第章计算机控制系统设计与实现

计算机控制系统的设计，既是一个理论问题，又是一个工程问题。计算机控制系统的理论设计包括：建立被控对象的数学模型；确定满足一定技术经济指标的系统目标函数，寻求满足该目标函数的控制规律；选择适宜的计算方法和程序设计语言；进行系统功能的软、硬件界面划分，并对硬件提出具体要求。计算机控制系统的工程设计，不仅要求掌握生产过程的工艺要求，以及被控对象的动态和静态特性，而且要通晓自动检测技术、计算机技术、通信技术、自动控制技术、微电子技术等。第8章

计算机控制系统设计与实现8.1系统的设计原则与步骤8.1.1系统设计的原则安全可靠(环境恶劣、干扰，备份系统，故障诊断)操作维护方便实时性强(定时事件、随机事件)通用性好(硬件标准总线与模块结构、软件和算法采用标准模块结构，组态)经济效益高

对工业控制的计算机系统最基本的要求是可靠性高。否则，一旦系统出现故障，将造成整个控制过程的混乱，会引起严重的后果，由此造成的损失往往大大超出计算机控制系统本身的价值。在工业生产过程中，特别是在一些连续生产过程的企业中，是不允许故障率高的设备存在的。系统的可靠性是指系统在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力。在计算机控制系统中，可靠性指标一般用系统的平均无故障时间MTBF和平均维修时间MTTR来表示。MTBF反映了系统可靠工作的能力，MTTR表示系统出现故障后立即恢复工作的能力，一般希望MTBF要大于某个规定值，而MTTR值越短越好。（1）安全可靠因此，在系统设计时，首先要选用高性能的工业控制计算机，保证在恶劣的工业环境下仍能正常运行。其次是设计可靠的控制方案，并具备有各种安全保护措施，比如报警、事故预测、事故处理、不间断电源等。

为了预防计算机故障，还须设计后备装置。对于一般的控制回路，选用手动操作器作为后备；对于重要的回路，选用常规控制仪表作为后备。这样，一旦计算机出现故障，就把后备装置切换到控制回路中去，以维持生产过程的正常运行。对于特殊的控制对象，可设计两台计算机互为备用地执行控制任务，成为双机系统。对于规模较大的系统，应注意功能分散，即可采用分散控制系统或现场总线控制系统。

包括两个含义，即使用方便和维护容易。首先是使用方便。系统设计时要尽量考虑用户的方便使用，尤其是操作面板的设计，既要体现操作的先进性，又要兼顾原有的操作习惯，控制开关不能太多、太复杂，尽量降低对使用人员专业知识的要求，使他们能在较短时间内熟悉和掌握操作。其次是维修容易，即一旦发生故障，易于查找和排除。在硬件方面，从零部件的排列位置，标准化的模板结构，以及能否便于带电插拔等等都要通盘考虑；从软件角度而言，要配置查错程序和诊断程序，以便在故障发生时能用程序帮助查找故障发生的部位，从而缩短排除故障的时间。（2）操作维护方便（3）实时性强

计算机控制系统的实时性，表现在对内部和外部事件能及时地响应，并作出相应的处理，不丢失信息，不延误操作。计算机处理的事件一般分为两类。一类是定时事件，如数据的定时采集，运算控制等，对此系统应设置时钟，保证定时处理；另一类是随机事件，如事故报警等，对此系统应设置中断，并根据故障的轻重缓急预先分配中断级别，一旦事故发生，保证优先处理紧急故障。（4）通用性好工业控制的对象千差万别，而计算机控制系统的研制开发又需要有一定的投资和周期。一般来说，不可能为一台装置或一个生产过程研制一台专用计算机，常常是设计或选用通用性好的计算机控制装置灵活地构成系统。当设备和控制对象有所变更时或者再设计另外一个控制系统时，通用性好的系统一般稍作更改或扩充就可适应。计算机控制系统的通用灵活性体现在两方面：一是硬件设计方面，首先应采用标准总线结构，配置各种通用的功能模板或功能模块，以便在需要扩充时，只要增加相应板、块就能实现，即便当CPU升级时，也只要更换相应的升级芯片及少量相关电路即可实现系统升级的目的。其次，在系统设计时，各设计指标要留有一定的余量，如输入输出通道指标、内存容量、电源功率等。二是软件方面，应采用标准模块结构，尽量不进行二次开发，主要是按要求选择各种软件功能模块，灵活地进行控制系统的组态。（5）经济效益高计算机控制应该带来高的经济效益，要有市场竞争意识。经济效益表现在两方面：一是系统设计的性能价格比要尽可能的高，在满足设计要求的情况下，尽量采用物美廉价的元器件；二是投入产出比要尽可能的低，应该从提高生产的产品质量与产量、降低能耗、消除污染、改善劳动条件等方面进行综合评估。计算机控制系统的工程项目的研制可分为四个阶段：工程项目与控制任务的确定阶段

(1)甲方提出任务委托书(系统技术性能指标、经费、计划进度、合作方式等)(2)乙方研究任务委托书(3)双方对委托书进行修改(4)乙方初步进行系统总体方案设计(5)乙方进行方案可行性论证(6)签订合同书(双方任务划分和各自承担责任、合作方式、付款方式、进度和计划安排、验收方式及条件、成果归属及违约的解决办法等)

8.1.2系统设计的步骤(1)组建项目研制小组(明确分工和相互协调的合作关系)(2)制定系统的总体方案(硬件总体方案、软件总体方案)(3)方案的论证与送审(4)硬件与软件的分别细化设计(5)硬件和软件的分别调试(6)系统的组装2.工程项目的设计阶段3.离线仿真和调试阶段

在实验室而不是在工业现场进行仿真和调试。离线仿真和调试后还要进行考机运行，以便在连续不停机的运行中暴露问题和解决问题。4.在线调试和运行阶段

即将系统和生产过程联接在一起，进行现场调试和运行。系统正常运行后，可组织验收。验收是系统项目最终完成的标志。

8.2系统的工程设计与实现8.2.1系统总体方案设计 总体设计就是要了解控制对象、熟悉控制要求，确定总的技术性能指标，确定系统的构成方式及控制装置与现场设备的选择，以及控制规律算法和其它特殊功能要求。（1）确定系统任务与控制方案（2）确定系统的构成方式设计（3）选择现场设备（4）确定控制算法（5）硬、软件功能的划分（6）其它方面的考虑1.硬件总体方案设计

(1)确定系统的结构和类型（开环、闭环、DDC、SCC、DCS、FCS等）(2)确定系统的构成方式(工控机、PLC、智能调节器，采用积木式模块化结构)(3)现场设备选择(传感器、变送器、执行机构)(4)其它方面的考虑（人机联系、机柜机箱、抗干扰等）

对于通用控制系统，可以首选现成的总线式IPC系统或者PLC装置，以加快设计研制进程，使系统硬件设计的工作量减到最小。例如PC总线IPC有数十种国内外的品牌，PLC也有十几种品牌几十种系列可供选择。这些符合工业化标准的控制装置的模板、模块产品都经过严格测试，并可提供各种软硬件接口，包括相应的驱动程序等。这些模板模块产品只要总线标准一致，买回后插入相应空槽即可运行，构成系统极为方便。所以。除非无法买到满足自己要求的产品，否则绝不要随意决定自行研制。2.软件总体方案设计用IPC或PLC来组建计算机控制系统不仅能减小系统硬件设计工作量，而且还能减小系统软件设计工作量。一般它们都配有实时操作系统或实时监控程序以及各种控制、运算软件和组态软件等，可使系统设计者在最短的周期内，开发出应用软件。3.系统变总体少方案(1额)系统迁主要惑功能抚、技不术指丧标、下原理凑图及旅文字斯说明(2贡)控制铃策略坐和控黄制算您法(3泳)系统外硬件当结构跑及配革置(4治)方案觉比较再和选冶择(5植)保证计性能教指标茎要求亏的技第术措耽施(6秧)抗干笔扰和迈可靠割性设桐计(7狡)机柜绘或机宰箱的叹结构疫设计(8席)经费巾和进袍度计和划的府安排8.话2.榆2硬件叹工程蜘的设肢计与俩实现1.选择怖系统捎的总嫌线和仅主机裂类型(1腐)选择鱼系统纳的总右线包括殿内总镜线和衰外总翠线选顶择(2票)选择捡主机宵机型2.选择舒输入杰输出景通道励模板(1翼)数字腿量（爆开关除量）扣输入寺输出(D蓝I/仁DO称)模板(2狡)模拟妈量输笋入输表出(A桌I/礼AO搜)模板3.选择聪变送估器和梅执行遗机构(1饮)选择身变送蜡器(2义)选择咐执行库机构桥（电陪动、忽气动膏、液争动）8.唐2.够3软件独的工促程设沸计与但实现1.数据棒类型周和数诱据结恳构规姐划2.资源愈分配宝（RA甲M/闭RO趁M,朱I/甲O地址,中断挥源,定时灾器等圣）3.实时逢控制堪软件巨设计包括艺数据吓采集批及数弯据处胶理程良序、叹控制隐算法羊程序间、控里制量缘瑞输出倍程序砍和实繁时时哈钟、相中断滋处理慎程序消、数制据管兰理程僻序和站数据矛通信替程序8.字2.己4系统狐的调映试与顺运行1.离线托仿真蔽和调累试（少硬件扒调试脾，软且件调小试，降系统屑仿真疗）2.在线完调试霞和运哈行在现华场进奇行调呀试之说前应景对各快种仪因器、苗设备邀、抗默干扰顷和接岭地情软况以勉及安胳全防易护措创施进呆行检宪查。资经检冲查并廊安装山正确奋之后戒，就忘可以因进行糊系统透的投姓运和崭参数流整定誉。8.若3计算奏机控时制系疼统设绕计举西例以啤引酒发套酵过亏程计疾算机冰控制辞系统装为例8.烘3.融1啤酒胜发酵产工艺恶及控颜制要再求要求孟控制她发酵贤罐按扇下图赞的温霜度工险艺曲播线运西行8.混3.蒙2系统散总体淹方案溉设计1.发酵傍罐测销控点四分布佣及管克线结教构系统翁共有10个发接酵罐借，每猛个罐前测量5各参认数，填有3个控每制点策，他愿们分警别是斩上段推温度TT尘a、中子段温颈度TT丘b、下衫段温养度TT搬c、罐失内上瓶部气邀体压根力PT、液望位LT、上膊段冷匪带调垒节阀TV竖a、中兆段冷努带调锡节阀TV晶b、下法段冷矛带调嚷节阀TV畜c。2.检测掉装置争和执第行机己构温度闸检测爆采用WZ织P-座23板1铂热享电阻医和RT孔TB那-E笑KT温度灾变送惩器；厨压力俯检测源采用CE血CY丹-1崇50炸G电容仔式压慰力变歪送器杯；液过位检勉测采线用CE绘CU域-3寺41过G电容锦式液株位变奶送器执行堡机构欢采用ZD窜LP滋-6笑B电动芦调节疤阀3.控制谦规律在恒澡温阶捉段采灵用增剂量型PI控制苏算法犯，在至升温车、降市温阶舍段采郊用PI春D控制捏算法劈燕，在课控制运软件涨设计痛中提混供了Sm绢it烈h预估圆控制影算法4.控制枝系统斑主机杰及过源程通县道模碰板控制疮主机岁选用遣康拓IP俊C-眉85无00工业羽控制堂机过程袋通道状模板拌选用圆康拓IP众C-陆54辣88纸1伴2位光银电隔虚离板5.控制误系统朵软件包括友采样泊、滤汇波、居标度签变换趣、控纱制输骆出、稀中断籍、计趣时、参打印档显示虹、报开警、主参数腊修改廊及报少表、条图形姿、曲乎线显摊示等缝功能8.那3.芬3系统估硬体舟和软水件设岛计1.硬件