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工业控制系统设计过程解析,三盛机电带你走进工控领域实操

作者: 三盛机电小编 编辑: 三盛机电官网 来源: http://www.ssjd99.com 发布日期: 2018.08.07 09:36:00
一、系统设计原则
对于不同的控制对象,系统的设计方案和具体的技术指标是不同的,但系统设计的基本原则是一致的。
①满足工艺要求。设计的控制系统所达到的性能指标不应低于生产工艺要求,但片面追求过高的性能指标而忽视设计成本和实现上的可能性也是不可取的。
②可靠性要高。对工业控制的微机系统最基本的要求是可靠性高。首先要选用高性能的工业控制计算机。其次是设计可靠的控制方案,并具备各种安全保护措施,比如报警、事故预测、事故处理、不间断电源等。为了预防计算机故障,还须设计后备装置。
③操作性要好。系统设计时要尽量考虑用户的方便使用,尤其是操作面板的设计,既要体现操作的先进性,又要兼顾原有的操作习惯,控制开关不能太多、太复杂,尽量降低对使用人员专业知识的要求,使他们能在较短时间内熟悉和掌握操作。其次维护容易,一旦发生故障,应易于查找和排除。
④实时性要强。微机控制系统的实时性,表现在对内部和外部事件能及时地响应,并作出相应的处理,不丢失信息,不延误操作。
⑤通用性要好。硬件设计方面,应采用标准总线结构,且各设计指标要留有一定余量,以便在需要时扩充。软件方面,应采用标准模块结构,尽量不进行二次开发。当设备和控制对象有所变更时或者再设计另外一个控制系统时,只需稍作更改或扩充就可适应。

⑥经济效益要高。系统设计的性能价格比要尽可能地高,在满足设计要求的情况下,尽量采用物美廉价的元器件;投入产出比要尽可能地低,应该从提高生产的产品质量与产量、降低能耗、消除污染、改善劳动条件等方面进行综合评估。

工业控制系统设计

二、系统设计步骤
控制系统的设计过程一般可分为3个阶段:准备阶段、设计阶段、仿真及调试阶段。
1、准备阶段
要认真阅读任务书,并逐条进行研究。搜集有关资料,查阅参考书籍。初步进行系统总体方案设计,并进行方案可行性论证,论证的主要内容是技术可行性,特别是项目的可测性和可控性。
2、设计阶段
在此阶段要先进行总体设计,再进行硬件和软件的设计。
1)总体设计
总体设计就是要了解控制对象、熟悉控制要求,确定总的技术性能指标,确定系统的构成方式及控制装置与现场设备的选择,以及控制规律算法和其他特殊功能要求。
①确定系统任务与控制方案,根据系统要求,定采用开环还是闭环控制;闭环控制还需进一步确定是单闭环还是多闭环;进而还要确定出整个系统是采用直接数字控制(DDC)、计算机监督控制(SCC)、分散式控制(DCS)或是采用现场总线控制(FCS)。
②确定系统的构成方式,即进行控制装置机型的选择。目前已经生产出许多用于工业控制的微机装置可供选择,如可编程控制器、可编程调节器、总线式工控机、单片微型计算机和分散控制系统、现场总线控制系统等。
在以模拟量为主的中小规模的过程控制环境下,一般应优先选择总线式工控机来构成系统的方式;在以数字量为主的中小规模的运动控制环境下,一般应优先选择PLC来构成系统的方式。工控机或PLC具有系列化、模块化、标准化和开放式系统结构,有利于系统设计者在系统设计时根据要求任意选择,像搭积木般地组建系统。这种方式可提高系统研制和开发速度,提高系统的技术水平和性能,增加可靠性。
③选择现场设备。主要包含传感器、变送器和执行器的选择。测量各种参数的传感器,如温度、压力、流量、液位、成分、位移、重量、速度等,种类繁多,规格各异;而执行器也有模拟量执行器、数字量执行器以及电动、气动、液动等之分。
④确定控制算法。当系统模型确定之后,即可确定控制算法。微机控制系统的主要任务就是按此控制算法进行控制。控制算法的正确与否,直接影响控制系统的调节品质。    
⑤硬、软件功能的划分。系统设计时,硬、软件功能的划分要综合考虑。用硬件来实现一些功能的好处是可以加快处理速度,减轻主机的负担;而软件实现可降低成本,增加灵活性,但要占用主机更多的时间。一般在满足指定功能的前提下,应尽量减少硬件器件,多用软件来完成相应的功能。如果软件实现很困难,而用硬件实现却比较简单,则用硬件实现功能比较妥当。
⑥其他方面的考虑。还应考虑人机界面、系统的机柜或机箱的结构设计、抗干扰等方面的问题。
2)硬件设计
尽量选现成的总线式工控机系统或者PLC装置,以加快设计研制进程,使系统硬件设计的工作量减到最小。设计者都要根据系统要求选择合适的模板或模块。选择内容一般包括:
①根据控制任务的复杂程度、控制精度以及实时性要求等选择主机板(包括总线类型、主机机型等)。
②根据AI、AO点数、分辨率和精度,以及采集速度等选A/D、D/A板(包括通道数量、信号类别、量程范围等)。
③根据DI、DO点数和其他要求,选择开关量输入输出板(包括通道数量、信号类别、交直流和功率大小等)。
④根据人机联系方式选择相应的接口板或显示操作面板(包括参数设定、状态显示、手动自动切换和异常报警等)。
⑤根据需要选择各种外设接口、通信板块等。
⑥根据工艺流程选择测量装置(包括被测参数种类、量程大小、信号类别、型号规格等)。
⑦根据工艺流程选择执行装置(包括能源类型、信号类别、型号规格等)。
3)软件设计
用工控机或PLC来组建微机控制系统不仅能减小系统硬性设计工作量,而且还能减小系统软件设计工作量。一般它们都配有实时操作系统或实时监控程序以及各种控制、运算软件和组态软件等,可使系统设计者在最短的周期内开发出应用软件。    程序编制顺序应是先模块后整体。软件设计应考虑以下几个方面。
①编程语言的选择。组态语言是一种针对控制系统而设计的面向问题的高级语言,它为用户提供了众多的功能模块。系统设计者只需根据控制要求,选择所需的模块就能十分方便地生成系统控制软件,因而软件设计工作量大为减小。
②数据类型和数据结构规划。系统的各个模块之间要进行各种信息传递,也即各接口参数的数据结构和数据类型必须严格统一规定。数据可分为逻辑型和数值型。
③资源分配。系统资源包括ROM、RAM、定时器/计数器、中断源、I/O地址等。
④程序设计的方法。可采用模块化程序设计方法,即是把一个较长的程序按功能分成若干个小的程序模块,然后分别进行独立设计、编程、测试和查错之后,最后把各调试好的程序模块连成一个完整的程序。模块化程序设计的特点是单个小程序模块的编写和调试比较容易;一个模块可以被多个程序调用;检查错误容易,且修改时只需改正该模块即可,无须牵涉其他模块。但这种设计在对各个模块进行连接时有一定困难。
再采用自顶向下程序设计方法,先从主程序进行设计,从属的程序或子程序用程序符号来代替。主程序编好后,再编写从属的程.最后完成整个系统的程序设计。
3、仿真及调试阶段
离线仿真及调试阶段一般在实验室进行。首先编写调试流程,再进行硬件调试与软件调试,然后进行硬件、软件统调,最后考机运行,为现场投运做好准备。
1)硬件调试
对于各种标准功能模板,应按照说明书检查主要功能。在调试A/D和D/A模板之前,必须准备好信号源、数字电压表、电流表等标准仪器。对这两种模板首先检查信号的零点和满量程,然后再分档检查,并且上行和下行来回调试,以便检查线性度是否合乎要求。
利用开关量输入和输出程序来检查开关量输入(DI)和开关量输出(DO)模板。测试时可在输入端加开关量信号,检查读入状态的正确性;可在输出端用万用表检查输出状态的正确。
硬件调试还包括现场仪表和执行器,这些仪表必须在安装之前按说明书要求校验完毕。如是DCS等通信网络系统,还要调试通信功能,验证数据传输的正确性。
2)软件调试
软件调试的顺序是子程序、功能模块和主程序。
一般与过程输入输出通道无关的程序,如运算模块都可用开发装置或仿真器的调试程序进行调试,有时为了调试某些程序,可能还要编写临时性的辅助程序。
一旦所有的子程序和功能模块调试完毕,就可以用主程序将它们连接在一起,进行整体调试。整体调试的方法是自底向上逐步扩大,首先按分支将模块组合起来,以形成模块子集,调试完各模块子集,再将部分模块子集连接起来进行局部调试,最后进行全局调试。这样经过子集、局部和全局三步调试,完成了整体调试工作。
3)系统仿真
在硬件和软件分别调试后,必须再进行全系统的硬件、软件统调,即所谓的系统仿真,也称为模拟调试。系统仿真尽量采用全物理或半物理仿真。试验条件或工作状态越接近真实,其效果也就越好。控制系统只能做离线半物理仿真,被控对象可用实验模型代替。
4)考机
在系统仿真的基础上,还要进行考机运行,即进行长时间的运行考验。
控制系统的设计一般遵循上述过程,设计的步骤有先后,但内容没有明确之分。

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