計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)電氣設(shè)計(jì)

1、計(jì) 算 機(jī) 控 制 系 統(tǒng) 的 電 氣 設(shè) 計(jì)微電子技術(shù)的發(fā)展不斷推進(jìn)計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)在人類社會(huì)發(fā)展中的作用越來越大。計(jì)算機(jī)的應(yīng)用主要分為科學(xué)計(jì)算、信息處理與工業(yè)控制三個(gè)領(lǐng)域。計(jì)算機(jī)運(yùn)行與計(jì)算速度的提高促進(jìn)了科學(xué)計(jì)算的發(fā)展。在基礎(chǔ)科學(xué)研究、氣象分析、地質(zhì)勘探、地震預(yù)測及軍事科學(xué)研究等都離不開科學(xué)計(jì)算。我國大型計(jì)算機(jī)開發(fā)研究在某些方面已接近世界領(lǐng)先水平，從而為我國科學(xué)技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)造了良好的條件。計(jì)算機(jī)技術(shù)與通信技術(shù)相結(jié)合產(chǎn)生了信息技術(shù)，信息技術(shù)的發(fā)展又促進(jìn)了人類社會(huì)文明與發(fā)展。在一個(gè)城市實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)之后，在金融系統(tǒng)以及交通運(yùn)輸、物業(yè)管理、教育培訓(xùn)、電子商務(wù)等行業(yè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)都發(fā)揮著非

2、常重要的作用。計(jì)算機(jī)控制是計(jì)算機(jī)技術(shù)又一個(gè)非常重要與廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。指示與調(diào)節(jié)儀表在逐步實(shí)現(xiàn)數(shù)字化與智能化。常規(guī)工業(yè)控制系統(tǒng)也逐漸被計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)所代替。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)在生產(chǎn)過程控制、電力、能源、交通及建筑智能化等行業(yè)中已得到廣泛應(yīng)用。1 概述1.1 我國計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用與發(fā)展概況我國計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用開始于20世紀(jì)70年代，當(dāng)時(shí)以引進(jìn)國外產(chǎn)品為主。1980年國內(nèi)開始研制與開發(fā)計(jì)算機(jī)控制有關(guān)產(chǎn)品與控制系統(tǒng)。當(dāng)時(shí)主機(jī)還依賴進(jìn)口，國內(nèi)以各種工業(yè)控制接口板的開發(fā)與生產(chǎn)為主，國產(chǎn)的單板機(jī)開始應(yīng)用于一些小型控制系統(tǒng)。由于進(jìn)口工業(yè)計(jì)算機(jī)主機(jī)價(jià)格昂貴，一些項(xiàng)目只好用商業(yè)機(jī)作為主機(jī)，有些項(xiàng)目還用單板機(jī)作

3、為主機(jī)。由于硬件與軟件的水平都比較低，運(yùn)行過程中出現(xiàn)了不少問題，造成了投資上的浪費(fèi)。當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)控制技術(shù)在國外已經(jīng)成熟，應(yīng)用也比較普遍。上世紀(jì)80年代開始，隨著改革開放的發(fā)展與國力的增強(qiáng)，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)及工業(yè)型控制計(jì)算機(jī)開始進(jìn)入國內(nèi)市場。我國計(jì)算機(jī)控制的硬件及軟件水平提高也很快，計(jì)算機(jī)控制的應(yīng)用進(jìn)入成熟階段。當(dāng)時(shí)國外計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)已發(fā)展為集散型控制系統(tǒng)，國內(nèi)還以集中式計(jì)算機(jī)控制為主，技術(shù)上落后于國外一個(gè)等級。從上世紀(jì)90年代開始，建筑物智能化的發(fā)展大大促進(jìn)了我國計(jì)算機(jī)控制的應(yīng)用與發(fā)展。集散型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)開始進(jìn)入我國市場，變電站綜合自動(dòng)化在電力系統(tǒng)中也得到了普遍的應(yīng)用，在生產(chǎn)過程中也可開始采用現(xiàn)

4、場總線控制系統(tǒng)。隨著單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展，各種測控儀表也逐步實(shí)現(xiàn)智能化。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)、通信技術(shù)及自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，我國計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用范圍越來越廣泛。生產(chǎn)過程控制、能源交通以及電力系統(tǒng)普遍采用了計(jì)算機(jī)控制，在建筑智能化工程中，樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)、消防自動(dòng)控制也都采用了計(jì)算機(jī)控制。住宅智能化中智能化抄表系統(tǒng)與安防也采用了計(jì)算機(jī)采集與管理。1.2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用效果1.2.1 測量精度高，數(shù)字顯示準(zhǔn)確，歷史數(shù)據(jù)存盤后可進(jìn)行報(bào)表打印。1.2.2 事故報(bào)警容量大，顯示內(nèi)容豐富，并可進(jìn)行事故追憶。通過存盤后，可隨時(shí)打印。1.2.3 軟件可完成各種復(fù)雜的算法，完成各種復(fù)雜的控制。1.2.4

5、通過優(yōu)化運(yùn)行，提高產(chǎn)品生產(chǎn)效率與質(zhì)量，有效節(jié)約能源從而降低生產(chǎn)成本。1.2.5 提高自動(dòng)化水平，減少生產(chǎn)人員。1.2.6 通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化管理。1.3 我國計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)用中存在的主要問題1.3.1 20世紀(jì)90年代以前，我國中小型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)自行開發(fā)的非定性產(chǎn)品比較多,產(chǎn)品硬件與軟件技術(shù)水平比較低，兼容性與可擴(kuò)展性很差，給系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)管理帶來許多困難，系統(tǒng)無法升級與擴(kuò)展，造成很大浪費(fèi)。1.3.2 20世紀(jì)90年代改革開放以后，從國外引進(jìn)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)較多，除了PLC可編程控制器之外，樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)、變配電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)開始大量引進(jìn)。也開始生產(chǎn)變配電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)及樓宇自動(dòng)

6、化系統(tǒng)，國產(chǎn)變配電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的技術(shù)水平還是比較先進(jìn)的。1.3.3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是高新技術(shù)產(chǎn)品，電氣設(shè)計(jì)人員要有一個(gè)熟悉過程，開始階段電氣設(shè)計(jì)中存在不少問題，對計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的運(yùn)行帶來一定影響。近年來計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)電氣設(shè)計(jì)水平也在逐步提高。1.3.4 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)運(yùn)行以后，在運(yùn)行管理上也有一些特殊的要求，管理體制要改變,人員技術(shù)水平要求也較高。開始階段運(yùn)行管理方面的問題比較多，近幾年來也逐步在改善。1.4 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)電氣設(shè)計(jì)的重要性計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的電氣設(shè)計(jì)的任務(wù)主要是為計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)正常運(yùn)行提供各種必要的條件，而不是進(jìn)行計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)本身的硬件及軟件設(shè)計(jì)。電氣設(shè)計(jì)根據(jù)工藝要求選好計(jì)算

7、機(jī)控制系統(tǒng)的類型，然后作好供電電源、現(xiàn)場控制、測量及信號(hào)設(shè)備、外部電纜及接地與電氣安全保護(hù)設(shè)計(jì)。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的功能主要取決于其硬件與軟件的技術(shù)水平，能否保證可靠運(yùn)行與電氣設(shè)計(jì)的水平與質(zhì)量有很大的關(guān)系，各種干擾會(huì)從電源線，測量、信號(hào)、控制以及通訊線進(jìn)入計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，處理不好就會(huì)影響計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，電氣安全保護(hù)設(shè)計(jì)不好，出現(xiàn)過電壓時(shí)還可能損壞計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)備，接地處理不好會(huì)造成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)，引起信號(hào)誤報(bào)警或控制誤動(dòng)作以及通信中斷，由此可見計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的電氣設(shè)計(jì)與施工質(zhì)量是保證其正常運(yùn)行的一個(gè)非常重要的條件。2 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識(shí)2.1 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的工

8、作原理2.1.1 計(jì)算機(jī)的硬件計(jì)算機(jī)的硬件由大規(guī)模集成電路組成，集成電路分為邏輯電路與模擬電路兩大類，計(jì)算機(jī)芯片主要由邏輯電路組成。計(jì)算機(jī)主要由中央處理單元（CPU）、存儲(chǔ)單元（RAM、EPROM）模擬量與數(shù)字量轉(zhuǎn)換單元（A/D）、數(shù)字量與模擬量轉(zhuǎn)換單元（D/A）、數(shù)字量接口（I/O）以及通信單元等組成。2.1.2中央處理單元（CPU） 中央處理單元（CPU）又稱為微處理器，它是計(jì)算機(jī)的核心。按處理的字節(jié)的位數(shù)可分為4位，8位，16位，32位與64位。單片機(jī)開始為4位與8位，現(xiàn)在已發(fā)展到32位。微型機(jī)有16位與32位，現(xiàn)在以32位為主。中央處理單元（CPU）由算術(shù)邏輯單元（ALU）、通用寄存器

9、陳列、指令寄存器及譯碼器、定時(shí)與控制單元、累加器、 暫存器、標(biāo)志觸發(fā)器、數(shù)據(jù)總線緩沖器與鎖存器以及地址緩沖器等組成。算術(shù)邏輯單元主要完成算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算及十進(jìn)制調(diào)整。算術(shù)運(yùn)算有加、減、乘、除，邏輯運(yùn)算有或，與，異或等。運(yùn)算過程中要完成二進(jìn)制與十進(jìn)制轉(zhuǎn)換以及十六進(jìn)制與十進(jìn)制轉(zhuǎn)換。運(yùn)算結(jié)果的特征由標(biāo)志觸發(fā)器來記憶。電子線路有截止（1），導(dǎo)通（0）與高阻抗（上下截止）三種狀態(tài)，導(dǎo)通與截止分別用1與0來表示，所以在計(jì)算機(jī)內(nèi)部數(shù)據(jù)只能用二進(jìn)制來表示，字節(jié)為8位就有8位二進(jìn)制數(shù)，16位就有16位二進(jìn)制數(shù)。實(shí)際數(shù)據(jù)通常用十進(jìn)制表示，十進(jìn)制數(shù)進(jìn)入計(jì)算機(jī)就要進(jìn)行十進(jìn)制與二進(jìn)制轉(zhuǎn)換。計(jì)算機(jī)內(nèi)部數(shù)據(jù)被取出后就要進(jìn)

10、行二進(jìn)制與十進(jìn)制轉(zhuǎn)換。每四位二進(jìn)制數(shù)組成一位十六進(jìn)制數(shù)，四位十六進(jìn)制數(shù)就由十六位二進(jìn)制數(shù)組成。十六進(jìn)制數(shù)分別用09及A、B、C、D、E、F來表示，為了與十進(jìn)制相區(qū)別，十六進(jìn)制數(shù)加后綴H。數(shù)據(jù)超過幾K以后，用十進(jìn)制表示要好多位，用二進(jìn)制表示位數(shù)更多，用十六進(jìn)制表示位數(shù)就相對減少很多，4位十六進(jìn)制數(shù)就可以表示64K數(shù)據(jù)，所以程序編寫需要用十六進(jìn)制數(shù)。通用寄存器陣列是在CPU內(nèi)部有許多存儲(chǔ)二進(jìn)制數(shù)的單元，8位為一個(gè)寄存單元，CPU運(yùn)行程序時(shí)先把數(shù)據(jù)以二進(jìn)制形式暫時(shí)存在寄存單元中再進(jìn)行處理，處理結(jié)果一般放在內(nèi)存中，這樣可少一級尋址，可以提高處理速度。不同型號(hào)CPU寄存單元數(shù)量不同。寄存單元越多，功能越

11、強(qiáng)。寄存器陣列中還有兩個(gè)特殊的寄存單元，一個(gè)是堆棧指針單元，一個(gè)是程序計(jì)數(shù)器。寄存單元是CPU內(nèi)部共用單元，在執(zhí)行中斷服務(wù)程序時(shí)，要把正在執(zhí)行的程序中的數(shù)據(jù)保存在堆棧中（入棧），中斷程序結(jié)束返回原來程序時(shí)，要把保存在堆棧中的數(shù)取回來放在原來的寄存單元中（出棧），堆棧為先入后出，所以要用堆棧指針（單元）來進(jìn)行出入棧管理。程序計(jì)數(shù)器（PC）存放正在執(zhí)行程序的地址。它是一個(gè)16位計(jì)數(shù)單元，CPU在執(zhí)行程序過程中首先以PC中的內(nèi)容為地址，從內(nèi)存程序區(qū)中取出一條指令，加譯碼后去執(zhí)行，然后將程序計(jì)數(shù)器（PC）加一個(gè)數(shù)，執(zhí)行的是單字節(jié)指令時(shí)加1，雙字節(jié)指令時(shí)加2。根據(jù)程序計(jì)數(shù)器（PC）中的內(nèi)容，再執(zhí)行下一條

12、程序。定時(shí)與控制單元主要來完成定時(shí)控制以及根據(jù)控制要求，在不同時(shí)間自動(dòng)發(fā)出各種控制信號(hào)。控制信號(hào)有復(fù)位信號(hào)（RESET）、時(shí)鐘（）、等待（WAIT）、存儲(chǔ)器請求（MREQ）、I/O請求（TORQ）、讀（RD）、寫（WR）及中斷請求（INT）等。2.1.3外部總線中央處理單元（CPU）雖然是計(jì)算機(jī)的核心，但它還必須與外部接口相配合才能形成一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)。CPU通過外部總線與外圍芯片相連接形成外部接口，外圍芯片有存儲(chǔ)器、AI、DI、AO、DO及通信接口等，外部總線分為數(shù)據(jù)總線（DB）、地址總線（AB）與控制總線（CB）。數(shù)據(jù)總線（DB）是一個(gè)8位雙相傳輸總線，它可以將8位二進(jìn)制數(shù)（D0D7）由C

13、PU傳向CPU外部接口（寫數(shù)據(jù)），也可以將8位數(shù)據(jù)（D0D7）從外部接口讀到CPU內(nèi)（讀數(shù)據(jù)），它由程序中執(zhí)行的I/O輸入與輸出語句來完成。地址總線（AB）是一個(gè)16位（A0A15）只能向外輸出的單向總線，它用來選通存儲(chǔ)器以及AI、DI、AO、DO四種I/O接口芯片的地址。控制總線（CB）包括復(fù)位（RESET）、時(shí)鐘（）、等待（WAIT）、存貯器請求（MREQ）、I/O請求（TORQ）、讀（RD）、寫（WR）、及中斷請求（INT）等，它們均為一根線。復(fù)位線（RESET）加一個(gè)低電位負(fù)脈沖（有些CPU加正脈沖）后，CPU便從頭開始執(zhí)行程序，它用來控制上電后開始運(yùn)行程序，它與外部自復(fù)位芯片配合，可

14、以形成自復(fù)位電路，以保證程序受干擾死機(jī)后，再重新自動(dòng)啟動(dòng)。它是工業(yè)控制計(jì)算機(jī)非常重要的接口電路。時(shí)鐘（）是外部石英震蕩器的輸入端，由石英震蕩器來產(chǎn)生外部時(shí)鐘，控制CPU的運(yùn)行速度。根據(jù)CPU型號(hào)不同有8MHZ，12MHZ，16MHZ及20MHZ等多種。外部時(shí)鐘太高會(huì)影響CPU運(yùn)行的穩(wěn)定性，現(xiàn)在有些外部時(shí)鐘內(nèi)部有時(shí)鐘電路，可自動(dòng)將外部時(shí)鐘采集后成倍提高，并可保證CPU運(yùn)行的穩(wěn)定性。等待線（WAIT）低電平有效，它可以告訴CPU所尋址的存貯器或I/O芯片是否準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)，CPU在執(zhí)行程序中可插入等待周期，以保證CPU可以與任何速度的存貯器或I/O芯片同步。存貯器請求（MREQ）為三態(tài)輸出，低電平有效

15、。它接到存儲(chǔ)器芯片的選片端。CPU要操作該芯片時(shí)除了數(shù)據(jù)線（DB）、地址線（AB）、讀（RD）與寫（WR）有效之外，還需要由MREQ向該芯片選片端發(fā)低電平，便可對該芯片所有單元進(jìn)行讀或?qū)懖僮鳌Ｍ庠O(shè)輸入輸出請求（IORQ）也是三態(tài)輸出，低電平有效。CPU執(zhí)行外部設(shè)備接口輸入與輸出指令時(shí)，IORQ產(chǎn)生一個(gè)低電平脈沖選通外部設(shè)備接口芯片，以便對其進(jìn)行讀與寫操作。中斷請求（INT）為輸入線，低電平有效。它為外部緊急事件提供一個(gè)中斷輸入端。當(dāng)外部設(shè)備發(fā)生緊急事件時(shí)，馬上產(chǎn)生低電平，CPU便進(jìn)入中斷服務(wù)程序?qū)o急事件進(jìn)行處理，處理完之后便返回原來程序，繼續(xù)執(zhí)行原來的程序。它是一個(gè)硬件輸入中斷源，程序中還有

16、軟件中斷，它由編程人員來安排。2.1.4存貯器單元計(jì)算機(jī)的程序（二進(jìn)制代碼）與大量的數(shù)據(jù)都要放在存貯器單元中。存貯器單元的容量由地址線及控制線來決定。一般16位地址線（A0A15）尋值范圍為64K。利用控制線可增加到128K或更高。程序編寫好之后，固化在存貯單元中，接通電源便開始執(zhí)行，斷開電源程序不能丟失，所以固化程序的存貯單元稱為EPROM區(qū)，數(shù)據(jù)要隨時(shí)改寫，所以放在RAM區(qū)。EPROM與RAM通稱為內(nèi)存器。EPROM中程序要修改，可以用紫外線進(jìn)行擦除，有些芯片可以用電擦除。擦除一次整個(gè)芯片全部擦除，寫入（固化）程序時(shí)可以用編程器來寫。微型機(jī)用軟盤或光盤將程序安裝在硬盤中。對于斷電后需要保存

17、的數(shù)據(jù)，可以利用帶掉電保護(hù)的電擦除EEPROM芯片。EEPROM芯片為串行讀寫速度比較慢，數(shù)據(jù)少時(shí)還可以采用?，F(xiàn)在已經(jīng)有了大容量的電擦除（Flash）SARAM存貯器（簡稱閃存），采用并行直接讀寫，速度非常快、容量也大，微型機(jī)要保存歷史數(shù)據(jù)，一般用UPS不間斷電源供電，斷電后有足夠的時(shí)間將數(shù)據(jù)寫入硬盤或電子盤中?，F(xiàn)在微電子技術(shù)發(fā)展很快，芯片的集成度越來越高。有些單片機(jī)已經(jīng)將（Flash）SARAM存貯器、A/D、D/A及通信芯片（CAN）與自復(fù)位芯片設(shè)計(jì)在CPU芯片內(nèi)。這樣計(jì)算機(jī)體積越來越小，成本下降，運(yùn)行速度與可靠性大大提高。2.1.5 外部接口電路計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的現(xiàn)場各種信號(hào)都要與CPU連

18、接起來，CPU才能進(jìn)行控制。這些信號(hào)分為AI、DI、AO與DO四大類。模擬量輸入簡稱AI，常規(guī)控制為測量回路，它通過A/D轉(zhuǎn)換將直流模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)與CPU相連接。開關(guān)量輸入接口簡稱為DI，常規(guī)控制為信號(hào)回路，CPU讀I/O輸入后判其電位為1或0來判斷現(xiàn)場開關(guān)運(yùn)行狀態(tài)是合還是分。模擬量輸出接口簡稱為AO，常規(guī)控制為比較給定回路，CPU可以輸出二進(jìn)制數(shù)，由D/A轉(zhuǎn)換將二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為直流電壓或電流信號(hào)然后去進(jìn)行模擬量控制。開關(guān)量輸出簡稱為DO，常規(guī)控制為控制回路， CPU利用開關(guān)量輸出接口加隔離后驅(qū)動(dòng)繼電器，然后對現(xiàn)場各種設(shè)備進(jìn)行控制， 通信接口也是計(jì)算機(jī)外部電路的一種類型，屬于通信協(xié)議的

19、物理層。計(jì)算機(jī)控制用的比較多的通信接口有RS-485以及CAN總線等，現(xiàn)在已經(jīng)開始采用以態(tài)網(wǎng)。通信接口主要用于集散型與現(xiàn)場總線型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的內(nèi)部聯(lián)網(wǎng)。2.1.6工作過程計(jì)算機(jī)完成控制功能需要根據(jù)程序來進(jìn)行。程序由編程人員根據(jù)具體控制要求來編寫。程序運(yùn)行時(shí)，首先通過AI與DI接口采集到現(xiàn)場的測量與控制信號(hào)，然后經(jīng)過與給定組比較，根據(jù)控制要求進(jìn)行PID等調(diào)節(jié)，再經(jīng)過DO與AO對現(xiàn)場進(jìn)行控制。對有關(guān)數(shù)據(jù)與信號(hào)還要進(jìn)行顯示及報(bào)表打印，歷史數(shù)據(jù)還需要存盤保存。人們把計(jì)算機(jī)稱為電腦，計(jì)算機(jī)中央處理器（CPU）通過執(zhí)行根據(jù)人們大腦思維編寫的程序,來完成某些功能。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)就象一個(gè)完整的人體，有一個(gè)大

20、腦，兩只眼睛，一雙手和兩只腳。由模擬量輸入（AI）與開關(guān)量輸入（DI）兩只眼睛觀察到現(xiàn)場信號(hào),經(jīng)過CPU運(yùn)行程序進(jìn)行處理后，通過一雙手由模擬量輸出(AO)與開關(guān)量輸出(DO)去控制現(xiàn)場設(shè)備, 同時(shí)通過鼠標(biāo)、鍵盤、打印機(jī)、顯示器進(jìn)行人機(jī)對話，如果需要聯(lián)網(wǎng)，就通過兩只腳走出去，由計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)與外界進(jìn)行聯(lián)絡(luò)。人體是由大腦通過神經(jīng)系統(tǒng)來指揮工作，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是由電子線路（門電路即邏輯電路如與門、或門、非門、與非門、或非門，異或門，觸發(fā)器、鎖存器、驅(qū)動(dòng)器等）識(shí)別0與1, 以二進(jìn)制碼形式來進(jìn)行工作。人的大腦通過視神觀察到外界物體, 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)通過敏感元件，變送器與A/D轉(zhuǎn)換將電量與非電量的模擬量先

21、變?yōu)榻y(tǒng)一的電模擬量（AI）,再變?yōu)槎M(jìn)制碼，并通過開關(guān)量輸入(DI)的高電位與低電位, 就可以觀察到現(xiàn)場的各種測量與控制信號(hào)信號(hào)。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)采集到現(xiàn)場信號(hào)后，由CPU通過運(yùn)行按人的思維編寫的程序，進(jìn)行邏輯與算術(shù)運(yùn)算以及邏輯判斷，然后以二進(jìn)制碼形式通過開關(guān)量輸出（DO）與模擬量輸出（AO）對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行控制,并通過顯示與打印軟件去指揮顯示器與打印機(jī)進(jìn)行工作。需要聯(lián)網(wǎng)時(shí)，再通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)事先約定的通信規(guī)約，以串行碼的形式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。2.2 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的基本組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)由供電電源設(shè)備、計(jì)算機(jī)、現(xiàn)場設(shè)備以及后備顯示、報(bào)警與控制操作臺(tái)等組成。供電電源設(shè)備包括抗干擾電源、穩(wěn)壓電源及U

22、PS不間斷電源。它根據(jù)需要進(jìn)行配備，一般安裝在操作臺(tái)內(nèi)，由計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的制造廠家統(tǒng)一考慮，電氣設(shè)計(jì)一般可以不進(jìn)行設(shè)計(jì)。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中所用的計(jì)算機(jī)有：微型機(jī)、單板機(jī)與單片機(jī)等種類。微型機(jī)現(xiàn)在已發(fā)展到P與P，大中型工程有過程控制時(shí)都選用工業(yè)型微機(jī)（IPC），普通工程只需要監(jiān)控時(shí)選用辦公用計(jì)算機(jī)也可以滿足使用要求。單板機(jī)現(xiàn)在很少用，它逐步被單片機(jī)所代替，PLC、數(shù)字儀表、數(shù)字控制器以及各種專用控制單元均選用單片機(jī)。現(xiàn)場設(shè)備包括測量、信號(hào)與控制三大類。測量設(shè)備包括傳感器與變送器。信號(hào)設(shè)備包括限位開關(guān)，轉(zhuǎn)換與控制開關(guān)，繼電器、接觸器以及斷路器的輔助接點(diǎn)?？刂圃O(shè)備包括閥門與風(fēng)閥的執(zhí)行器，接觸器，磁力啟

23、動(dòng)器以及斷路器的操作機(jī)構(gòu)。國外引進(jìn)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)一般很少有后備顯示、報(bào)警與控制操作臺(tái)，國內(nèi)生產(chǎn)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)一般都要再設(shè)計(jì)一個(gè)操縱臺(tái)將電源設(shè)備，重要控制對象的后備顯示，報(bào)警與控制設(shè)備集中安裝在操作臺(tái)內(nèi)，這樣可以方便系統(tǒng)的運(yùn)行管理，算機(jī)控制系統(tǒng)檢修，或發(fā)生事故停止運(yùn)行時(shí)，通過人工操作繼續(xù)運(yùn)行。但是后備顯示，報(bào)警與控制的對象不能太多，只限于一些主要對象，否則不僅會(huì)降低系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，同時(shí)也增加了投資與運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用與工作量。2.3 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的種類及應(yīng)用范圍2.3.1集中式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)集中式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是最早期的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，它實(shí)際是用一臺(tái)計(jì)算機(jī)及其擴(kuò)展接口板代替了安裝在儀表盤內(nèi)的各

24、種顯示、記錄及調(diào)節(jié)儀表。外部測量、控制與信號(hào)設(shè)備以及控制電纜基本不變。集中式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)在20世紀(jì)90年代中期以前應(yīng)用的比較多，20世紀(jì)90年代中期以后逐步被集散型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)代替，現(xiàn)在已經(jīng)很少采用。2.3.2 集散型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)（DCS）集散型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)（DCS）是當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的一種計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。它利用計(jì)算機(jī)通信電纜將安裝于現(xiàn)場的各種數(shù)字化控制器（DDC）、PLC可編程控制器或現(xiàn)場控制站等連接到中央控制室計(jì)算機(jī)（工作站），形成一個(gè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。所有控制單元均分散安裝于控制設(shè)備附近，所以縮短了測量，信號(hào)與控制電纜，簡化了電氣設(shè)計(jì)，減少了施工與維護(hù)工作量，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。2.

25、3.3 現(xiàn)場總線計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)（FCS）現(xiàn)場總線計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)（FCS）是當(dāng)前最先進(jìn)的控制系統(tǒng)，它將現(xiàn)場設(shè)備和控制器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)（包括DDC，PLC及I/O設(shè)備）匯集在一起。各種測量設(shè)備與控制機(jī)構(gòu)都帶有自己的中央處理器（CPU），它們之間傳輸?shù)氖谴袛?shù)字碼，不再是05V或420mA模擬量信號(hào)，儀表也不再是傳統(tǒng)的數(shù)字化儀表，而是具有通信功能的單元組合式數(shù)字化儀表。它們的數(shù)字量傳輸直接接到現(xiàn)場總線上，使接在現(xiàn)場總線上的所有設(shè)備可以互相通信，同層間的相互通信能力大大增強(qiáng)?？刂破鞯母拍钆c傳統(tǒng)控制也不同，自動(dòng)控制設(shè)在測量與控制設(shè)備以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)內(nèi)，高層次的控制規(guī)律和監(jiān)控功能仍然放在主計(jì)算機(jī)內(nèi)，供所有掛在現(xiàn)場

26、總線上的設(shè)備使用。生產(chǎn)管理計(jì)算機(jī)同時(shí)掛在現(xiàn)場總線與以太網(wǎng)上，一方面負(fù)責(zé)下層（現(xiàn)場）生產(chǎn)管理，另一方面與上層調(diào)度計(jì)算機(jī)相連接并進(jìn)行信息交換。現(xiàn)場總線是用于現(xiàn)場儀表與控制之間的一種全數(shù)字化、雙向、多變量、多點(diǎn)、多站的通信系統(tǒng)?？煽啃愿?，穩(wěn)定性好，抗干擾能力強(qiáng)，通信速率高，工程綜合造價(jià)及維護(hù)成本低是現(xiàn)場總線的突出特點(diǎn)?，F(xiàn)場總線計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)（FCS）在國外已經(jīng)得到推廣，在國內(nèi)剛開始引進(jìn)，由于其造價(jià)昂貴，應(yīng)用范圍受到一定限制。國家成立了現(xiàn)場總線技術(shù)委員會(huì)，負(fù)責(zé)現(xiàn)場總線控制技術(shù)的開發(fā)以及推廣與應(yīng)用，國內(nèi)一些單位也開始開發(fā)與生產(chǎn)現(xiàn)場總線計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)（FCS），但是目前在通信協(xié)議的統(tǒng)一上存在問題比較多，要

27、普遍推廣與應(yīng)用還要有一個(gè)過程。2.4計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（系統(tǒng)集成）計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展很快，它應(yīng)用于控制領(lǐng)域之后，可以達(dá)到資源共享，提高控制與管理水平。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用稱為系統(tǒng)集成。它分為計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)或各種智能化控制器之間的系統(tǒng)內(nèi)部集成以及系統(tǒng)外部各種計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間的系統(tǒng)集成。系統(tǒng)內(nèi)部集成可以省去重復(fù)設(shè)置的測量、信號(hào)與控制等外部設(shè)備，從而簡化了設(shè)計(jì)以及施工與維護(hù)工作量。系統(tǒng)外部集成可以利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)加強(qiáng)與提高管理水平。由于系統(tǒng)集成涉及到計(jì)算機(jī)通信協(xié)議，不同計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)生產(chǎn)廠商之間技術(shù)協(xié)調(diào)難度較大，在實(shí)際工程中要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成目前還存在不少問題。3 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的電氣設(shè)計(jì)與傳

28、統(tǒng)儀表控制電氣設(shè)計(jì)的區(qū)別3.1 傳統(tǒng)儀表控制電氣設(shè)計(jì)3.1.1傳統(tǒng)儀表控制電氣設(shè)計(jì)首先根據(jù)工藝專業(yè)提出的工藝要求及相關(guān)專業(yè)提供的技術(shù)條件選擇顯示、調(diào)節(jié)及記錄儀表，再選擇現(xiàn)場各種測量、信號(hào)及控制設(shè)備，然后設(shè)計(jì)出控制原理圖?？刂圃韴D設(shè)計(jì)完成之后，再設(shè)計(jì)箱、屏、柜布置圖及施工接線。最后根據(jù)箱、屏、柜以及現(xiàn)場各種設(shè)備的位置，結(jié)合控制原理圖設(shè)計(jì)電纜平面圖。3.1.2 傳統(tǒng)儀表控制電氣設(shè)計(jì)的技術(shù)水平主要體現(xiàn)在控制原理圖設(shè)計(jì)上。顯示、調(diào)節(jié)及記錄儀表選擇要合理，相關(guān)聯(lián)鎖及時(shí)間配合還要選擇中間繼電器與時(shí)間繼電器。因此傳統(tǒng)自動(dòng)控制原理圖設(shè)計(jì)要求電氣設(shè)計(jì)人員要有一定的技術(shù)水平，工作量也比較大。3.1.3 傳統(tǒng)儀表

29、控制的現(xiàn)場調(diào)試需要電氣設(shè)計(jì)人員到現(xiàn)場進(jìn)行配合，有時(shí)控制原理圖或箱、屏、柜施工接線圖出現(xiàn)問題就要在現(xiàn)場進(jìn)行修改。PID等參數(shù)調(diào)整只能在調(diào)節(jié)儀表上來進(jìn)行，調(diào)試以及日后運(yùn)行維護(hù)工作量都很大。3.2 計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制電氣設(shè)計(jì)3.2.1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的控制、顯示、報(bào)警及記錄功能全部由計(jì)算機(jī)軟件與硬件來完成，因此它不需要再設(shè)計(jì)控制原理圖。這就大大減少了自動(dòng)控制電氣設(shè)計(jì)的工作量。由于不再需要顯示、調(diào)節(jié)與記錄儀表，也就不在需要設(shè)計(jì)控制屏。需要強(qiáng)電后柜操作臺(tái)時(shí)，設(shè)計(jì)也比較簡單，而且計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)制造廠家都有相配套的操作臺(tái)可以直接選用。3.2.2 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)軟件與硬件設(shè)計(jì)都由計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)制造廠家來完成

30、，電氣設(shè)計(jì)人員只負(fù)責(zé)審查是否能滿足工藝及相關(guān)專業(yè)的要求。計(jì)算機(jī)工業(yè)控制軟件一般都選用組態(tài)軟件，二次開發(fā)非常方便。3.2.3 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)與常規(guī)儀表控制的現(xiàn)場測量、信號(hào)與控制設(shè)備基本相同，有些計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的測量接口已經(jīng)設(shè)計(jì)有放大器可以直接采集熱敏電阻或熱電偶信號(hào)，有些還可以通過交流采樣直接采集交流電流與電壓信號(hào)，可以省掉相關(guān)變送器，這樣設(shè)計(jì)更為簡單。3.2.4 采用集散型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)（DCS）之后，控制單元分散安裝到現(xiàn)場有關(guān)控制設(shè)備附近。因此外部電纜長度大大縮短，這也給電氣設(shè)計(jì)與施工帶來很大方便。3.2.5計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的控制功能全部由軟件來完成，不僅提高了自動(dòng)控制的水平，也給現(xiàn)場調(diào)試帶來

31、很的方便，各種參數(shù)需要修改時(shí)利用軟件就可完成，控制原理有問題也可以通過修改軟件來解決，現(xiàn)場調(diào)試工作量就可以大大減少。3.3 計(jì)算機(jī)控制與傳統(tǒng)儀表控制電氣設(shè)計(jì)的區(qū)別計(jì)算機(jī)控制與傳統(tǒng)儀表控制電氣設(shè)計(jì)的區(qū)別可以用下列表格表示。設(shè)計(jì)內(nèi)容計(jì)算機(jī)控制傳統(tǒng)儀表控制工藝條件與要求可滿足各種復(fù)雜的要求要求越復(fù)雜，設(shè)計(jì)就越復(fù)雜控制原理圖不需要設(shè)計(jì)，只統(tǒng)計(jì)點(diǎn)數(shù)并提出控制要求設(shè)計(jì)復(fù)雜，要有一定設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)與水平箱屏柜布置圖一般可以不設(shè)計(jì)根據(jù)原理圖進(jìn)行設(shè)計(jì)箱屏柜接線圖一般可以不設(shè)計(jì)根據(jù)原理圖與布置圖進(jìn)行設(shè)計(jì)外部電纜圖根據(jù)計(jì)算機(jī)控制單元外部端子圖進(jìn)行設(shè)計(jì)根據(jù)原理圖及箱、屏、柜外部端子圖進(jìn)行設(shè)計(jì)施工安裝與調(diào)試簡單、工作量小復(fù)雜

32、、工作量大運(yùn)行維護(hù)與管理簡單、方便工作量大 從表格中可以看出計(jì)算機(jī)控制由于不用再設(shè)計(jì)控制原理圖，只統(tǒng)計(jì)點(diǎn)數(shù)與提出控制要求；對于較為復(fù)雜的自動(dòng)控制，設(shè)計(jì)工作量大大減少?？刂埔笸耆绍浖硗瓿桑粌H控制質(zhì)量有保證，如果控制要求有變化，通過軟件來進(jìn)行修改也比較方便。 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)可以取消或簡化箱屏柜，設(shè)計(jì)工作量也減少許多。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)只要施工圖設(shè)計(jì)沒有大的問題，測量、信號(hào)與控制回路的數(shù)量不遺漏，電纜線路設(shè)計(jì)正確，自動(dòng)控制出現(xiàn)問題，可以通過修改軟件來解決。施工安裝與調(diào)試也比較簡單，工作量也減少許多。運(yùn)行維護(hù)與管理也比較方便。設(shè)計(jì)時(shí)要了解清楚所選用的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)對干擾有那些要求，設(shè)計(jì)中提前采取措

33、施。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)質(zhì)量越好，抗干擾能力越強(qiáng)。3.4 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)電氣設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)電氣設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容包括系統(tǒng)選型、供電電源設(shè)計(jì)、外部設(shè)備選型及控制與信號(hào)電路設(shè)計(jì)、外部電纜設(shè)計(jì)、電氣接地以及電氣安全與保護(hù)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)選型是根據(jù)工程項(xiàng)目的具體工藝要求，由電氣設(shè)計(jì)人員來選擇計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，而不是由電氣設(shè)計(jì)人員來設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的硬件及軟件。3.5 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)電氣設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)方法：3.5.1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)電氣設(shè)計(jì)首先根據(jù)工藝要求編寫出控制技術(shù)條件?？刂萍夹g(shù)條件主要要求包括測量及控制精度，控制對象及范圍，控制聯(lián)鎖要求，事故報(bào)警功能，運(yùn)行管理要求以及計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)對工作環(huán)境、供電電源、電

34、氣接地與電氣安全等方面的一些特殊要求。3.5.2控制技術(shù)條件編寫好之后，就可進(jìn)行計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的系統(tǒng)選型與外部設(shè)備的設(shè)計(jì)選型，統(tǒng)計(jì)DI、DO、AI、與AO點(diǎn)數(shù)，根據(jù)其分布位置繪制出點(diǎn)數(shù)表，最后再進(jìn)行系統(tǒng)方框圖及外部電纜平面圖設(shè)計(jì)。3.6 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)電氣設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)步驟：3.6.1根據(jù)工藝要求編寫控制技術(shù)條件，作為設(shè)計(jì)，甲方定貨及施工驗(yàn)收的依據(jù)。3.6.2 根據(jù)控制技術(shù)條件選擇計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。3.6.3 選擇現(xiàn)場設(shè)備，設(shè)計(jì)就地控制原理圖。3.6.4 統(tǒng)計(jì)DI、DO、AI及AO點(diǎn)，繪制點(diǎn)數(shù)表，選擇現(xiàn)場控制站的數(shù)量。3.6.5 繪制計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)方框圖。3.6.6 進(jìn)行外部電纜施工設(shè)計(jì)，外部電纜施

35、工端子接線圖可由供貨廠家設(shè)計(jì)。3.6.7 作出工程概算。3.6.8 配合現(xiàn)場施工，參加現(xiàn)場調(diào)試與驗(yàn)收。4計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)選型4.1對于已經(jīng)有與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)配套的計(jì)算機(jī)控制裝置，或?qū)Ｓ每刂破鞯脑O(shè)備，如柴油發(fā)電機(jī)組、冷凍機(jī)組、工業(yè)鍋爐等，應(yīng)直接選用與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)配套的計(jì)算機(jī)控制裝置，或?qū)Ｓ每刂破?，并要求其提供?jì)算機(jī)通信接口及通信協(xié)議，以便將來實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)。4.2 系統(tǒng)選型時(shí)應(yīng)優(yōu)先選用集散型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，對于變配電站、工業(yè)鍋爐、空調(diào)及樓宇自動(dòng)化等，應(yīng)選用定型的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。對于計(jì)算機(jī)控制系內(nèi)部已經(jīng)有配套的計(jì)算機(jī)控制裝置或?qū)Ｓ每刂破鞯脑O(shè)備可考慮系統(tǒng)集成方案。系統(tǒng)集成受通信規(guī)約的限制，電氣設(shè)計(jì)時(shí)

36、一定要認(rèn)真落實(shí)，否則應(yīng)根據(jù)測控要求增加相應(yīng)外部設(shè)備，將測控及信號(hào)點(diǎn)引到計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的現(xiàn)場控制站。4.3 現(xiàn)場總線計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)（FCS）是當(dāng)前世界上最先進(jìn)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，剛開始由國外引進(jìn)，其價(jià)格比較高，一般用于大型生產(chǎn)過程控制，中小型生產(chǎn)過程控制一般還采用集散型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。國內(nèi)一些單位也開始開發(fā)與生產(chǎn)現(xiàn)場總線計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)（FCS），普遍推廣應(yīng)用還要經(jīng)過一段時(shí)間。5 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)供電電源設(shè)計(jì)5.1供電電源電壓與容量5.1.1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的供電電壓一般為交流AC220V，50HZ，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的電壓為直流DC24V，有些執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制系統(tǒng)電源為交流AC24V，50HZ。執(zhí)行機(jī)構(gòu)的供電電源

37、應(yīng)由計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)提供。電氣設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的具體要求進(jìn)行供電電源設(shè)計(jì)。5.1.2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的用電容量都比較小，中央控制站一般由一臺(tái)或多臺(tái)微型計(jì)算機(jī)及配套的顯示器與打印機(jī)組成，其用電容量為幾個(gè)千瓦，現(xiàn)場控制站的用電容量一般為幾百瓦，單元控制器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)用電容量一般為幾十瓦。5.2供電電源質(zhì)量有關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范對計(jì)算機(jī)電源的供電質(zhì)量都提出具體要求，電壓波動(dòng)不大于額定電壓的±10%，頻率變化不大于±1HZ，波形失真率不大于20%等（民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范 JGJ/T16-92：523頁）。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)本身的電源設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)考慮了供電電源波動(dòng)與干擾等影響，其電源都采用開關(guān)

38、電源，即先將交流（AC）220V電壓直接整流為直流電壓，再采用直流逆變電路變?yōu)楦哳l交流，然后經(jīng)過高頻變壓器與整流電路，得到±5V，±12V等各種直流電源。開關(guān)電源一般在交流（AC）180V 230V電壓下都可以正常工作，對電網(wǎng)頻率變化要求也不高，所以供電電源能達(dá)到國家電網(wǎng)供電質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)就可以保證計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行。對供電電源有特殊要求時(shí)，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)制造廠家會(huì)在使用說明中進(jìn)行說明，這一點(diǎn)應(yīng)引起電氣設(shè)計(jì)者注意。一般計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的生產(chǎn)質(zhì)量越高，對供電電源的要求就越低，因?yàn)槠浔旧黼娫丛O(shè)計(jì)水平比較高或者已經(jīng)采取了抗干擾等措施。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的開關(guān)電源是一個(gè)非線形負(fù)載，它是電

39、網(wǎng)諧波產(chǎn)生的根源之一，但由于開關(guān)電源的容量都不是很大，當(dāng)其數(shù)量不太多時(shí)，產(chǎn)生的諧波對電網(wǎng)的危害就不會(huì)太大。5.3 供電電源可靠性計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)對電源的可靠性還是有一定要求的，工作電源中斷，計(jì)算機(jī)就無法運(yùn)行，而且有時(shí)還會(huì)丟失一些數(shù)據(jù)，所以中央控制站一般都應(yīng)成套配備UPS不間斷供電電源，其容量根據(jù)中央控制站的容量來確定，供電時(shí)間10分鐘到半小時(shí)就可以滿足要求。一般選用后備式就可以。對于大型控制系統(tǒng)，特別是生產(chǎn)過程控制，應(yīng)考慮大容量在線式UPS不間斷供電電源或大容量逆變電源。變配電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)用于交流操作時(shí)必須設(shè)計(jì)不間斷供電電源?，F(xiàn)場控制站供電電源的可靠性一般都與現(xiàn)場監(jiān)控設(shè)備一起來考慮。5.4

40、供電電源設(shè)計(jì)5.4.1 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的中央控制站一般由一路交流（AC）220V電源供電，并要求計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)制造廠家配套提供UPS不間斷電源，其容量及停電后供電時(shí)間根據(jù)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的要求來決定。有條件時(shí)可以從不同變壓器或變電所引兩路交流（AC）220V電源供電，由于已經(jīng)有UPS不間斷供電電源，所以兩路供電電源只設(shè)計(jì)手動(dòng)互投，可以不設(shè)計(jì)備用電源自動(dòng)投切。 5.4.2 集散型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)（DCS）的現(xiàn)場控制站分散安裝于現(xiàn)場，其供電電源可由附近的動(dòng)力配電箱單獨(dú)引一路交流（AC）220V電源供電，施工時(shí)應(yīng)保證PE接地線的施工質(zhì)量。5.4.3 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)避免與電梯等頻繁啟動(dòng)的用電設(shè)備共用一路

41、供電電源。5.4.4 大中型計(jì)算機(jī)房的供電電源應(yīng)由變電所220/380V低壓配電柜單獨(dú)供電。設(shè)計(jì)時(shí)并根據(jù)計(jì)算機(jī)的要求，考慮是否需要穩(wěn)壓、隔離、UPS不間斷供電電源或逆變電源等設(shè)備。6 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)外部設(shè)備的電氣設(shè)計(jì)6.1外部測量回路的電氣設(shè)計(jì)6.1.1 測量是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的重要組成部分，它通過模擬量輸入口（AI）進(jìn)入計(jì)算機(jī)。有些計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)可以直接采集熱電阻信號(hào)，這樣設(shè)計(jì)時(shí)就可以省掉溫度變送器。6.1.2 電力系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)一般通過交流采樣直接采集交流 （AC） 05A、0150V、或0420V信號(hào)，這樣就可以省掉電流、電壓、功率等電量變送器，對于沒有交流采樣功能的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，

42、仍需要選用電流、電壓、功率、頻率、功率因數(shù)等電量變送器。有什么種類的電工儀表，就有相同種類的電量變送器，二者一次接線完全相同，電流回路串聯(lián)于電流互感器回路，電壓回路并聯(lián)于電壓測量母線上。6.1.3 壓力、流量等參數(shù)需要由傳感器經(jīng)過變送器將非電量轉(zhuǎn)換為直流（DC）電信號(hào)之后，再接到計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的模擬量輸入口（AI）。 6.1.4 變送器輸出的直流（DC）電信號(hào)有05V，010V，010mA，420mA，15V與110V等。輸出為直流電壓信號(hào)的變送器價(jià)格便宜，但抗干擾能力弱，信號(hào)傳輸距離近，用于一般參數(shù)的測量。輸出為直流電流信號(hào)的變送器價(jià)格貴，但抗干擾能力強(qiáng)，傳輸距離遠(yuǎn)，用于重要參數(shù)的測量。15

43、V，110V，420mA輸出可以自診斷變送器故障與外部接線斷線，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)優(yōu)先選用。設(shè)計(jì)中選用的變送器直流輸出必須與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)模擬量輸入（AI）相匹配。6.1.5 測量精度與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)模擬量輸入（AI）的A/D轉(zhuǎn)換位數(shù)有關(guān)。測量精度要求不高時(shí)，8位A/D就可以滿足要求，其測量范圍為0255，分辨為256分之一，假如測量室內(nèi)溫度，測量范圍為050，測量分辨率為50除以255約為0.2。對于10位A/D轉(zhuǎn)換，其測量范圍為01023，分辨為1024分之一，對于12位A/D轉(zhuǎn)換，其十進(jìn)制數(shù)測量值范圍為04095，分辨為4096分之一。電氣設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)進(jìn)行校核。6.1.6計(jì)算機(jī)采集到模擬量輸入信號(hào)之

44、后，通過A/D轉(zhuǎn)換將直流05V模擬量輸入電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為2進(jìn)制數(shù)，計(jì)算機(jī)在通過軟件將2進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為10進(jìn)制數(shù)，在顯示或打印實(shí)際測量值時(shí)，還要由軟件通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行倍率轉(zhuǎn)換，其轉(zhuǎn)換計(jì)算公式如下： A（K1-K2）÷（K3-K4）（X-K4）+K2式中：A：實(shí)測顯示值。K1：A/D轉(zhuǎn)換輸入最大值時(shí)的實(shí)際顯示值。K2：A/D轉(zhuǎn)換輸入最小值時(shí)的實(shí)際顯示值。對于-50100測量范圍，K1為100，K2為-50，對于0100測量范圍，K1為100，K2為0,對于4555Hz測量范圍,K1為55,K2為45。K3：A/D轉(zhuǎn)換最大位數(shù)轉(zhuǎn)換為10進(jìn)制后的數(shù)，8位A/D為256，10位A/D為1024，12

45、位A/D為4096。K4：A/D轉(zhuǎn)換最小位數(shù)轉(zhuǎn)換為10進(jìn)制數(shù)后的數(shù)，對05V，或010mA輸入，K4為0，對15V或420mA輸入，K4為K3的0.2倍。X：轉(zhuǎn)換為10進(jìn)制數(shù)的實(shí)際測量值。6.2 外部控制回路的電氣設(shè)計(jì)6.2.1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)外部控制回路分為起停與連續(xù)控制兩種類型。起?？刂朴捎?jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的開關(guān)量輸出（DO）控制繼電器去進(jìn)行，它主要有電動(dòng)機(jī)、電動(dòng)開關(guān)，斷路器以及電磁閥等的控制。連續(xù)控制的設(shè)備由計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的模擬量輸出（AO）通過05V、010V、010mA或420mA模擬量信號(hào)去進(jìn)行控制。它主要有電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，可控硅以及變頻器等的調(diào)節(jié)控制。6.2.2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的開關(guān)量輸出（

46、DO）可提供一對繼電器常開接點(diǎn)或一對轉(zhuǎn)換接點(diǎn)。電氣設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)將其接點(diǎn)通過就地手自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)接到控制回路中，并設(shè)計(jì)好就地控制的原理圖。如果需要計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)檢測手自動(dòng)位置時(shí)，手自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)還應(yīng)多選一對接點(diǎn)給計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的開關(guān)量輸入（DI）接口。所有引到計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的DO與DI點(diǎn)均應(yīng)接到控制箱的外部接線端子上。電氣設(shè)計(jì)時(shí)還要對繼電器接點(diǎn)的電壓等級與容量進(jìn)行校核。6.2.3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的模擬量輸出（AO）的直流信號(hào)必須與被控對象的調(diào)節(jié)輸入相匹配，如果需要計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)反映調(diào)節(jié)對象的開度或轉(zhuǎn)速時(shí)，調(diào)節(jié)裝置應(yīng)有反饋信號(hào)（閥位或轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)），并接到計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的模擬量（AI）接口，二者信號(hào)必須相匹

47、配。6.3 外部信號(hào)回路的電氣設(shè)計(jì)外部信號(hào)回路一般以常開或常閉干接點(diǎn)的形式接到計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的開關(guān)量輸入（DI）接口。干接點(diǎn)為一組獨(dú)立的接點(diǎn)，一般取自斷路器與啟動(dòng)設(shè)備的輔助觸點(diǎn)以及反映位置信號(hào)的限位開關(guān)等。選用干接點(diǎn)的原因是因?yàn)樾盘?hào)回的電壓大多數(shù)為計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)自己提供的直流12V或24V電壓。有些計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可直接采集交流（AC）或直流（DC）220V電壓信號(hào)，這就給電氣設(shè)計(jì)帶來很大方便。電氣設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的開關(guān)量輸入（DI）的技術(shù)條件進(jìn)行設(shè)計(jì)。7 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的外部電纜設(shè)計(jì)7.1 測量回路電纜設(shè)計(jì)7.1.1 測量回路傳輸?shù)氖堑碗妷骸⑿‰娏鞯娜蹼娭绷髂M量信號(hào)，線路的干擾會(huì)對測量

48、參數(shù)造成一定影響，所以測量回路一定要選用屏蔽電纜，也可以用銅芯塑料線穿鋼管敷設(shè)。測量回路可以與直流開關(guān)量輸入（DI）或模擬量輸出（AO）共用一根屏蔽電纜或用銅芯塑料線穿在一根鋼管內(nèi)敷設(shè)，但不能與交流信號(hào)共用一根電纜或用銅芯塑料線穿在一根鋼管內(nèi)敷設(shè)。屏蔽電纜一般敷設(shè)于電纜溝與電纜橋架內(nèi)，或埋地敷設(shè)。7.1.2 屏蔽電纜的屏蔽層應(yīng)可靠連接后一端接地，一般在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)入口處集中后一點(diǎn)接地，對于TN-S或TN-C-S系統(tǒng)可以集中一點(diǎn)后接于PE線上，可以不再單獨(dú)接地。所選用鋼管也應(yīng)可靠接地。有些資料提出應(yīng)在兩端接地，分歧較大。通信電纜的屏蔽層應(yīng)兩端接地，電力裝置的繼電保護(hù)與自動(dòng)裝置設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50

49、062-92）已經(jīng)有明確規(guī)定。7.1.3 變送器有三線制與兩線制兩種，其電源一般為直流24V，三線制有+24V，地線與信號(hào)線三根線，兩線制為+24V與地線兩根線，通過+24V電源線的電流變化來反應(yīng)測量信號(hào)的變化。變送器的電源線，特別是地線不能共用，每個(gè)變送器單獨(dú)設(shè)計(jì)一組線，以免信號(hào)變化時(shí)相互產(chǎn)生影響。電量變送器的電源一般為交流（AC）220V，必須單獨(dú)敷設(shè)，所有變送器可以共用一組電源線，但輸出直流信號(hào)線不能共用，必須單獨(dú)引到計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。7.2 控制回路電纜設(shè)計(jì)7.2.1開關(guān)量輸出（DO）的控制回路電壓一般為交流（AC）220V，所以電氣設(shè)計(jì)時(shí)可以與強(qiáng)點(diǎn)控制回路結(jié)合起來進(jìn)行設(shè)計(jì)，但不能與弱電

50、線路共用一根電纜或穿在同一根鋼管中敷設(shè)。7.2.2 模擬量輸出（AO）控制回路傳輸?shù)氖侵绷鞯碗妷?、小電流弱電信?hào)，設(shè)計(jì)時(shí)一定要選用屏蔽線或穿鋼管敷設(shè)。電氣設(shè)計(jì)時(shí)可以與模擬量輸入（AI）等弱電線路結(jié)合起來設(shè)計(jì)。7.3 信號(hào)回路電纜設(shè)計(jì)7.3.1開關(guān)量輸入（DI）直流信號(hào)線可以與模擬量輸入（AI）與輸出（AO）結(jié)合起來選用屏蔽電纜或套鋼管敷設(shè)。信號(hào)線地線可以共用，n個(gè)信號(hào)可以用（n+1）芯電纜。7.3.2開關(guān)量輸入(DI)交流信號(hào)必須單獨(dú)設(shè)計(jì),也可以與交流開關(guān)量輸出(DO)結(jié)合起來進(jìn)行設(shè)計(jì)，一般可以不選用屏蔽線。7.4 通信電纜設(shè)計(jì)7.4.1 通信電纜傳輸?shù)氖歉哳l率數(shù)字信號(hào),線路干擾會(huì)破壞計(jì)算機(jī)通

51、信的正常工作。電氣設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的要求選用屏蔽雙絞線、計(jì)算機(jī)用屏蔽電纜或普通屏蔽電纜。計(jì)算機(jī)用屏蔽電纜有總屏,對屏以及對屏與總屏三種屏蔽方式。只有一路通信一般選用總屏方式，有多路通信時(shí)需要選對屏方式,對屏與總屏方式一般只用于工作環(huán)境干擾特別大的重要工程。7.4.2 通信電纜在戶內(nèi)一般選用屏蔽雙絞線。通信電纜需要在戶外敷設(shè)一般選用帶戶套與鎧裝的計(jì)算機(jī)用通信電纜。通信距離只有幾十米,通信速率不高時(shí)也可以選用普通屏蔽電纜。7.4.3通信電纜的屏蔽層必須可靠接地, 。通信電纜的屏蔽層應(yīng)兩端接地，電力裝置的繼電保護(hù)與自動(dòng)裝置設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50062-92）已經(jīng)有明確規(guī)定。有些資料提出應(yīng)在一端

52、一點(diǎn)接地,分歧比較大。7.4.4有綜合布線系統(tǒng)的建筑物,計(jì)算機(jī)通信電纜可以選用布線系統(tǒng)中的線路作為通信線,但由于施工及調(diào)試配合等因素的影響,一般計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)制造廠家都希望單獨(dú)敷設(shè)通信電纜。8 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)接地與電氣安全電氣設(shè)計(jì)8.1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)接地電氣設(shè)計(jì)8.1.1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)地線種類計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的地是指直流電源的地,地線是指其直流電源的地線。根據(jù)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)所包括的直流電源種類,可分為計(jì)算機(jī)本身的直流電源地與地線(一般稱為系統(tǒng)地)，外部設(shè)備，包括擴(kuò)展接口板，傳感器，變送器，繼電器及儀表與信號(hào)回路的直流電源地與地線(一般稱為現(xiàn)場地)，以及隔離型通信接口的直流電源地與地線(一般稱為通

53、信地)。計(jì)算機(jī)中央處理器（CPU）及外圍芯片以脈沖方式（數(shù)字量）進(jìn)行信息交換，脈沖以直流電源地線作為參數(shù)電位，所以地線電位突變就會(huì)影響計(jì)算機(jī)的正常工作，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)備制造與電氣設(shè)計(jì)都應(yīng)采取措施盡量減少地線電位的變化，從而保證計(jì)算機(jī)的正常工作。8.1.2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)接地方式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的接地方式可分為浮空地（不接地），單獨(dú)接地與聯(lián)合接地等。大中型計(jì)算機(jī)房一般應(yīng)采用單獨(dú)接地，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)一般采用聯(lián)合接地或浮空地，電氣設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的具體要求及有關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范來進(jìn)行接地系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。有關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范有民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范（JGT/T 16-92），建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50057-94

54、），電子計(jì)算機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50174-94），工業(yè)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)抗干擾技術(shù)規(guī)范（CECS 81：96），工業(yè)企業(yè)通信接地設(shè)計(jì)規(guī)范（GB779-85）等。8.1.3 系統(tǒng)地接地設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的系統(tǒng)地一般不引出計(jì)算機(jī)，即浮空地形式運(yùn)行，不需要考慮接地。有些計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)地與計(jì)算機(jī)金屬外殼相連通，這時(shí)就需要進(jìn)行保護(hù)接地，應(yīng)選用絕緣銅芯線或電纜直接接到建筑物等電位體上，也可接到TN-S或TN-C-S接地系統(tǒng)的PE線上。需要單獨(dú)接地時(shí)，可以用絕緣銅芯線接到建筑物的接地裝置上，此時(shí)計(jì)算機(jī)金屬外殼應(yīng)采取絕緣措施；距接地裝置較遠(yuǎn)時(shí)可以單獨(dú)設(shè)置接地裝置，接地電阻應(yīng)小于4歐姆，或按計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)

55、。8.1.4 現(xiàn)場地接地設(shè)計(jì)現(xiàn)場地必須接地，以取得一個(gè)統(tǒng)一的參考電位。所以現(xiàn)場地地線必須用絕緣銅芯線或電纜，不能用屏蔽電纜的屏蔽層，鎧裝電纜的金屬層以及穿鋼管敷設(shè)的鋼管作為現(xiàn)場地的地線?，F(xiàn)場地只能有一點(diǎn)接地。對于有等電位連接的建筑物，用絕緣銅芯線或電纜直接接到等電位聯(lián)接體上，沒有等電位連接的建筑物，現(xiàn)場地集中于一點(diǎn)后，再接到TN-S或TN-C-S接地系統(tǒng)的PE線上。但TN-S或TN-C-S系統(tǒng)施工時(shí)應(yīng)保證PE線在引出后不能再與N線有任何連接。 有些外部設(shè)備的直流地與設(shè)備的金屬外殼相連通，這時(shí)就會(huì)形成多點(diǎn)接地，接地線上電位變化會(huì)對計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的運(yùn)行造成影響，這時(shí)要求等電位連接。否則現(xiàn)場設(shè)備的金

56、屬外殼安裝時(shí)要采取絕緣措施，然后把現(xiàn)場地地線集中于一點(diǎn)后，接到保護(hù)地線（PE）上進(jìn)行保護(hù)接地。8.1.5 通信地接地設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)通信一般用差動(dòng)方式傳輸脈沖，所以抗干擾能力較強(qiáng)，通信電源的地線一般不單獨(dú)引出，它采用不接地，即浮空地方式運(yùn)行。 8.1.6 電纜屏蔽層接地通信電纜的屏蔽層必須可靠接地, 。通信電纜的屏蔽層應(yīng)兩端接地，電力裝置的繼電保護(hù)與自動(dòng)裝置設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50062-92）已經(jīng)有明確規(guī)定。有些資料提出應(yīng)在一端一點(diǎn)接地,分歧比較大。8.1.7 供電電源接地設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的電源一般為交流（AC）220V，50HZ，單相電源，只有大中型計(jì)算機(jī)房才用交流（AC）220/380V。50HZ，三相電源，采用TN-S或TN-C-S系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的外露導(dǎo)電部分應(yīng)根據(jù)有關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行保護(hù)接地。美國電力研究所（EPRI）的電力電子應(yīng)用中心（PAEC）在中性線（N）對地線（PE）的電位差是否影響計(jì)算機(jī)正常運(yùn)行方面作過試驗(yàn)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在N線與PE線之間施加6V到4000V，從穩(wěn)態(tài)到豪微秒暫態(tài)過電壓，計(jì)算機(jī)正常工作不會(huì)受影響，但對計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的通信與打印機(jī)等外部設(shè)備的工作有一定影響，這主要是由于各基準(zhǔn)電位之間產(chǎn)生電位差的原因。8.2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)電氣安全保護(hù)設(shè)計(jì)8.2.1計(jì)算機(jī)控制