1、精選優質文檔-傾情為你奉上計算機測控系統的設計與實現1 計算機測控系統的發展歷程及其定義 在現代工業控制領域，計算機以其無以倫比的運算能力，數據處理分析能力，在測控系統中起到了很大了作用，測控系統的發展經歷了五個階段：1.1 測控系統的發展在20世紀50年代，測控系統處于自動測量、人工控制階段，整個系統結構簡單，操作靈活，但由人工操作，速度受到了限制，不能同時控制多個對象。 在20世紀60年代，采用電動單元組合式儀表測控系統，測控系統處于模擬式控制階段，系統的控制精度和速度都有了提高，但抗干擾的能力比較差，且對操作人員的經驗要求比較高。 直到20世紀70年代到20世紀80年代，出現的計算機集中

2、測控系統以及分布式測控系統，才使得人類在控制領域實現了一次巨大的飛躍。1.2 計算機測控系統的發展首先，在60年代末期，出現了用一臺計算機代替多個調節控制回路的測控系統，就是直接數字測控系統，它的特點是控制集中，便于運算的集中處理，然而這種系統的危險性過于集中，可靠性不強。隨著70年代，電子技術的飛速發展，由美國Honeywell公司推出了以微處理器為基礎的總體分散型測控系統，它的含義是集中管理，分散控制，所以又稱為集散測控系統。分布式測控系統是在集散測控系統的基礎上，隨著生產發展的需要而產生的新一代測控系統，分布式測控系統更強調各子系統之間的協作，有明確的分解策略和算法。因此，計算機測控系統

3、就是應用計算機參與控制并借助一些輔助部件與被控對象聯系，以達到一定控制目的所構成的系統2 計算機測控系統的組成圖1 測控系統的組成計算機測控系統的組成如圖1所示，包括計算機主控器、測量設備、執行機構、人機界面或通訊模塊所組成。2.1 測量設備測量設備的主要作用就是向計算機主控器輸入數據。一般來說，是利用傳感裝置將被控對象中的物理參數，如：溫度、壓力、液位、速度。轉換為電量，如電壓，電流，再將這些電量送人到輸入裝置中，轉換為計算機可以識別的數字量，2.2 執行機構執行機構（例如：調節閥、電動機）接收主控器的控制信號，輸出動作，完成控制目的。2.3 人機界面計算機系統人機界面是系統和用戶進行交互和

4、信息交換的媒介，它實現信息內部形式與人類可接受形式之間的轉換。人機界面一般而言分為基于窗體的界面和基于web的界面，基于窗體的界面它的基本特點是對動作的反應十分靈敏，能夠及時響應，它是由內部的CPU處理數據。而基于web的界面是一個輕量型的界面，它是由遠程服務器處理數據。2.4 通訊模塊通訊模塊就是通過網絡，遠程通信。它是計算機主控器與通訊網絡之間的連接器，它可以為計算機主控器傳遞不同的訊號。總而言之，一個測控系統，核心是主控器，必須有輸入輸出，一般而言還有人機界面或通訊模塊，目的在于數據收集，參數控制。3 主控器3.1 主控器的結構圖2 主控器的組成3.2 主控單元主控單元一般而言，它由CP

5、U（中央處理器）、外圍芯片組成。CPU是控制和運算的的核心，CPU的運作原理可分為四個階段：提取（Feich）、解碼（Decode）執行（Execute）和寫回（Writeback）。CPU從存儲器或高速緩沖存儲器中取出指令，放入指令寄存器，并對指令譯碼，執行指令。外圍芯片就是許多專門功能的集成電路，配合CPU構成整個主控系統，如：復位（看門狗電路）、定時器、各類總線控制器等。3.3 數據的分類從信號類型上分，分為開關量（D）和模擬量（A）。從方向上分，分為輸入（I）和輸出（O），因此DI就是開關量輸入，AI就是模擬量輸入，DO就是開關量輸出，AO是模擬量輸出，開關量只有0和1兩種狀態，而模擬

6、量是連續的信號。3.4 DI 凡在電路中起到“通”和“斷”作用的各種按鈕、觸點、開關、繼電器，它的端子引出數字信號，向控制器輸入信號。此外，需同為數字信號，也需將外部的數字信號，轉換為計算機接受的數字信號。3.5 DO DO的主要任務是將計算機發出的微弱的數字信號，轉換為能驅動執行機構的數字信號，根據現場執行機構的負荷不同如：指示燈、繼電器、閥門等，選用不同的功率放大器件，常用的有三極管、晶閘管。典型的數字輸出驅動過程如下圖所示：圖3 數字輸出驅動過程3.6 AI 模擬輸入通道，是把外部的模擬信號送入到計算機，由于計算機只能處理數字信號，所以必須用A/D轉換器進行信號的轉換。變送器的作用就是：

7、.圖4 變送器作用示意圖3.7 AO 模擬輸出模塊通過D/A轉換把控制系統的數字信號轉換為模擬信號，并通過運算放大器把信號放大，AO就可以直接輸出具體的電壓（1-5V或2-10V）或電流信號（4-20mA）作用于執行機構(變頻器或調節閥)。4 系統設計 下面以控制溫度為例，設計一個計算機溫度測控系統。4.1 溫度控制原理框圖 整個系統通過測量設備把現場環境的溫度與給定的期望溫度做比較，得到的偏差信號送人控制器，使控制器產生控制作用，發出控制信號，控制執行機構，使執行機構工作，再把輸出溫度反饋回控制系統，使系統的輸出溫度始終和給定的溫度保持一致。溫度控制的原理框圖如圖5所示：圖5 系統的控制原理

8、結構框圖4.2 系統的設計思路整個系統的設計思路是，以電熱器和固態繼電器作為加熱的執行機構，溫度變送器為測量設備。，控制器可選用數字溫控器，溫控器直接控制的是固態繼電器，利用固態繼電器的導通和關斷來使電熱器加熱或不加熱，進而控制溫度。在溫控器上設置通訊網絡接口實現與計算機遠程通信，設置LED數顯和功能按鈕實現人機交互。在計算機上對整個系統進行監控。系統硬件結構如圖：圖6 系統硬件結構圖4.3 系統測點配置4.3.1 開關量輸入信號（DI） 電熱器工作狀態，溫度變送器狀態（上電、運行、故障），SSR導通、關斷狀態，溫控器狀態（上電、報警、運行、故障）4.3.2 開關量輸出信號（DO） 電熱器開，

9、電熱器關，導通SSR，關斷SSR。4.3.3 模擬量輸入信號（AI） 溫度測點：溫度變送器檢測溫度 電流測點：溫度變送器輸出電流4.3.4 模擬量輸出信號（AO） 電熱器輸出溫度5 系統功能5.1 記錄參數系統可檢測溫控器的開或關狀態、是否處于報警狀態，SSR導通、關斷，電熱器的“啟”“停”，“啟動”“停止”溫控器信號狀態，溫控器中控制單路SSR的輸出電壓，變送器傳送的電流大小，現場溫度等主要參數。5.2 實時控制操作人員可以在遠離現場的情況下，對所有設備進行啟停，以及運行參數的優化。在整個系統中，當溫控器測得現場的溫度小于設定值時，溫控器就可以立即導通SSR使電熱器工作，反之，則關斷SSR使

10、電熱器不工作，以此來達到溫度控制的目的，計算機在宏觀上對整個系統進行管理與控制。達到了管控一體化的目標。5.3 安全管理系統設置了報警功能，為安全運行加了一道護欄。5.4 運行管理 對交接班、巡檢進行記錄管理，保證整個系統正常運行。5.5 設備管理 保證安全優質的功能，為設備提供保障。根據檢測的設備運行狀況，主動預防故障發生。提高設備利用率充分發揮效能。集中監控，少人值守或無人值守。并進行維修成本核算5.6成本核算 根據參數記錄，在一個運行周期結束，核算單位成本。6 主要設備選型介紹溫控器選用AI708溫度控制器：通用的100V240VAC輸入電源，24VDC直流輸出電壓，最小控制周期達0.2

11、4秒，能適應快速變化的對象的控制精度。采用先進的PID調節算法，無超調。使用14位分辨率，0.2%高精度電流輸出模塊。圖7 AI數字溫度控制器固態繼電器選用G3PE（單相）：額定電壓DC1224V，使用電壓范圍DC9.630V，輸入電流7mA以下，動作電壓DC9.6V以下，復位電壓DC1V以上。重量約240克。圖8 G3PE（單相）固態繼電器溫度變送器選用重慶川儀SBWZ系列溫度變送器：量程-30120，具有高精度冷端補償電路，全溫度范圍絕對誤差0.5。 圖9 重慶川儀SBWZ溫度變送器7 系統優點目前設計的計算機溫度測控系統采用的是三級結構，第一級是過程控制，第二級是監督控制，第三級是管理，

12、突出特點是網絡結構簡單，可靠性高，通訊速度快，擴展靈活，接口開放，控制功能增強，管理功能豐富，適應了管理與控制一體化的要求。 8 系統擴展用計算機實時監控整個系統的運行狀態，采用多個溫控器控制多個控制回路，這樣就能很容易地進行擴展，且可以達到實際工業控制的目標。系統擴展如圖所示：圖10 系統擴展圖 9 總結綜上所述，計算機測控系統就是通過測量設備將外界的各種信號（如溫度、壓力、液位、流量等）轉換為標準的電信號（420mA或15V）進入計算機主控器的輸入通道到CPU中與設定值進行比較來得到偏差，使主控器發出控制作用，推動執行機構來修補偏差，從而使被控量始終與設定值保持一致達到控制效果。本文選用溫

13、度變送器作為測量設備、AI708溫控器為現場主控器、固態繼電器和電熱器作執行機構、被控量是溫度，另外用一臺PC機作為監控機。PC機與溫控器通過通訊模塊實現數據傳遞，因此組態十分靈活。但是，很多實際的系統都是高階、非線性、強耦合、多變量的系統，這樣就使得控制的難度大大增加。被控量在擾動和負荷變化的情況下，控制系統不可避免地會出現超調、振蕩時間和穩態誤差，如何有效地克服這些不利因素也是控制系統品質好壞的標準。附錄溫控器端子接線 溫控器的端子接線圖如下圖所示：圖11 溫控器的端子接線圖 1、2端外接100V240V的交流電源，為整個溫度測控器提供電力驅動。3、4端接外部的變送器給其供電（也可以安裝通

14、訊接口實現與計算機的遠程通信），變送器反饋回來的420mA信號由14、16端接入（也能接受開關量輸入），如圖：圖12 變送器與溫控器接線圖 變送器的信號也可以通過17、18端外接250歐的電阻得到電壓信號反饋回溫控器，其接線圖如下圖所示：圖13 17、18端外接電阻接法 如圖，當在17、18端之間接上250的電阻時，420mA電流經過時會產生一個壓降，而這個壓降正好大約15V，從而實現了把信號從17、18端輸入的目標。 11、13端可以輸出控制單路SSR的電壓（也可以作為測量值的變送輸出），在系統中由于有觸點的繼電器過于頻繁的機械振動，對其的使用壽命有影響，使用SSR可以在一定程度上達到免設備維護的需要。11、13端的接線圖如下圖所示：圖14 11、13端接SSR接線圖 在通訊插座上安裝的是RS232串行通訊接口，實現與計算機的通信，8端接TXD針腳（串口數據輸出），9端接RXD針