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工業控制系統設計過程解析,三盛機電帶你走進工控領域實操

作者: 三盛機電小編 編輯: 三盛機電官網 來源: http://www.422ebh.com 發布日期: 2018.08.07 09:36:00
一、系統設計原則
對于不同的控制對象,系統的設計方案和具體的技術指標是不同的,但系統設計的基本原則是一致的。
①滿足工藝要求。設計的控制系統所達到的性能指標不應低于生產工藝要求,但片面追求過高的性能指標而忽視設計成本和實現上的可能性也是不可取的。
②可靠性要高。對工業控制的微機系統最基本的要求是可靠性高。首先要選用高性能的工業控制計算機。其次是設計可靠的控制方案,并具備各種安全保護措施,比如報警、事故預測、事故處理、不間斷電源等。為了預防計算機故障,還須設計后備裝置。
③操作性要好。系統設計時要盡量考慮用戶的方便使用,尤其是操作面板的設計,既要體現操作的先進性,又要兼顧原有的操作習慣,控制開關不能太多、太復雜,盡量降低對使用人員專業知識的要求,使他們能在較短時間內熟悉和掌握操作。其次維護容易,一旦發生故障,應易于查找和排除。
④實時性要強。微機控制系統的實時性,表現在對內部和外部事件能及時地響應,并作出相應的處理,不丟失信息,不延誤操作。
⑤通用性要好。硬件設計方面,應采用標準總線結構,且各設計指標要留有一定余量,以便在需要時擴充。軟件方面,應采用標準模塊結構,盡量不進行二次開發。當設備和控制對象有所變更時或者再設計另外一個控制系統時,只需稍作更改或擴充就可適應。

⑥經濟效益要高。系統設計的性能價格比要盡可能地高,在滿足設計要求的情況下,盡量采用物美廉價的元器件;投入產出比要盡可能地低,應該從提高生產的產品質量與產量、降低能耗、消除污染、改善勞動條件等方面進行綜合評估。

工業控制系統設計

二、系統設計步驟
控制系統的設計過程一般可分為3個階段:準備階段、設計階段、仿真及調試階段。
1、準備階段
要認真閱讀任務書,并逐條進行研究。搜集有關資料,查閱參考書籍。初步進行系統總體方案設計,并進行方案可行性論證,論證的主要內容是技術可行性,特別是項目的可測性和可控性。
2、設計階段
在此階段要先進行總體設計,再進行硬件和軟件的設計。
1)總體設計
總體設計就是要了解控制對象、熟悉控制要求,確定總的技術性能指標,確定系統的構成方式及控制裝置與現場設備的選擇,以及控制規律算法和其他特殊功能要求。
①確定系統任務與控制方案,根據系統要求,定采用開環還是閉環控制;閉環控制還需進一步確定是單閉環還是多閉環;進而還要確定出整個系統是采用直接數字控制(DDC)、計算機監督控制(SCC)、分散式控制(DCS)或是采用現場總線控制(FCS)。
②確定系統的構成方式,即進行控制裝置機型的選擇。目前已經生產出許多用于工業控制的微機裝置可供選擇,如可編程控制器、可編程調節器、總線式工控機、單片微型計算機和分散控制系統、現場總線控制系統等。
在以模擬量為主的中小規模的過程控制環境下,一般應優先選擇總線式工控機來構成系統的方式;在以數字量為主的中小規模的運動控制環境下,一般應優先選擇PLC來構成系統的方式。工控機或PLC具有系列化、模塊化、標準化和開放式系統結構,有利于系統設計者在系統設計時根據要求任意選擇,像搭積木般地組建系統。這種方式可提高系統研制和開發速度,提高系統的技術水平和性能,增加可靠性。
③選擇現場設備。主要包含傳感器、變送器和執行器的選擇。測量各種參數的傳感器,如溫度、壓力、流量、液位、成分、位移、重量、速度等,種類繁多,規格各異;而執行器也有模擬量執行器、數字量執行器以及電動、氣動、液動等之分。
④確定控制算法。當系統模型確定之后,即可確定控制算法。微機控制系統的主要任務就是按此控制算法進行控制。控制算法的正確與否,直接影響控制系統的調節品質。    
⑤硬、軟件功能的劃分。系統設計時,硬、軟件功能的劃分要綜合考慮。用硬件來實現一些功能的好處是可以加快處理速度,減輕主機的負擔;而軟件實現可降低成本,增加靈活性,但要占用主機更多的時間。一般在滿足指定功能的前提下,應盡量減少硬件器件,多用軟件來完成相應的功能。如果軟件實現很困難,而用硬件實現卻比較簡單,則用硬件實現功能比較妥當。
⑥其他方面的考慮。還應考慮人機界面、系統的機柜或機箱的結構設計、抗干擾等方面的問題。
2)硬件設計
盡量選現成的總線式工控機系統或者PLC裝置,以加快設計研制進程,使系統硬件設計的工作量減到最小。設計者都要根據系統要求選擇合適的模板或模塊。選擇內容一般包括:
①根據控制任務的復雜程度、控制精度以及實時性要求等選擇主機板(包括總線類型、主機機型等)。
②根據AI、AO點數、分辨率和精度,以及采集速度等選A/D、D/A板(包括通道數量、信號類別、量程范圍等)。
③根據DI、DO點數和其他要求,選擇開關量輸入輸出板(包括通道數量、信號類別、交直流和功率大小等)。
④根據人機聯系方式選擇相應的接口板或顯示操作面板(包括參數設定、狀態顯示、手動自動切換和異常報警等)。
⑤根據需要選擇各種外設接口、通信板塊等。
⑥根據工藝流程選擇測量裝置(包括被測參數種類、量程大小、信號類別、型號規格等)。
⑦根據工藝流程選擇執行裝置(包括能源類型、信號類別、型號規格等)。
3)軟件設計
用工控機或PLC來組建微機控制系統不僅能減小系統硬性設計工作量,而且還能減小系統軟件設計工作量。一般它們都配有實時操作系統或實時監控程序以及各種控制、運算軟件和組態軟件等,可使系統設計者在最短的周期內開發出應用軟件。    程序編制順序應是先模塊后整體。軟件設計應考慮以下幾個方面。
①編程語言的選擇。組態語言是一種針對控制系統而設計的面向問題的高級語言,它為用戶提供了眾多的功能模塊。系統設計者只需根據控制要求,選擇所需的模塊就能十分方便地生成系統控制軟件,因而軟件設計工作量大為減小。
②數據類型和數據結構規劃。系統的各個模塊之間要進行各種信息傳遞,也即各接口參數的數據結構和數據類型必須嚴格統一規定。數據可分為邏輯型和數值型。
③資源分配。系統資源包括ROM、RAM、定時器/計數器、中斷源、I/O地址等。
④程序設計的方法。可采用模塊化程序設計方法,即是把一個較長的程序按功能分成若干個小的程序模塊,然后分別進行獨立設計、編程、測試和查錯之后,最后把各調試好的程序模塊連成一個完整的程序。模塊化程序設計的特點是單個小程序模塊的編寫和調試比較容易;一個模塊可以被多個程序調用;檢查錯誤容易,且修改時只需改正該模塊即可,無須牽涉其他模塊。但這種設計在對各個模塊進行連接時有一定困難。
再采用自頂向下程序設計方法,先從主程序進行設計,從屬的程序或子程序用程序符號來代替。主程序編好后,再編寫從屬的程.最后完成整個系統的程序設計。
3、仿真及調試階段
離線仿真及調試階段一般在實驗室進行。首先編寫調試流程,再進行硬件調試與軟件調試,然后進行硬件、軟件統調,最后考機運行,為現場投運做好準備。
1)硬件調試
對于各種標準功能模板,應按照說明書檢查主要功能。在調試A/D和D/A模板之前,必須準備好信號源、數字電壓表、電流表等標準儀器。對這兩種模板首先檢查信號的零點和滿量程,然后再分檔檢查,并且上行和下行來回調試,以便檢查線性度是否合乎要求。
利用開關量輸入和輸出程序來檢查開關量輸入(DI)和開關量輸出(DO)模板。測試時可在輸入端加開關量信號,檢查讀入狀態的正確性;可在輸出端用萬用表檢查輸出狀態的正確。
硬件調試還包括現場儀表和執行器,這些儀表必須在安裝之前按說明書要求校驗完畢。如是DCS等通信網絡系統,還要調試通信功能,驗證數據傳輸的正確性。
2)軟件調試
軟件調試的順序是子程序、功能模塊和主程序。
一般與過程輸入輸出通道無關的程序,如運算模塊都可用開發裝置或仿真器的調試程序進行調試,有時為了調試某些程序,可能還要編寫臨時性的輔助程序。
一旦所有的子程序和功能模塊調試完畢,就可以用主程序將它們連接在一起,進行整體調試。整體調試的方法是自底向上逐步擴大,首先按分支將模塊組合起來,以形成模塊子集,調試完各模塊子集,再將部分模塊子集連接起來進行局部調試,最后進行全局調試。這樣經過子集、局部和全局三步調試,完成了整體調試工作。
3)系統仿真
在硬件和軟件分別調試后,必須再進行全系統的硬件、軟件統調,即所謂的系統仿真,也稱為模擬調試。系統仿真盡量采用全物理或半物理仿真。試驗條件或工作狀態越接近真實,其效果也就越好。控制系統只能做離線半物理仿真,被控對象可用實驗模型代替。
4)考機
在系統仿真的基礎上,還要進行考機運行,即進行長時間的運行考驗。
控制系統的設計一般遵循上述過程,設計的步驟有先后,但內容沒有明確之分。

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