计算机控制系统设计

1985年国际电工委员会（IEC）颁布的可编程程序控制器标准对PLC作了如下定义：

可编程控制器是一种专为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子系统。它采用可编程程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术等操作的指令，并通过数字或模拟式输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外部设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。5.6可编程序控制器PLC1、PLC的结构组成PLC本质上是一种专用的工业控制计算机，它由硬件和软件两个部分组成。（1）PLC的硬件又可分为主机、I/O扩展机、编程器和电源四部分。其中PLC的主机由微处理机((CPU)、存贮器、I/O模块构成。CPU包括运算器和控制器，它是整个PLC运算和控制的核心。CPU主要完成接收指令、扫描、诊断、执行程序、刷新状态等任务。存贮器用来存贮系统程序和用户程序，其要根据实际情况选取足够大的存储器，并且要求有一部分空余作为缓存。PLC存储器按照类型可分随机存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除只读存储器(EPROM)等。

编程器用于用户程序的编制、编辑、调试和监视，还可通过其键盘去调用和显示PLC的一些内部状态和系统参数。它通过接口与CPU连接，突现人机“对话”。I/O扩展机主要用来扩展输入、输出点数。当用户所需的输入、输出点数超过主机的输入、输出点数时，可用它来扩展。

电源则向PLC提供各部分工作所需要的电压。

（2）PLC的软件是指PLC使用的各种程序的集合，它包括系统程序和用户程序。

系统程序由PLC生产厂家提供并固化在EPROM中，包括监控、编译及诊断等程序，用来管理全机，“翻译”语言，诊断故障；

用户程序是用户根据实际的需要，用PLC的程序语言编制的应用程序，由若干种形式的操作指令和数据组成，用来实现各种控制，由用户利用编程器输入PLC的RAM中。

2、PLC的基本工作原理PLC是按照“顺序扫描、不断循环”的方式工作的。其工作过程可分为输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。PLC经过上述三个阶段的工作，称为一个扫描周期。然后，PLC又重新执行上述过程，周期性循环。扫描时间由程序长短决定，一般为毫秒级，目前基本PLC的扫描时间为10ms。PLC与继电器控制的区别：PLC工作方式为“串行”方式；继电器为“并行”方式；3、PLC的主要性能指标（1）I/O点数指PLC的外部输入和输出端子数。通常小型机有几十个，中型机有几百个，大型机超过千点。（2）用户程序存储容量此为衡量PLC所能存储用户程序的多少。在PLC中，程序指令按“步”进行存储，一步占用一个地址单元，一条指令往往不止一步。（3）扫描速度指扫描1000步用户程序所需的时间，以ms/千步为单位。（4）指令系统条数指令种类和数量越多，其软件功能越强。（5）内存分配及编程元件的种类和数量其数量关系到编程是否方便灵活，是衡量PLC硬件功能强弱的指标。4、PLC编程语言可编程序控制器标准编程语言有以下5种：(1)梯形图(LD)，主要由触点、线圈和用方框表示的功能块组成，是PLC厂家采用最多的编程语言，最初是由接触器、继电器控制图演变过来的，特点是形象、直观、易懂。(2)指令（语句表STL)，是一种助记符编程表达式,采用指令语和作用器件编号两部分组成。类似计算机汇编语言，适合于简单文本自编专用程序。(3)顺序功能图(SFC)，主要由步、有向连线、转换、转换条件和动作组成，描述了控制系统的控制过程、功能和特性,适合于多进程时序混和型复杂控制；(4)功能块图(FBD)，是类似于数字逻辑门电路的编程语言，提供了一个有效的开发环境,适合于典型固定复杂算法控制如PID调节等，特别适用于过程控制应用；(5)高级语言（结构文本ST)，这是一种类似用于计算机的专用高级编程语言,通常适用于大中型PLC系统和集散控制系统控制；PLC编程元件通常用X表示输入继电器；Y表示输出继电器；T定时器；C计数器；M辅助继电器等。如图Y1表示接触器KM；FR热过载继电器；三相电动机控制例子：说明：(1)梯形图中的继电器不是物理继电器，而是PLC存储器的一个存储单元。当写入该单元的逻辑状态为1时，则表示相应继电器的线圈接通，其动合触点闭合，动断触点断开。(2)梯形图按从左到右、自上而下的顺序排列。每一逻辑行起始于左母线，然后是触点的串、并连接，最后通过线圈与右母线相连。(3)梯形图中每个梯级流过的不是物理电流，而是“概念电流”，从左流向右，其两端没有电源。这个“概念电流”只是用来描述用户程序执行中满足线圈接通的条件。(4)输入继电器用于接收外部输入信号，它不能由PLC内部其他继电器的触点来驱动。因此梯形图中只出现输入继电器的触点，而不出现其线圈。输出继电器用于将程序执行结果输出给外部输出设备。当梯形图中的输出继电器线圈接通时，就有信号输出，但不是直接驱动输出设备，而要在输出刷新阶段通过输出接口的继电器、晶体管或晶闸管才能实现。5、PLC的应用举例1）确定控制对象及控制内容(1)深入了解和详细分析被控对象的工作原理及工艺流程，画出工作流程图；(2)列出该控制系统应具备的全部功能和控制范围；(3)拟定控制方案使之能最大限度地满足控制要求，并保证操作简单、经济、安全、可靠。2）PLC机型选择一般须考虑以下几方面的问题。(1)确定I／O点数：统计并列出被控系统中所有输入量和输出量，选择I／O点数适当的PLC。(2)确定用户程序存储器的存储容量：用户程序所需内存容量与控制内容和输入／输出点数有关，也与用户的编程水平有关。一般粗略的估计方法是：(输入＋输出)x(10－12)＝指令步数。(3)响应速度：PLC的扫描工作方式使其输出信号与相应的输入信号间存在一定的响应延迟时间，它最终将影响控制系统的运行速度，所选PLC的指令执行速度应满足被控对象对响应速度的要求。3）硬件设计确定各种输入设备及被控对象与PLC的连接方式，设计外围辅助电路及操作控制盘，画出输入输出端子接线图，并实施具体安装和联接。4）软件设计(1)根据输入输出变量的统计结果对PLC的I／O端进行分配和定义。(2)根据PLC扫描工作方式的特点，按照被控系统的控制流程及各步动作的逻辑关系，合理划分程序模块，画出梯形图。5）系统统调编制完成的用户程序要进行模拟调试，准确无误后方可接到系统中进行系统统调。在醋酸生产装置中利用原料乙醛氧化生成醋酸。1）确定控制对象及控制内容2）PLC机型选择确定I／O点数：统计并列出被控系统中所有输入量和输出量共25个，故选用F－40MPLC。3）软件设计：输入/出安排见下表。此外时序设计等。5.8计算机控制系统设计计算机控制系统的设计是一项技术性和实践性都很强的工作，设计工作常需涉及多个专业领域的知识。由于计算机参与控制的生产机械和生产过程多种多样、控制要求各不相同，因此，控制系统的设计方法和步骤不是千篇一律的，必须视具体情况而定。一、计算机控制系统设计工作的类别依据实际任务与工作条件不同，计算机控制系统设计工作分为如下几种：1)购置硬件系统和系统软件，按任务要求设计与开发应用软件。2)购置硬件系统，设计开发专用电路板及应用软件。3)自行设计系统所需全部印制电路板和全部软件系统。4)除设计系统的全部硬件与软件之外，还自行设计某些特殊的专用芯片。二、计算机控制系统的设计原则1.系统操作性能好（包括使用方便和维修方便）；2.可靠性高；3.实时性强（表现在时间驱动和事件驱动能力上能对生产过程实时的检测和控制）；4.通用性好，便于扩充；5.设计周期短、性价比高。三、控制系统设计的一般步骤计算机控制系统设计一般可按下述步骤进行：（1）确定系统整体控制方案；（2）确定控制算法；（3）计算机选型；（4）系统总体设计；（5）硬件设计、软件设计；（6）系统联调。1.确定系统整体控制方案设计的第一步是了解控制对象，熟悉控制要求，构思控制系统的整体方案。（1）确定控制方案。首先要从系统构成上考虑是采用开环控制还是闭环控制。（2）确定系统的构成方式；（3）现场设备选择，主要考虑传感器、变送器和执行机构，比较是采用电驱动、液压驱动还是其它方式驱动等各种方案。（4）考虑是否有特殊控制要求。为满足这些特殊要求应采取哪些措施。（5）微型计算机在整个控制系统中应起的作用，是计算、直接控制还是数据处理。（6）初估成本，看经济上是否合算。通过整体方案考虑，最后画出系统组成粗框图，并附上必要的说明，以此作为进一步设计的基础和依据。2.确定控制算法

这一步的工作就是要推导系统的数学模型，确定控制算法。数学模型是系统动态特性的数学表达式。它反映了系统输入、内部状态和输出之间的逻辑和数量关系，这些关系式为计算机进行计算处理提供了依据，即由数学模型推出控制算法。控制算法的好坏直接影响控制系统的品质。在系统设计时，按具体控制对象、控制性能要求，以及所选用的微型机的处理能力选定一种控制算法。在选择时，应注意：（1）控制算法对系统的性能指标有直接影响，因此，应考虑所选定的算法是否能满足控制速度、控制精度和系统稳定性的要求。（2）各种控制算法提供了一套通用的计算公式，但具体到一个控制对象上，必须有分析地选用，在某些情况下可能还要进行某些修改与补充。（3）当控制系统比较复杂时，控制算法也比较复杂，整个控制系统的实现就比较困难，为设计、调试方便，可将控制算法作某些合理的简化，在取得初步控制成果后，再逐步将控制算法完善，直到获得最好的控制效果。3.选择微型计算机对于给定的任务，选择微型机的方案不是唯一的，从用于生产机械或生产过程控制的角度出发，微型机应满足下列要求。（1）较完善的中断系统微型计算机控制系统必须具有实时控制性能。（2）足够的存贮容量；（3）完备的输入输出通道和实时时钟；（4）字长、速度、指令。可选择：单片机、单板机、可编程序控制器PLC、微型计算机系统。4.系统总体设计简单说来，系统总体设计是系统控制方案的具体实施步骤。前面的工作（系统组成粗框图、算法、设计要求以及所选用的微型机）是总体设计的主要依据。通过这一步的设计要画出系统构成的总体框图。（1）确定硬件软件功能分配；（2）接口、通道设计（3）可靠性设计。5.硬件设计硬件设计是在总体设计阶段确定之后，具体说来这一步的任务是根据系统总体框图，设计出系统电气原理图，再按照电气原理图着手元件的选购和开始施工设计工作。通常，除微型机外，系统硬件可能有接口通道的扩充、简单的组合逻辑或时序逻辑电路、供电电源、光电隔离、电子转换、驱动放大电路等。从硬件元件的选定、筛选、印刷电路板制作、单元电路设计和试验以及每块单板的焊接调试，每一环节都必须认真做好，才能保证硬件的质量。6.软件设计软件设计是微型计算机控制系统设计的重要部分。（1）系统软件；（2）应用软件程序设计通常分下列五个步骤：

问题定义、程序设计、编码、调试、改进和再设计。7.系统联调在硬件和软件分部调试通过之后，就要进行系统联调。联调通常分两步进行，第一步在实验室模拟装置上进行，尽量创造条件使模拟装置接近于实际控制系统，证明整个控制系统的设计基本正确、合理，基本能达到预定的控制品质指标才转入第二步。第二步是工业生产现场进行工业试验。在工业试验中还要考虑安全、抗干扰等问题，进一步修改和完善控制程序、记录和测试各项性能指标的问题，直至控制系统能正式投产运行。微型计算机控制系统设计的过程是一个不断完善的过程。常常需要反复多次修改补充，才能得到一个理想的设计方案和调试出一个性能良好的控制系统。5.9计算机控制系统的可靠性计算机控制系统的可靠性通常是指计算机控制系统在规定条件下，在规定的时间内完成规定功能的能力。它与技术性能都是系统的两个最重要的方面，但在具体设计工作中，往往特别强调系统的技术性能而忽略了可靠性。这常常导致系统不能正常工作，造成经济损失，甚至危及人们的生命安全。可靠性只是个定性的概念。实际工作中，往往需要以量的形式具体表示可靠性的高低，如可靠度、维护率、失效率、平均故障间隔时间（MTBF)、平均维护时间(MTTR)、有效度等。提高可靠性有两个方面：一是尽量使系统在规定时间内少发生故障和错误；二是发生了故障能迅速检修和排除。为了提高计算机控制系统的可靠性，通常采用下述三种方法：①提高元器件和设备的可靠性。②采用抗干扰措施，提高系统对环境的适应能力。③采用可靠性技术。包括：冗余技术，故障诊断技术、自动检错、纠错技术，系统恢复技术，软件可靠性技术。一、系统方案设计时可靠性原则研制计算机控制系统时，首先要根据其性能指标和功能要求决定系统的结构形式，划分软、硬件的分工，确定电路具体形式。因此，系统的设计方案在很大程度上也就决定了系统的可靠性。在系统方案设计时应遵循如下原则；1．简化方案系统的可靠性是由系统中的各个元件的可靠性决定的。所以，只要能满足系统的性能和功能指标，就应尽可能地简化系统结构。2．避免片面追求高性能指标和过多的功能过高的性能指标、过多的功能势必导致系统复杂化，从而使用更多的元器件，从而降低了系统的可靠性。3.合理划分软硬件功能方案设计时，在考虑到CPU时间资源允许的前提下，能够方便地用软件完成的功能一定要用软件来完成。4．热设计许多元器件的失效与温度有密切的关系，所以热设计的正确与否是影响系统工作稳定性及可靠性的主要因素之一。对于电子电路，通常要考虑如何散热。(1)对功率器件要根据其散热面积的要求使用散热片；(2)合理安排元器件布局，功率发热器件应尽量安装于上部，并且应尽量远离其它部件；(3)可在保证防尘要求的条件下开设通风孔及设置功率器件散热风扇；(4)选择低功耗器件。5．电气互连的可靠性设计电气互连主要指元器件的引脚焊点、模块间的接插件、总线插件等。合理地设计系统模块、采用先进可靠的连接技术、选用质量可靠的连接器件是电气互连可靠性设计的要求。6．机械防震设计振动会对系统的元器件及整机结构造成机械性损坏，因此必须有机械防震设计，其重点在于系统接插件、系统模块和质量较大器件的固定。7．气候环境防护设计系统设计时，必须根据系统可能工作的环境进行环境防护设计。通常需要考虑的是温度、湿度、气压、雨、雪、盐雾、腐蚀性气体、沙尘及辐射等，以防系统暂时失效或加速系统的永久失效。二、提高元器件的可靠性这主要是计算机控制系统及元器件厂家的责任，属于先天性问题。对于系统设计人员，所能做的是事后的补救措施，包括认真选型、老化、筛选、考核等。三、冗余技术故障预防和故障容错是提高系统可靠性的两种基本方法。

故障预防是抑制故障的产生，即选择优质的元器件，采用严格的工艺和良好的设计方案，并提供一套较完善的故障诊断措施，以期减少故障的发生时间。

故障容错是利用冗余的元器件来屏蔽已发生的故障对系统的影响。一个高可靠性的系统应在这两方面同时考虑。冗余是在系统中增设额外的附加成分来保证控制系统的可靠性。常用的冗余系统，按其结构可分为并联系统、备用系统和表决系统三种。1．并联系统并联系统采用冗余原理是使若干同样装置并联运行。只要其中一个装置正常工作，系统就能维持其功能。对于有N个并联装置组成的系统来说，只有当N个装置全部失效时系统才不能工作。其逻辑结构图如下图所示。2．备用系统由n个单元组成的备用系统。图中A1，A2，…，An为工作单元，D1，D2，Dn为每个单元上的失效检测器，s为转换器。备用系统中，仅只一个单元在工作，其余个单元处于准备状态。一旦工作单元出现故障，失效检测器发出信号，通过转换器s投入一个备用单元，使整个系统继续运行。3.表决系统A1，A2，…，An为工作单元，M为表决器。每个单元的信息输入表决器中，与其余信号相比较，只有当有效的单元数超过失效的单元数时，才能作为输入正确的判断。上述系统中，一般并联和备用系统的可靠性优于单个设备，备用系统可靠程度高于并联系统。四、抗干扰技术

在影响系统可靠性的因素中，除系统自身的内在因素外，另一类则来自外界对系统的干扰，对这类干扰必须采取措施进行抑制。干扰源、传输途径及干扰对象是构成干扰的三个要素。而且，只有当这三个要素同时存在时，才会对系统造成干扰。抑制干扰，首先就要搞清楚这三个要素，然后从三个方面抑制干扰。即抑制干扰源的干扰信号；使干扰对象降低对干扰的敏感度；阻滞或切断干扰的传输途径。从外界干扰进入系统的途径，可把干扰分三类，见图5-26。图中Ⅰ类干扰是空间感应干扰，它以电磁感应形式进入系统的任何部件和线路。Ⅱ类干扰是通过对通道的感应、传输耦合、地线联系进入通道部分的干扰。Ⅲ类干扰是电网的冲击波通过变压器耦合系统进入电源系统而传到各个部分的。

此外干扰也可按耦合形式、干扰和信号的关系进行分类，见下表。干扰