1第10章

計算機控制系統(tǒng)的設(shè)計與實施

Designing&ImplementationofComputerControlSystems2計算機控制系統(tǒng)的設(shè)計，既是一個理論問題，又是一個工程問題。理論設(shè)計包括：建立被控對象的數(shù)學(xué)模型；確定滿足一定技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)的系統(tǒng)目標(biāo)函數(shù)，尋求滿足該目標(biāo)函數(shù)的控制規(guī)律；選擇適宜的計算方法和程序設(shè)計語言；進行系統(tǒng)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(tǒng)的設(shè)計，既是一個理論問題，又是一個工程問題。工程設(shè)計需要：要掌握生產(chǎn)過程的工藝要求；被控對象的動態(tài)和靜態(tài)特性；熟悉檢測、計算機、通信、自動控制、微電子等技術(shù)。4計算機控制系統(tǒng)設(shè)計原則與步驟計算機控制系統(tǒng)概要設(shè)計計算機控制系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計計算機控制系統(tǒng)調(diào)試與運行本章主要內(nèi)容510.1計算機控制系統(tǒng)設(shè)計原則和步驟計算機控制系統(tǒng)設(shè)計原則計算機控制系統(tǒng)設(shè)計步驟610.1.1計算機控制系統(tǒng)設(shè)計原則共同的設(shè)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(yīng)性強（5）經(jīng)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(xí)慣；減低對操作員專業(yè)知識的要求：配備何種系統(tǒng)和環(huán)境；硬件操作盡量簡單：系統(tǒng)的控制開關(guān)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(shù)的保護。維修方面：硬件上：標(biāo)準(zhǔn)功能模板，安裝工作狀態(tài)指示燈和監(jiān)測點軟件上：應(yīng)配備檢測與診斷程序，設(shè)計容錯程序。10.1.1計算機控制系統(tǒng)設(shè)計原則8（2）通用性好，便于擴展10.1.1計算機控制系統(tǒng)設(shè)計原則硬件：標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計：采用積木式模塊化結(jié)構(gòu)；盡可能采用通用系統(tǒng)總線結(jié)構(gòu)；接口部件盡量采用標(biāo)準(zhǔn)通用的大規(guī)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(tǒng)的各項設(shè)計指標(biāo)留有一定余量。如電源功率、內(nèi)存容量、輸入輸出通道、中斷等也應(yīng)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(tǒng)設(shè)計原則設(shè)計原則：考慮選用高性能的工控機擔(dān)任工程控制任務(wù)：保證系統(tǒng)的惡劣的工業(yè)環(huán)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(yù)測、故障診斷與處理、安全聯(lián)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(tǒng)設(shè)計原則設(shè)計原則：采用雙機系統(tǒng)和多微機集散控制；雙機系統(tǒng)：備份工作方式或主從工作方式。多機集散控制系統(tǒng)：重要發(fā)展趨勢11（4）實時性好，適應(yīng)性強10.1.1計算機控制系統(tǒng)設(shè)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(tǒng)內(nèi)部設(shè)置的時鐘保證定時處理；隨機事件：系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置中斷，根據(jù)故障的輕重緩急，預(yù)先分配中斷級別。適應(yīng)性：電網(wǎng)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(jīng)濟效益好10.1.1計算機控制系統(tǒng)設(shè)計原則性能價格比高，投入產(chǎn)出比盡可能低，回收周期盡可能短；多目標(biāo)優(yōu)化：提高產(chǎn)品質(zhì)量與產(chǎn)量、降低能耗、減少污染、改善勞動條件等經(jīng)濟、社會效益各方面進行綜合評估。設(shè)計要求：工程倫理；市場競爭意識；預(yù)見性。13基本設(shè)計步驟：（1）確定任務(wù)階段（2）工程設(shè)計階段（3）離線仿真和調(diào)試階段（4）在線調(diào)試和投運階段10.1.2計算機控制系統(tǒng)設(shè)計步驟14（1）確定任務(wù)階段10.1.2計算機控制系統(tǒng)設(shè)計步驟存在關(guān)系：甲方（買方）：任務(wù)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(tǒng)工程的承接方15（1）確定任務(wù)階段10.1.2計算機控制系統(tǒng)設(shè)計步驟確定任務(wù)階段的一般流程：甲方提出任務(wù)委托書：明確指標(biāo)、經(jīng)費、計劃進度、合作方式等；乙方研究任務(wù)委托書：補充、刪節(jié)、討論、修改；雙方對任務(wù)委托書進行確認(rèn)性修改；乙方初步進行系統(tǒng)總體方案設(shè)計：粗略設(shè)計、突出技術(shù)難點、解決辦法、經(jīng)費概算、工期等；乙方方案可行性論證：技術(shù)、經(jīng)費、進度可行性；可測、可控性；簽訂合同書。16（2）工程設(shè)計階段10.1.2計算機控制系統(tǒng)設(shè)計步驟組建項目研制小組：確定項目成員、明確分工、合作關(guān)系；系統(tǒng)總體方案設(shè)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(guān)專家、主管領(lǐng)導(dǎo)及甲方代表參加，對系統(tǒng)設(shè)計方案的把關(guān)和最終裁定；17（2）工程設(shè)計階段10.1.2計算機控制系統(tǒng)設(shè)計步驟硬件和軟件的細(xì)化設(shè)計：硬件上，選購模板以及設(shè)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(diào)試：硬件、軟件的設(shè)計中都需要邊設(shè)計邊調(diào)試邊修改；系統(tǒng)組裝。18（3）離線仿真和調(diào)試階段10.1.2計算機控制系統(tǒng)設(shè)計步驟在實驗室而不在工業(yè)現(xiàn)場進行的仿真和調(diào)試；烤機運行：烤機的目的是在連續(xù)不停機運行中暴露問題和解決問題。（4）在線仿真和調(diào)試階段將系統(tǒng)和生產(chǎn)過程連接在一起，進行現(xiàn)場調(diào)試和運行；解決現(xiàn)場調(diào)試和運行出現(xiàn)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(tǒng)概要設(shè)計硬件概要設(shè)計軟件概要設(shè)計系統(tǒng)總體整合2010.2.1硬件概要設(shè)計(“黑箱”設(shè)計)硬件總體方案設(shè)計（畫框圖）（1）確定系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和類型：

開環(huán)/閉環(huán)？DDC/SCC/DCS？（2）確定系統(tǒng)的構(gòu)成方式：

工控機/PLC/單片機？明確系統(tǒng)的控制目標(biāo)和應(yīng)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(shè)備來確定采用的系統(tǒng)類型。2110.2.1硬件概要設(shè)計(“黑箱”設(shè)計)硬件總體方案設(shè)計（畫框圖）（3）現(xiàn)場設(shè)備選擇：

傳感器、變送器、執(zhí)行器？設(shè)備種類和數(shù)量。深入分析對象目標(biāo)，選擇相應(yīng)的傳感、執(zhí)行器；設(shè)備性能參數(shù)和可靠性；考慮設(shè)備的兼容性和可擴展性。良好的通信接口和協(xié)議支持；考慮成本因素。2210.2.1硬件概要設(shè)計(“黑箱”設(shè)計)硬件總體方案設(shè)計（畫框圖）（4）其他方面的考慮人機聯(lián)系方式；系統(tǒng)機柜或機箱的結(jié)構(gòu)布局與安裝設(shè)計；散熱；防塵；防水；防腐蝕等設(shè)計；抗干擾等。2310.2.2軟件概要設(shè)計(“黑箱”設(shè)計)設(shè)計目標(biāo)（畫框圖）明確項目目標(biāo)規(guī)劃系統(tǒng)結(jié)構(gòu)確定技術(shù)選擇識別風(fēng)險為團隊提供共同的視角，確保項目在后續(xù)開發(fā)階段按計劃進行2410.2.2軟件概要設(shè)計(“黑箱”設(shè)計)主要內(nèi)容1）項目背景目的：總體項目需求和目標(biāo)及受環(huán)境、技術(shù)的局限；2）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：配以系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖、系統(tǒng)流程圖、數(shù)據(jù)流程圖等；3）接口設(shè)計：各種接口及實現(xiàn)接口功能的各種資源；4）模塊設(shè)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(shè)計(“黑箱”設(shè)計)主要內(nèi)容5）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：邏輯結(jié)構(gòu)、物理結(jié)構(gòu)等；6）出錯處理策略：出錯信息及處理；7）監(jiān)控設(shè)計：用戶界面信息功能分析；8）安全設(shè)計：2610.2.3系統(tǒng)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(gòu)成系統(tǒng)的總體方案系統(tǒng)總體文件包括：1）系統(tǒng)的主要功能、技術(shù)指標(biāo)、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(yōu)控制等。3）系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)及配置，主要的軟件功能、結(jié)構(gòu)及框圖。2710.2.3系統(tǒng)總體整合系統(tǒng)總體文件包括：4）方案比較和選擇。5）保證性能指標(biāo)要求的技術(shù)措施。6）抗干擾和可靠性設(shè)計。7）機柜或機箱的設(shè)計。8）經(jīng)費和進度計劃的安排。2810.3計算機控制系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計硬件詳細(xì)設(shè)計軟件詳細(xì)設(shè)計2910.3.1硬件詳細(xì)設(shè)計1.選擇系統(tǒng)的總線和主機機型（1）選擇系統(tǒng)總線--內(nèi)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(shè)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(yè)控制計算機設(shè)計為例3010.3.1硬件詳細(xì)設(shè)計1.選擇系統(tǒng)的總線和主機機型（1）選擇系統(tǒng)總線--內(nèi)部總線；CompactPCI：基于PCI的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，高密度模塊設(shè)計，節(jié)省空間；PXI總線：專門為測量測試領(lǐng)域設(shè)計的模塊化儀器總線。（1）選擇系統(tǒng)總線—外部總線IEEE-488、RS-232-C、RS422、RS-485、FieldBus、工業(yè)以太網(wǎng)以總線型工業(yè)控制計算機設(shè)計為例3110.3.1硬件詳細(xì)設(shè)計1.選擇系統(tǒng)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(yè)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(yè)控制計算機設(shè)計為例3210.3.1硬件詳細(xì)設(shè)計2.選擇輸入/輸出通道模版（1）數(shù)字量（開關(guān)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(yè)控制機總線之外的非總線模板上，如繼電器板（包括固態(tài)繼電器板）等以總線型工業(yè)控制計算機設(shè)計為例3310.3.1硬件詳細(xì)設(shè)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(zhuǎn)換速度、量程范圍等指標(biāo)以總線型工業(yè)控制計算機設(shè)計為例2025/4/17計算機控制技術(shù)34研華PCI-1710數(shù)據(jù)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(shù)字輸入輸出板卡研華PCI-1203-06AE運動控制卡3510.3.1硬件詳細(xì)設(shè)計3.選擇變送器和執(zhí)行機構(gòu)（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(zhǔn)地轉(zhuǎn)換為可遠(yuǎn)程傳輸?shù)慕y(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)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(zhuǎn)換、調(diào)節(jié)）、RS-485接口、數(shù)字化接口、現(xiàn)場總線以總線型工業(yè)控制計算機設(shè)計為例3610.3.1硬件詳細(xì)設(shè)計3.選擇變送器和執(zhí)行機構(gòu)（2）執(zhí)行機構(gòu)作用：接收控制信息，轉(zhuǎn)換為動作類型：氣動：結(jié)構(gòu)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(guān)動作：有觸點/無觸點開關(guān)、電磁閥以總線型工業(yè)控制計算機設(shè)計為例2025/4/17計算機控制技術(shù)373810.3.2軟件詳細(xì)設(shè)計特點：配備：實時操作系統(tǒng)、實時監(jiān)控程序、控制/運算軟件、組態(tài)軟件；配備的模塊（系統(tǒng)組態(tài)）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(shù)/計時模塊；邏輯運算模塊；輸入/輸出模塊；打印/顯示模塊。工業(yè)控制計算機3910.3.2軟件詳細(xì)設(shè)計有些工業(yè)控制機的應(yīng)用軟件需自行開發(fā)單片機：系統(tǒng)的全部硬件、軟件均需自行開發(fā)研制自行開發(fā)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(shè)計語言編制程序工業(yè)控制計算機4010.3.2軟件詳細(xì)設(shè)計自行開發(fā)控制軟件時，具體程序設(shè)計內(nèi)容：1.數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)規(guī)劃確定系統(tǒng)各模塊的因果關(guān)系數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、打印模塊確定每個模塊要用到的參數(shù)，為其規(guī)劃數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)類型：邏輯型（軟件標(biāo)志）、數(shù)值型（定點數(shù)/浮點數(shù)）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（線性表、棧、隊列、串、數(shù)組、樹、圖等）4110.3.2軟件詳細(xì)設(shè)計自行開發(fā)控制軟件時，具體程序設(shè)計內(nèi)容：2.資源分配（如采用單片機結(jié)構(gòu)的硬件系統(tǒng)）ROM資源：存放程序代碼和常量數(shù)據(jù)定時器/計數(shù)器：用于計時、定時和事件計數(shù)等功能中斷源：響應(yīng)外部或內(nèi)部事件，確保及時性和優(yōu)先級合理性I/O地址：確保每個外設(shè)都有唯一的地址RAM：存儲系統(tǒng)運行時的數(shù)據(jù)和變量，列出資源分配清單4210.3.2軟件詳細(xì)設(shè)計自行開發(fā)控制軟件時，具體程序設(shè)計內(nèi)容：3.實時控制軟件設(shè)計（1）數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理程序數(shù)據(jù)采集（采樣、輸入、存儲等）：DC0～5V作為A/D模板的輸入數(shù)據(jù)處理（數(shù)字濾波、線性化處理和非線性補償、標(biāo)度變換、越限報警程序等）（2）控制算法程序控制規(guī)律：數(shù)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(yōu)控制算法等4310.3.2軟件詳細(xì)設(shè)計自行開發(fā)控制軟件時，具體程序設(shè)計內(nèi)容：3.實時控制軟件設(shè)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(shù)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(wù)/臨時性任務(wù)、啟動時刻表/撤銷時刻表）4410.3.2軟件詳細(xì)設(shè)計自行開發(fā)控制軟件時，具體程序設(shè)計內(nèi)容：3.實時控制軟件設(shè)計（5）數(shù)據(jù)管理程序：用于生產(chǎn)管理（畫面顯示、變化趨勢分析、報警記錄、報表打印）（6）數(shù)據(jù)通信程序：該功能主要在DCS、分級計算機控制系統(tǒng)、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)等系統(tǒng)中實現(xiàn)2025/4/17計算機控制技術(shù)45規(guī)劃需求分析系統(tǒng)設(shè)計

程序編制

調(diào)試

運行維護

軟件生存期數(shù)據(jù)庫生存期運行和維護

實現(xiàn)

物理設(shè)計邏輯設(shè)計概念設(shè)計需求分析規(guī)劃4610.4計算機控制系統(tǒng)調(diào)試與運行離線仿真和調(diào)試在線調(diào)試和運行4710.4.1離線仿真和調(diào)試1.硬件調(diào)試標(biāo)準(zhǔn)功能模板：RAM、ROM等讀寫功能、復(fù)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(tài)的正確性；現(xiàn)場儀表和執(zhí)行機構(gòu)：安裝前的校