第7章控制系统设计与工程实现 本章要点 1.学习计算机控制系统的设计原则 2.初步掌握计算机控制系统的设计步骤. 3.学习实例加深认识与初步掌握单片机、IPc和 PLc控制系统的设计思路
1 第7章 控制系统设计与工程实现 本章要点 1．学习计算机控制系统的设计原则. 2．初步掌握计算机控制系统的设计步骤. 3．学习实例,加深认识与初步掌握单片机、IPC和 PLC控制系统的设计思路
7.0引言 7.1控制系统的设计原则 7.2控制工程的实现步骤 721准备阶段 72.2设计阶段 72.3仿真及调试阶段 7.3控制工程的应用实例 7.3.1水槽水位单片机控制系统 73.2循环水装置IPC系统 73.3中水回用Pc控制系统 73.4火电厂DCS控制系统
2 7.0 引言 7.1 控制系统的设计原则 7.2 控制工程的实现步骤 7.2.1 准备阶段 7.2.2 设计阶段 7.2.3 仿真及调试阶段 7.3 控制工程的应用实例 7.3.1 水槽水位单片机控制系统 7.3.2 循环水装置IPC系统 7.3.3 中水回用PLC控制系统 7.3.4 火电厂DCS控制系统
7.0引言 前面讨论了计算机控制系统各部分的结构 组成、工作原理、硬件和软件技术、控制规 律算法以及典型的控制装置类型,这就为计 算机控制系统的设计与工程实现奠定了基础 由于控制对象多种多样要求控制系统达到 的功能也眢不相同这使得计算机控制系统 的构成方式和规模大小也具有多样性
3 7.0 引言 前面讨论了计算机控制系统各部分的结构 组成、工作原理、硬件和软件技术、控制规 律算法以及典型的控制装置类型,这就为计 算机控制系统的设计与工程实现奠定了基础. 由于控制对象多种多样,要求控制系统达到 的功能也各不相同,这使得计算机控制系统 的构成方式和规模大小也具有多样性
71控制系统的设计原则 对于不同的控制对象系统的设计方案和具 体的技术指标是不同的但控制系统的设计原 则是相同的这就是满足工艺要求可靠性高操 作性能好实时性强通用性好经济效益高
4 7.1 控制系统的设计原则 对于不同的控制对象,系统的设计方案和具 体的技术指标是不同的,但控制系统的设计原 则是相同的.这就是满足工艺要求,可靠性高,操 作性能好,实时性强,通用性好,经济效益高
(1)满足工艺要求 在设计计算机控制系统时首先应满足生产 过程所提出的各种要求及性能指标因为计算 机控制系统是为生产过程自动化服务的因此 设计之前必须对工艺过程有一定的熟悉和了 解系统设计人员应该和工艺人员密切结合才 能设计出符合生产工艺要求和性能指标的控 制系统设计的控制系统所达到的性能指标不 应低于生产工艺要求但片面追求过高的性能 指标而忽视设计成本和实现上的可能性也是 不可取的
5 (1)满足工艺要求 在设计计算机控制系统时,首先应满足生产 过程所提出的各种要求及性能指标.因为计算 机控制系统是为生产过程自动化服务的,因此 设计之前必须对工艺过程有一定的熟悉和了 解,系统设计人员应该和工艺人员密切结合,才 能设计出符合生产工艺要求和性能指标的控 制系统.设计的控制系统所达到的性能指标不 应低于生产工艺要求,但片面追求过高的性能 指标而忽视设计成本和实现上的可能性也是 不可取的
(2)可靠性要高 对工业控制的计算机系统最基本的要求是可靠性 意望包晶量骨囊酚楚时公美 是趕委红是程的匙柒壳樣忠幸罰 的设备存在的 规定的条件下和规定的时 性指标“般用系线的药是 修时悄MTTR来表示MTBF反映了系统可靠工作的 力MTTR表示系统出现故障后立即恢复工作 力,般希望MTBF要大于某个规定值而 开 短越好
6 (2)可靠性要高 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
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 案并具舒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热备 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
7 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,成为双机热备 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
(3)操作性要好 操作性能好包括兩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
8 (3)操作性要好 操作性能好包括两个含义,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
(4)实时性要强 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, 旦事故发生保证优先处理紧急故障
9 (4)实时性要强 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
5)通用性要好 工业接制的戏象干差万乳而计算机控制系统的研制发又需要有 留程自替士害 地成统设说备和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游充就可适 计算机控制系统的通用灵活性体现在两方面 功能檬晨饼被毁薑荏鬻噩野加蹈中飄絹 实现即便当CPU 路即可实现系统 算然在装得豁推关道 定的余量如输入辅出通道指标、内存容量、电源功率等 是按垂绿锋明 准模垫续构尽不进行二次开主要 模块灵活地进行拴制系统的组
10 (5)通用性要好 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