第2章 计算机控制系统范例

1、第2章 计算机控制系统(kn zh x tn)范例2.1温度控制系统软件设计2.2系统工作过程 2.3温度控制系统硬件结构共二十二页 本章以一个温度控制系统为例，简单介绍(jisho)一下系统的硬件、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多功能数据采集卡PCL-818L（模拟量输入）和康拓公司32路光隔开关量功放输出卡IPC5373来完成带夹套锅炉的温度信号的采集与控制。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：0100，控制精度为0.5。共二十二页2.1 温度(wnd)控制系统硬件结构采用

2、铂热电阻Pt100温度传感器进行温度测量；选择AI-808A人工智能工业调节器作为温度变送器；通过研华的接线端子PCLD8115将测量的模拟信号接入数据采集卡PCL-818L进行A/D转换，然后输入研华工控机IPC-610H；处理后的数字量通过康拓开关量功放输出卡IPC5373驱动低压(dy)继电器；继电器带动交流接触器，实现电加热丝或是冷却泵的通电与断电控制，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。共二十二页2.1.1 控制(kngzh)计算机 这里选用的是研华IPC-610H工控机（见图2.2）及配套设备，其主要特点是：4U（17.78CM ）高，支持14槽背板；前置US

3、B/PS2接口；能抗冲击、振荡，并且能在高温下稳定工作；支持ATX母板（7个扩展槽）和400W PFC电源（Power Factor Correction ）；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策(juc)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。共二十二页2.1.2 传感器 传感器选用铂热电阻Pt100温度传感器，0C时标称值为100，它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138.5。热电阻的电阻值和温度一般可以(ky)用以下的近似关系式表示： Rt=Rt

4、01+(t-t0)式中，Rt为温度t时的阻值；Rt0为温度t0（通常t0=0C）时对应电阻值；为温度系数。热电阻三线(sn xin)制接线图共二十二页2.1.3 温度(wnd)变送器热电阻与变送器间接线图 选择AI-808A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。 其中AI-808A的参数设置如下：HIAL（测量上限）：100；LoAL（测量下限）：0；dHAL（正偏差报警限值）：5.0；dLAL（负偏差报警限值）：5.0；Ctrl（控制方式采用位式调节）：0；Sn（选定输入为Pt100）：21；DIP（显示格式为000.0，小数点在十位）：1；DIL（输入下限

5、显示值）：0；dIH（输入上限显示值）：100；OP1（选择420mA线性电流输出）：4；Addr（输出下限为4mA）：40；bAud（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）：1；Loc（仪表选择为可设置(shzh)全部参数及给定）：808。共二十二页2.1.4 输入(shr)/输出板卡（1）多功能数据(shj)采集卡PCL-818L PCL-818L是基于ISA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： 16路单端或8路差分模拟量输入； 12位A/D转换器，带DMA的自动通道增益扫描； 每个输入通道的增益可编程，包括0.5，1，2，4，8；

6、 板上带有一个1K的采样FIFO（先入先出）缓冲器和可编程中断； 16路数字量输入及16路数字量输出； 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：01.25V，02.5V，05V，010V； 2通道12位多路切换模拟输出，1通道16位通用定时/计数器。共二十二页PCLD8115接线(ji xin)端子及其与PCL-818L连接图如图2.5所示。(a)PCLD8115接线(ji xin)端子 (b)接线端子及与PCL-818L连接图共二十二页（2）光隔开( ki)关量功放输出板IPC5373 光隔开关量功放输出板IPC5373是一块通用光电隔离型

7、的开关量输出板，如图2.6所示。它包括32路开关量输出，可以实现PC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2500Vrms（root mean square 即“均方根值”的缩写，Vrms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；此外它还具有较强的输出驱动能力和电平转换能力，采用达林顿管功放集电极开路输出，负载电源540V，驱动电流单路最大200mA，每片达林顿管负载电流最大500mA，可直接(zhji)驱动继电器、电磁阀等；占用4个连续口地址：154H-157H；各输出信号具有锁存功能，上电复位清零；用户接口为40芯扁平电缆插座。共二十二页2.1

8、.5 执行机构 执行机构的作用是接受计算机发出(fch)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，即控制生产过程。 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，所以执行机构主要使用了两套低压继电器和交流接触器，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。共二十二页2.1.6 其他(qt)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、存储、打印、

9、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。根据需要也可以(ky)增加网络通信接口实现与其他设备的网络通信等。共二十二页2.2 温度控制系统软件(x tn run jin)设计 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； 二是采用C、VB、VC+等高级语言(yyn)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态软件来进行控制软件的设计，组态软

10、件选用亚控公司的工业组态软件组态王（Kingview）。共二十二页2.2.1 系统的图形(txng)画面设定模块历史曲线温度显示冷却泵加热丝共二十二页2.2.2 板卡设备(shbi)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“设备”中的“板卡”，在右侧双击“新建”，运行“设备配置向导(xingdo)”，对PCL-818L和IPC5373两个板卡进行设置： PCL-818L地址设置为300，详细说明参见研华PCL-818系列板卡中文手册，设置对话框如图2.8所示； IPC5373地址设置为154，详

11、细设置请参考IPC5373使用说明书，设置对话框如图2.9所示。共二十二页图2.8 输入板卡PCL-818L地址(dzh)设置图2.9 输出板卡IPC5373地址(dzh)设置共二十二页2.2.3 系统(xtng)变量定义 系统所用变量如图2.10所示。主要是三类变量：一个模拟量输入I/O变量、一个数字(shz)量输出I/O变量、若干内存变量。共二十二页（1）模拟量输入(shr)I/O变量 模拟量输入的传感器采用的是Pt100，温度测量范围取0100C，经变送器AI-808A线性输出420mA电流，经250电阻将电流信号转换为15V电压，并接入板卡PCL-818L。因此，输入变量定义为“AI1

12、”，变量类型选“I/O实数(shsh)”，最小值设为“0”，最大值设为“100”，最小原始值设为“2458”（对应0C），最大原始值设为“4095”（对应100C），连接设备为PCL-818L（新IO设备），寄存器选为“AD1.G1”，数据类型选“SHORT”，采样频率为“500”，读写属性为“只读”，如图2.11所示。共二十二页（2）数字(shz)量输出I/O变量数字量输出(shch)变量通过IPC5373输出(shch)，用于驱动外部低压继电器（24V）和交流接触器（220V）。IPC5373板卡有四个寄存器输出(shch)，每个寄存器有8个通道，设定值为154H时，使用154寄存器的8个

13、通道。各通道的导通与断开由二进制量控制，为1则导通，为0则断开，因此输出值为0255。将其定义为“加热冷却输出”，参数设置如图2.12所示。共二十二页（3）内存(ni cn)变量其他内存变量是为了配合数据的处理与控制，例如控制相关指示灯的当前状态，象加热显示、冷却显示、加热信号(xnho)、冷却信号(xnho)、断续加热信号(xnho)、断续冷却信号(xnho)；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2.10中看到。共二十二页2.2.4 动画连接(linji)与程序代码

14、的编写建立图2.7画面中各个对象的动画连接，将其与所定义的相关变量连接起来（具体可参考第9章组态软件应用部分），然后(rnhu)进行程序代码的编写。共二十二页2.3 系统(xtng)工作过程先做如下设定：设定温度为T0，根据允许误差为0.5，则温度控制上限为T1=T0+0.5，下限为T2=T0-0.5，则工作过程可描述如下：（1）若水温低于T2：经检测换算后输入到组态王监控界面，运算后IPC5373设定值为64（0 x40），输出通道1导通，低压继电器1常开触点闭合，使得接触器1常开触点闭合，加热器通电，开始连续工作，此时系统处于(chy)连续加热状态。当温度上升到T2后，系统退出连续加热状态

15、，进入断续加热状态，加热器工作2s，停止工作2s，依次循环，直到水温升到中间温度T0，加热控制过程结束。（2）若水温高于T1：经检测换算后输入到组态王监控界面，运算后IPC5373设定值为32（0 x20），输出通道2导通，低压继电器2常开触点闭合，使得接触器2常开触点闭合，冷却泵开始连续工作，此时系统处于连续冷却状态。当温度下降到T1后，系统退出连续冷却状态，进入断续冷却状态，即冷却泵工作2s后停止工作2s，依次循环，直到水温降到中间温度T0，冷却控制过程结束。（3）若水温处于T1和T2之间：IPC5373设定值为0（0 x00），输出通道全部断开，加热器、冷却泵都不工作，组态王继续监控水温，直到水温超过T1，或水温低于T2，系统进入相应控制过程。共二十二页内容摘要第