第10章--計算機控制系統(tǒng)的整體設(shè)計與實施ppt課件(全)

1、 10.1 計算機控制系統(tǒng)設(shè)計原則10.2計算機控制系統(tǒng)工程設(shè)計與實施第10章 計算機控制系統(tǒng)的整體設(shè)計與實施 計算機控制系統(tǒng)設(shè)計原則 1. 可靠性 系統(tǒng)的可靠性是指系統(tǒng)在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力。平均無故障時間MTBF反映了系統(tǒng)可靠工作的能力，平均維修時間MTTR反映了系統(tǒng)出現(xiàn)故障后立即恢復(fù)工作的能力。 第一，選用高性能的工控機。因為工控機對振動、沖擊、粉塵、高溫、電磁干擾和大電流干擾等惡劣的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境，采取了特殊的處理措施，保證系統(tǒng)仍能正常運行。 第二，設(shè)計時采用可靠的控制方案，并具有各種安全保護措施，使系統(tǒng)具有故障報警、事故預(yù)測、故障處理、不間斷電源等功能。 第三，

2、為避免出現(xiàn)故障后對生產(chǎn)造成損失，有必要設(shè)置后備裝置。 1. 可靠性（續(xù)） 后備裝置的工作方式有雙機備用系統(tǒng)（其工作方式有備份工作方式、主從工作方式和雙工工作方式）和分級分布式控制方式。 (1) 雙機備用系統(tǒng) 在雙機系統(tǒng)中，用兩臺微機作為系統(tǒng)的核心控制器。由于兩臺微機同時發(fā)生故障的概率很小，從而大大提高了系統(tǒng)的可靠性。1) 備份工作方式： 這種方式中，一臺微機投入運行，另一臺脫機作為系統(tǒng)的備份機。2) 主-從工作方式：正常情況下，兩臺微機分別執(zhí)行不同任務(wù)。一臺微機承擔(dān)主要控制工作（主機），另一臺執(zhí)行一般數(shù)據(jù)處理或部分設(shè)備的控制等工作（從機）。當(dāng)主機發(fā)生故障時，它能自動地脫離系統(tǒng)，3) 雙工工作方

3、式：兩臺主機同時投入系統(tǒng)運行，在任何一個時刻都同步執(zhí)行同一個任務(wù)，并把結(jié)果送到專門的裝置進行核對，如圖10.1所示。 1. 可靠性（續(xù)）圖10.1 雙工工作方式（2）分布式控制系統(tǒng) 其是提高可靠性的一個重要發(fā)展。把所有任務(wù)分散地由多臺微機來承擔(dān)，用一臺計算機作為上一級的管理主機，如圖10.2所示。分兩級，第一級對各被控對象進行控制，而上一級的微機通過總線與下一級的微機相連接，并對它們實施管理和監(jiān)控。 局部故障機器所承擔(dān)任務(wù)還能夠由上一級主機來接替，因此，系統(tǒng)工作基本不受影響。如果上一級主機發(fā)生故障，則下一級微機仍可以獨立維持對被控對象的控制，直到上一級主機排除故障為止。 1. 可靠性（續(xù)）圖1

4、0.2 分布式控制示意圖 表現(xiàn)在操作簡單、直觀形象、便于掌握，并不強求操作工作要掌握計算機知識才能操作，有利于系統(tǒng)的推廣和應(yīng)用。在硬件配置方面系統(tǒng)的控制開關(guān)不能太復(fù)雜，操作順序要簡單；同時應(yīng)盡可能采用標(biāo)準(zhǔn)的功能模塊，便于查找故障模塊并更換故障模板，安裝工作指示燈和監(jiān)測點，便于維修人員檢查。軟件方面，應(yīng)盡可能采高級語言，方便程序修改，故障一旦發(fā)生，應(yīng)易于排除與維護，同時應(yīng)配置診斷程序，在故障發(fā)生時用程序來查找故障發(fā)生的部位，從而縮短排除故障的時間。凡是涉及人機工程的一切問題都應(yīng)逐一加以考慮。2. 操作、維護與維修方便實時性是重要指標(biāo)之一，要求系統(tǒng)對內(nèi)部和外部事件能及時地響應(yīng)，并在規(guī)定的時間內(nèi)做出

5、相應(yīng)的處理；實時系統(tǒng)有兩個基本要求：第一，計算必須產(chǎn)生正確結(jié)果，稱為邏輯或功能正確；第二，計算必須在預(yù)定的時間內(nèi)完成，稱為時間正確。 靠軟件來保證系統(tǒng)的實時性，使軟件能充分發(fā)揮計算機硬件的潛力，從而使計算機解決某一個問題所需的時間最短。另外，工程上能設(shè)置中斷，根據(jù)故障的輕重緩急，能夠預(yù)先分配中斷級別，一旦有事件發(fā)生，根據(jù)中斷優(yōu)先級別進行處理，保證最先處理緊急故障。3. 實時性 根據(jù)各種不同的設(shè)備和不同控制對象的控制要求，靈活地設(shè)計系統(tǒng)。這樣設(shè)計出的系統(tǒng)便于隨時進行系統(tǒng)的擴展或改進，通用性好。通用性表現(xiàn)在一下幾個方面： 第一，硬件設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化，采用標(biāo)準(zhǔn)總線結(jié)構(gòu)，如STD總線、AT總線和MULTIB

6、US總線等，并配置各種通用功能模板。擴充時，只增加相應(yīng)接口插件通道或功能模板即可。 第二，軟件設(shè)計時使用標(biāo)準(zhǔn)庫函數(shù)和模塊結(jié)構(gòu)，不需要二次開發(fā)，只需按照要求選擇各種庫函數(shù)即可。為了減少系統(tǒng)擴充或者硬件更新時的工作量，在速度允許的情況下，盡可能用軟件功能代替硬件功能。 第三，各個設(shè)計指標(biāo)留有余量，為日后系統(tǒng)的擴充創(chuàng)造有利的條件。4. 通用性好 計算機控制系統(tǒng)在滿足設(shè)計基本要求的前提下，還應(yīng)該具有較好的經(jīng)濟性，投入市場要有一定的競爭力。經(jīng)濟性主要體現(xiàn)在兩個方面：一方面系統(tǒng)的性價比要盡可能高，而投入產(chǎn)出比要盡可能低，投資回報周期要盡可能短；另一方面還要從提高產(chǎn)品質(zhì)量與產(chǎn)量、節(jié)能降耗、減少污染、改善勞動

7、條件等經(jīng)濟、社會效益各方面進行綜合評估。5. 經(jīng)濟性高 計算機控制系統(tǒng)設(shè)計步驟 計算機控制系統(tǒng)的設(shè)計的一般過程如圖10.3所示，具體可分為五個階段：工程項目與控制要求分析；總體設(shè)計和可行性評價；工程項目設(shè)計（軟件和硬件設(shè)計與調(diào)試）；離線仿真和調(diào)試階段；在線調(diào)試和運行階段。 圖10.3 計算機控制系統(tǒng)的一般設(shè)計步驟 計算機控制系統(tǒng)設(shè)計步驟（續(xù)）計算機控制系統(tǒng)從設(shè)計到實施的整個過程大致如下：(1) 總體方案設(shè)計； (2) 工作計劃的制訂與實施；(3) 計算機及儀表的選型；(4) 設(shè)備訂貨、驗收；(5) 各方面的人員安排、調(diào)配；(6) 控制系統(tǒng)的研究、開發(fā)、集成、安裝、調(diào)試；(7) 工程驗收和投入使

8、用；(8) 其他相關(guān)工作。1工程項目與控制要求的確定階段 被控對象既是設(shè)計的目的對象，也是系統(tǒng)設(shè)計的出發(fā)點和基礎(chǔ)。對被控對象的控制系統(tǒng)設(shè)計需要對其完成的功能和性能進行分析，這個分析過程就是要求分析，其結(jié)果以要求分析說明書的形式呈現(xiàn)。開發(fā)者要根據(jù)被控對象的具體情況，按照企業(yè)的經(jīng)濟能力、未來系統(tǒng)運行后可能產(chǎn)生的經(jīng)濟效益、企業(yè)的管理要求、人員的素質(zhì)、系統(tǒng)運行的成本等多種要素進行分析，其項目可行性分析論證流程如圖10.4所示。圖10.4 項目可行性論證流程 工程項目與控制任務(wù)的確定階段一般流程如下所述。 (1) 甲方提出任務(wù)委托書。有明確技術(shù)性能指標(biāo)要求，包含經(jīng)費、計劃進度、合作方式等內(nèi)容。 (2)

9、乙方研究任務(wù)委托書。乙方在接到委托書后認(rèn)真閱讀，并逐條研究。(3) 雙方對委托書進行確認(rèn)修改。在乙方對委托書進行了認(rèn)真研究之后，雙方應(yīng)就委托書的確認(rèn)或修改事宜進行協(xié)商和討論。(4) 乙方初步進行總體方案設(shè)計?？傮w方案設(shè)計時應(yīng)多做幾個方案比較。方案應(yīng)反映出三大關(guān)鍵問題：技術(shù)難點、經(jīng)費概算、工期。(5) 乙方進行方案可行性論證。方案可行性論證目的是估計完成該項任務(wù)的可能行，并為簽訂合同設(shè)計工作打下基礎(chǔ)，論證的主要內(nèi)容是技術(shù)可行性、經(jīng)費可行性、進度可行性。 (6) 簽訂合同書。合同書是達成一致意見的結(jié)果，是合作的依據(jù)與憑證。1工程項目與控制要求的確定階段（續(xù)）2系統(tǒng)總體設(shè)計與可行性評價 制定總體方案

10、必須根據(jù)被控對象工藝與控制要求，綜合考慮控制設(shè)備情況，一般包含以下幾個方面的任務(wù)： (1) 弄清系統(tǒng)的規(guī)模。 (2) 確定系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式。 確定是用芯片級設(shè)計還是用模板組合、單機、多機或聯(lián)網(wǎng)形式，還是采用DDC、SCC或者分布式控制等等，可以參考表10.1。 (3) 軟硬件功能的劃分。(4) 畫出系統(tǒng)總框圖，進行設(shè)計分工。(5) 確定控制算法。(6) 確定內(nèi)存容量及其分配。(7) 確定過程通道種類及數(shù)目。 (8) 確定系統(tǒng)中斷能力與中斷方式。 (9) 確定字長、速度和總線形式。 (10) 確定研制方法及開發(fā)工具。在計算機控制系統(tǒng)研發(fā)過程中，特別有效的方法是利用控制系統(tǒng)的計算機輔助分析和設(shè)計技術(shù)

11、，進行可靠性及精度指標(biāo)的分配。2系統(tǒng)總體設(shè)計與可行性評價（續(xù)）被控變量數(shù)輸入/輸出變量數(shù)推薦集成基礎(chǔ)系統(tǒng)規(guī)模15110單回路數(shù)字控制器微系統(tǒng)23010100工控機/PLC單機系統(tǒng)小于1001001000小型DCS/FCS系統(tǒng)小型系統(tǒng)10050010005000中型DCS/FCS系統(tǒng)大型系統(tǒng)大于500DCS/FCS系統(tǒng)巨型系統(tǒng)表10.1 被控變量個數(shù)與推薦系統(tǒng)3工程項目的設(shè)計階段 工程項目的設(shè)計階段主要包括組建項目研制小組、系統(tǒng)總體方案的設(shè)計、方案論證與評審、軟硬件的細(xì)化設(shè)計、制作調(diào)試、系統(tǒng)組裝等。1) 組建項目小組在簽訂了合同后，研制進入設(shè)計階段。首先確定項目組成員。項目組成員應(yīng)該從硬件和軟件

12、出發(fā)進行分工，并且明確相互的協(xié)調(diào)合作關(guān)系。2) 形成總體方案系統(tǒng)總體方案設(shè)計包括系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成方式、硬件與軟件的功能劃分、控制策略和控制算法的確定等?？傮w方案需要經(jīng)過反復(fù)協(xié)調(diào)，才能形成合理的方案。 3) 方案論證與評審 對設(shè)計方案的把關(guān)和最終裁定，評審后確定的方案是進行具體設(shè)計和工程實施的依據(jù)。 4) 硬件和軟件的分別細(xì)化設(shè)計 細(xì)化設(shè)計就是將方塊圖中的方塊劃到最底層，然后進行底層結(jié)構(gòu)細(xì)化設(shè)計。對于硬件設(shè)計來說，就是選購模塊以及設(shè)計制作專用模板；對于軟件設(shè)計來說，就是將模塊編成程序。5) 硬軟件分別調(diào)試。軟硬件設(shè)計需要邊設(shè)計邊調(diào)試，往往要經(jīng)過幾次反復(fù)才能完成。6) 系統(tǒng)的組裝軟硬件細(xì)化設(shè)計后，做

13、成樣機并分別進行調(diào)試，然后就可進行系統(tǒng)的組裝。組裝是離線仿真和調(diào)試階段的前提和必要條件。3工程項目的設(shè)計階段（續(xù)） 離線仿真調(diào)試一般在實驗室進行，不是在工業(yè)現(xiàn)場進行的仿真和調(diào)試，并盡可能地模仿實際操作時可能出現(xiàn)的各種情況，因為有些特殊情況是在線無法調(diào)試；離線仿真調(diào)試分為硬件調(diào)試和軟件調(diào)試，其流程如圖10.5所示。另外拷機運行也是重要的一環(huán)，拷機目的是要在連續(xù)不停機的運行中暴露問題和解決問題。4離線仿真和調(diào)試階段 圖10.5 離線仿真和調(diào)試階段的流程 系統(tǒng)離線仿真和調(diào)試后便可進行在線調(diào)試和運行，在線調(diào)試和運行就是進行現(xiàn)場調(diào)試和運行，其流程如圖10.6所示?，F(xiàn)場情況更加復(fù)雜，生產(chǎn)過程與其數(shù)學(xué)模型之

14、間總有區(qū)別，現(xiàn)場調(diào)試和運行仍可能出現(xiàn)問題。在系統(tǒng)運行正常后，需要再進行一段時間的試運行，確認(rèn)系統(tǒng)安全可靠后，才能組織驗收。5在線調(diào)試和運行階段 圖10.6 在線調(diào)試和運行流程10.2計算機控制系統(tǒng)工程設(shè)計與實施 需求調(diào)查 這一步的任務(wù)就是了解用戶的需要，包括用戶目前遇到的困難、新系統(tǒng)需要完成哪些功能、外觀要求、接口要求、工作環(huán)境和用戶可接受的設(shè)備成本等因素。將這些用戶需求都記錄下來，寫出需求調(diào)查報告，作為可行性調(diào)研的重要依據(jù)之一。10.2.2 可行性分析 可行性分析包括市場可行性分析和技術(shù)可行性分析兩部分。 市場可行性分析就是了解市場上有無同類產(chǎn)品，其市場占有情況如何，將來的市場發(fā)展前景，新產(chǎn)

15、品的市場價值如何；采取何種策略，才能使新產(chǎn)品具有更強的市場競爭力。 技術(shù)可行性分析就是了解市場上是否有同類產(chǎn)品，如果市場有此類產(chǎn)品，研究其技術(shù)路線是怎樣，找出其中可以借鑒的地方，以及不足可以改進的地方。如果沒有此類產(chǎn)品，則進一步分析實現(xiàn)新系統(tǒng)所牽涉的每個技術(shù)環(huán)節(jié)，從理論上探討其實現(xiàn)過程中的重點環(huán)節(jié)和難點，客觀條件上是否具備開發(fā)該系統(tǒng)的必備條件（如開發(fā)環(huán)境、開發(fā)人員、儀器設(shè)備和資金等）；估計系統(tǒng)開發(fā)成本，預(yù)計成本能否控制在用戶可以接受價格之內(nèi)。 總體方案設(shè)計 經(jīng)過可行性分析認(rèn)為技術(shù)和市場都是可行的產(chǎn)品將進入總體方案設(shè)計階段，總體設(shè)計的首要任務(wù)是進行深入的工藝調(diào)研和現(xiàn)場調(diào)研，確立整體框架結(jié)構(gòu)和具體

16、任務(wù)，明確系統(tǒng)所要完成的任務(wù)。大體上總體方案由系統(tǒng)分析、形成設(shè)計技術(shù)報告、硬件總體方案和軟件總體方案構(gòu)成，其簡要介紹如下： 弄清系統(tǒng)的規(guī)模、控制范圍和工藝流程，并用記錄方式對其進行描述；進一步了解生產(chǎn)工藝對控制的基本要求，弄清控制任務(wù)是要保持工藝過程穩(wěn)定，要實現(xiàn)工藝過程的優(yōu)化；通過調(diào)研弄清楚控制過程需要檢測那些參數(shù)和變量，那些參量需要控制并初步確定輸入輸出口數(shù)量與類型；進一步弄清楚新控制系統(tǒng)使用的供電環(huán)境（如電網(wǎng)穩(wěn)定性、諧波含量和是否經(jīng)常停斷電等）和現(xiàn)場環(huán)境（如振動、溫度、濕度、粉塵和電磁干擾等）；1. 系統(tǒng)調(diào)研2. 形成總體設(shè)計報告 完成初步調(diào)研后，依據(jù)手頭的資料草擬初步方案，并對初步方案進

17、行反復(fù)討論，發(fā)現(xiàn)新問題或不清楚之處，需要再次調(diào)研，然后對原方案進行修改。一般來說，在工藝調(diào)研與驗證、方案修改、方案討論之間往往需要多個循環(huán)才能確定最后的總體設(shè)計方案，并寫成總體設(shè)計技術(shù)報告，該報告包括工藝流程的描述、軟硬件功能描述、計算機控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)、控制算法的確定和用表格的方式對I/O口進行描述。3. 硬件總體方案設(shè)計 計算機控制系統(tǒng)的硬件總體設(shè)計主要包括確定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和類型，系統(tǒng)的構(gòu)成方式，現(xiàn)場設(shè)備及自動化儀表的選擇，人機交互和機箱機柜結(jié)構(gòu)設(shè)計，抗干擾措施等。依據(jù)生產(chǎn)過程對象的要求，確定采用開環(huán)還是閉環(huán)控制，并確定控制系統(tǒng)的類型（數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、直接數(shù)字控制系統(tǒng)和監(jiān)督計算機控制系統(tǒng)等）。

18、確定系統(tǒng)的構(gòu)成方式主要是選擇控制主機，依據(jù)控制系統(tǒng)規(guī)模、控制算法的復(fù)雜程度、控制參數(shù)的數(shù)量和I/O口個數(shù)來選取控制主機（可編程控制器、單片機、數(shù)字信號處理器、工控機和ARM）?，F(xiàn)場設(shè)備主要包含傳感器、變送器和執(zhí)行機構(gòu)，它們是影響系統(tǒng)控制精度的主要因素，因此要從信號量程范圍、精度、對環(huán)境及安裝要求等方面考慮，選擇適當(dāng)。4. 軟件總體方案設(shè)計 確定軟件平臺、軟件結(jié)構(gòu)、任務(wù)分解、構(gòu)建控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型、控制算法的實現(xiàn)和結(jié)構(gòu)流程圖。具體設(shè)計中采用結(jié)構(gòu)化、模塊化、通用化的設(shè)計方法，自上而下或是自下而上地畫出軟件結(jié)構(gòu)方塊圖，逐步細(xì)化，直到能夠清楚地表達出控制系統(tǒng)所要解決的問題為止。其內(nèi)容如下：(1) 系統(tǒng)的

19、主要功能、技術(shù)指標(biāo)、原理性方框圖及文字描述。(2) 控制策略與算法。(3) 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)與配置。(4) 方案的選擇確定過程文件。(5) 可靠性設(shè)計和抗干擾措施。(6) 機柜或機箱的結(jié)構(gòu)與外觀尺寸設(shè)計。(7) 經(jīng)費使用和進度計劃安排。 (8) 現(xiàn)場條件的要求。10.2.4 硬件的工程實現(xiàn) 總體方案設(shè)計之后便要確定哪些功能由硬件實現(xiàn)，哪些功能由軟件實現(xiàn)?，F(xiàn)在的工業(yè)控制使用主機具有高度模塊化和插板結(jié)構(gòu)，能夠采用組合方式簡化計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計。一般盡可能地使用總線式的工控機，輸入輸出口也盡量選購市場上已經(jīng)量產(chǎn)的產(chǎn)品。這些現(xiàn)場模塊化產(chǎn)品可靠性高、功能完善，構(gòu)成系統(tǒng)極為方便，所以，除非無法買到滿足

20、自己要求的產(chǎn)品，否則絕不要隨意自行研制。 另外，在計算機控制系統(tǒng)中，有些功能必須由硬件實現(xiàn)，如鍵盤接口、顯示器接口、A/D和D/A轉(zhuǎn)換等；有些功能只能由軟件實現(xiàn)，如點陣液晶顯示的驅(qū)動、大部分的通信編碼，還有一些信號處理的算法等。而有些功能既能用軟件實現(xiàn)又能用硬件實現(xiàn)，如信號的濾波。所以在進行系統(tǒng)設(shè)計時，需要綜合考慮，將硬件、軟件功能劃分清楚。1主機機型與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式的確定 在選擇或自行設(shè)計計算機系統(tǒng)時，要注意以下幾個事項： (1) CPU的字長。微型機功能與字長有關(guān)，位數(shù)越多，運算與控制越強。 (2) 指令系統(tǒng)。指令系統(tǒng)豐富，指令越多，編程越容易，功能越強。 (3) 運算速度。在用模塊組成系統(tǒng)

21、時，注意各模塊間的速度匹配。 (4) 中斷系統(tǒng)。有中斷便于及時處理系統(tǒng)中的各種異?；蛞馔馇闆r。 (5) 實時時鐘。時鐘用于控制采用間隔，定時打印，記錄事故或事件發(fā)生等情況。 (6) 人機對話能力。確定控制主機的人機對話功能，做到人機界面好，操作方便簡單。 從提高系統(tǒng)可靠性、縮短開發(fā)周期考慮，硬件的總體設(shè)計應(yīng)該盡可能采用成熟技術(shù)和現(xiàn)有硬件模塊產(chǎn)品，盡量避免從零開始。 2I/O通道的選擇 應(yīng)用計算機對生產(chǎn)現(xiàn)場設(shè)備進行控制，除與主機外，還必須配備連接計算機與被控對象并進行它們之間信息傳遞和變換的I/0接口。生產(chǎn)廠家通常以功能模塊的形式生產(chǎn)I/0接口，其中最主要的有：模擬量輸入輸出(AI/AO)模板和

22、數(shù)字量(開關(guān)量)輸入輸出(DI/DO)模板。 總之，控制系統(tǒng)中的AI/AO接口的模型、組合、數(shù)量等按具體被控生產(chǎn)過程的輸入?yún)?shù)、輸出參數(shù)的種類、數(shù)量、控制要求，并適當(dāng)考慮系統(tǒng)將來擴充需要來確定。3選擇現(xiàn)場設(shè)備 變送器是把傳感器的輸出信號轉(zhuǎn)變?yōu)榭杀豢刂破髯R別的信號（或?qū)鞲衅鬏斎氲姆请娏哭D(zhuǎn)換成電信號同時放大以便供遠(yuǎn)方測量和控制的信號源）的轉(zhuǎn)換器。傳感器和變送器一同構(gòu)成自動控制的監(jiān)測信號源。 執(zhí)行器是自動化技術(shù)工具中接收控制信息并對受控對象施加控制作用的裝置。 其他現(xiàn)場設(shè)備指的是現(xiàn)場控制系統(tǒng)中 一些必不可少的輔助設(shè)備，如有的場合有流量泵、計量泵、安裝移動成份儀表的掃描機架及其控制箱等?？刂剖壹皟?nèi)裝

23、修、空調(diào)等，這些設(shè)備在硬件工程中也必須考慮在內(nèi)。4硬件電路實現(xiàn) 硬件模塊規(guī)劃。根據(jù)系統(tǒng)的整體要求，將系統(tǒng)劃分成多個功能相對獨立的模塊（如中央處理模塊、擴展模塊、信號測量模塊、人機接口模塊、通信模塊等），分別確定各自的功能框架、模塊之間的接口約定。 原理圖設(shè)計，根據(jù)功能劃分情況，分別設(shè)計各個模塊的具體硬件電路，包括器件的選擇，電路原理圖的設(shè)計，以及原理圖的仿真測試。 電路板設(shè)計，根據(jù)各個模塊電路原理圖，以及各個功能模塊的性質(zhì)和接口連接情況決定硬件電路板的分布情況，并設(shè)計系統(tǒng)電路板。 電路板裝配，根據(jù)電路板的設(shè)計情況，結(jié)合原理圖的設(shè)計，列出所用元器件清單，購買元器件，等電路板制作完成后，焊接裝配電

24、路。 模塊功能測試，電路板裝配好后，測試各功能功能實現(xiàn)情況，進行調(diào)整，各個模塊基本測試通過后，待軟件開發(fā)完成后，就進行系統(tǒng)聯(lián)調(diào)。 5硬件設(shè)計時需注意的問題 盡可能選用標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、集成度高典型電路，提高系統(tǒng)的可靠性。 系統(tǒng)設(shè)計時，在滿足當(dāng)前要求的前提下，要留有適當(dāng)?shù)臄U展余地（包括存儲空間要留有余地），電路板設(shè)計得不要太擁擠，留有適當(dāng)?shù)倪^線孔。對于測試完全通過的系統(tǒng)，在系統(tǒng)定型時，可以在結(jié)構(gòu)上稍微緊湊些。 在技術(shù)成熟的前提下，盡可能地選用一些技術(shù)上更新、集成度更高、功能更強的芯片，而不要選用過時的元器件。一方面可以簡化系統(tǒng)設(shè)計，另一方面也可以節(jié)省成本。 在設(shè)計電路時，還要考慮系統(tǒng)各部分的驅(qū)動能

25、力，輸入輸出阻抗是否匹配，接地、安裝、維修是否方便，以及抗干擾性能等有關(guān)細(xì)節(jié)。 在硬件設(shè)計和調(diào)試過程中，當(dāng)按總體方案的設(shè)想滿足不了要求時，可更改設(shè)計方案并進行實驗，直到滿足技術(shù)指標(biāo)要求為止。6解決抗干擾問題，提高系統(tǒng)可靠性 (1) 在硬件設(shè)計和加工時應(yīng)選用質(zhì)量好電子元件和連接器，并進行嚴(yán)格測試和篩選。 (2) 電路設(shè)計時要注意電平匹配。 (3) 設(shè)計時要充分考慮阻抗匹配，各部分間驅(qū)動能力要留有余地。 (4) 設(shè)計PCB時，強弱電要嚴(yán)格分開，數(shù)字地和模擬地要分開，與電源端地線相連。 (5) 對供電電源要采取抗干擾措施。 (6) 對輸入/輸出通道采取抗干擾措施。 軟件的工程實現(xiàn) 一般來說控制系統(tǒng)的

26、軟件設(shè)計應(yīng)在總體設(shè)計基礎(chǔ)上，根據(jù)設(shè)計任務(wù)書明確的系統(tǒng)功能和技術(shù)指標(biāo)要求畫出程序總體流程圖和各功能模塊流程圖，再進行系統(tǒng)組態(tài)或選擇程序設(shè)計語言編制控制程序。具體程序設(shè)計一般要處理以下內(nèi)容。 1. 數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)規(guī)劃 一般來說，數(shù)據(jù)處理模塊和數(shù)據(jù)采集模塊的輸出都需要通過數(shù)據(jù)庫進行一定時間的保存。因此，不僅要確定相關(guān)數(shù)據(jù)的類型，而且要很好地規(guī)劃數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，即數(shù)據(jù)存放格式。系統(tǒng)各個模塊之間存在著各種因果關(guān)系，相互之間要進行各種信息的傳遞。如數(shù)據(jù)采集模塊的輸出信息是數(shù)據(jù)處理模塊的輸入，而數(shù)據(jù)處理模塊的輸出可能又是顯示模塊、打印模塊、控制模塊等的輸入。各模塊之間的關(guān)系一方面體現(xiàn)在程序的流程上，一方面體現(xiàn)

27、在接口條件上。為防止接口條件出錯，可將每個執(zhí)行模塊要用到的參數(shù)和輸出的結(jié)果列出來，為每一個參數(shù)規(guī)劃一個數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，然后嚴(yán)格規(guī)定好各個接口條件，即輸入條件與輸出結(jié)果。要注意的是，不同模塊共用的參數(shù)只能取一個名稱，以保證同一參數(shù)只有一種格式。 2. 資源分配 軟件設(shè)計時應(yīng)了解的系統(tǒng)資源包括ROM、RAM、定時器/計數(shù)器、中斷源、I/O地址等。ROM資源用于存放程序和表格，而I/O地址、定時器/計數(shù)器、中斷源在任務(wù)分析時已經(jīng)分配好。因此，資源分配主要是RAM資源的分配。RAM資源分配好以后，應(yīng)列出一張RAM資源的詳細(xì)分配清單，作為編程的依據(jù)。3. 實時控制軟件設(shè)計 1) 數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理。

28、 數(shù)據(jù)采集程序主要包括多路信號的采樣、輸入變換和存儲等。數(shù)據(jù)處理程序包括各種數(shù)字濾波、線性化處理和非線性補償、標(biāo)度變換和超限報警等，它們可作為公用程序模塊被調(diào)用。模擬輸入信號為mA(DC)或mV(DC)和電阻等?？梢灾苯幼鳛锳/D轉(zhuǎn)換模板的輸入(電流經(jīng)I/V變換變?yōu)殡妷狠斎耄蚪?jīng)放大器放大后再作為A/D轉(zhuǎn)換模板的輸入)。開關(guān)觸點狀態(tài)通過數(shù)字量輸入(DI)模板輸入。輸入信號的點數(shù)可根據(jù)需要選取，每個信號的量程和工業(yè)單位用戶必須規(guī)定清楚。3. 實時控制軟件設(shè)計（續(xù)） 2）實時時鐘與中斷處理。 實時時鐘是計算機控制系統(tǒng)中一切與時間有關(guān)的運行基礎(chǔ)，時鐘有兩種，即絕對時鐘和相對時鐘。絕對時鐘與當(dāng)?shù)貢r間同

29、步，有年、月、日、分、秒等功能；相對時鐘與當(dāng)?shù)貢r間無關(guān)，一般只需時、分、秒，在某些場合要精確到0.1秒甚至毫秒。 3）控制算法。 控制算法程序是實現(xiàn)某種控制規(guī)律的計算，獲得控制量。通常是根據(jù)偏差量來進行計算。常用的控制算法有：PID控制、串級控制、前饋控制、純滯后補償控制、預(yù)測控制、模糊控制、解耦控制、最優(yōu)控制等。設(shè)計時可以選擇這些控制算法現(xiàn)有的軟件模塊，也可以自己編制，可根據(jù)不同的回路控制特點，選擇一種或幾種來實現(xiàn)。3. 實時控制軟件設(shè)計（續(xù)） 4) 控制量輸出。 控制量輸出程序完成對控制量的處理，如上下限和變化率處理、控制量的變換及輸出，并驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)和電氣開關(guān)動作?？刂屏枯敵龀绦虬M

30、量輸出和開關(guān)量輸出兩種。其中模擬量輸出由D/A轉(zhuǎn)換板輸出，一般為標(biāo)準(zhǔn)的010mA、420mA信號，驅(qū)動各種執(zhí)行機構(gòu)動作；開關(guān)量由DO板輸出，驅(qū)動各種電氣開關(guān)。 5) 生產(chǎn)管理。 這部分程序主要用于生產(chǎn)的監(jiān)控和管理，包括畫面顯示、運行趨勢分析、報警記錄、統(tǒng)計報表打印輸出等功能，雖與控制精度沒有直接關(guān)系，但“所見即所得”的組態(tài)環(huán)境，形象、友好的顯示操作畫面很方便操作者的使用，也應(yīng)引起足夠的重視。3. 實時控制軟件設(shè)計（續(xù)） 6) 數(shù)據(jù)通信。 數(shù)據(jù)通信已經(jīng)越來越多地用于計算機控制系統(tǒng)。數(shù)據(jù)通信程序主要完成計算機與計算機之間、計算機與智能設(shè)備之間的信息傳遞和交換。這個功能主要在集散控制、現(xiàn)場總線控制和

31、工業(yè)以太網(wǎng)控制等系統(tǒng)中實現(xiàn)。因此，數(shù)據(jù)通信軟件必然成為實時過程控制軟件的一部分。4. 軟件實現(xiàn) (1) 軟件模塊規(guī)劃。根據(jù)系統(tǒng)整體功能要求，將系統(tǒng)軟件劃分成多個功能相對獨立的模塊（如中央處理模塊、信號測量模塊、控制模塊、人機接口模塊、通信模塊等），分別確定各自的功能框架結(jié)構(gòu)，根據(jù)硬件連接情況，確定各擴展器件的地址空間，合理分配系統(tǒng)的內(nèi)存資源，約定模塊之間的軟件接口。 (2) 流程圖設(shè)計。根據(jù)前面的功能劃分情況，分別設(shè)計各個模塊的具體軟件流程框圖。 (3) 軟件的輸入、編輯和調(diào)試。根據(jù)前面的各個模塊的流程框圖，分別設(shè)計各個模塊的軟件代碼，輸入、編輯并仿真測試各個模塊代碼的功能，若有問題則及時調(diào)整

32、，直到各個軟件模塊都能測試通過。5軟件設(shè)計時需注意的問題 (1) 盡可能選用標(biāo)準(zhǔn)化、成熟的軟件代碼，提高設(shè)計成功的可能性。 (2) 模塊劃分時，各模塊要盡量獨立，單個模塊功能盡量單一。 (3) 模塊間的接口定義在整個系統(tǒng)內(nèi)要盡量唯一，接口占用的資源（RAM單元）在整個系統(tǒng)內(nèi)要盡量不被他單元使用，減少模塊間相互干擾。 (4) 軟件模塊內(nèi)部所使用的公共寄存器（如A、B、PSW、R0、R1等）在使用前應(yīng)該加以保護，使用后再進行恢復(fù)，以免影響其他模塊使用。 (5) 軟件模塊代碼前部應(yīng)該有該模塊的功能描述、接口描述，甚至作者、修改時間等記錄。代碼中關(guān)鍵語句的功能也要有描述，所用變量的含義要有注釋，以便其他人員閱讀，也方便于作者修改代碼時參考。 (6) 軟件設(shè)計時，要考慮軟件抗干擾設(shè)計。它是提高程序可靠性的有力保障（比如，軟件陷阱及看門狗技術(shù)，數(shù)據(jù)采集時的多次采樣技術(shù)等）。 系統(tǒng)調(diào)試與現(xiàn)場運行 1離線仿真與調(diào)試 系統(tǒng)調(diào)試包括硬件調(diào)試和軟件調(diào)試，而且兩者是密不可分的。設(shè)計好的硬件電路和軟件程序，只有經(jīng)過聯(lián)合調(diào)試后，才能驗證其正確性；軟硬件的配合情況以及是否達到設(shè)計的要求，也只有經(jīng)過調(diào)試才能發(fā)現(xiàn)問題并加以解決和完善。計算機控制系統(tǒng)的調(diào)試可分為硬件調(diào)試、軟件調(diào)試、系統(tǒng)聯(lián)調(diào)和現(xiàn)場調(diào)試四個過程，其中現(xiàn)場調(diào)試屬于在線調(diào)試與運行。 1離線仿真與調(diào)試（續(xù)） (1) 硬件