第10章--計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)與實(shí)施ppt課件(全)

1、 10.1 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則10.2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)與實(shí)施第10章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)與實(shí)施 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shí)間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力。平均無故障時(shí)間MTBF反映了系統(tǒng)可靠工作的能力，平均維修時(shí)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(jī)。因?yàn)楣た貦C(jī)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(yùn)行。 第二，設(shè)計(jì)時(shí)采用可靠的控制方案，并具有各種安全保護(hù)措施，使系統(tǒng)具有故障報(bào)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(jī)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(jī)備用系統(tǒng) 在雙機(jī)系統(tǒng)中，用兩臺微機(jī)作為系統(tǒng)的核心控制器。由于兩臺微機(jī)同時(shí)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(jī)投入運(yùn)行，另一臺脫機(jī)作為系統(tǒng)的備份機(jī)。2) 主-從工作方式：正常情況下，兩臺微機(jī)分別執(zhí)行不同任務(wù)。一臺微機(jī)承擔(dān)主要控制工作（主機(jī)），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(jī)）。當(dāng)主機(jī)發(fā)生故障時(shí)，它能自動地脫離系統(tǒng)，3) 雙工工作方

3、式：兩臺主機(jī)同時(shí)投入系統(tǒng)運(yùn)行，在任何一個時(shí)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(jìn)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(jī)來承擔(dān)，用一臺計(jì)算機(jī)作為上一級的管理主機(jī)，如圖10.2所示。分兩級，第一級對各被控對象進(jìn)行控制，而上一級的微機(jī)通過總線與下一級的微機(jī)相連接，并對它們實(shí)施管理和監(jiān)控。 局部故障機(jī)器所承擔(dān)任務(wù)還能夠由上一級主機(jī)來接替，因此，系統(tǒng)工作基本不受影響。如果上一級主機(jī)發(fā)生故障，則下一級微機(jī)仍可以獨(dú)立維持對被控對象的控制，直到上一級主機(jī)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(qiáng)求操作工作要掌握計(jì)算機(jī)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(shí)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(diǎn)，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(hù)，同時(shí)應(yīng)配置診斷程序，在故障發(fā)生時(shí)用程序來查找故障發(fā)生的部位，從而縮短排除故障的時(shí)間。凡是涉及人機(jī)工程的一切問題都應(yīng)逐一加以考慮。2. 操作、維護(hù)與維修方便實(shí)時(shí)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(shí)地響應(yīng)，并在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)做出

5、相應(yīng)的處理；實(shí)時(shí)系統(tǒng)有兩個基本要求：第一，計(jì)算必須產(chǎn)生正確結(jié)果，稱為邏輯或功能正確；第二，計(jì)算必須在預(yù)定的時(shí)間內(nèi)完成，稱為時(shí)間正確。 靠軟件來保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，使軟件能充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)硬件的潛力，從而使計(jì)算機(jī)解決某一個問題所需的時(shí)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(jìn)行處理，保證最先處理緊急故障。3. 實(shí)時(shí)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(jì)系統(tǒng)。這樣設(shè)計(jì)出的系統(tǒng)便于隨時(shí)進(jìn)行系統(tǒng)的擴(kuò)展或改進(jìn)，通用性好。通用性表現(xiàn)在一下幾個方面： 第一，硬件設(shè)計(jì)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(kuò)充時(shí)，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(jì)時(shí)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(kuò)充或者硬件更新時(shí)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(jì)指標(biāo)留有余量，為日后系統(tǒng)的擴(kuò)充創(chuàng)造有利的條件。4. 通用性好 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)在滿足設(shè)計(jì)基本要求的前提下，還應(yīng)該具有較好的經(jīng)濟(jì)性，投入市場要有一定的競爭力。經(jīng)濟(jì)性主要體現(xiàn)在兩個方面：一方面系統(tǒng)的性價(jià)比要盡可能高，而投入產(chǎn)出比要盡可能低，投資回報(bào)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(jì)、社會效益各方面進(jìn)行綜合評估。5. 經(jīng)濟(jì)性高 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)的一般過程如圖10.3所示，具體可分為五個階段：工程項(xiàng)目與控制要求分析；總體設(shè)計(jì)和可行性評價(jià)；工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)（軟件和硬件設(shè)計(jì)與調(diào)試）；離線仿真和調(diào)試階段；在線調(diào)試和運(yùn)行階段。 圖10.3 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的一般設(shè)計(jì)步驟 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟（續(xù)）計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)從設(shè)計(jì)到實(shí)施的整個過程大致如下：(1) 總體方案設(shè)計(jì)； (2) 工作計(jì)劃的制訂與實(shí)施；(3) 計(jì)算機(jī)及儀表的選型；(4) 設(shè)備訂貨、驗(yàn)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(yàn)收和投入使

8、用；(8) 其他相關(guān)工作。1工程項(xiàng)目與控制要求的確定階段 被控對象既是設(shè)計(jì)的目的對象，也是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)和基礎(chǔ)。對被控對象的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要對其完成的功能和性能進(jìn)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(jì)能力、未來系統(tǒng)運(yùn)行后可能產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益、企業(yè)的管理要求、人員的素質(zhì)、系統(tǒng)運(yùn)行的成本等多種要素進(jìn)行分析，其項(xiàng)目可行性分析論證流程如圖10.4所示。圖10.4 項(xiàng)目可行性論證流程 工程項(xiàng)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(fèi)、計(jì)劃進(jìn)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(jìn)行確認(rèn)修改。在乙方對委托書進(jìn)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(jìn)行協(xié)商和討論。(4) 乙方初步進(jìn)行總體方案設(shè)計(jì)。總體方案設(shè)計(jì)時(shí)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(diǎn)、經(jīng)費(fèi)概算、工期。(5) 乙方進(jìn)行方案可行性論證。方案可行性論證目的是估計(jì)完成該項(xiàng)任務(wù)的可能行，并為簽訂合同設(shè)計(jì)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(fèi)可行性、進(jìn)度可行性。 (6) 簽訂合同書。合同書是達(dá)成一致意見的結(jié)果，是合作的依據(jù)與憑證。1工程項(xiàng)目與控制要求的確定階段（續(xù)）2系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)與可行性評價(jià) 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(jì)還是用模板組合、單機(jī)、多機(jī)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(jìn)行設(shè)計(jì)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(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)輔助分析和設(shè)計(jì)技術(shù)

11、，進(jìn)行可靠性及精度指標(biāo)的分配。2系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)與可行性評價(jià)（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(jī)/PLC單機(jī)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(xiàng)目的設(shè)計(jì)階段 工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)階段主要包括組建項(xiàng)目研制小組、系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)、方案論證與評審、軟硬件的細(xì)化設(shè)計(jì)、制作調(diào)試、系統(tǒng)組裝等。1) 組建項(xiàng)目小組在簽訂了合同后，研制進(jìn)入設(shè)計(jì)階段。首先確定項(xiàng)目組成員。項(xiàng)目組成員應(yīng)該從硬件和軟件

12、出發(fā)進(jìn)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(jì)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(jì)方案的把關(guān)和最終裁定，評審后確定的方案是進(jìn)行具體設(shè)計(jì)和工程實(shí)施的依據(jù)。 4) 硬件和軟件的分別細(xì)化設(shè)計(jì) 細(xì)化設(shè)計(jì)就是將方塊圖中的方塊劃到最底層，然后進(jìn)行底層結(jié)構(gòu)細(xì)化設(shè)計(jì)。對于硬件設(shè)計(jì)來說，就是選購模塊以及設(shè)計(jì)制作專用模板；對于軟件設(shè)計(jì)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(jì)需要邊設(shè)計(jì)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(jì)后，做

13、成樣機(jī)并分別進(jìn)行調(diào)試，然后就可進(jìn)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(xiàng)目的設(shè)計(jì)階段（續(xù)） 離線仿真調(diào)試一般在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，不是在工業(yè)現(xiàn)場進(jìn)行的仿真和調(diào)試，并盡可能地模仿實(shí)際操作時(shí)可能出現(xiàn)的各種情況，因?yàn)橛行┨厥馇闆r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(jī)運(yùn)行也是重要的一環(huán)，拷機(jī)目的是要在連續(xù)不停機(jī)的運(yùn)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(jìn)行在線調(diào)試和運(yùn)行，在線調(diào)試和運(yùn)行就是進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)試和運(yùn)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(yùn)行仍可能出現(xiàn)問題。在系統(tǒng)運(yùn)行正常后，需要再進(jìn)行一段時(shí)間的試運(yùn)行，確認(rèn)系統(tǒng)安全可靠后，才能組織驗(yàn)收。5在線調(diào)試和運(yùn)行階段 圖10.6 在線調(diào)試和運(yùn)行流程10.2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)與實(shí)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(bào)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(jià)值如何；采取何種策略，才能使新產(chǎn)品具有更強(qiáng)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(jìn)的地方。如果沒有此類產(chǎn)品，則進(jìn)一步分析實(shí)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(shí)現(xiàn)過程中的重點(diǎn)環(huán)節(jié)和難點(diǎn)，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(jì)系統(tǒng)開發(fā)成本，預(yù)計(jì)成本能否控制在用戶可以接受價(jià)格之內(nèi)。 總體方案設(shè)計(jì) 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(jìn)入總體方案設(shè)計(jì)階段，總體設(shè)計(jì)的首要任務(wù)是進(jìn)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(jì)技術(shù)報(bào)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(jìn)行描述；進(jìn)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(shí)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(jìn)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(jì)報(bào)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(jìn)

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(jìn)行修改。一般來說，在工藝調(diào)研與驗(yàn)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(jì)方案，并寫成總體設(shè)計(jì)技術(shù)報(bào)告，該報(bào)告包括工藝流程的描述、軟硬件功能描述、計(jì)算機(jī)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(jìn)行描述。3. 硬件總體方案設(shè)計(jì) 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的硬件總體設(shè)計(jì)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(jī)交互和機(jī)箱機(jī)柜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，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(jì)算機(jī)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(jī)，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(jī)（可編程控制器、單片機(jī)、數(shù)字信號處理器、工控機(jī)和ARM）。現(xiàn)場設(shè)備主要包含傳感器、變送器和執(zhí)行機(jī)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(jì) 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(shí)現(xiàn)和結(jié)構(gòu)流程圖。具體設(shè)計(jì)中采用結(jié)構(gòu)化、模塊化、通用化的設(shè)計(jì)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(dá)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(jì)和抗干擾措施。(6) 機(jī)柜或機(jī)箱的結(jié)構(gòu)與外觀尺寸設(shè)計(jì)。(7) 經(jīng)費(fèi)使用和進(jìn)度計(jì)劃安排。 (8) 現(xiàn)場條件的要求。10.2.4 硬件的工程實(shí)現(xiàn) 總體方案設(shè)計(jì)之后便要確定哪些功能由硬件實(shí)現(xiàn)，哪些功能由軟件實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)在的工業(yè)控制使用主機(jī)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(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。一般盡可能地使用總線式的工控機(jī)，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(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，有些功能必須由硬件實(shí)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(shí)現(xiàn)，如點(diǎn)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(shí)現(xiàn)又能用硬件實(shí)現(xiàn)，如信號的濾波。所以在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，需要綜合考慮，將硬件、軟件功能劃分清楚。1主機(jī)機(jī)型與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式的確定 在選擇或自行設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)時(shí)，要注意以下幾個事項(xiàng)： (1) CPU的字長。微型機(jī)功能與字長有關(guān)，位數(shù)越多，運(yùn)算與控制越強(qiáng)。 (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(qiáng)。 (3) 運(yùn)算速度。在用模塊組成系統(tǒng)

21、時(shí)，注意各模塊間的速度匹配。 (4) 中斷系統(tǒng)。有中斷便于及時(shí)處理系統(tǒng)中的各種異常或意外情況。 (5) 實(shí)時(shí)時(shí)鐘。時(shí)鐘用于控制采用間隔，定時(shí)打印，記錄事故或事件發(fā)生等情況。 (6) 人機(jī)對話能力。確定控制主機(jī)的人機(jī)對話功能，做到人機(jī)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(jì)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(jì)算機(jī)對生產(chǎn)現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行控制，除與主機(jī)外，還必須配備連接計(jì)算機(jī)與被控對象并進(jìn)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(kuò)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(shí)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(jì)量泵、安裝移動成份儀表的掃描機(jī)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(shí)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(dú)立的模塊（如中央處理模塊、擴(kuò)展模塊、信號測量模塊、人機(jī)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(jì)，根據(jù)功能劃分情況，分別設(shè)計(jì)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(jì)，以及原理圖的仿真測試。 電路板設(shè)計(jì)，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(jì)系統(tǒng)電路板。 電路板裝配，根據(jù)電路板的設(shè)計(jì)情況，結(jié)合原理圖的設(shè)計(jì)，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(shí)現(xiàn)情況，進(jìn)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(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)調(diào)。 5硬件設(shè)計(jì)時(shí)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(jì)時(shí)，在滿足當(dāng)前要求的前提下，要留有適當(dāng)?shù)臄U(kuò)展余地（包括存儲空間要留有余地），電路板設(shè)計(jì)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(shí)，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(qiáng)的芯片，而不要選用過時(shí)的元器件。一方面可以簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，另一方面也可以節(jié)省成本。 在設(shè)計(jì)電路時(shí)，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(jì)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(shí)，可更改設(shè)計(jì)方案并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，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(jì)和加工時(shí)應(yīng)選用質(zhì)量好電子元件和連接器，并進(jìn)行嚴(yán)格測試和篩選。 (2) 電路設(shè)計(jì)時(shí)要注意電平匹配。 (3) 設(shè)計(jì)時(shí)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(jì)PCB時(shí)，強(qiáng)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(shí)現(xiàn) 一般來說控制系統(tǒng)的

26、軟件設(shè)計(jì)應(yīng)在總體設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，根據(jù)設(shè)計(jì)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(jìn)行系統(tǒng)組態(tài)或選擇程序設(shè)計(jì)語言編制控制程序。具體程序設(shè)計(jì)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(jìn)行一定時(shí)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(jìn)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(jì)時(shí)應(yīng)了解的系統(tǒng)資源包括ROM、RAM、定時(shí)器/計(jì)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(shí)器/計(jì)數(shù)器、中斷源在任務(wù)分析時(shí)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(shí)時(shí)控制軟件設(shè)計(jì) 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(bǔ)償、標(biāo)度變換和超限報(bào)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。可以直接作為A/D轉(zhuǎn)換模板的輸入(電流經(jīng)I/V變換變?yōu)殡妷狠斎?，或?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(diǎn)狀態(tài)通過數(shù)字量輸入(DI)模板輸入。輸入信號的點(diǎn)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(shí)時(shí)控制軟件設(shè)計(jì)（續(xù)） 2）實(shí)時(shí)時(shí)鐘與中斷處理。 實(shí)時(shí)時(shí)鐘是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中一切與時(shí)間有關(guān)的運(yùn)行基礎(chǔ)，時(shí)鐘有兩種，即絕對時(shí)鐘和相對時(shí)鐘。絕對時(shí)鐘與當(dāng)?shù)貢r(shí)間同

29、步，有年、月、日、分、秒等功能；相對時(shí)鐘與當(dāng)?shù)貢r(shí)間無關(guān)，一般只需時(shí)、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(shí)現(xiàn)某種控制規(guī)律的計(jì)算，獲得控制量。通常是根據(jù)偏差量來進(jìn)行計(jì)算。常用的控制算法有：PID控制、串級控制、前饋控制、純滯后補(bǔ)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(jì)時(shí)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(diǎn)，選擇一種或幾種來實(shí)現(xiàn)。3. 實(shí)時(shí)控制軟件設(shè)計(jì)（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(jī)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(jī)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(yùn)行趨勢分析、報(bào)警記錄、統(tǒng)計(jì)報(bào)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(shí)時(shí)控制軟件設(shè)計(jì)（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(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。數(shù)據(jù)通信程序主要完成計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)之間、計(jì)算機(jī)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(shí)現(xiàn)。因此，數(shù)據(jù)通信軟件必然成為實(shí)時(shí)過程控制軟件的一部分。4. 軟件實(shí)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(dú)立的模塊（如中央處理模塊、信號測量模塊、控制模塊、人機(jī)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(kuò)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(jì)。根據(jù)前面的功能劃分情況，分別設(shè)計(jì)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(jì)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(shí)調(diào)整

32、，直到各個軟件模塊都能測試通過。5軟件設(shè)計(jì)時(shí)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(jì)成功的可能性。 (2) 模塊劃分時(shí)，各模塊要盡量獨(dú)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(hù)，使用后再進(jìn)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(shí)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(shí)參考。 (6) 軟件設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮軟件抗干擾設(shè)計(jì)。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(shí)的多次采樣技術(shù)等）。 系統(tǒng)調(diào)試與現(xiàn)場運(yùn)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(jì)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(yàn)證其正確性；軟硬件的配合情況以及是否達(dá)到設(shè)計(jì)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(jì)算機(jī)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(yùn)行。 1離線仿真與調(diào)試（續(xù)） (1) 硬件