第2章 计算机控制系统范例

1、第第2 2章章 计算机控制系统范例计算机控制系统范例温度控制系统软件设计温度控制系统软件设计系统工作过程系统工作过程 温度控制系统硬件结构温度控制系统硬件结构 本章以一个温度控制系统为例，简单介绍一下系统的硬本章以一个温度控制系统为例，简单介绍一下系统的硬件、软件结构，以及系统设计的基本方法。件、软件结构，以及系统设计的基本方法。 本章所介绍系统是应用研华公司的本章所介绍系统是应用研华公司的多功能数据采集卡多功能数据采集卡PCL-818L（模拟量输入）（模拟量输入）和康拓公司和康拓公司32路光隔开关量功放输路光隔开关量功放输出卡出卡IPC5373来完成带夹套锅炉的温度信号的采集与控制。来完成带

2、夹套锅炉的温度信号的采集与控制。要求：要求： 设计一套完整的计算机温度测控系统，可以实时检测当设计一套完整的计算机温度测控系统，可以实时检测当前温度，并进行温度的实时控制，以达到所期望的温度值，前温度，并进行温度的实时控制，以达到所期望的温度值，测温范围：测温范围：0100，控制精度为，控制精度为0.5。2.1 2.1 温度控制系统硬件结构温度控制系统硬件结构采用采用铂热电阻铂热电阻Pt100温度传感器进行温度测量；温度传感器进行温度测量；选择选择AI-808A人工智能工业调节器人工智能工业调节器作为温度变送器；作为温度变送器；通过研华的通过研华的接线端子接线端子PCLD8115将测量的模拟信

3、号接入将测量的模拟信号接入数据采集卡数据采集卡PCL-818L进行进行A/D转换转换，然后输入，然后输入研华工控机研华工控机IPC-610H；处理后的数字量通过处理后的数字量通过康拓开关量功放输出卡康拓开关量功放输出卡IPC5373驱动低压继电器；驱动低压继电器；继电器带动交流接触器继电器带动交流接触器，实现，实现电加热丝或是冷却泵电加热丝或是冷却泵的通电与断电控制，的通电与断电控制，从而实现对被控对象（带夹套锅炉）的温度进行升温和降温处理。从而实现对被控对象（带夹套锅炉）的温度进行升温和降温处理。2.1.1 2.1.1 控制计算机控制计算机 这里选用的是研华这里选用的是研华IPC-610H工

4、控机（见图工控机（见图2.2）及配套设备，）及配套设备，其主要特点是：其主要特点是：4U（17.78CM ）高，支持高，支持14槽背板；前置槽背板；前置USB/PS2接口；能抗冲击、振荡，并且能在高温下稳定工作；支持接口；能抗冲击、振荡，并且能在高温下稳定工作；支持ATX母板母板（7个扩展槽）和个扩展槽）和400W PFC电源电源（Power Factor Correction ）；它；它通过插入总线插槽的模拟输入板卡输入被控对象的检测参数，按照通过插入总线插槽的模拟输入板卡输入被控对象的检测参数，按照应用程序自动地进行信息处理、分析和计算，并作出相应的控制决应用程序自动地进行信息处理、分析和

5、计算，并作出相应的控制决策或调节，通过插入总线插槽的输出板卡及时发出控制命令，实现策或调节，通过插入总线插槽的输出板卡及时发出控制命令，实现对象的实时控制。对象的实时控制。2.1.2 2.1.2 传感器传感器 传感器选用铂热电阻传感器选用铂热电阻Pt100温度传感器，温度传感器，0C时标称值为时标称值为100，它，它的阻值会随着温度上升而成近似匀速的增长，的阻值会随着温度上升而成近似匀速的增长，100C时标称值约为时标称值约为138.5。热电阻的电阻值和温度一般可以用以下的近似关系式表示：。热电阻的电阻值和温度一般可以用以下的近似关系式表示： Rt=Rt01+(t-t0)式中，式中，Rt为温度

6、为温度t时的阻值；时的阻值；Rt0为温度为温度t0（通常（通常t0=0C）时对应电阻值；）时对应电阻值；为温度系数。为温度系数。热电阻三线制接线图热电阻三线制接线图2.1.3 2.1.3 温度变送器温度变送器热电阻与变送器间接线图热电阻与变送器间接线图 选择选择AI-808A人工智能工业调节器作为与人工智能工业调节器作为与Pt100相对应的温度变送器，具体接线如图所示。相对应的温度变送器，具体接线如图所示。 其中其中AI-808A的参数设置如下：的参数设置如下：HIAL（测量上限）：（测量上限）：100；LoAL（测量下限）：（测量下限）：0；dHAL（正偏差报警限值）：（正偏差报警限值）：5

7、.0；dLAL（负偏差报警限值）：（负偏差报警限值）：5.0；Ctrl（控制方式采用位式调节）：（控制方式采用位式调节）：0；Sn（选定输入为（选定输入为Pt100）：）：21；DIP（显示格式为（显示格式为000.0，小数点在十位）：，小数点在十位）：1；DIL（输入下限显示值）：（输入下限显示值）：0；dIH（输入上限显示值）：（输入上限显示值）：100；OP1（选择（选择420mA线性电流输出）：线性电流输出）：4；Addr（输出下限为（输出下限为4mA）：）：40；bAud（定义变送输出电流上限为（定义变送输出电流上限为20mA）：）：200；run（确定仪表为自动调节状态）：（确定仪

8、表为自动调节状态）：1；Loc（仪表选择为可设置全部参数及给定）：（仪表选择为可设置全部参数及给定）：808。2.1.4 2.1.4 输入输入/ /输出板卡输出板卡（1）多功能数据采集卡）多功能数据采集卡PCL-818L PCL-818L是基于是基于ISA总线的一款高性能、高速多功能数据采集卡。总线的一款高性能、高速多功能数据采集卡。主要具有以下特点：主要具有以下特点： 16路单端或路单端或8路差分模拟量输入；路差分模拟量输入； 12位位A/D转换器，带转换器，带DMA的自动通道增益扫描；的自动通道增益扫描； 每个输入通道的增益可编程，包括每个输入通道的增益可编程，包括0.5，1，2，4，8；

9、 板上带有一个板上带有一个1K的采样的采样FIFO（先入先出）缓冲器和可编程中断；（先入先出）缓冲器和可编程中断； 16路数字量输入及路数字量输入及16路数字量输出；路数字量输出； 软件可选择模拟量输入范围，双极性：软件可选择模拟量输入范围，双极性：0.625V，1.25V，2.5V，5V，10V；单极性：；单极性：01.25V，02.5V，05V，010V； 2通道通道12位多路切换模拟输出，位多路切换模拟输出，1通道通道16位通用定时位通用定时/计数器。计数器。PCLD8115PCLD8115接线端子及其与接线端子及其与PCL-818LPCL-818L连接图如图连接图如图2.52.5所示。

10、所示。(a)PCLD8115(a)PCLD8115接线端子接线端子 (b)(b)接线端子及与接线端子及与PCL-818LPCL-818L连接图连接图（2 2）光隔开关量功放输出板）光隔开关量功放输出板IPC5373IPC5373 光隔开关量功放输出板光隔开关量功放输出板IPC5373是一块通用光电隔离型的开关量是一块通用光电隔离型的开关量输出板，如图输出板，如图2.6所示。它包括所示。它包括32路开关量输出路开关量输出，可以实现，可以实现PC总线与总线与被测工业设备或数字仪器之间完全的电隔离，隔离电压被测工业设备或数字仪器之间完全的电隔离，隔离电压2500Vrms（root mean squa

11、re 即即“均方根值均方根值”的缩写，的缩写，Vrms有效值），以消有效值），以消除公共地线和电源的干扰，从而使工业设备和微机系统可靠工作；除公共地线和电源的干扰，从而使工业设备和微机系统可靠工作；此外它还具有较强的输出驱动能力和电平转换能力，此外它还具有较强的输出驱动能力和电平转换能力，采用达林顿管采用达林顿管功放集电极开路输出，负载电源功放集电极开路输出，负载电源540V，驱动电流单路最大，驱动电流单路最大200mA，每片达林顿管负载电流最大每片达林顿管负载电流最大500mA，可直接驱动继电器、电磁阀等，可直接驱动继电器、电磁阀等；占用占用4个连续口地址：个连续口地址：154H-157H；

12、各输出信号具有锁存功能，上电；各输出信号具有锁存功能，上电复位清零；用户接口为复位清零；用户接口为40芯扁平电缆插座。芯扁平电缆插座。2.1.5 2.1.5 执行机构执行机构 执行机构的作用是接受计算机发出的控制信号，并把它转换成执行执行机构的作用是接受计算机发出的控制信号，并把它转换成执行机构的动作，使被控对象按预先规定的要求进行调整，保证其正常运行，机构的动作，使被控对象按预先规定的要求进行调整，保证其正常运行，即控制生产过程。即控制生产过程。 常用的执行机构有各种常用的执行机构有各种电动、液动及气动开关，电液伺服阀，交直电动、液动及气动开关，电液伺服阀，交直流电动机，步进电机，各种有触点

13、和无触点开关、电磁阀等流电动机，步进电机，各种有触点和无触点开关、电磁阀等。在系统设。在系统设计中需根据系统的要求来选择。计中需根据系统的要求来选择。 本系统中主要根据当前的温度对被控对象进行加热或降温处理，所本系统中主要根据当前的温度对被控对象进行加热或降温处理，所以执行机构主要使用了以执行机构主要使用了两套低压继电器和交流接触器两套低压继电器和交流接触器，用来接通或断开，用来接通或断开加热丝及冷却泵的供电电源，从而实现加热和降温处理。加热丝及冷却泵的供电电源，从而实现加热和降温处理。2.1.6 2.1.6 其他外围设备其他外围设备 外围设备主要是为了辅助工控机主机的功能而配置的，用来显示、

14、存外围设备主要是为了辅助工控机主机的功能而配置的，用来显示、存储、打印、记录各种数据，包括输入设备、输出设备和存储设备。常用的储、打印、记录各种数据，包括输入设备、输出设备和存储设备。常用的外围设备有打印机、记录仪、显示器、外部存储器（硬盘、光盘等）、记外围设备有打印机、记录仪、显示器、外部存储器（硬盘、光盘等）、记录仪、声光报警器等。录仪、声光报警器等。 除了上述硬件以外，还有加热丝、冷却泵、导线、电源等设备除了上述硬件以外，还有加热丝、冷却泵、导线、电源等设备。根据。根据需要也可以增加网络通信接口实现与其他设备的网络通信等。需要也可以增加网络通信接口实现与其他设备的网络通信等。2.2 2.

15、2 温度控制系统软件设计温度控制系统软件设计 控制软件的编写常采用以下三种开发工具：控制软件的编写常采用以下三种开发工具： 一是采用机器语言、汇编语言等面向机器的低级语言来编写；一是采用机器语言、汇编语言等面向机器的低级语言来编写； 二是采用二是采用C C、VBVB、VC+VC+等高级语言来编写；等高级语言来编写； 三是采用监控组态软件来编写。三是采用监控组态软件来编写。 为使初学者便于接受，这里采用较为直观，也相对较易实现的组为使初学者便于接受，这里采用较为直观，也相对较易实现的组态软件来进行控制软件的设计，组态软件选用亚控公司的工业组态软态软件来进行控制软件的设计，组态软件选用亚控公司的工

16、业组态软件组态王（件组态王（KingviewKingview）。）。2.2.1 2.2.1 系统的图形画面系统的图形画面设定模块历史曲线温度显示冷却泵加热丝2.2.2 2.2.2 板卡设备定义板卡设备定义 为了让输入、输出信号能够与上述画面当中的图素相关联，需要进为了让输入、输出信号能够与上述画面当中的图素相关联，需要进行设备定义，也就是所用到的输入、输出板卡定义。行设备定义，也就是所用到的输入、输出板卡定义。 在组态王工程浏览器的左侧选择在组态王工程浏览器的左侧选择“设备设备”中的中的“板卡板卡”，在右侧双，在右侧双击击“新建新建”，运行，运行“设备配置向导设备配置向导”，对，对PCL-81

17、8LPCL-818L和和IPC5373IPC5373两个板卡进两个板卡进行设置：行设置： PCL-818L PCL-818L地址设置为地址设置为300300，详细说明参见研华，详细说明参见研华PCL-818PCL-818系列板卡中文系列板卡中文手册，设置对话框如图手册，设置对话框如图2.82.8所示；所示； IPC5373 IPC5373地址设置为地址设置为154154，详细设置请参考，详细设置请参考IPC5373IPC5373使用说明书，设置使用说明书，设置对话框如图对话框如图2.92.9所示。所示。图图2.8 2.8 输入板卡输入板卡PCL-818L地址设置地址设置图图2.9 2.9 输出

18、板卡输出板卡IPC5373地址设置地址设置2.2.3 2.2.3 系统变量定义系统变量定义 系统所用变量如图系统所用变量如图2.102.10所示。主要是三类变量：一个模拟量输入所示。主要是三类变量：一个模拟量输入I/OI/O变量、一个数字量输出变量、一个数字量输出I/OI/O变量、若干内存变量。变量、若干内存变量。（1 1）模拟量输入）模拟量输入I/OI/O变量变量 模拟量输入的传感器采用的是模拟量输入的传感器采用的是Pt100Pt100，温度测量范围取，温度测量范围取0 0100100C C，经变送，经变送器器AI-808AAI-808A线性输出线性输出4 420mA20mA电流，经电流，经

19、250250电阻将电流信号转换为电阻将电流信号转换为1 15V5V电压，电压，并接入板卡并接入板卡PCL-818LPCL-818L。因此，输入变量定义为。因此，输入变量定义为“AI1”“AI1”，变量类型选，变量类型选“I/O“I/O实实数数”，最小值设为，最小值设为“0”“0”，最大值设为，最大值设为“100”“100”，最小原始值设为，最小原始值设为“2458”“2458”（对（对应应0 0C C），最大原始值设为），最大原始值设为“4095”“4095”（对应（对应100100C C），连接设备为），连接设备为PCL-818LPCL-818L（新（新IOIO设备），寄存器选为设备），寄存

20、器选为“AD1.G1”“AD1.G1”，数据类型选，数据类型选“SHORT”“SHORT”，采样频率为，采样频率为“500”“500”，读写属性为，读写属性为“只读只读”，如图，如图2.112.11所示。所示。（2 2）数字量输出）数字量输出I/OI/O变量变量数字量输出变量通过数字量输出变量通过IPC5373IPC5373输出，用于驱动外部低压继电器（输出，用于驱动外部低压继电器（24V24V）和交流接）和交流接触器（触器（220V220V）。）。IPC5373IPC5373板卡有四个寄存器输出，每个寄存器有板卡有四个寄存器输出，每个寄存器有8 8个通道，设定值为个通道，设定值为154H15

21、4H时，使用时，使用154154寄存器的寄存器的8 8个通道。各通道的导通与断开由二进制量控制，个通道。各通道的导通与断开由二进制量控制，为为1 1则则导通，为导通，为0 0则断开则断开，因此输出值为，因此输出值为0 0255255。将其定义为。将其定义为“加热冷却输出加热冷却输出”，参数设，参数设置如图置如图2.122.12所示。所示。（3 3）内存变量）内存变量其他内存变量是为了配合数据的处理与控制，例如控制相关指示其他内存变量是为了配合数据的处理与控制，例如控制相关指示灯的当前状态，象加热显示、冷却显示、加热信号、冷却信号、断续灯的当前状态，象加热显示、冷却显示、加热信号、冷却信号、断续

22、加热信号、断续冷却信号；中间变量也可以控制系统各状态的运行时加热信号、断续冷却信号；中间变量也可以控制系统各状态的运行时间，象闪烁变量、断续变量；还可设定系统运行的设定值与控制按键间，象闪烁变量、断续变量；还可设定系统运行的设定值与控制按键值，象控制温度下限、控制温度上限、中间温度、运行与停止指令等；值，象控制温度下限、控制温度上限、中间温度、运行与停止指令等；可从图可从图2.102.10中看到。中看到。2.2.4 2.2.4 动画连接与程序代码的编写动画连接与程序代码的编写建立图建立图2.72.7画面中各个对象的动画连接，将其与所定义的相关变量连画面中各个对象的动画连接，将其与所定义的相关变

23、量连接起来（具体可参考第接起来（具体可参考第9 9章组态软件应用部分），然后进行程序代码的编章组态软件应用部分），然后进行程序代码的编写。写。2.3 2.3 系统工作过程系统工作过程先做如下设定：设定温度为先做如下设定：设定温度为T0T0，根据允许误差为，根据允许误差为0.50.5，则温度控制上限，则温度控制上限为为T1=T0+0.5T1=T0+0.5，下限为，下限为T2=T0-0.5T2=T0-0.5，则工作过程可描述如下：，则工作过程可描述如下：（1 1）若水温低于）若水温低于T2T2：经检测换算后输入到组态王监控界面，运算后：经检测换算后输入到组态王监控界面，运算后IPC5373IPC5373设定值为设定值为6464（0 x400 x40），输出通道），输出通道1 1导通，低压继电器导通，低压继电器1 1常开触点闭合，使得接触器常开触点