第15章控制系统设计及实例.pptVIP

第15章 控制系统设计及实例 学习目标： 1．学习微型计算机控制系统的设计原则。 2．初步掌握微型计算机控制系统的设计步骤。 3．学习实例，加深认识单片机、工控机和PLC控制系统。 4．初步掌握单片机、工控机和PLC控制系统的硬件、软件设计思路。 本章主要内容 引言 引言 前面讨论了微型计算机控制系统各部分的结构组成、工作原理、硬件和软件技术、控制规律算法以及典型的控制装置类型，这就为微机控制系统的设计奠定了基础。由于控制对象多种多样，要求控制系统达到的功能也各不相同，这使得微机控制系统的构成方式和规模大小也具有多样性。 本章在讨论系统设计的一般原则和步骤之后，分别介绍单片机、工控机、PLC等不同控制装置构成的不同类型的微机控制系统的应用实例。 15.1 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，这就是：要满足工艺要求，可靠性要高，操作性能要好，实时性要强，通用性要好，经济效益要高。 1.满足工艺要求 在设计微机控制系统时，首先应满足生产过程所提出的各种要求及性能指标。因为微机控制系统是为生产过程自动化服务的，因此设计之前必须对工艺过程有一定的熟悉和了解，系统设计人员应该和工艺人员密切结合，才能设计出符合生产工艺要求和性能指标的控制系统。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。一旦系统出现故障，将造成整个控制过程的混乱，引起严重的后果，由此造成的损失往往大大超出微机控制系统本身的价值。在工业生产过程中，特别是在一些连续生产过程的企业中，是不允许故障率高的设备存在的。 系统的可靠性是指系统在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力。在微机控制系统中，可靠性指标一般用系统的平均无故障时间MTBF来表示。MTBF反映了系统可靠工作的能力。但是，组成一个系统的元器件往往成千上万，组合的方式有各种各样，因此一个系统的MTBF再长，也有失效的时候。因此，通常还用平均维修时间MTTR表示每次失效（即出现故障）后所需维修时间的平均值，它表示系统出现故障后立即恢复工作的能力。一般希望MTBF要大于某个规定值，而MTTR值越短越好。 因此，在系统设计时，首先要选用高性能的工业控制计算机，保证在恶劣的工业环境下仍能正常运行。其次是设计可靠的控制方案，并具备有各种安全保护措施，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。对于一般的控制回路，选用手动操作器作为后备；对于重要的回路，选用常规控制仪表作为后备。这样，一旦计算机出现故障，就把后备装置切换到控制回路中去，以维持生产过程的正常运行。对于特殊的控制对象，可设计两台计算机互为备用地执行控制任务，成为双机系统。 对于规模较大的系统，应注意功能分散，即可采用分散控制系统或现场总线控制系统。 3．操作性要好 操作性能好包括两个含义，即使用方便和维护容易。 首先是使用方便。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。 其次是维修容易，即一旦发生故障，易于查找和排除。在硬件方面，从零部件的排列位置，标准化的模板结构，以及能否便于带电插拔等等都要通盘考虑；从软件角度而言，要配置查错程序和诊断程序，以便在故障发生时能用程序帮助查找故障发生的部位，从而缩短排除故障的时间。 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。计算机处理的事件一般分为两类。一类是定时事件，如数据的定时采集，运算控制等，对此，系统应设置时钟，保证定时处理；另一类是随机事件，如事故报警等，对此系统应设置中断，并根据故障的轻重缓急预先分配中断级别，一旦事故发生，保证优先处理紧急故障。 5．通用性要好 工业控制的对象千差万别，而微机控制系统的研制开发又需要有一定的投资和周期。一般来说，不可能为一台装置或一个生产过程研制一台专用计算机，常常是设计或选用通用性好的微机控制装置灵活地构成系统。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，通用性好的系统一般稍作更改或扩充就可适应。 微机控制系统的通用灵活性体现在