第2章 計算機控制系統(tǒng)范例

1、第2章 計算機控制系統(tǒng)(kn zh x tn)范例2.1溫度控制系統(tǒng)軟件設計2.2系統(tǒng)工作過程 2.3溫度控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)共二十二頁 本章以一個溫度控制系統(tǒng)為例，簡單介紹(jisho)一下系統(tǒng)的硬件、軟件結(jié)構(gòu)，以及系統(tǒng)設計的基本方法。 本章所介紹系統(tǒng)是應用研華公司的多功能數(shù)據(jù)采集卡PCL-818L（模擬量輸入）和康拓公司32路光隔開關(guān)量功放輸出卡IPC5373來完成帶夾套鍋爐的溫度信號的采集與控制。要求： 設計一套完整的計算機溫度測控系統(tǒng)，可以實時檢測當前溫度，并進行溫度的實時控制，以達到所期望的溫度值，測溫范圍：0100，控制精度為0.5。共二十二頁2.1 溫度(wnd)控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)采用

2、鉑熱電阻Pt100溫度傳感器進行溫度測量；選擇AI-808A人工智能工業(yè)調(diào)節(jié)器作為溫度變送器；通過研華的接線端子PCLD8115將測量的模擬信號接入數(shù)據(jù)采集卡PCL-818L進行A/D轉(zhuǎn)換，然后輸入研華工控機IPC-610H；處理后的數(shù)字量通過康拓開關(guān)量功放輸出卡IPC5373驅(qū)動低壓(dy)繼電器；繼電器帶動交流接觸器，實現(xiàn)電加熱絲或是冷卻泵的通電與斷電控制，從而實現(xiàn)對被控對象（帶夾套鍋爐）的溫度進行升溫和降溫處理。共二十二頁2.1.1 控制(kngzh)計算機 這里選用的是研華IPC-610H工控機（見圖2.2）及配套設備，其主要特點是：4U（17.78CM ）高，支持14槽背板；前置US

3、B/PS2接口；能抗沖擊、振蕩，并且能在高溫下穩(wěn)定工作；支持ATX母板（7個擴展槽）和400W PFC電源（Power Factor Correction ）；它通過插入總線插槽的模擬輸入板卡輸入被控對象的檢測參數(shù)，按照應用程序自動地進行信息處理、分析和計算，并作出相應的控制決策(juc)或調(diào)節(jié)，通過插入總線插槽的輸出板卡及時發(fā)出控制命令，實現(xiàn)對象的實時控制。共二十二頁2.1.2 傳感器 傳感器選用鉑熱電阻Pt100溫度傳感器，0C時標稱值為100，它的阻值會隨著溫度上升而成近似勻速的增長，100C時標稱值約為138.5。熱電阻的電阻值和溫度一般可以(ky)用以下的近似關(guān)系式表示： Rt=Rt

4、01+(t-t0)式中，Rt為溫度t時的阻值；Rt0為溫度t0（通常t0=0C）時對應電阻值；為溫度系數(shù)。熱電阻三線(sn xin)制接線圖共二十二頁2.1.3 溫度(wnd)變送器熱電阻與變送器間接線圖 選擇AI-808A人工智能工業(yè)調(diào)節(jié)器作為與Pt100相對應的溫度變送器，具體接線如圖所示。 其中AI-808A的參數(shù)設置如下：HIAL（測量上限）：100；LoAL（測量下限）：0；dHAL（正偏差報警限值）：5.0；dLAL（負偏差報警限值）：5.0；Ctrl（控制方式采用位式調(diào)節(jié)）：0；Sn（選定輸入為Pt100）：21；DIP（顯示格式為000.0，小數(shù)點在十位）：1；DIL（輸入下限

5、顯示值）：0；dIH（輸入上限顯示值）：100；OP1（選擇420mA線性電流輸出）：4；Addr（輸出下限為4mA）：40；bAud（定義變送輸出電流上限為20mA）：200；run（確定儀表為自動調(diào)節(jié)狀態(tài)）：1；Loc（儀表選擇為可設置(shzh)全部參數(shù)及給定）：808。共二十二頁2.1.4 輸入(shr)/輸出板卡（1）多功能數(shù)據(jù)(shj)采集卡PCL-818L PCL-818L是基于ISA總線的一款高性能、高速多功能數(shù)據(jù)采集卡。主要具有以下特點： 16路單端或8路差分模擬量輸入； 12位A/D轉(zhuǎn)換器，帶DMA的自動通道增益掃描； 每個輸入通道的增益可編程，包括0.5，1，2，4，8；

6、 板上帶有一個1K的采樣FIFO（先入先出）緩沖器和可編程中斷； 16路數(shù)字量輸入及16路數(shù)字量輸出； 軟件可選擇模擬量輸入范圍，雙極性：0.625V，1.25V，2.5V，5V，10V；單極性：01.25V，02.5V，05V，010V； 2通道12位多路切換模擬輸出，1通道16位通用定時/計數(shù)器。共二十二頁PCLD8115接線(ji xin)端子及其與PCL-818L連接圖如圖2.5所示。(a)PCLD8115接線(ji xin)端子 (b)接線端子及與PCL-818L連接圖共二十二頁（2）光隔開( ki)關(guān)量功放輸出板IPC5373 光隔開關(guān)量功放輸出板IPC5373是一塊通用光電隔離型

7、的開關(guān)量輸出板，如圖2.6所示。它包括32路開關(guān)量輸出，可以實現(xiàn)PC總線與被測工業(yè)設備或數(shù)字儀器之間完全的電隔離，隔離電壓2500Vrms（root mean square 即“均方根值”的縮寫，Vrms有效值），以消除公共地線和電源的干擾，從而使工業(yè)設備和微機系統(tǒng)可靠工作；此外它還具有較強的輸出驅(qū)動能力和電平轉(zhuǎn)換能力，采用達林頓管功放集電極開路輸出，負載電源540V，驅(qū)動電流單路最大200mA，每片達林頓管負載電流最大500mA，可直接(zhji)驅(qū)動繼電器、電磁閥等；占用4個連續(xù)口地址：154H-157H；各輸出信號具有鎖存功能，上電復位清零；用戶接口為40芯扁平電纜插座。共二十二頁2.1

8、.5 執(zhí)行機構(gòu) 執(zhí)行機構(gòu)的作用是接受計算機發(fā)出(fch)的控制信號，并把它轉(zhuǎn)換成執(zhí)行機構(gòu)的動作，使被控對象按預先規(guī)定的要求進行調(diào)整，保證其正常運行，即控制生產(chǎn)過程。 常用的執(zhí)行機構(gòu)有各種電動、液動及氣動開關(guān)，電液伺服閥，交直流電動機，步進電機，各種有觸點和無觸點開關(guān)、電磁閥等。在系統(tǒng)設計中需根據(jù)系統(tǒng)的要求來選擇。 本系統(tǒng)中主要根據(jù)當前的溫度對被控對象進行加熱或降溫處理，所以執(zhí)行機構(gòu)主要使用了兩套低壓繼電器和交流接觸器，用來接通或斷開加熱絲及冷卻泵的供電電源，從而實現(xiàn)加熱和降溫處理。共二十二頁2.1.6 其他(qt)外圍設備 外圍設備主要是為了輔助工控機主機的功能而配置的，用來顯示、存儲、打印、

9、記錄各種數(shù)據(jù)，包括輸入設備、輸出設備和存儲設備。常用的外圍設備有打印機、記錄儀、顯示器、外部存儲器（硬盤、光盤等）、記錄儀、聲光報警器等。 除了上述硬件以外，還有加熱絲、冷卻泵、導線、電源等設備。根據(jù)需要也可以(ky)增加網(wǎng)絡通信接口實現(xiàn)與其他設備的網(wǎng)絡通信等。共二十二頁2.2 溫度控制系統(tǒng)軟件(x tn run jin)設計 控制軟件的編寫常采用以下三種開發(fā)工具： 一是采用機器語言、匯編語言等面向機器的低級語言來編寫； 二是采用C、VB、VC+等高級語言(yyn)來編寫； 三是采用監(jiān)控組態(tài)軟件來編寫。 為使初學者便于接受，這里采用較為直觀，也相對較易實現(xiàn)的組態(tài)軟件來進行控制軟件的設計，組態(tài)軟

10、件選用亞控公司的工業(yè)組態(tài)軟件組態(tài)王（Kingview）。共二十二頁2.2.1 系統(tǒng)的圖形(txng)畫面設定模塊歷史曲線溫度顯示冷卻泵加熱絲共二十二頁2.2.2 板卡設備(shbi)定義 為了讓輸入、輸出信號能夠與上述畫面當中的圖素相關(guān)聯(lián)，需要進行設備定義，也就是所用到的輸入、輸出板卡定義。 在組態(tài)王工程瀏覽器的左側(cè)選擇“設備”中的“板卡”，在右側(cè)雙擊“新建”，運行“設備配置向?qū)?xingdo)”，對PCL-818L和IPC5373兩個板卡進行設置： PCL-818L地址設置為300，詳細說明參見研華PCL-818系列板卡中文手冊，設置對話框如圖2.8所示； IPC5373地址設置為154，詳

11、細設置請參考IPC5373使用說明書，設置對話框如圖2.9所示。共二十二頁圖2.8 輸入板卡PCL-818L地址(dzh)設置圖2.9 輸出板卡IPC5373地址(dzh)設置共二十二頁2.2.3 系統(tǒng)(xtng)變量定義 系統(tǒng)所用變量如圖2.10所示。主要是三類變量：一個模擬量輸入I/O變量、一個數(shù)字(shz)量輸出I/O變量、若干內(nèi)存變量。共二十二頁（1）模擬量輸入(shr)I/O變量 模擬量輸入的傳感器采用的是Pt100，溫度測量范圍取0100C，經(jīng)變送器AI-808A線性輸出420mA電流，經(jīng)250電阻將電流信號轉(zhuǎn)換為15V電壓，并接入板卡PCL-818L。因此，輸入變量定義為“AI1

12、”，變量類型選“I/O實數(shù)(shsh)”，最小值設為“0”，最大值設為“100”，最小原始值設為“2458”（對應0C），最大原始值設為“4095”（對應100C），連接設備為PCL-818L（新IO設備），寄存器選為“AD1.G1”，數(shù)據(jù)類型選“SHORT”，采樣頻率為“500”，讀寫屬性為“只讀”，如圖2.11所示。共二十二頁（2）數(shù)字(shz)量輸出I/O變量數(shù)字量輸出(shch)變量通過IPC5373輸出(shch)，用于驅(qū)動外部低壓繼電器（24V）和交流接觸器（220V）。IPC5373板卡有四個寄存器輸出(shch)，每個寄存器有8個通道，設定值為154H時，使用154寄存器的8個

13、通道。各通道的導通與斷開由二進制量控制，為1則導通，為0則斷開，因此輸出值為0255。將其定義為“加熱冷卻輸出”，參數(shù)設置如圖2.12所示。共二十二頁（3）內(nèi)存(ni cn)變量其他內(nèi)存變量是為了配合數(shù)據(jù)的處理與控制，例如控制相關(guān)指示燈的當前狀態(tài)，象加熱顯示、冷卻顯示、加熱信號(xnho)、冷卻信號(xnho)、斷續(xù)加熱信號(xnho)、斷續(xù)冷卻信號(xnho)；中間變量也可以控制系統(tǒng)各狀態(tài)的運行時間，象閃爍變量、斷續(xù)變量；還可設定系統(tǒng)運行的設定值與控制按鍵值，象控制溫度下限、控制溫度上限、中間溫度、運行與停止指令等；可從圖2.10中看到。共二十二頁2.2.4 動畫連接(linji)與程序代碼

14、的編寫建立圖2.7畫面中各個對象的動畫連接，將其與所定義的相關(guān)變量連接起來（具體可參考第9章組態(tài)軟件應用部分），然后(rnhu)進行程序代碼的編寫。共二十二頁2.3 系統(tǒng)(xtng)工作過程先做如下設定：設定溫度為T0，根據(jù)允許誤差為0.5，則溫度控制上限為T1=T0+0.5，下限為T2=T0-0.5，則工作過程可描述如下：（1）若水溫低于T2：經(jīng)檢測換算后輸入到組態(tài)王監(jiān)控界面，運算后IPC5373設定值為64（0 x40），輸出通道1導通，低壓繼電器1常開觸點閉合，使得接觸器1常開觸點閉合，加熱器通電，開始連續(xù)工作，此時系統(tǒng)處于(chy)連續(xù)加熱狀態(tài)。當溫度上升到T2后，系統(tǒng)退出連續(xù)加熱狀態(tài)

15、，進入斷續(xù)加熱狀態(tài)，加熱器工作2s，停止工作2s，依次循環(huán)，直到水溫升到中間溫度T0，加熱控制過程結(jié)束。（2）若水溫高于T1：經(jīng)檢測換算后輸入到組態(tài)王監(jiān)控界面，運算后IPC5373設定值為32（0 x20），輸出通道2導通，低壓繼電器2常開觸點閉合，使得接觸器2常開觸點閉合，冷卻泵開始連續(xù)工作，此時系統(tǒng)處于連續(xù)冷卻狀態(tài)。當溫度下降到T1后，系統(tǒng)退出連續(xù)冷卻狀態(tài)，進入斷續(xù)冷卻狀態(tài)，即冷卻泵工作2s后停止工作2s，依次循環(huán)，直到水溫降到中間溫度T0，冷卻控制過程結(jié)束。（3）若水溫處于T1和T2之間：IPC5373設定值為0（0 x00），輸出通道全部斷開，加熱器、冷卻泵都不工作，組態(tài)王繼續(xù)監(jiān)控水溫，直到水溫超過T1，或水溫低于T2，系統(tǒng)進入相應控制過程。共二十二頁內(nèi)容摘要第