第2章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)范例

1、第2章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)(kn zh x tn)范例2.1溫度控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)2.2系統(tǒng)工作過(guò)程 2.3溫度控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)共二十二頁(yè) 本章以一個(gè)溫度控制系統(tǒng)為例，簡(jiǎn)單介紹(jisho)一下系統(tǒng)的硬件、軟件結(jié)構(gòu)，以及系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本方法。 本章所介紹系統(tǒng)是應(yīng)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(kāi)關(guān)量功放輸出卡IPC5373來(lái)完成帶夾套鍋爐的溫度信號(hào)的采集與控制。要求： 設(shè)計(jì)一套完整的計(jì)算機(jī)溫度測(cè)控系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)檢測(cè)當(dāng)前溫度，并進(jìn)行溫度的實(shí)時(shí)控制，以達(dá)到所期望的溫度值，測(cè)溫范圍：0100，控制精度為0.5。共二十二頁(yè)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(jìn)行溫度測(cè)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(guò)研華的接線端子PCLD8115將測(cè)量的模擬信號(hào)接入數(shù)據(jù)采集卡PCL-818L進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，然后輸入研華工控機(jī)IPC-610H；處理后的數(shù)字量通過(guò)康拓開(kāi)關(guān)量功放輸出卡IPC5373驅(qū)動(dòng)低壓(dy)繼電器；繼電器帶動(dòng)交流接觸器，實(shí)現(xiàn)電加熱絲或是冷卻泵的通電與斷電控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象（帶夾套鍋爐）的溫度進(jìn)行升溫和降溫處理。共二十二頁(yè)2.1.1 控制(kngzh)計(jì)算機(jī) 這里選用的是研華IPC-610H工控機(jī)（見(jiàn)圖2.2）及配套設(shè)備，其主要特點(diǎn)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(gè)擴(kuò)展槽）和400W PFC電源（Power Factor Correction ）；它通過(guò)插入總線插槽的模擬輸入板卡輸入被控對(duì)象的檢測(cè)參數(shù)，按照應(yīng)用程序自動(dòng)地進(jìn)行信息處理、分析和計(jì)算，并作出相應(yīng)的控制決策(juc)或調(diào)節(jié)，通過(guò)插入總線插槽的輸出板卡及時(shí)發(fā)出控制命令，實(shí)現(xiàn)對(duì)象的實(shí)時(shí)控制。共二十二頁(yè)2.1.2 傳感器 傳感器選用鉑熱電阻Pt100溫度傳感器，0C時(shí)標(biāo)稱值為100，它的阻值會(huì)隨著溫度上升而成近似勻速的增長(zhǎng)，100C時(shí)標(biāo)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(shí)的阻值；Rt0為溫度t0（通常t0=0C）時(shí)對(duì)應(yīng)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(yè)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(duì)應(yīng)的溫度變送器，具體接線如圖所示。 其中AI-808A的參數(shù)設(shè)置如下：HIAL（測(cè)量上限）：100；LoAL（測(cè)量下限）：0；dHAL（正偏差報(bào)警限值）：5.0；dLAL（負(fù)偏差報(bào)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(diǎn)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(dòng)調(diào)節(jié)狀態(tài)）：1；Loc（儀表選擇為可設(shè)置(shzh)全部參數(shù)及給定）：808。共二十二頁(yè)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(diǎn)： 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(dòng)通道增益掃描； 每個(gè)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(gè)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(shí)/計(jì)數(shù)器。共二十二頁(yè)P(yáng)CLD8115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(yè)（2）光隔開(kāi)( ki)關(guān)量功放輸出板IPC5373 光隔開(kāi)關(guān)量功放輸出板IPC5373是一塊通用光電隔離型

7、的開(kāi)關(guān)量輸出板，如圖2.6所示。它包括32路開(kāi)關(guān)量輸出，可以實(shí)現(xiàn)PC總線與被測(cè)工業(yè)設(shè)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(shè)備和微機(jī)系統(tǒng)可靠工作；此外它還具有較強(qiáng)的輸出驅(qū)動(dòng)能力和電平轉(zhuǎn)換能力，采用達(dá)林頓管功放集電極開(kāi)路輸出，負(fù)載電源540V，驅(qū)動(dòng)電流單路最大200mA，每片達(dá)林頓管負(fù)載電流最大500mA，可直接(zhji)驅(qū)動(dòng)繼電器、電磁閥等；占用4個(gè)連續(xù)口地址：154H-157H；各輸出信號(hào)具有鎖存功能，上電復(fù)位清零；用戶接口為40芯扁平電纜插座。共二十二頁(yè)2.1

8、.5 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的作用是接受計(jì)算機(jī)發(fā)出(fch)的控制信號(hào)，并把它轉(zhuǎn)換成執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作，使被控對(duì)象按預(yù)先規(guī)定的要求進(jìn)行調(diào)整，保證其正常運(yùn)行，即控制生產(chǎn)過(guò)程。 常用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)有各種電動(dòng)、液動(dòng)及氣動(dòng)開(kāi)關(guān)，電液伺服閥，交直流電動(dòng)機(jī)，步進(jìn)電機(jī)，各種有觸點(diǎn)和無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)、電磁閥等。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需根據(jù)系統(tǒng)的要求來(lái)選擇。 本系統(tǒng)中主要根據(jù)當(dāng)前的溫度對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行加熱或降溫處理，所以執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要使用了兩套低壓繼電器和交流接觸器，用來(lái)接通或斷開(kāi)加熱絲及冷卻泵的供電電源，從而實(shí)現(xiàn)加熱和降溫處理。共二十二頁(yè)2.1.6 其他(qt)外圍設(shè)備 外圍設(shè)備主要是為了輔助工控機(jī)主機(jī)的功能而配置的，用來(lái)顯示、存儲(chǔ)、打印、

9、記錄各種數(shù)據(jù)，包括輸入設(shè)備、輸出設(shè)備和存儲(chǔ)設(shè)備。常用的外圍設(shè)備有打印機(jī)、記錄儀、顯示器、外部存儲(chǔ)器（硬盤、光盤等）、記錄儀、聲光報(bào)警器等。 除了上述硬件以外，還有加熱絲、冷卻泵、導(dǎo)線、電源等設(shè)備。根據(jù)需要也可以(ky)增加網(wǎng)絡(luò)通信接口實(shí)現(xiàn)與其他設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)通信等。共二十二頁(yè)2.2 溫度控制系統(tǒng)軟件(x tn run jin)設(shè)計(jì) 控制軟件的編寫常采用以下三種開(kāi)發(fā)工具： 一是采用機(jī)器語(yǔ)言、匯編語(yǔ)言等面向機(jī)器的低級(jí)語(yǔ)言來(lái)編寫； 二是采用C、VB、VC+等高級(jí)語(yǔ)言(yyn)來(lái)編寫； 三是采用監(jiān)控組態(tài)軟件來(lái)編寫。 為使初學(xué)者便于接受，這里采用較為直觀，也相對(duì)較易實(shí)現(xiàn)的組態(tài)軟件來(lái)進(jìn)行控制軟件的設(shè)計(jì)，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(yè)2.2.1 系統(tǒng)的圖形(txng)畫面設(shè)定模塊歷史曲線溫度顯示冷卻泵加熱絲共二十二頁(yè)2.2.2 板卡設(shè)備(shbi)定義 為了讓輸入、輸出信號(hào)能夠與上述畫面當(dāng)中的圖素相關(guān)聯(lián)，需要進(jìn)行設(shè)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(shè)備”中的“板卡”，在右側(cè)雙擊“新建”，運(yùn)行“設(shè)備配置向?qū)?xingdo)”，對(duì)PCL-818L和IPC5373兩個(gè)板卡進(jìn)行設(shè)置： PCL-818L地址設(shè)置為300，詳細(xì)說(shuō)明參見(jiàn)研華PCL-818系列板卡中文手冊(cè)，設(shè)置對(duì)話框如圖2.8所示； IPC5373地址設(shè)置為154，詳

11、細(xì)設(shè)置請(qǐng)參考IPC5373使用說(shuō)明書，設(shè)置對(duì)話框如圖2.9所示。共二十二頁(yè)圖2.8 輸入板卡PCL-818L地址(dzh)設(shè)置圖2.9 輸出板卡IPC5373地址(dzh)設(shè)置共二十二頁(yè)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(gè)模擬量輸入I/O變量、一個(gè)數(shù)字(shz)量輸出I/O變量、若干內(nèi)存變量。共二十二頁(yè)（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(cè)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(hào)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(shí)數(shù)(shsh)”，最小值設(shè)為“0”，最大值設(shè)為“100”，最小原始值設(shè)為“2458”（對(duì)應(yīng)0C），最大原始值設(shè)為“4095”（對(duì)應(yīng)100C），連接設(shè)備為PCL-818L（新IO設(shè)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(yè)（2）數(shù)字(shz)量輸出I/O變量數(shù)字量輸出(shch)變量通過(guò)IPC5373輸出(shch)，用于驅(qū)動(dòng)外部低壓繼電器（24V）和交流接觸器（220V）。IPC5373板卡有四個(gè)寄存器輸出(shch)，每個(gè)寄存器有8個(gè)通道，設(shè)定值為154H時(shí)，使用154寄存器的8個(gè)

13、通道。各通道的導(dǎo)通與斷開(kāi)由二進(jìn)制量控制，為1則導(dǎo)通，為0則斷開(kāi)，因此輸出值為0255。將其定義為“加熱冷卻輸出”，參數(shù)設(shè)置如圖2.12所示。共二十二頁(yè)（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(dāng)前狀態(tài)，象加熱顯示、冷卻顯示、加熱信號(hào)(xnho)、冷卻信號(hào)(xnho)、斷續(xù)加熱信號(hào)(xnho)、斷續(xù)冷卻信號(hào)(xnho)；中間變量也可以控制系統(tǒng)各狀態(tài)的運(yùn)行時(shí)間，象閃爍變量、斷續(xù)變量；還可設(shè)定系統(tǒng)運(yùn)行的設(shè)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(yùn)行與停止指令等；可從圖2.10中看到。共二十二頁(yè)2.2.4 動(dòng)畫連接(linji)與程序代碼

14、的編寫建立圖2.7畫面中各個(gè)對(duì)象的動(dòng)畫連接，將其與所定義的相關(guān)變量連接起來(lái)（具體可參考第9章組態(tài)軟件應(yīng)用部分），然后(rnhu)進(jìn)行程序代碼的編寫。共二十二頁(yè)2.3 系統(tǒng)(xtng)工作過(guò)程先做如下設(shè)定：設(shè)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(guò)程可描述如下：（1）若水溫低于T2：經(jīng)檢測(cè)換算后輸入到組態(tài)王監(jiān)控界面，運(yùn)算后IPC5373設(shè)定值為64（0 x40），輸出通道1導(dǎo)通，低壓繼電器1常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，使得接觸器1常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，加熱器通電，開(kāi)始連續(xù)工作，此時(shí)系統(tǒng)處于(chy)連續(xù)加熱狀態(tài)。當(dāng)溫度上升到T2后，系統(tǒng)退出連續(xù)加熱狀態(tài)

15、，進(jìn)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(guò)程結(jié)束。（2）若水溫高于T1：經(jīng)檢測(cè)換算后輸入到組態(tài)王監(jiān)控界面，運(yùn)算后IPC5373設(shè)定值為32（0 x20），輸出通道2導(dǎo)通，低壓繼電器2常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，使得接觸器2常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，冷卻泵開(kāi)始連續(xù)工作，此時(shí)系統(tǒng)處于連續(xù)冷卻狀態(tài)。當(dāng)溫度下降到T1后，系統(tǒng)退出連續(xù)冷卻狀態(tài)，進(jìn)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(guò)程結(jié)束。（3）若水溫處于T1和T2之間：IPC5373設(shè)定值為0（0 x00），輸出通道全部斷開(kāi)，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(guò)T1，或水溫低于T2，系統(tǒng)進(jìn)入相應(yīng)控制過(guò)程。共二十二頁(yè)內(nèi)容摘要第