1第10章

計算機控制系統的設計與實施

Designing&ImplementationofComputerControlSystems2計算機控制系統的設計，既是一個理論問題，又是一個工程問題。理論設計包括：建立被控對象的數學模型；確定滿足一定技術經濟指標的系統目標函數，尋求滿足該目標函數的控制規律；選擇適宜的計算方法和程序設計語言；進行系統功能的軟、硬件界面劃分，并對硬件提出具體要求。3計算機控制系統的設計，既是一個理論問題，又是一個工程問題。工程設計需要：要掌握生產過程的工藝要求；被控對象的動態和靜態特性；熟悉檢測、計算機、通信、自動控制、微電子等技術。4計算機控制系統設計原則與步驟計算機控制系統概要設計計算機控制系統詳細設計計算機控制系統調試與運行本章主要內容510.1計算機控制系統設計原則和步驟計算機控制系統設計原則計算機控制系統設計步驟610.1.1計算機控制系統設計原則共同的設計原則：（1）操作性能好，維護與維修方便（2）通用性好，便于擴展（3）可靠性高（4）實時性好，適應性強（5）經濟效益好7（1）操作性能好，維護與維修方便（用戶）操作性方面：使操作員易于掌握：考慮先進性、兼顧操作習慣；減低對操作員專業知識的要求：配備何種系統和環境；硬件操作盡量簡單：系統的控制開關盡量少、操作臺便于工作、采用圖示和中文、顏色和諧；增加操作的魯棒性：重要參數的保護。維修方面：硬件上：標準功能模板，安裝工作狀態指示燈和監測點軟件上：應配備檢測與診斷程序，設計容錯程序。10.1.1計算機控制系統設計原則8（2）通用性好，便于擴展10.1.1計算機控制系統設計原則硬件：標準化設計：采用積木式模塊化結構；盡可能采用通用系統總線結構；接口部件盡量采用標準通用的大規模集成電路芯片軟件：盡可能把接口硬件部分的操作功能用軟件來替代；系統的各項設計指標留有一定余量。如電源功率、內存容量、輸入輸出通道、中斷等也應留有一定的余量9（3）可靠性高-----------最重要的要求10.1.1計算機控制系統設計原則設計原則：考慮選用高性能的工控機擔任工程控制任務：保證系統的惡劣的工業環境下仍能長時間正常運行。安全保護措施；例如，異常報警、事故預測、故障診斷與處理、安全聯鎖、不間斷電源等。10（3）可靠性高-----------最重要的要求10.1.1計算機控制系統設計原則設計原則：采用雙機系統和多微機集散控制；雙機系統：備份工作方式或主從工作方式。多機集散控制系統：重要發展趨勢11（4）實時性好，適應性強10.1.1計算機控制系統設計原則實時性：定時事件：如定時采樣、運算處理、輸出控制量到被控對象等，由系統內部設置的時鐘保證定時處理；隨機事件：系統應設置中斷，根據故障的輕重緩急，預先分配中斷級別。適應性：電網波動溫度變化劇烈濕度影響機械振動粉塵、煙霧、腐蝕等12（5）經濟效益好10.1.1計算機控制系統設計原則性能價格比高，投入產出比盡可能低，回收周期盡可能短；多目標優化：提高產品質量與產量、降低能耗、減少污染、改善勞動條件等經濟、社會效益各方面進行綜合評估。設計要求：工程倫理；市場競爭意識；預見性。13基本設計步驟：（1）確定任務階段（2）工程設計階段（3）離線仿真和調試階段（4）在線調試和投運階段10.1.2計算機控制系統設計步驟14（1）確定任務階段10.1.2計算機控制系統設計步驟存在關系：甲方（買方）：任務的委托方，有時是用戶本身，有的是上級主管部門，還有可能是中介單位乙方（賣方）：系統工程的承接方15（1）確定任務階段10.1.2計算機控制系統設計步驟確定任務階段的一般流程：甲方提出任務委托書：明確指標、經費、計劃進度、合作方式等；乙方研究任務委托書：補充、刪節、討論、修改；雙方對任務委托書進行確認性修改；乙方初步進行系統總體方案設計：粗略設計、突出技術難點、解決辦法、經費概算、工期等；乙方方案可行性論證：技術、經費、進度可行性；可測、可控性；簽訂合同書。16（2）工程設計階段10.1.2計算機控制系統設計步驟組建項目研制小組：確定項目成員、明確分工、合作關系；系統總體方案設計：形成硬件和軟件的框圖，并建立說明文檔，包括控制策略和控制算法的確定等；方案論證與評審；邀請有關專家、主管領導及甲方代表參加，對系統設計方案的把關和最終裁定；17（2）工程設計階段10.1.2計算機控制系統設計步驟硬件和軟件的細化設計：硬件上，選購模板以及設計制作專用模板；軟件上，將一個個功能模塊編成一條條的程序；硬件和軟件的調試：硬件、軟件的設計中都需要邊設計邊調試邊修改；系統組裝。18（3）離線仿真和調試階段10.1.2計算機控制系統設計步驟在實驗室而不在工業現場進行的仿真和調試；烤機運行：烤機的目的是在連續不停機運行中暴露問題和解決問題。（4）在線仿真和調試階段將系統和生產過程連接在一起，進行現場調試和運行；解決現場調試和運行出現的問題；驗收：甲方主持，乙方參加。形成存檔文件。1910.2計算機控制系統概要設計硬件概要設計軟件概要設計系統總體整合2010.2.1硬件概要設計(“黑箱”設計)硬件總體方案設計（畫框圖）（1）確定系統的結構和類型：

開環/閉環？DDC/SCC/DCS？（2）確定系統的構成方式：

工控機/PLC/單片機？明確系統的控制目標和應用場景；分析所需的控制精度、實時性、擴展性等功能需求；選擇更適合使用的設備來確定采用的系統類型。2110.2.1硬件概要設計(“黑箱”設計)硬件總體方案設計（畫框圖）（3）現場設備選擇：

傳感器、變送器、執行器？設備種類和數量。深入分析對象目標，選擇相應的傳感、執行器；設備性能參數和可靠性；考慮設備的兼容性和可擴展性。良好的通信接口和協議支持；考慮成本因素。2210.2.1硬件概要設計(“黑箱”設計)硬件總體方案設計（畫框圖）（4）其他方面的考慮人機聯系方式；系統機柜或機箱的結構布局與安裝設計；散熱；防塵；防水；防腐蝕等設計；抗干擾等。2310.2.2軟件概要設計(“黑箱”設計)設計目標（畫框圖）明確項目目標規劃系統結構確定技術選擇識別風險為團隊提供共同的視角，確保項目在后續開發階段按計劃進行2410.2.2軟件概要設計(“黑箱”設計)主要內容1）項目背景目的：總體項目需求和目標及受環境、技術的局限；2）系統結構：配以系統結構圖、系統流程圖、數據流程圖等；3）接口設計：各種接口及實現接口功能的各種資源；4）模塊設計：需要用到的模塊，模塊所處的物理、邏輯位置等2510.2.2軟件概要設計(“黑箱”設計)主要內容5）數據結構：邏輯結構、物理結構等；6）出錯處理策略：出錯信息及處理；7）監控設計：用戶界面信息功能分析；8）安全設計：2610.2.3系統總體整合總體方案硬件總體方案、軟件總體方案合在一起構成系統的總體方案系統總體文件包括：1）系統的主要功能、技術指標、原理性框圖及文字說明。2）控制策略和控制算法，例如PID控制、Smith補償控制、最少拍控制、串級控制、前饋控制、解耦控制、模糊控制、最優控制等。3）系統的硬件結構及配置，主要的軟件功能、結構及框圖。2710.2.3系統總體整合系統總體文件包括：4）方案比較和選擇。5）保證性能指標要求的技術措施。6）抗干擾和可靠性設計。7）機柜或機箱的設計。8）經費和進度計劃的安排。2810.3計算機控制系統詳細設計硬件詳細設計軟件詳細設計2910.3.1硬件詳細設計1.選擇系統的總線和主機機型（1）選擇系統總線--內部總線常用：PCI/PCIe、PC104/PC104Plus、CompactPCI、VME和PXI總線等需求；PCI/PCIe：通用總線，支持多種設備和模塊，高性能，高擴展性；PC104/PC104Plus：專門為嵌入式控制而定義，小尺寸、堆棧式連接；以總線型工業控制計算機設計為例3010.3.1硬件詳細設計1.選擇系統的總線和主機機型（1）選擇系統總線--內部總線；CompactPCI：基于PCI的工業標準，高密度模塊設計，節省空間；PXI總線：專門為測量測試領域設計的模塊化儀器總線。（1）選擇系統總線—外部總線IEEE-488、RS-232-C、RS422、RS-485、FieldBus、工業以太網以總線型工業控制計算機設計為例3110.3.1硬件詳細設計1.選擇系統的總線和主機機型（2）選擇主機機型（因CPU不同而不同）以PC總線工業控制機為例CPU：英特爾Corei3/i5/i7系列、至強Xeon系列、IntelAtomE3800系列、AMDRyzen、EPYC系列等；主機機型：研華科技的AdvantechIPC-610、UNO-3000、研祥智能EVOCIPC-810/EBC-7100、西門子SiemensSIMATICIPC547G/IPC427D等。以總線型工業控制計算機設計為例3210.3.1硬件詳細設計2.選擇輸入/輸出通道模版（1）數字量（開關量）輸入/輸出（DI/DO）模板TTL電平的DI/DO和工控機共地裝置的接口大容量的TTL電平DI/DO板帶光電隔離的DI/DO：安排在工業控制機總線之外的非總線模板上，如繼電器板（包括固態繼電器板）等以總線型工業控制計算機設計為例3310.3.1硬件詳細設計2.選擇輸入/輸出通道模版（2）模擬量輸入/輸出（AI/AO）模板AI模板輸入0～±5V、1～5V、0～10mA、4～20mA以及熱電偶、熱電阻和各種變送器的信號AO模板輸出0～5V、1～5V、0～10mA、4～20mA等選擇AI/AO模板時必須注意分辨率、轉換速度、量程范圍等指標以總線型工業控制計算機設計為例2025/4/17計算機控制技術34研華PCI-1710數據采集卡研華PCI-1720模擬量輸出卡研華PCI-1730采集32通道隔離數字輸入輸出板卡研華PCI-1203-06AE運動控制卡3510.3.1硬件詳細設計3.選擇變送器和執行機構（1）變送器將各種被測變量（溫度、壓力、液位、流量、電壓、電流等）精準地轉換為可遠程傳輸的統一標準信號，通常為4～20mA電流信號DDZ-III型：4～20mA、24V直流供電電源、二線制DDZ-S型：智能化處理（處理、轉換、調節）、RS-485接口、數字化接口、現場總線以總線型工業控制計算機設計為例3610.3.1硬件詳細設計3.選擇變送器和執行機構（2）執行機構作用：接收控制信息，轉換為動作類型：氣動：結構簡單、價格低、防火防爆電動：體積小、種類多、使用方便液壓：推力大、精度高開關動作：有觸點/無觸點開關、電磁閥以總線型工業控制計算機設計為例2025/4/17計算機控制技術373810.3.2軟件詳細設計特點：配備：實時操作系統、實時監控程序、控制/運算軟件、組態軟件；配備的模塊（系統組態）控制算法模塊（如PID）；運算模塊：（四則運算、開方、最大值/最小值選擇、一階慣性、超前滯后、工程量變換、上下限報警等；計數/計時模塊；邏輯運算模塊；輸入/輸出模塊；打印/顯示模塊。工業控制計算機3910.3.2軟件詳細設計有些工業控制機的應用軟件需自行開發單片機：系統的全部硬件、軟件均需自行開發研制自行開發控制軟件的流程：畫程序總體流程圖、各功能模塊流程圖選擇程序設計語言編制程序工業控制計算機4010.3.2軟件詳細設計自行開發控制軟件時，具體程序設計內容：1.數據類型和數據結構規劃確定系統各模塊的因果關系數據采集模塊、數據處理模塊、數據顯示模塊、打印模塊確定每個模塊要用到的參數，為其規劃數據類型和數據結構數據類型：邏輯型（軟件標志）、數值型（定點數/浮點數）數據結構（線性表、棧、隊列、串、數組、樹、圖等）4110.3.2軟件詳細設計自行開發控制軟件時，具體程序設計內容：2.資源分配（如采用單片機結構的硬件系統）ROM資源：存放程序代碼和常量數據定時器/計數器：用于計時、定時和事件計數等功能中斷源：響應外部或內部事件，確保及時性和優先級合理性I/O地址：確保每個外設都有唯一的地址RAM：存儲系統運行時的數據和變量，列出資源分配清單4210.3.2軟件詳細設計自行開發控制軟件時，具體程序設計內容：3.實時控制軟件設計（1）數據采集及數據處理程序數據采集（采樣、輸入、存儲等）：DC0～5V作為A/D模板的輸入數據處理（數字濾波、線性化處理和非線性補償、標度變換、越限報警程序等）（2）控制算法程序控制規律：數字PID控制算法、Smith補償控制算法、最少拍控制算法、串級控制算法、前饋控制算法、解耦控制算法、模糊控制算法、最優控制算法等4310.3.2軟件詳細設計自行開發控制軟件時，具體程序設計內容：3.實時控制軟件設計（3）控制量輸出程序控制量的處理：上下限和變化率處理控制量的變換及輸出：模擬量（DC0～10mA或DC4～20mA）、數字量（4）實時時鐘和中斷處理程序時鐘：絕對時鐘（年/月/日/時/分/秒）、相對時鐘（時/分/秒/0.1s/ms）定時中斷程序：（周期性任務/臨時性任務、啟動時刻表/撤銷時刻表）4410.3.2軟件詳細設計自行開發控制軟件時，具體程序設計內容：3.實時控制軟件設計（5）數據管理程序：用于生產管理（畫面顯示、變化趨勢分析、報警記錄、報表打?。?）數據通信程序：該功能主要在DCS、分級計算機控制系統、工業網絡等系統中實現2025/4/17計算機控制技術45規劃需求分析系統設計

程序編制

調試

運行維護

軟件生存期數據庫生存期運行和維護

實現

物理設計邏輯設計概念設計需求分析規劃4610.4計算機控制系統調試與運行離線仿真和調試在線調試和運行4710.4.1離線仿真和調試1.硬件調試標準功能模板：RAM、ROM等讀寫功能、復位、時鐘等正確性；A/D和D/A模板：零點、滿量程、分檔、線性度檢查；DI和DO模板：讀入、輸出狀態的正確性；現場儀表和執行機構：安裝前的校