控制系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)第章

第1章工程設(shè)計(jì)與實(shí)踐基礎(chǔ)知識(shí)1.1基礎(chǔ)知識(shí)1.2設(shè)計(jì)原則

1.3實(shí)施步驟1.1基礎(chǔ)知識(shí)1.1.1電子器件圖例符號(hào)常用電子器件有分離元件和集成元件兩大類。

分離元件包括電阻器、電容器、電感器、二極管、三極管、晶閘管和場(chǎng)效應(yīng)管。

集成元件包括集成運(yùn)算放大器和典型集成器件。（1）分離元件圖形及基本文字符號(hào)1．分離元件（2）電阻器色碼圖形表示和額定功率通用符號(hào)圖1-1電阻器阻值色碼表示圖例圖1-2電阻器額定功率的通用符號(hào)（3）二極管、三極管和晶閘管外形圖例圖1-3常用二極管外形圖例圖1-4片狀封裝二極管外形圖例圖1-5三極管外形圖例圖1-6片狀三極管圖1-7復(fù)合雙三極管圖1-8晶閘管外形圖例2．集成元件（1）集成運(yùn)放的符號(hào)和外形圖1-9集成運(yùn)放的符號(hào)圖1-10集成運(yùn)放外形圖例（2）集成成運(yùn)放放的基基本應(yīng)應(yīng)用圖1-11集成運(yùn)運(yùn)放反反饋回回路和和輸入入形式式1.1.2控制流流程圖圖例符符號(hào)1．工藝藝設(shè)備備代號(hào)號(hào)與圖圖例2．控制制系統(tǒng)統(tǒng)常用用圖例例符號(hào)號(hào)圖1-12檢測(cè)點(diǎn)點(diǎn)的標(biāo)標(biāo)識(shí)（1）圖形形符號(hào)號(hào)圖1-13儀表圖圖形符符號(hào)圖1-14控制室室內(nèi)非非監(jiān)視視儀表表圖形形符號(hào)號(hào)（2）字母母代號(hào)號(hào)圖1-15儀表位位號(hào)組組成示示例（3）儀表表位號(hào)號(hào)3．控制制流程程圖示示例圖1-17計(jì)算機(jī)機(jī)控制制流程程圖示示例1.1.3電氣設(shè)設(shè)備圖圖例符符號(hào)1.電氣設(shè)設(shè)備圖圖形符符號(hào)表1-11電機(jī)與與變壓壓器圖圖形符符號(hào)表1-12儀表、、信號(hào)號(hào)器件件圖形形符號(hào)號(hào)表1-13配電箱箱、屏屏、控控制臺(tái)臺(tái)圖形形符號(hào)號(hào)表1-14電氣線線路圖圖形符符號(hào)2.電氣設(shè)設(shè)備文文字符符號(hào)（1）文字字符號(hào)號(hào)電氣圖圖中除除使用用設(shè)備備圖形形符號(hào)號(hào)外，，在電電氣設(shè)設(shè)備、、裝備備和元元件旁旁邊還還需要要標(biāo)注注一些些文字字符號(hào)號(hào)以表表示電電氣設(shè)設(shè)備、、裝備備和元元件的的名稱稱、功功能、、狀態(tài)態(tài)和特特征。。文字符符號(hào)可可以作作為限限定符符號(hào)與與一般般圖形形符號(hào)號(hào)組合合，以以派生生出新新的圖圖形符符號(hào)。。表1-15電氣設(shè)備基本本文字符號(hào)表1-16電氣設(shè)備輔助助文字符號(hào)（2）輔助文字符符號(hào)表1-17電源線路和三三相電氣設(shè)備備標(biāo)記符號(hào)（3）電源線路標(biāo)標(biāo)記符號(hào)電氣電源一般般用三相五線制表示，即三根根相（火）線線、一根中（（零）線和一一根地線，在在電氣控制圖圖中也有規(guī)范范的標(biāo)記符號(hào)號(hào)表示1.2設(shè)計(jì)原則對(duì)于不同的控控制對(duì)象，系系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方方案和具體的的技術(shù)指標(biāo)是是不同的，但但系統(tǒng)設(shè)計(jì)的的基本原則是是一致的，這這就是：系統(tǒng)的可靠性性要高，操作作性能要好，，實(shí)時(shí)性要強(qiáng)強(qiáng)，通用性要要好，經(jīng)濟(jì)效效益要高。1．可靠性要高高系統(tǒng)的可靠性性是指系統(tǒng)在在規(guī)定的條件件下和規(guī)定的的時(shí)間內(nèi)完成成規(guī)定功能的的能力。在自動(dòng)化控制制系統(tǒng)中，可可靠性指標(biāo)一一般用系統(tǒng)的的平均無(wú)故障障時(shí)間（MTBF，MeanTimeBetweenFailures）來(lái)表示。MTBF反映了系統(tǒng)可可靠工作的能能力。但是，，組成一個(gè)系系統(tǒng)的元器件件往往有成千千上萬(wàn)個(gè)，組組合的方式也也各種各樣，，一個(gè)系統(tǒng)的的MTBF再長(zhǎng)，也有失失效的時(shí)候。。因此，通常常用平均修復(fù)復(fù)時(shí)間（MTTR，MeanTimeToRepair）表示每次失失效（即出現(xiàn)現(xiàn)故障）后所所需的維修時(shí)時(shí)間的平均值值，它表示系系統(tǒng)在出現(xiàn)故故障后立即恢恢復(fù)工作的能能力。一般希希望MTBF要大于某個(gè)規(guī)規(guī)定值，而MTTR值越短越好。。2．操作性要好好操作性能好包包括兩方面含含義，即使用方便和和維護(hù)容易。。首先是使用方方便，系統(tǒng)設(shè)設(shè)計(jì)時(shí)要盡量量考慮方便用用戶使用，并并且要盡量降降低對(duì)使用人人員的專業(yè)知知識(shí)的要求，，使他們能在在較短時(shí)間內(nèi)內(nèi)熟悉和掌握握操作方法。。其次是維修修容易，即故故障一旦發(fā)生生時(shí)易于排除除。從軟件角角度而言，要要配置查錯(cuò)程程序和診斷程程序，以便在在故障發(fā)生時(shí)時(shí)能用程序幫幫助查找故障障發(fā)生的部位位，從而縮短短排除故障的的時(shí)間；在硬硬件方面，從從零部件的排排列位置，標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化的部件件設(shè)計(jì)，以及及能否便于帶帶電插拔等都都要通盤(pán)考慮慮，甚至操作作順序等都要要從方便用戶戶的角度進(jìn)行行設(shè)計(jì)，如面面板上的控制制開(kāi)關(guān)不能太太多、太復(fù)雜雜等。3．實(shí)時(shí)性要強(qiáng)強(qiáng)工業(yè)控制計(jì)算算機(jī)的實(shí)時(shí)性性，表現(xiàn)在對(duì)對(duì)內(nèi)部和外部部事件能及時(shí)時(shí)地響應(yīng)，并并做出相應(yīng)的的處理，不丟丟失信息，不不延誤操作。。計(jì)算機(jī)處理理的事件一般般分為兩類：：一類是定時(shí)事事件，如數(shù)據(jù)的定時(shí)時(shí)采集，運(yùn)算算控制等，對(duì)對(duì)此類事件，，系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置置時(shí)鐘，保證證定時(shí)處理；；另一類是隨機(jī)機(jī)事件，如事故報(bào)警警等，對(duì)此類類事件，系統(tǒng)統(tǒng)應(yīng)設(shè)置中斷斷，并根據(jù)故故障的輕重緩緩急預(yù)先分配配中斷級(jí)別，，一旦事故發(fā)發(fā)生，保證優(yōu)優(yōu)先處理緊急急故障。4．通用性要好好自動(dòng)化控制的的設(shè)備對(duì)象千千變?nèi)f化，而而控制計(jì)算機(jī)機(jī)的研制開(kāi)發(fā)發(fā)又需要有一一定的投資和和周期，一般來(lái)說(shuō)，不不可能為一臺(tái)臺(tái)設(shè)備和一個(gè)個(gè)過(guò)程對(duì)象研研制一臺(tái)專用用計(jì)算機(jī)。因此，系統(tǒng)設(shè)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮慮能適應(yīng)不同同的設(shè)備和不不同的控制對(duì)對(duì)象。當(dāng)設(shè)備備或控制對(duì)象象有所變更時(shí)時(shí)，通用性好好的系統(tǒng)一般般稍作更改就就可適應(yīng)，這這就需要系統(tǒng)統(tǒng)能靈活擴(kuò)充充且便于修改改功能。要使使系統(tǒng)能達(dá)到到這樣的要求求，首先必須須采用通用的的系統(tǒng)總線結(jié)結(jié)構(gòu)，當(dāng)需要要擴(kuò)充時(shí)，只只要增加相應(yīng)應(yīng)的板卡就能能實(shí)現(xiàn)。當(dāng)CPU升級(jí)時(shí)，也只只要更換相應(yīng)應(yīng)的升級(jí)芯片片及少量相關(guān)關(guān)電路即可實(shí)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)升級(jí)級(jí)的目的。其其次，系統(tǒng)設(shè)設(shè)計(jì)時(shí)，各設(shè)設(shè)計(jì)指標(biāo)要留留有一定的余余量，如輸入入/輸出通道指標(biāo)標(biāo)、內(nèi)存容量量、電源功率率等均事先留留有一定的余余量，將為日日后系統(tǒng)的擴(kuò)擴(kuò)充創(chuàng)造有利利的條件。5．經(jīng)濟(jì)效益要要高自動(dòng)化控制應(yīng)應(yīng)該帶來(lái)高的的經(jīng)濟(jì)效益。。經(jīng)濟(jì)效益表表現(xiàn)在兩方面面：一是系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)的性能價(jià)格格比，在滿足設(shè)計(jì)要要求的情況下下，應(yīng)盡量采采用可靠、廉廉價(jià)的元器件件并盡量縮短短設(shè)計(jì)周期；；二是投入產(chǎn)出出比，應(yīng)該從提高生生產(chǎn)過(guò)程的產(chǎn)產(chǎn)品質(zhì)量與產(chǎn)產(chǎn)量，降低能能耗，消除環(huán)環(huán)境污染，改改善勞動(dòng)條件件等方面進(jìn)行行綜合評(píng)估。。1.3實(shí)施步驟自動(dòng)化系統(tǒng)工工程的設(shè)計(jì)與與實(shí)施一般可可分為4個(gè)階段：項(xiàng)目確定與合合同簽訂階段段、初步設(shè)計(jì)計(jì)與詳細(xì)設(shè)計(jì)計(jì)階段、仿真真調(diào)試與安裝裝運(yùn)行階段和和資料歸檔與與項(xiàng)目驗(yàn)收階階段。1.3.1項(xiàng)目確定與合合同簽訂階段段1.3.2初步設(shè)計(jì)與詳詳細(xì)設(shè)計(jì)階段段1．總體設(shè)計(jì)（1）確定系統(tǒng)任任務(wù)與控制方方案首先應(yīng)對(duì)控制制對(duì)象的工藝藝流程進(jìn)行透透徹分析，明明確具體控制制要求，確定定系統(tǒng)所要完完成的任務(wù)，，然后根據(jù)系系統(tǒng)要求，以以及所選設(shè)備備的性能價(jià)格格比、操作的的方便程度、、可擴(kuò)展性等等，確定一種種比較合理的的設(shè)計(jì)方案，，例如，采用用開(kāi)環(huán)還是閉閉環(huán)控制、簡(jiǎn)簡(jiǎn)單控制還是是復(fù)雜控制等等。（2）確定系統(tǒng)的的構(gòu)成方式進(jìn)行控制裝置置機(jī)型的選擇擇。（3）選擇現(xiàn)場(chǎng)設(shè)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備主要要是傳感器、、變送器和執(zhí)執(zhí)行器的選擇擇。隨著控制制技術(shù)的發(fā)展展，出現(xiàn)了能能測(cè)量各種參參數(shù)的傳感器器，如溫度、、壓力、流量量、液位、成成分、位移、、重量、速度度等，種類繁繁多，規(guī)格各各異；而執(zhí)行行器也有模擬擬量執(zhí)行器、、數(shù)字量執(zhí)行行器及電動(dòng)、、氣動(dòng)、液動(dòng)動(dòng)等之分。因因此，如何正正確選擇這些些現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，，確實(shí)不是一一件簡(jiǎn)單的事事情，其中的的任何一個(gè)環(huán)環(huán)節(jié)都會(huì)影響響系統(tǒng)的控制制任務(wù)和控制制精度。（4）確定控制算算法控制算法的選選擇與系統(tǒng)的的數(shù)學(xué)模型有有關(guān)，在系統(tǒng)統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型型確定后，便便可推導(dǎo)出相相應(yīng)的控制算算法。所謂數(shù)學(xué)模型型，就是系統(tǒng)統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的的數(shù)學(xué)表達(dá)式式，它表示系系統(tǒng)輸入/輸出及其內(nèi)部部狀態(tài)之間的的關(guān)系。一般由實(shí)驗(yàn)方方法測(cè)出系統(tǒng)統(tǒng)的階躍響應(yīng)應(yīng)特性曲線，，然后由曲線線確定出其數(shù)數(shù)學(xué)模型。當(dāng)當(dāng)系統(tǒng)模型確確定之后，即即可確定控制制算法?？刂浦葡到y(tǒng)的主要要任務(wù)就是按按此控制算法法進(jìn)行控制。。控制算法的的正確與否，，直接影響控控制系統(tǒng)的調(diào)調(diào)節(jié)品質(zhì)。（5）硬、軟件功功能的劃分一般的考慮原原則是，視控制系統(tǒng)的的應(yīng)用環(huán)境與與今后的生產(chǎn)產(chǎn)數(shù)量而定。。對(duì)于今后能批批量生產(chǎn)的控控制系統(tǒng)，為為了降低成本本，提高產(chǎn)品品競(jìng)爭(zhēng)力，在在滿足指標(biāo)功功能的前提下下，應(yīng)盡量減減少硬件器件件，多用軟件件來(lái)完成相應(yīng)應(yīng)的功能。如如果軟件實(shí)現(xiàn)現(xiàn)很困難，而而用硬件實(shí)現(xiàn)現(xiàn)卻比較簡(jiǎn)單單，且系統(tǒng)的的批量又不大大的話，則用用硬件實(shí)現(xiàn)功功能比較妥當(dāng)當(dāng)。（6）其他方面的的考慮還應(yīng)考慮人機(jī)機(jī)界面、系統(tǒng)統(tǒng)的機(jī)柜或機(jī)機(jī)箱的結(jié)構(gòu)設(shè)設(shè)計(jì)、抗干擾擾等方面的問(wèn)問(wèn)題。最后初初步估算一下下成本，做出出工程概算。。2．硬件設(shè)計(jì)（1）核心控制裝裝置無(wú)論選用現(xiàn)成成的IPC，還是采用PLC裝置，設(shè)計(jì)者者都要根據(jù)系系統(tǒng)要求選擇擇合適的模板板或模塊。選選擇的內(nèi)容一一般包括：根據(jù)控制任務(wù)務(wù)的復(fù)雜程度度、控制精度度以及實(shí)時(shí)性性要求等選擇擇主機(jī)板（包包括總線類型型、主機(jī)機(jī)型型等）。根據(jù)AI、AO點(diǎn)數(shù)、分辨率率和精度，以以及采集速度度等選擇A/D、D/A板（包括通道道數(shù)量、信號(hào)號(hào)類別、量程程范圍等）。。根據(jù)DI、DO點(diǎn)數(shù)和其他要要求，選擇數(shù)數(shù)字量輸入/輸出板（包括括通道數(shù)量、、信號(hào)類別、、交直流和功功率大小等））。根據(jù)人機(jī)聯(lián)系系方式選擇相相應(yīng)的接口板板或顯示操作作面板（包括括參數(shù)設(shè)定、、狀態(tài)顯示、、手動(dòng)自動(dòng)切切換和異常報(bào)報(bào)警等）。根據(jù)需要選擇擇各種外設(shè)接接口、通信板板塊等。（2）現(xiàn)場(chǎng)儀表及及設(shè)備根據(jù)工藝要求求選擇電氣動(dòng)動(dòng)力設(shè)備，包包括電動(dòng)機(jī)、、水泵、風(fēng)機(jī)機(jī)等的電壓、、電流等電氣氣參數(shù)、型號(hào)號(hào)規(guī)格，這部部分內(nèi)容如果果細(xì)分應(yīng)歸屬屬為電氣設(shè)計(jì)計(jì)人員。根據(jù)工藝流程程選擇測(cè)量裝裝置，包括被被測(cè)參數(shù)種類類、量程大小小、信號(hào)類別別、型號(hào)規(guī)格格等。根據(jù)工藝流程程選擇執(zhí)行裝裝置，包括能能源類型、信信號(hào)類別、型型號(hào)規(guī)格等。。根據(jù)工藝流程程圖設(shè)計(jì)帶有有測(cè)控點(diǎn)的工工藝控制流程程圖、復(fù)雜控控制系統(tǒng)圖、、現(xiàn)場(chǎng)管、線線纜敷設(shè)圖及及自控設(shè)備匯匯總表、綜合合材料表等若若干工程圖。。（3）控制柜（盤(pán)盤(pán)）控制柜（盤(pán)））把核心控制裝裝置及動(dòng)力系系統(tǒng)主回路與與控制回路的的低壓電器裝裝置集成在一一起，既為操操作人員提供供一個(gè)良好的的監(jiān)控界面與與操作平臺(tái)，，也為維護(hù)人人員提供一個(gè)個(gè)方便的檢測(cè)測(cè)、維修場(chǎng)所所。對(duì)于大的系統(tǒng)統(tǒng)，往往分成成動(dòng)力柜（強(qiáng)強(qiáng)電）、控制制柜（弱電））、儀表柜（（盤(pán)）等幾種種柜（盤(pán)）；；而對(duì)于小系系統(tǒng)，可以集集成在一個(gè)柜柜（盤(pán)）上。。3．軟件設(shè)計(jì)（1）編程語(yǔ)言的的選擇根據(jù)機(jī)型不同同和控制工況況不同，可以以選擇不同的的編程設(shè)計(jì)語(yǔ)語(yǔ)言。目前常常用的語(yǔ)言有有匯編語(yǔ)言、高高級(jí)語(yǔ)言、組組態(tài)語(yǔ)言等。。（2）數(shù)據(jù)類型和和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)規(guī)規(guī)劃按數(shù)據(jù)類型來(lái)來(lái)分類，可分分為邏輯型和和數(shù)值型。通通常將邏輯型型數(shù)據(jù)歸到軟軟件標(biāo)志中去去考慮。數(shù)值值型數(shù)據(jù)可分分為定點(diǎn)數(shù)和和浮點(diǎn)數(shù)，定定點(diǎn)數(shù)具有直直觀、編程簡(jiǎn)簡(jiǎn)單、運(yùn)算速速度快的優(yōu)點(diǎn)點(diǎn)，缺點(diǎn)是表表示的數(shù)值動(dòng)動(dòng)態(tài)范圍小，，容易溢出；；而浮點(diǎn)數(shù)則則相反，數(shù)值值動(dòng)態(tài)范圍大大、相對(duì)精度度穩(wěn)定、不易易溢出，但編編程復(fù)雜，運(yùn)運(yùn)算速度低。。如果某參數(shù)是是一系列有序序數(shù)據(jù)的集合合，如采樣信信號(hào)序列，則則不只有數(shù)據(jù)據(jù)類型問(wèn)題，，還有一個(gè)數(shù)數(shù)據(jù)存放格式式問(wèn)題，即數(shù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)問(wèn)題題。具體來(lái)說(shuō)說(shuō)，就是按順順序結(jié)構(gòu)、鏈鏈形結(jié)構(gòu)還是是樹(shù)形結(jié)構(gòu)來(lái)來(lái)存放數(shù)據(jù)。。（3）資源分配系統(tǒng)資源包括括ROM、RAM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、中斷斷源、I/O地址址等。ROM資源用來(lái)存放放程序和表格格，而I/O地址、定時(shí)器器/計(jì)數(shù)器、中斷斷源在任務(wù)分分析時(shí)已經(jīng)分分配好了。資源分配的主主要工作是RAM資源的分配。。RAM資源規(guī)劃好后后，應(yīng)列出一一張RAM資源的詳細(xì)分分配清單，作作為編程依據(jù)據(jù)。（4）控制軟件的的設(shè)計(jì)①數(shù)據(jù)采集及數(shù)數(shù)據(jù)處理程序序主要包括模擬擬量和數(shù)字量量多路信號(hào)的的采樣、輸入入變換、存儲(chǔ)儲(chǔ)等。數(shù)據(jù)處處理程序主要要包括數(shù)字濾濾波程序、線線性化處理和和非線性補(bǔ)償償、標(biāo)度變換換程序、越限限報(bào)警程序等等。②控制算法法程序是計(jì)算機(jī)控制系系統(tǒng)的核心程程序，其內(nèi)容容由控制系統(tǒng)統(tǒng)的類型和控控制規(guī)律所決決定。③控制量輸輸出程序控制量輸出程程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)控控制量的處理理（上下限和和變化率處理理）、控制量量的變換及輸輸出，驅(qū)動(dòng)執(zhí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)或各各種電氣開(kāi)關(guān)關(guān)。控制量也包括括模擬量和開(kāi)開(kāi)關(guān)量輸出兩兩種。④人機(jī)界面面程序這是面板操作作管理程序。⑤程序?qū)崟r(shí)時(shí)時(shí)鐘和中斷斷處理程序計(jì)算機(jī)控制系系統(tǒng)中有很多多任務(wù)是按時(shí)時(shí)間來(lái)安排的的，因此實(shí)時(shí)時(shí)鐘是計(jì)計(jì)算機(jī)控制系系統(tǒng)的運(yùn)行基基礎(chǔ)。⑥數(shù)據(jù)管理理程序這部分程序用用于生產(chǎn)管理理，主要包括括畫(huà)面顯示、、變化趨勢(shì)分分析、報(bào)警記記錄、統(tǒng)計(jì)報(bào)報(bào)表打印輸出出等。⑦數(shù)據(jù)通信信程序數(shù)據(jù)通信程序序主要完成計(jì)計(jì)算機(jī)與計(jì)算算機(jī)之間、計(jì)計(jì)算機(jī)與智能能設(shè)備之間的的信息傳遞和和交換。（5）程序設(shè)計(jì)的的方法可采用模塊化化程序設(shè)計(jì)和和自頂向下程程序設(shè)計(jì)等方方法。1.3.3仿真調(diào)試與安安裝運(yùn)行階段段1．硬件調(diào)試對(duì)于各種標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)功能模板，，應(yīng)按照說(shuō)明書(shū)檢查主要功能能。2．軟件調(diào)試的順序是子程序→功能能模塊→主程程序。3．系統(tǒng)仿真也稱為模擬調(diào)試。所謂系統(tǒng)仿仿真，就是應(yīng)應(yīng)用相似原理和類比關(guān)系系來(lái)研究事物物，也就是用用模型來(lái)代替替實(shí)際被控對(duì)對(duì)象進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)和研究。系統(tǒng)仿真真有以下三種種類型：全物理仿真、、半