比较先进的。1.3.3 计算机控制系统是高新技术产品，电气设计人员要有一个熟悉过程，开始阶段电气设 计中存在不少问题，对计算机控制系统的运行带来一定影响。近年来计算机控制系统电气设计 水平也在逐步提高。1.3.4 计算机控制系统运行以后，在运行管理上也有一些特殊的要求，管理体制要改变 , 人 员技术水平要求也较高。开始阶段运行管理方面的问题比较多，近几年来也逐步在改善。1.4 计算机控制系统电气设计的重要性计算机控制系统的电气设计的任务主要是为计算机控制系统正常运行提供各

7、种必要的条件， 而不是进行计算机控制系统本身的硬件及软件设计。电气设计根据工艺要求选好计算机控制系 统的类型，然后作好供电电源、现场控制、测量及信号设备、外部电缆及接地与电气安全保护 设计。计算机控制系统的功能主要取决于其硬件与软件的技术水平，能否保证可靠运行与电气设计 的水平与质量有很大的关系，各种干扰会从电源线，测量、信号、控制以及通讯线进入计算机 控制系统，处理不好就会影响计算机控制系统的稳定运行，电气安全保护设计不好，出现过电 压时还可能损坏计算机控制系统的硬件设备，接地处理不好会造成计算机控制系统测量数据不 准，引起信号误报警或控制误动作以及通信中断，由此可见计算机控制系统的电气设计

8、与施工 质量是保证其正常运行的一个非常重要的条件。2 计算机控制系统的基础知识2.1 计算机控制系统的工作原理2.1.1 计算机的硬件计算机的硬件由大规模集成电路组成，集成电路分为逻辑电路与模拟电路两大类，计算机芯片主要由逻辑电路组成。计算机主要由中央处理单元（CPU、存储单元（RAM EPROM模拟量与数字量转换单元（A/D ）、数字量与模拟量转换单元（ D/A）、数字量接口（ I/O、以及通信单元 等组成。2.1.2 中央处理单元（ CPU）中央处理单元（CPU又称为微处理器，它是计算机的核心。按处理的字节的位数可分为4位， 8 位， 16 位， 32 位与 64 位。单片机开始为 4 位

9、与 8 位，现在已发展到 32 位。微型机有 16 位与32位，现在以32位为主。中央处理单元 （CPU由算术逻辑单元 （ALU）、通用寄存器陈列、 指令寄存器及译码器、定时与控制单元、累加器、暂存器、标志触发器、数据总线缓冲器与锁存器以及地址缓冲器等组成。算术逻辑单元主要完成算术运算、逻辑运算及十进制调整。算术运算有加、减、乘、除，逻辑运算有或， 与， 异或等。 运算过程中要完成二进制与十进制转换以及十六进制与十进制转换。 运算结果的特征由标志触发器来记忆。电子线路有截止（1），导通（ 0）与高阻抗（上下截止）三种状态，导通与截止分别用 1 与 0 来表示，所以在计算机内部数据只能用二进制来

10、表示，字 节为 8 位就有 8 位二进制数， 16 位就有 16 位二进制数。实际数据通常用十进制表示，十进制 数进入计算机就要进行十进制与二进制转换。计算机内部数据被取出后就要进行二进制与十进 制转换。每四位二进制数组成一位十六进制数，四位十六进制数就由十六位二进制数组成。十 六进制数分别用 09及A、B、C D、E、F来表示，为了与十进制相区别，十六进制数加后缀Ho数据超过几 K以后，用十进制表示要好多位，用二进制表示位数更多，用十六进制表示位数 就相对减少很多， 4 位十六进制数就可以表示64K 数据，所以程序编写需要用十六进制数。通用寄存器阵列是在CPU内部有许多存储二进制数的单元，8

11、位为一个寄存单元，CPU运行程序时先把数据以二进制形式暂时存在寄存单元中再进行处理，处理结果一般放在内存中，这 样可少一级寻址，可以提高处理速度。不同型号CPU寄存单元数量不同。寄存单元越多，功能越强。寄存器阵列中还有两个特殊的寄存单元，一个是堆栈指针单元，一个是程序计数器。寄 存单元是CPU内部共用单元，在执行中断服务程序时，要把正在执行的程序中的数据保存在堆 栈中（入栈），中断程序结束返回原来程序时， 要把保存在堆栈中的数取回来放在原来的寄存单 元中（出栈），堆栈为先入后出，所以要用堆栈指针（单元）来进行出入栈管理。程序计数器（PC存放正在执行程序的地址。它是一个16位计数单元，CPU在执

12、行程序过程中首先以PC中的内容为地址， 从内存程序区中取出一条指令，加译码后去执行， 然后将程序计数器（PC）加一个数，执行的是单字节指令时加1，双字节指令时加 2。根据程序计数器（PC中的内容，再执行下一条程序。定时与控制单元主要来完成定时控制以及根据控制要求，在不 同时间自动发出各种控制信号。控制信号有复位信号（RESET、时钟（）、等待（WAIT）、存储器请求（MREQ、I/O请求（TORQ、读（只。、写（WR及中断请求（INT ）等。2.1.3 外部总线中央处理单元（CPU虽然是计算机的核心，但它还必须与外部接口相配合才能形成一个完 整的计算机。CPU通过外部总线与外围芯片相连接形成外

13、部接口，外围芯片有存储器、AI、DI、AO DO及通信接口等，外部总线分为数据总线（DE）、地址总线（AB）与控制总线（CB。数据总线（DE）是一个8位双相传输总线， 它可以将8位二进制数（DOD7）由CPU传向CPU 外部接口（写数据），也可以将8位数据（DOD7）从外部接口读到 CPU内（读数据），它由程 序中执行的I/O输入与输出语句来完成。地址总线（AB）是一个16位（A0A15）只能向外输出的单向总线，它用来选通存储器以及AI、DI、AO DO四种I/O接口芯片的地址。控制总线（CE）包括复位（RESET、时钟（）、等待（WAIT）、存贮器请求（MREQ、I/O 请 求（TORQ、读

14、（只。、写（WR、及中断请求（INT）等，它们均为一根线。复位线（RESET加一个低电位负脉冲（有些CPU加正脉冲）后， CPU便从头开始执行程序，它用来控制上电后开始运行程序，它与外部自复位芯片配合，可以形成自复位电路，以保证程 序受干扰死机后，再重新自动启动。它是工业控制计算机非常重要的接口电路。时钟（）是外部石英震荡器的输入端，由石英震荡器来产生外部时钟，控制CPU的运行速度。根据CPU型号不同有 8MHZ 12MHZ 16MHZ及20MHZ等多种。外部时钟太高会影响CPU运行的稳定性，现在有些外部时钟内部有时钟电路，可自动将外部时钟采集后成倍提高，并可保证 CPU运行的稳定性。等待线（

15、WAIT）低电平有效，它可以告诉CPU所寻址的存贮器或 I/O芯片是否准备好数据，CPU在执行程序中可插入等待周期，以保证CPU可以与任何速度的存贮器或I/O芯片同步。存贮器请求（MREQ为三态输出，低电平有效。它接到存储器芯片的选片端。CPU要操作该芯片时除了数据线（DB）、地址线（AB）、读（ RD）与写（WR有效之外，还需要由 MREC向该芯 片选片端发低电平，便可对该芯片所有单元进行读或写操作。外设输入输出请求（IORQ）也是三态输出，低电平有效。CPU执行外部设备接口输入与输出指令时，IORQ产生一个低电平脉冲选通外部设备接口芯片，以便对其进行读与写操作。中断请求（INT）为输入线，

16、低电平有效。它为外部紧急事件提供一个中断输入端。当外部 设备发生紧急事件时，马上产生低电平，CPU 便进入中断服务程序对紧急事件进行处理，处理 完之后便返回原来程序，继续执行原来的程序。它是一个硬件输入中断源，程序中还有软件中 断，它由编程人员来安排。2.1.4 存贮器单元计算机的程序（二进制代码）与大量的数据都要放在存贮器单元中。存贮器单元的容量由地址线及控制线来决定。一般16位地址线（A0A15）寻值范围为64K。利用控制线可增加到128K或更高。程序编写好之后，固化在存贮单元中，接通电源便开始执行，断开电源程序不能丢失， 所以固化程序的存贮单元称为EPROh区，数据要随时改写，所以放在R

17、AM区。EPROM与RAM通称为内存器。 EPROM中程序要修改，可以用紫外线进行擦除，有些芯片可以 用电擦除。擦除一次整个芯片全部擦除，写入（固化）程序时可以用编程器来写。微型机用软 盘或光盘将程序安装在硬盘中。对于断电后需要保存的数据，可以利用带掉电保护的电擦除EEPROM芯片。EEPROM芯片为串行读写速度比较慢，数据少时还可以采用。现在已经有了大容量的电擦除（Flash）SARAM存贮器（简称闪存） ，采用并行直接读写，速度非常快、容量也大，微型机要保存历史数据，一般用 UPS 不间断电源供电，断电后有足够的时间将数据写入硬盘或电子盘中。现在微电子技术发展 很快，芯片的集成度越来越高。

18、有些单片机已经将（Flash）SARAM存贮器、A/D、D/A及通信芯片（CAN与自复位芯片设计在CPU芯片内。这样计算机体积越来越小，成本下降，运行速度与可靠性大大提高。2.1.5 外部接口电路计算机控制系统的现场各种信号都要与CPU连接起来，CPU才能进行控制。这些信号分为 AI、DI、AO与 DO四大类。模拟量输入简称AI，常规控制为测量回路，它通过A/D转换将直流模拟量信号转换为二进制数与CPU相连接。开关量输入接口简称为DI，常规控制为信号回路，CPU读I/O输入后判其电位为 1或0来判断现场开关运行状态是合还是分。模拟量输出接口简称为 AO,常规控制为比较给定回路，CPU可以输出二

19、进制数，由D/A转换将二进制数转换为直流电压或电流信号然后去进行模拟量控制。开关量输出简称为 DQ常规控制为控制回路，CPU利用开关量输出接口加隔离后驱动继电器，然后对现场各种设备进行控制，通信接口也是计算机外部电路的一种类型，属于通信协议的物理层。计算机控制用的比较多 的通信接口有 RS-485以及CAN总线等，现在已经开始采用以态网。通信接口主要用于集散型与现场总线型计算机控制系统的内部联网。2.1.6 工作过程 计算机完成控制功能需要根据程序来进行。程序由编程人员根据具体控制要求来编写。程序运行时，首先通过 AI 与 DI 接口采集到现场的测量与控制信号，然后经过与给定组比较，根据 控制

20、要求进行 PID等调节，再经过 DO与AO对现场进行控制。对有关数据与信号还要进行显示 及报表打印，历史数据还需要存盘保存。人们把计算机称为电脑，计算机中央处理器（CPU通过执行根据人们大脑思维编写的程序，来完成某些功能。计算机控制系统就象一个完整的人体，有一个大脑，两只眼睛，一双手和两 只脚。由模拟量输入（AI）与开关量输入（DI）两只眼睛观察到现场信号,经过CPU运行程序进行处理后，通过一双手由模拟量输出（AO）与开关量输出（DO）去控制现场设备，同时通过鼠标、键盘、打印机、显示器进行人机对话，如果需要联网，就通过两只脚走出去，由计算机通信网 络与外界进行联络。人体是由大脑通过神经系统来指

21、挥工作，计算机控制系统是由电子线路（门电路即逻辑电路 如与门、或门、非门、与非门、或非门，异或门，触发器、锁存器、驱动器等）识别0 与 1， 以二进制码形式来进行工作。 人的大脑通过视神观察到外界物体 ， 计算机控制系统通过敏感元件，变送器与 A/D 转换将电量与非电量的模拟量先变为统一的电模拟量（AI ）, 再变为二进制码， 并通过开关量输入 （DI） 的高电位与低电位 , 就可以观察到现场的各种测量与控制信号信号。计算机控制系统采集到现场信号后，由CPU通过运行按人的思维编写的程序，进行逻辑与算术运算以及逻辑判断，然后以二进制码形式通过开关量输出（DO与模拟量输出（AO对现场设备进行控制

22、, 并通过显示与打印软件去指挥显示器与打印机进行工作。需要联网时， 再通过计算机网络，根据事先约定的通信规约，以串行码的形式进行数据交换。2.2 计算机控制系统的基本组成 计算机控制系统由供电电源设备、计算机、现场设备以及后备显示、报警与控制操作台等组 成。供电电源设备包括抗干扰电源、稳压电源及UPS不间断电源。它根据需要进行配备，一般安装在操作台内，由计算机控制系统的制造厂家统一考虑，电气设计一般可以不进行设计。计算机控制系统中所用的计算机有：微型机、单板机与单片机等种类。微型机现在已发展到P川与PW,大中型工程有过程控制时都选用工业型微机（IPC）,普通工程只需要监控时选用办公用计算机也可

23、以满足使用要求。单板机现在很少用，它逐步被单片机所代替，PLC数字仪表、数字控制器以及各种专用控制单元均选用单片机。现场设备包括测量、信号与控制三大类。测量设备包括传感器与变送器。信号设备包括限位 开关，转换与控制开关，继电器、接触器以及断路器的辅助接点。控制设备包括阀门与风阀的 执行器，接触器，磁力启动器以及断路器的操作机构。国外引进的计算机控制系统一般很少有后备显示、报警与控制操作台，国内生产的计算机控 制系统一般都要再设计一个操纵台将电源设备，重要控制对象的后备显示，报警与控制设备集 中安装在操作台内，这样可以方便系统的运行管理，算机控制系统检修，或发生事故停止运行 时，通过人工操作继续

24、运行。但是后备显示，报警与控制的对象不能太多，只限于一些主要对 象，否则不仅会降低系统运行的可靠性，同时也增加了投资与运行维护费用与工作量。2.3 计算机控制系统的种类及应用范围2.3.1 集中式计算机控制系统集中式计算机控制系统是最早期的计算机控制系统，它实际是用一台计算机及其扩展接口板代替了安装在仪表盘内的各种显示、记录及调节仪表。外部测量、控制与信号设备以及控制电 缆基本不变。集中式计算机控制系统在 20世纪 90年代中期以前应用的比较多， 20 世纪 90年 代中期以后逐步被集散型计算机控制系统代替，现在已经很少采用。2.3.2 集散型计算机控制系统（DCS）集散型计算机控制系统（DC

25、S是当前应用最广泛的一种计算机控制系统。它利用计算机通信电缆将安装于现场的各种数字化控制器（ DDC、 PLC 可编程控制器或现场控制站等连接到中 央控制室计算机（工作站） ，形成一个计算机网络。所有控制单元均分散安装于控制设备附近， 所以缩短了测量，信号与控制电缆，简化了电气设计，减少了施工与维护工作量，提高了系统 的抗干扰能力。2.3.3 现场总线计算机控制系统（FCS）现场总线计算机控制系统（FCS）是当前最先进的控制系统，它将现场设备和控制器及执行机构（包括DDC PLC及I/O设备）汇集在一起。各种测量设备与控制机构都带有自己的中央处 理器（CPU，它们之间传输的是串行数字码，不再是

26、05V或420mA模拟量信号，仪表也不再是传统的数字化仪表，而是具有通信功能的单元组合式数字化仪表。它们的数字量传输直接 接到现场总线上，使接在现场总线上的所有设备可以互相通信，同层间的相互通信能力大大增 强。控制器的概念与传统控制也不同，自动控制设在测量与控制设备以及执行机构内，高层次 的控制规律和监控功能仍然放在主计算机内，供所有挂在现场总线上的设备使用。生产管理计 算机同时挂在现场总线与以太网上，一方面负责下层（现场）生产管理，另一方面与上层调度 计算机相连接并进行信息交换。现场总线是用于现场仪表与控制之间的一种全数字化、双向、多变量、多点、多站的通信系 统。可靠性高，稳定性好，抗干扰能

27、力强，通信速率高，工程综合造价及维护成本低是现场总 线的突出特点。现场总线计算机控制系统（FCS在国外已经得到推广，在国内刚开始引进，由于其造价昂贵，应用范围受到一定限制。国家成立了现场总线技术委员会，负责现场总线控制技术的开发以及推广与应用，国内一些单位也开始开发与生产现场总线计算机控制系统（FCS），但是目前在通信协议的统一上存在问题比较多，要普遍推广与应用还要有一个过程。2.4 计算机网络技术（系统集成） 计算机网络技术发展很快，它应用于控制领域之后，可以达到资源共享，提高控制与管理水 平。计算机网络技术在计算机控制系统中的应用称为系统集成。它分为计算机控制系统或各种 智能化控制器之间的

28、系统内部集成以及系统外部各种计算机系统之间的系统集成。系统内部集成可以省去重复设置的测量、信号与控制等外部设备，从而简化了设计以及施工 与维护工作量。系统外部集成可以利用计算机网络加强与提高管理水平。由于系统集成涉及到 计算机通信协议，不同计算机控制系统生产厂商之间技术协调难度较大，在实际工程中要实现 系统集成目前还存在不少问题。3 计算机控制系统的电气设计与传统仪表控制电气设计的区别3.1 传统仪表控制电气设计3.1.1 传统仪表控制电气设计首先根据工艺专业提出的工艺要求及相关专业提供的技术条 件选择显示、调节及记录仪表，再选择现场各种测量、信号及控制设备，然后设计出控制原理 图。控制原理图

29、设计完成之后，再设计箱、屏、柜布置图及施工接线。最后根据箱、屏、柜以 及现场各种设备的位置，结合控制原理图设计电缆平面图。3.1.2 传统仪表控制电气设计的技术水平主要体现在控制原理图设计上。显示、 调节及记录仪表选择要合理，相关联锁及时间配合还要选择中间继电器与时间继电器。因此传统自动控制 原理图设计要求电气设计人员要有一定的技术水平，工作量也比较大。3.1.3 传统仪表控制的现场调试需要电气设计人员到现场进行配合，有时控制原理图或箱、屏、柜施工接线图出现问题就要在现场进行修改。PID 等参数调整只能在调节仪表上来进行，调试以及日后运行维护工作量都很大。3.2 计算机自动控制电气设计3.2.

30、1 计算机控制系统的控制、显示、报警及记录功能全部由计算机软件与硬件来完成， 因此它不需要再设计控制原理图。这就大大减少了自动控制电气设计的工作量。由于不再需要 显示、调节与记录仪表，也就不在需要设计控制屏。需要强电后柜操作台时，设计也比较简单， 而且计算机控制系统制造厂家都有相配套的操作台可以直接选用。3.2.2 计算机控制系统的计算机软件与硬件设计都由计算机控制系统制造厂家来完成，电气设计人员只负责审查是否能满足工艺及相关专业的要求。计算机工业控制软件一般都选用组态 软件，二次开发非常方便。3.2.3 计算机控制系统与常规仪表控制的现场测量、 信号与控制设备基本相同， 有些计算机 控制系统

31、的测量接口已经设计有放大器可以直接采集热敏电阻或热电偶信号，有些还可以通过 交流采样直接采集交流电流与电压信号，可以省掉相关变送器，这样设计更为简单。324 采用集散型计算机控制系统（ DCS之后，控制单元分散安装到现场有关控制设备附 近。因此外部电缆长度大大缩短，这也给电气设计与施工带来很大方便。325 计算机控制系统的控制功能全部由软件来完成，不仅提高了自动控制的水平，也给 现场调试带来很的方便，各种参数需要修改时利用软件就可完成，控制原理有问题也可以通过 修改软件来解决，现场调试工作量就可以大大减少。3.3计算机控制与传统仪表控制电气设计的区别计算机控制与传统仪表控制电气设计的区别可以用

32、下列表格表示。设计内容计算机控制传统仪表控制工艺条件与要求可满足各种复杂的要求要求越复杂，设计就越复杂控制原理图不需要设计，只统计 点数并提出控制要求设计复杂，要有一定设计经验 与水平箱屏柜布置图一般可以不设计根据原理图进行设计箱屏柜接线图一般可以不设计根据原理图与布置图进行设计外部电缆图根据计算机控制单元外部端子图进行设计根据原理图及箱、屏、柜外部 端子图进行设计施工安装与调试简单、工作量小复杂、工作量大运行维护与管理简单、方便工作量大从表格中可以看出计算机控制由于不用再设计控制原理图，只统计点数与提出控制要求；对于较为复杂的自动控制，设计工作量大大减少。控制要求完全由软件来完成，不仅控制质

33、量有 保证，如果控制要求有变化，通过软件来进行修改也比较方便。计算机控制系统可以取消或简化箱屏柜，设计工作量也减少许多。计算机控制系统只要施工 图设计没有大的问题，测量、信号与控制回路的数量不遗漏，电缆线路设计正确，自动控制出 现问题，可以通过修改软件来解决。施工安装与调试也比较简单，工作量也减少许多。运行维 护与管理也比较方便。设计时要了解清楚所选用的计算机控制系统对干扰有那些要求，设计中 提前采取措施。计算机控制系统质量越好，抗干扰能力越强。3.4计算机控制系统电气设计的主要内容计算机控制系统电气设计的主要内容包括系统选型、供电电源设计、外部设备选型及控制 与信号电路设计、外部电缆设计、电

34、气接地以及电气安全与保护设计。系统选型是根据工程项 目的具体工艺要求，由电气设计人员来选择计算机控制系统，而不是由电气设计人员来设计计 算机控制系统的硬件及软件。3.5计算机控制系统电气设计的设计方法：计算机控制系统电气设计首先根据工艺要求编写出控制技术条件。控制技术条件主 要要求包括测量及控制精度，控制对象及范围，控制联锁要求，事故报警功能，运行管理要求 以及计算机控制系统对工作环境、供电电源、电气接地与电气安全等方面的一些特殊要求。3.5.2 控制技术条件编写好之后，就可进行计算机控制系统的系统选型与外部设备的设计 选型，统计 DI、DO Al、与A0点数，根据其分布位置绘制出点数表，最后

35、再进行系统方框图 及外部电缆平面图设计。3.6计算机控制系统电气设计的设计步骤：根据工艺要求编写控制技术条件，作为设计，甲方定货及施工验收的依据。3.6.2 根据控制技术条件选择计算机控制系统。3.6.3 选择现场设备，设计就地控制原理图。364 统计DI、DO Al及AO点，绘制点数表，选择现场控制站的数量。3.6.5 绘制计算机控制系统方框图。3.6.6 进行外部电缆施工设计，外部电缆施工端子接线图可由供货厂家设计。3.6.7 作出工程概算。3.6.8 配合现场施工，参加现场调试与验收。4 计算机控制系统选型4.1 对于已经有与计算机控制系统配套的计算机控制装置，或专用控制器的设备，如柴油

36、发 电机组、冷冻机组、工业锅炉等，应直接选用与计算机控制系统配套的计算机控制装置，或专 用控制器，并要求其提供计算机通信接口及通信协议，以便将来实现计算机联网。4.2 系统选型时应优先选用集散型计算机控制系统，对于变配电站、 工业锅炉、 空调及楼宇自动化等，应选用定型的计算机控制系统。对于计算机控制系内部已经有配套的计算机控制装 置或专用控制器的设备可考虑系统集成方案。系统集成受通信规约的限制，电气设计时一定要 认真落实，否则应根据测控要求增加相应外部设备，将测控及信号点引到计算机控制系统的现 场控制站。4.3现场总线计算机控制系统（FCS）是当前世界上最先进的计算机控制系统，刚开始由国外引进

37、，其价格比较高，一般用于大型生产过程控制，中小型生产过程控制一般还采用集散型 计算机控制系统。国内一些单位也开始开发与生产现场总线计算机控制系统（FCS）,普遍推广应用还要经过一段时间。5 计算机控制系统供电电源设计5.1 供电电源电压与容量计算机控制系统的供电电压一般为交流AC220V, 50HZ,执行机构的电压为直流DC24V有些执行机构的控制系统电源为交流AC24V, 50HZ。执行机构的供电电源应由计算机控制系统提供。电气设计时，应根据计算机控制系统的具体要求进行供电电源设计。5.1.2 计算机控制系统的用电容量都比较小， 中央控制站一般由一台或多台微型计算机及配 套的显示器与打印机组

38、成，其用电容量为几个千瓦，现场控制站的用电容量一般为几百瓦，单 元控制器及执行机构用电容量一般为几十瓦。5.2 供电电源质量有关设计规范对计算机电源的供电质量都提出具体要求，电压波动不大于额定电压的±10%，频率变化不大于土1HZ，波形失真率不大于20%等（民用建筑电气设计规范JGJ/T16-92 : 523页）。计算机控制系统本身的电源设计时已经考虑了供电电源波动与干扰等影响，其电源都采用开关电源，即先将交流（ AC）220V电压直接整流为直流电压，再采用直流逆变电路变为高频交 流，然后经过高频变压器与整流电路，得到±5V，± 12V 等各种直流电源。开关电源一

39、般在交流（AC） 180V230V电压下都可以正常工作，对电网频率变化要求也不高，所以供电电源能 达到国家电网供电质量标准就可以保证计算机控制系统的正常运行。对供电电源有特殊要求时，计算机控制系统制造厂家会在使用说明中进行说明，这一点应引起电气设计者注意。一般计算 机控制系统的生产质量越高，对供电电源的要求就越低，因为其本身电源设计水平比较高或者 已经采取了抗干扰等措施。计算机控制系统的开关电源是一个非线形负载，它是电网谐波产生的根源之一，但由于开关 电源的容量都不是很大，当其数量不太多时，产生的谐波对电网的危害就不会太大。5.3 供电电源可靠性计算机控制系统对电源的可靠性还是有一定要求的，工

40、作电源中断，计算机就无法运行，而且有时还会丢失一些数据，所以中央控制站一般都应成套配备UPS不间断供电电源，其容量根据中央控制站的容量来确定， 供电时间 10 分钟到半小时就可以满足要求。 一般选用后备式就可 以。对于大型控制系统，特别是生产过程控制，应考虑大容量在线式UPS不间断供电电源或大容量逆变电源。变配电站综合自动化系统用于交流操作时必须设计不间断供电电源。现场控制站供电电源的可靠性一般都与现场监控设备一起来考虑。5.4 供电电源设计5.4.1 计算机控制系统的中央控制站一般由一路交流（AC） 220V 电源供电，并要求计算机控制系统制造厂家配套提供UPS不间断电源，其容量及停电后供电

41、时间根据计算机控制系统的要求来决定。有条件时可以从不同变压器或变电所引两路交流（AC）220V 电源供电，由于已经有UPS不间断供电电源，所以两路供电电源只设计手动互投，可以不设计备用电源自动投切。542 集散型计算机控制系统（DCS的现场控制站分散安装于现场，其供电电源可由附近的动力配电箱单独引一路交流（AC） 220V电源供电，施工时应保证PE接地线的施工质量。5.4.3 计算机控制系统应避免与电梯等频繁启动的用电设备共用一路供电电源。5.4.4 大中型计算机房的供电电源应由变电所 220/380V 低压配电柜单独供电。设计时并根据计算机的要求，考虑是否需要稳压、隔离、UPS不间断供电电源

42、或逆变电源等设备。6 计算机控制系统外部设备的电气设计6.1 外部测量回路的电气设计6.1.1 测量是计算机控制系统的重要组成部分，它通过模拟量输入口（AI ）进入计算机。有些计算机控制系统可以直接采集热电阻信号，这样设计时就可以省掉温度变送器。6.1.2 电力系统的计算机控制系统一般通过交流采样直接采集交流（AC） 05A、0150V、或0420V信号，这样就可以省掉电流、电压、功率等电量变送器，对于没有交流采样功能的 计算机控制系统，仍需要选用电流、电压、功率、频率、功率因数等电量变送器。有什么种类 的电工仪表，就有相同种类的电量变送器，二者一次接线完全相同，电流回路串联于电流互感 器回路

43、，电压回路并联于电压测量母线上。6.1.3 压力、流量等参数需要由传感器经过变送器将非电量转换为直流（DC）电信号之后，再接到计算机控制系统的模拟量输入口（ AI ）。6.1.4 变送器输出的直流（ DC 电信号有 05V, 010V, 010mA 420mA 15V与1 10V 等。输出为直流电压信号的变送器价格便宜，但抗干扰能力弱，信号传输距离近，用于一 般参数的测量。输出为直流电流信号的变送器价格贵，但抗干扰能力强，传输距离远，用于重要参数的测量。15V, 110V, 420mA输出可以自诊断变送器故障与外部接线断线，设计时 应优先选用。设计中选用的变送器直流输出必须与计算机控制系统模拟

44、量输入（AI）相匹配。测量精度与计算机控制系统模拟量输入（ AI ）的A/D转换位数有关。测量精度要求 不高时， 8位 A/D 就可以满足要求，其测量范围为 0255，分辨为 256 分之一，假如测量室内 温度，测量范围为 050C,测量分辨率为 50除以255约为0.2 C。对于10位A/D转换，其测 量范围为01023，分辨为1024分之一，对于12位A/D转换，其十进制数测量值范围为04095 ,分辨为 4096 分之一。电气设计时，应进行校核。计算机采集到模拟量输入信号之后，通过A/D转换将直流05V模拟量输入电压信号转换为 2 进制数，计算机在通过软件将 2 进制数转换为 10 进制

45、数，在显示或打印实际测量值时， 还要由软件通过计算机进行倍率转换，其转换计算公式如下：A= （K-K2）-（ K3-K4） （X-K4） +K2式中：A:实测显示值。K1： A/D 转换输入最大值时的实际显示值。K2： A/D 转换输入最小值时的实际显示值。对于-50100 C测量范围， K1为100 , K2为-50，对于0100 C测量范围， K1为100, K2为0,对于4555Hz测量范围，Ki为55,心为45。K3: A/D转换最大位数转换为10进制后的数，8位A/D为256 , 10位A/D为1024 , 12位 A/D 为 4096 。K4: A/D转换最小位数转换为10进制数后

46、的数，对 05V,或010mA输入，K4为0,对15V或420mA输入，K4为K3的0.2 倍。X:转换为10进制数的实际测量值。6.2 外部控制回路的电气设计6.2.1 计算机控制系统外部控制回路分为起停与连续控制两种类型。起停控制由计算机控制系统的开关量输出（DO控制继电器去进行，它主要有电动机、电动开关，断路器以及电磁阀等的控制。连续控制的设备由计算机控制系统的模拟量输出（AO通过05V、010V、010mA或420mA模拟量信号去进行控制。它主要有电动调节阀，可控硅以及变频器等的调节控制。计算机控制系统的开关量输出（DO可提供一对继电器常开接点或一对转换接点。电气设计时应将其接点通过就

47、地手自动转换开关接到控制回路中，并设计好就地控制的原理图。 如果需要计算机控制系统检测手自动位置时，手自动转换开关还应多选一对接点给计算机控制 系统的开关量输入（DI）接口。所有引到计算机控制系统的DO与 DI点均应接到控制箱的外部接线端子上。电气设计时还要对继电器接点的电压等级与容量进行校核。6.2.3 计算机控制系统的模拟量输出（ AO 的直流信号必须与被控对象的调节输入相匹配， 如果需要计算机控制系统反映调节对象的开度或转速时，调节装置应有反馈信号（阀位或转速 反馈信号 ，并接到计算机控制系统的模拟量（ AI 接口，二者信号必须相匹配。6.3 外部信号回路的电气设计外部信号回路一般以常开

48、或常闭干接点的形式接到计算机控制系统的开关量输入（DI 接口。干接点为一组独立的接点，一般取自断路器与启动设备的辅助触点以及反映位置信号的限位开 关等。选用干接点的原因是因为信号回的电压大多数为计算机控制系统自己提供的直流12V或24V电压。有些计算机系统可直接采集交流（AC或直流（DC） 220V电压信号，这就给电气设计带来很大方便。 电气设计时应根据计算机控制系统的开关量输入（ DI 的技术条件进行设计。7 计算机控制系统的外部电缆设计7.1 测量回路电缆设计7.1.1 测量回路传输的是低电压、 小电流的弱电直流模拟量信号， 线路的干扰会对测量参数 造成一定影响，所以测量回路一定要选用屏蔽

49、电缆，也可以用铜芯塑料线穿钢管敷设。测量回 路可以与直流开关量输入（ DI 或模拟量输出（ AO 共用一根屏蔽电缆或用铜芯塑料线穿在一 根钢管内敷设，但不能与交流信号共用一根电缆或用铜芯塑料线穿在一根钢管内敷设。屏蔽电 缆一般敷设于电缆沟与电缆桥架内，或埋地敷设。7.1.2 屏蔽电缆的屏蔽层应可靠连接后一端接地， 一般在计算机控制系统入口处集中后一点接地，对于TN-S或TN-C-S系统可以集中一点后接于PE线上，可以不再单独接地。所选用钢管也应可靠接地。有些资料提出应在两端接地，分歧较大。通信电缆的屏蔽层应两端接地，电力装置的继电保护与自动装置设计规范 （GB50062-92 已经有明确规定。

50、7.1.3 变送器有三线制与两线制两种，其电源一般为直流24V,三线制有+24V,地线与信号线三根线，两线制为 +24V与地线两根线，通过+24V电源线的电流变化来反应测量信号的变化。变送器的电源线，特别是地线不能共用，每个变送器单独设计一组线，以免信号变化时相互产生影响。电量变送器的电源一般为交流（AC） 220V，必须单独敷设，所有变送器可以共用一组电源线，但输出直流信号线不能共用，必须单独引到计算机控制系统。7.2 控制回路电缆设计7.2.1 开关量输出（DO的控制回路电压一般为交流（AC） 220V，所以电气设计时可以与强点控制回路结合起来进行设计，但不能与弱电线路共用一根电缆或穿在同

51、一根钢管中敷设。7.2.2 模拟量输出（AO）控制回路传输的是直流低电压、小电流弱电信号，设计时一定要选用屏蔽线或穿钢管敷设。电气设计时可以与模拟量输入（AI ）等弱电线路结合起来设计。7.3 信号回路电缆设计7.3.1 开关量输入（DI）直流信号线可以与模拟量输入（AI）与输出（AO）结合起来选用屏蔽电缆或套钢管敷设。信号线地线可以共用，n 个信号可以用（ n+1 芯电缆。7.3.2 开关量输入（DI）交流信号必须单独设计，也可以与交流开关量输出（DO）结合起来进行设计，一般可以不选用屏蔽线。7.4 通信电缆设计7.4.1 通信电缆传输的是高频率数字信号 ， 线路干扰会破坏计算机通信的正常工

52、作。 电气设 计时应根据计算机控制系统的要求选用屏蔽双绞线、计算机用屏蔽电缆或普通屏蔽电缆。计算 机用屏蔽电缆有总屏 ， 对屏以及对屏与总屏三种屏蔽方式。 只有一路通信一般选用总屏方式， 有 多路通信时需要选对屏方式 ， 对屏与总屏方式一般只用于工作环境干扰特别大的重要工程。7.4.2 通信电缆在户内一般选用屏蔽双绞线。通信电缆需要在户外敷设一般选用带户套与铠装的计算机用通信电缆。通信距离只有几十米， 通信速率不高时也可以选用普通屏蔽电缆。7.4.3 通信电缆的屏蔽层必须可靠接地 ， 。通信电缆的屏蔽层应两端接地， 电力装置的继 电保护与自动装置设计规范 （ GB50062-92 已经有明确规

53、定。有些资料提出应在一端一点接地 ， 分歧比较大。7.4.4 有综合布线系统的建筑物 ， 计算机通信电缆可以选用布线系统中的线路作为通信线，但由于施工及调试配合等因素的影响 ， 一般计算机控制系统制造厂家都希望单独敷设通信电缆。8 计算机控制系统接地与电气安全电气设计8.1 计算机控制系统接地电气设计8.1.1 计算机控制系统地线种类计算机控制系统的地是指直流电源的地 ，地线是指其直流电源的地线。根据计算机控制系统 所包括的直流电源种类 ， 可分为计算机本身的直流电源地与地线 （一般称为系统地 ），外部设备， 包括扩展接口板， 传感器， 变送器， 继电器及仪表与信号回路的直流电源地与地线（一般

54、称为现场地），以及隔离型通信接口的直流电源地与地线 （一般称为通信地 ）。计算机中央处理器（ CPU 及外围芯片以脉冲方式（数字量 进行信息交换，脉冲以直流电源 地线作为参数电位，所以地线电位突变就会影响计算机的正常工作，计算机控制系统设备制造 与电气设计都应采取措施尽量减少地线电位的变化，从而保证计算机的正常工作。8.1.2 计算机控制系统接地方式计算机控制系统的接地方式可分为浮空地（不接地 ，单独接地与联合接地等。 大中型计算机房一般应采用单独接地，计算机控制系统一般采用联合接地或浮空地，电气设计时应根据计 算机控制系统的具体要求及有关设计规范来进行接地系统的设计。有关设计规范有民用建筑

55、电气设计规范 （ JGT/T 16-92 ，建筑物防雷设计规范 （ GB50057-94 ，电子计算机房设计规 范（ GB50174-94 ，工业计算机监控系统抗干扰技术规范（ CECS81 ：96 ，工业企业通信接地设计规范 （ GB779-85 等。8.1.3 系统地接地设计 计算机控制系统的系统地一般不引出计算机，即浮空地形式运行，不需要考虑接地。有些计算机的系统地与计算机金属外壳相连通，这时就需要进行保护接地，应选用绝缘铜芯线或电缆直接接到建筑物等电位体上，也可接到TN-S或TN-C-S接地系统的 PE线上。需要单独接地时，可以用绝缘铜芯线接到建筑物的接地装置上，此时计算机金属外壳应采

56、取绝缘措施；距接地装 置较远时可以单独设置接地装置， 接地电阻应小于 4 欧姆， 或按计算机控制系统要求进行设计。8.1.4 现场地接地设计现场地必须接地， 以取得一个统一的参考电位。 所以现场地地线必须用绝缘铜芯线或电缆， 不能用屏蔽电缆的屏蔽层，铠装电缆的金属层以及穿钢管敷设的钢管作为现场地的地线。现场 地只能有一点接地。对于有等电位连接的建筑物，用绝缘铜芯线或电缆直接接到等电位联接体 上，没有等电位连接的建筑物，现场地集中于一点后，再接到TN-S 或 TN-C-S 接地系统的 PE线上。但TN-S或TN-C-S系统施工时应保证PE线在引出后不能再与N线有任何连接。有些外部设备的直流地与设

57、备的金属外壳相连通，这时就会形成多点接地， 接地线上电位变化会对计算机控制系统的运行造成影响，这时要求等电位连接。否则现场设备的金属外壳安装 时要采取绝缘措施，然后把现场地地线集中于一点后，接到保护地线（PE）上进行保护接地。8.1.5 通信地接地设计 计算机通信一般用差动方式传输脉冲，所以抗干扰能力较强，通信电源的地线一般不单独引出，它采用不接地，即浮空地方式运行。8.1.6 电缆屏蔽层接地通信电缆的屏蔽层必须可靠接地 , 。通信电缆的屏蔽层应两端接地， 电力装置的继电保护 与自动装置设计规范 （GB50062-92 ）已经有明确规定。有些资料提出应在一端一点接地, 分歧比较大。8.1.7 供电电源接地设计计算机控制系统的电源一般为交流（AC）220V, 50HZ,单相电源，只有大中型计算机房才用交流（AC）220/380V。 50HZ，三相