1、7.1 计算机控制系统的设计方法计算机控制系统的设计方法 7.2 计算机控制系统的实现过程计算机控制系统的实现过程 7.3 控制系统中的可靠性技术控制系统中的可靠性技术 7.4 多通道温度采集系统多通道温度采集系统 7.5 智能小车控制系统智能小车控制系统 7.6 中药萃取控制系统中药萃取控制系统 第七章计算机控制系统设计与实现第七章计算机控制系统设计与实现7.1.1 计算机控制系统的设计原则计算机控制系统的设计原则 对于不同的控制对象，系统设计的具体要求会不同，对于不同的控制对象，系统设计的具体要求会不同，但设计的基本要求大致相同。一般来说，设计计算但设计的基本要求大致相同。一般来说，设计计
2、算机控制系统时都需要遵循可靠性高、操作性好机控制系统时都需要遵循可靠性高、操作性好、实、实时性强、通用性好、经济效益高基本原则。时性强、通用性好、经济效益高基本原则。1可靠性高可靠性高 首先要选用高性能、高可靠性的工业控制计算机，首先要选用高性能、高可靠性的工业控制计算机，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，并具有各种安全保护措施，设计可靠的控制方案，并具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。比如报警、事故预测、事故处理、不间断电源等。同时，为了保证计算机控制系统安全可靠，通常要同时，为了保证计算
3、机控制系统安全可靠，通常要设计后备装置，对于一般的控制回路，选用手动操设计后备装置，对于一般的控制回路，选用手动操作为后备。对于较重要的控制场合，常采用双机系作为后备。对于较重要的控制场合，常采用双机系统作为控制系统的核心控制器。统作为控制系统的核心控制器。一般的方式有：一般的方式有：(1)备份工作方式。即一台投入运行，另一台作为系统备份工作方式。即一台投入运行，另一台作为系统的备份机。当投入运行的微机出现故障时，由专用的备份机。当投入运行的微机出现故障时，由专用切换装置切换装置(过程控制过程控制)将备份机自动投入运行，接替出将备份机自动投入运行，接替出故障的主机，使系统照常运行；出现故障的微
4、机修故障的主机，使系统照常运行；出现故障的微机修复后，则作为备份机使用。复后，则作为备份机使用。(2)主从工作方式。即两台微机同时投入运行。一台担主从工作方式。即两台微机同时投入运行。一台担任主要工作，另一台担任从属工作。当担任主要工任主要工作，另一台担任从属工作。当担任主要工作的主机发生故障时，由担任从属工作的从属机接作的主机发生故障时，由担任从属工作的从属机接替主机的工作，保证系统的继续运行。替主机的工作，保证系统的继续运行。(3)双工工作方式。在这种系统中，两台主机同时投入系统运行，双工工作方式。在这种系统中，两台主机同时投入系统运行，在任何一个时刻，都同步执行同一个任务，并将结果送到一
5、在任何一个时刻，都同步执行同一个任务，并将结果送到一个专门的装置进行核对。如两台机器输出结果相符，说明两个专门的装置进行核对。如两台机器输出结果相符，说明两台主机都属正常，允许将结果输出到被控对象或设备；如核台主机都属正常，允许将结果输出到被控对象或设备；如核对结果有异，就封锁输出，通知两台主机对上一处理结果重对结果有异，就封锁输出，通知两台主机对上一处理结果重复运行，然后再次核对。如经几次核对操作后结果仍不相符，复运行，然后再次核对。如经几次核对操作后结果仍不相符，则说明其中一台发生故障。这时，需调用诊断程序确定故障则说明其中一台发生故障。这时，需调用诊断程序确定故障所在的机器位置，并将诊断
6、出有故障的主机从系统中切换下所在的机器位置，并将诊断出有故障的主机从系统中切换下来，让另一台主机继续执行控制任务。来，让另一台主机继续执行控制任务。(4)分布式控制方案。即分级分布式控制方式。其实质是智能控分布式控制方案。即分级分布式控制方式。其实质是智能控制单元分别控制各被控对象，由上一级计算机进行监视和管制单元分别控制各被控对象，由上一级计算机进行监视和管理。当某一台智能控制单元出现故障时，其影响仅限于出故理。当某一台智能控制单元出现故障时，其影响仅限于出故障单元所涉及的局部范围内，而它的控制任务可由上位机来障单元所涉及的局部范围内，而它的控制任务可由上位机来承担；如上位机也出现故障，则各
7、智能控制单元仍可维持对承担；如上位机也出现故障，则各智能控制单元仍可维持对各被控对象的控制，所以大大提高了整个系统的可靠性。各被控对象的控制，所以大大提高了整个系统的可靠性。2操作性好操作性好 操作性包括使用方便和维修容易两个含义。操作方操作性包括使用方便和维修容易两个含义。操作方便表现在操作简单、直观形象、便于掌握，并不强便表现在操作简单、直观形象、便于掌握，并不强求操作人员要掌握计算机知识才能操作。既要体现求操作人员要掌握计算机知识才能操作。既要体现操作的先进性，又要兼顾原有的操作习惯。例如，操作的先进性，又要兼顾原有的操作习惯。例如，操作人员已习惯了常规控制仪表的面板操作，而在操作人员已
8、习惯了常规控制仪表的面板操作，而在CRT画面上就可以设计成回路操作显示画面。画面上就可以设计成回路操作显示画面。维修方便体现在易于查找故障，易于排除故障。采维修方便体现在易于查找故障，易于排除故障。采用标准的功能模板式结构，便于更换故障模板。并用标准的功能模板式结构，便于更换故障模板。并在功能模板上安装工作状态指示灯和监测点，便于在功能模板上安装工作状态指示灯和监测点，便于维修人员检查。另外配置诊断程序，用来查找故障。维修人员检查。另外配置诊断程序，用来查找故障。3实时性强实时性强 工业控制计算机机的实时性，表现在对内部和外部工业控制计算机机的实时性，表现在对内部和外部事件能及时地响应，并做出
9、相应的处理，不丢失信事件能及时地响应，并做出相应的处理，不丢失信息，不延误操作。计算机处理的事件一般分为两类：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；一类是定时事件，如数据的定时采集，运算控制等；另一类是随机事件，如事故、报警等。对于定时事另一类是随机事件，如事故、报警等。对于定时事件，系统设置时钟，保证定时处理。对于随机事件，件，系统设置时钟，保证定时处理。对于随机事件，系统设置中断，并根据故障的轻重缓急，预先分配系统设置中断，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。中断级别，一旦事故发生，保证优先处理紧
10、急故障。4通用性好通用性好 计算机控制的对象千变万化，一个工业控制系统一般可同时计算机控制的对象千变万化，一个工业控制系统一般可同时控制多台设备或控制对象。系统设计时应考虑能适应不同的控制多台设备或控制对象。系统设计时应考虑能适应不同的设备和不同的控制对象。当设备或控制对象有所变更时，通设备和不同的控制对象。当设备或控制对象有所变更时，通用性好的系统一般稍作更改就可适应，并采用积木式结构，用性好的系统一般稍作更改就可适应，并采用积木式结构，按照控制要求灵活构成系统，并能灵活地进行扩充。其次，按照控制要求灵活构成系统，并能灵活地进行扩充。其次，系统设计时，各设计指标要留有一定的余量，如输入输出通
11、系统设计时，各设计指标要留有一定的余量，如输入输出通道、内存容量、电源功率等均事先留有一定的余量，则为日道、内存容量、电源功率等均事先留有一定的余量，则为日后系统的扩充创造了有利的条件。工业控制计算机的通用灵后系统的扩充创造了有利的条件。工业控制计算机的通用灵活性体现在两方面：一是硬件模板设计采用标准总线结构活性体现在两方面：一是硬件模板设计采用标准总线结构(如如PC总线总线)，配置各种通用的功能模板，以便在扩充功能时，只，配置各种通用的功能模板，以便在扩充功能时，只需增加功能模板就能实现；二是软件模块或控制算法采用标需增加功能模板就能实现；二是软件模块或控制算法采用标准模块结构，用户使用时不
12、需要二次开发，只需按要求选择准模块结构，用户使用时不需要二次开发，只需按要求选择各种功能模块，灵活地进行控制系统组态。各种功能模块，灵活地进行控制系统组态。5.经济效益高经济效益高 计算机控制应该带来高的经济效益，系统设计时要计算机控制应该带来高的经济效益，系统设计时要考虑性能价格比，要有市场竞争意识。经济效益表考虑性能价格比，要有市场竞争意识。经济效益表现在两个方面：一是系统设计的性能价格比要尽可现在两个方面：一是系统设计的性能价格比要尽可能的高；二是投入产出比要尽可能的低。能的高；二是投入产出比要尽可能的低。由于计算机应用技术发展迅速，新老产品更迭速度由于计算机应用技术发展迅速，新老产品更
13、迭速度很快，硬件价格一直呈周期性下降趋势，因此在满很快，硬件价格一直呈周期性下降趋势，因此在满足精度、速度和其它性能要求的前提下，应尽量缩足精度、速度和其它性能要求的前提下，应尽量缩短设计周期，以降低整个系统的开发费用。其它如短设计周期，以降低整个系统的开发费用。其它如精度、速度、体积、监控手段、外部配套设备等随精度、速度、体积、监控手段、外部配套设备等随不同应用系统会有不同的要求，具体设计时需要综不同应用系统会有不同的要求，具体设计时需要综合平衡各种因素进行综合考虑。合平衡各种因素进行综合考虑。7.1.2 计算机控制系统的设计步骤计算机控制系统的设计步骤 计算机控制系统的设计虽然随被控对象、
14、控制方式、系统规计算机控制系统的设计虽然随被控对象、控制方式、系统规模的变化而有所差异，但系统设计的基本内容和主要步骤大模的变化而有所差异，但系统设计的基本内容和主要步骤大致相同，系统工程项目的研制可分为四个阶段：项目的可行致相同，系统工程项目的研制可分为四个阶段：项目的可行性论证阶段（工程项目与控制任务的确定阶段）；项目的工性论证阶段（工程项目与控制任务的确定阶段）；项目的工程设计阶段；离线仿真和调试阶段；在线调试和运行验收阶程设计阶段；离线仿真和调试阶段；在线调试和运行验收阶段。段。1项目可行性论证项目可行性论证 项目可行性论证流程如图项目可行性论证流程如图7-1所示，可行性论证主要包括：
15、技所示，可行性论证主要包括：技术可行性、经费可行性、进度可行性等内容，并形成可行性术可行性、经费可行性、进度可行性等内容，并形成可行性论证报告。特别要指出，对项目控制尤其是对可测性和可控论证报告。特别要指出，对项目控制尤其是对可测性和可控性应给予充分重视。性应给予充分重视。在对项目进行可行性论证时需要初步进行系统总体方案设计。在对项目进行可行性论证时需要初步进行系统总体方案设计。在条件允许的情况下，总体方案设计时应多做几个方案以便在条件允许的情况下，总体方案设计时应多做几个方案以便比较。这些方案应能清楚地反映出三大关键问题：技术难点、比较。这些方案应能清楚地反映出三大关键问题：技术难点、经费概
16、算、工期。经费概算、工期。图图7-1 项目可行性论证流程示意图。形成可行性论证报告后需要对项目总体项目可行性论证流程示意图。形成可行性论证报告后需要对项目总体设计方案的合理性、经济性、可靠性及可行性进行论证与评审。如果论证设计方案的合理性、经济性、可靠性及可行性进行论证与评审。如果论证评审的结果为可行，便可形成作为系统设计依据的系统总体方案图和设计评审的结果为可行，便可形成作为系统设计依据的系统总体方案图和设计任务书，以指导具体的系统设计过程，并下达设计任务。如果论证的结果任务书，以指导具体的系统设计过程，并下达设计任务。如果论证的结果为不可行，则应重新设计系统总体方案进行论证或终止项目。为不
17、可行，则应重新设计系统总体方案进行论证或终止项目。7-2 项目工程设计阶段流程示意图项目工程设计阶段流程示意图2项目的工程设计项目的工程设计 项目的工程设计阶段流程如图项目的工程设计阶段流程如图7-2所示。主要包括组建项目研所示。主要包括组建项目研制小组、系统详细设计、方案论证与评审、硬件和软件的细制小组、系统详细设计、方案论证与评审、硬件和软件的细化设计、硬件和软件的调试、系统的组装。化设计、硬件和软件的调试、系统的组装。3离线仿真和调试阶段离线仿真和调试阶段 离线仿真和调试阶段的流程如图离线仿真和调试阶段的流程如图7-3所示。所谓离线仿真和调所示。所谓离线仿真和调试是指在实验室而不是在工业
18、现场进行的仿真和调试。离线试是指在实验室而不是在工业现场进行的仿真和调试。离线仿真和调试试验后，还要进行考机运行。考机的目的是要在仿真和调试试验后，还要进行考机运行。考机的目的是要在连续不停机的运行中暴露问题和解决问题。连续不停机的运行中暴露问题和解决问题。4在线调试和运行验收阶段在线调试和运行验收阶段 系统离线仿真和调试后便可进行在线调试和运行（图系统离线仿真和调试后便可进行在线调试和运行（图7-4所所示）。所谓在线调试和运行就是将系统和生产过程联接在一示）。所谓在线调试和运行就是将系统和生产过程联接在一起，进行现场调试和运行。尽管上述离线仿真和调试工作非起，进行现场调试和运行。尽管上述离线
19、仿真和调试工作非常认真、仔细，现场调试和运行仍可能出现问题，因此必须常认真、仔细，现场调试和运行仍可能出现问题，因此必须认真分析加以解决。系统运行正常后，再进行一段时间的试认真分析加以解决。系统运行正常后，再进行一段时间的试运行，即可组织验收。验收是系统项目最终完成的标志，应运行，即可组织验收。验收是系统项目最终完成的标志，应由用户主持，双方协同进行。验收完毕应形成验收文件存档。由用户主持，双方协同进行。验收完毕应形成验收文件存档。图图7-3 离线仿真和调试阶段的流程离线仿真和调试阶段的流程 图图7-4 在线调试和运行流程在线调试和运行流程 7.2.1 计算机控制系统的可行性论证计算机控制系统
20、的可行性论证 在进行计算机控制项目的可行性论证前，要注重对实际问题在进行计算机控制项目的可行性论证前，要注重对实际问题的调查。通过对生产过程的深入了解、分析以及对工作过程的调查。通过对生产过程的深入了解、分析以及对工作过程和环境的熟悉，才能确定系统的控制任务，提出切实可行的和环境的熟悉，才能确定系统的控制任务，提出切实可行的系统总体设计方案，设计性能优良的计算机控制系统。系统总体设计方案，设计性能优良的计算机控制系统。1硬件总体方案设计硬件总体方案设计 依据系统的控制任务和性能要求开展系统的硬件总体设计。依据系统的控制任务和性能要求开展系统的硬件总体设计。总体设计的方法是总体设计的方法是“黑箱
21、黑箱”设计法。所谓设计法。所谓“黑箱黑箱”设计，就设计，就是画方块图的方法。用这种方法做出的系统结构设计，只需是画方块图的方法。用这种方法做出的系统结构设计，只需明确各方块之间的信号输入输出关系和功能要求，而不需知明确各方块之间的信号输入输出关系和功能要求，而不需知道道“黑箱黑箱”内具体结构。硬件总体方案设计主要包含以下几内具体结构。硬件总体方案设计主要包含以下几个方面的内容。个方面的内容。(1)确定系统的结构和类型确定系统的结构和类型 根据系统要求，确定采用开环还是闭环控制。闭环控制还需根据系统要求，确定采用开环还是闭环控制。闭环控制还需进一步确定是单闭环还是多闭环控制。实际可供选择的控制进
22、一步确定是单闭环还是多闭环控制。实际可供选择的控制系统类型有：操作指导控制系统；直接数字控制系统类型有：操作指导控制系统；直接数字控制(DDC)系统；系统；监督计算机控制监督计算机控制(SCC)系统；分级控制系统；分散型控制系统系统；分级控制系统；分散型控制系统(DCS)；工业测控网络系统等。；工业测控网络系统等。(2)确定系统的构成方式确定系统的构成方式 系统的构成方式应优先选择采用工控机（注：目前一些著名系统的构成方式应优先选择采用工控机（注：目前一些著名品牌计算机或嵌入式微处理器已经能够满足一般工业控制系品牌计算机或嵌入式微处理器已经能够满足一般工业控制系统的可靠性要求）来构成系统的方式
23、。工控机具有系列化、统的可靠性要求）来构成系统的方式。工控机具有系列化、模块化、标准化和开放结构，有利于系统设计者在系统设计模块化、标准化和开放结构，有利于系统设计者在系统设计时根据要求任意选择，象搭积木般地组建系统。这种方式可时根据要求任意选择，象搭积木般地组建系统。这种方式可提高研制和开发速度，提高系统的技术水平和性能，增加可提高研制和开发速度，提高系统的技术水平和性能，增加可靠性。当然，也可以采用通用的可编程序控制器靠性。当然，也可以采用通用的可编程序控制器(PLC)或智能或智能调节器来构成计算机控制系统调节器来构成计算机控制系统(如集散控制系统、网络化控制如集散控制系统、网络化控制系统
24、系统)的前端机的前端机(或下位机或下位机)。(3)现场设备选择现场设备选择 主要包含传感器、变送器和执行机构的选择，这些主要包含传感器、变送器和执行机构的选择，这些装置的选择要正确，它是影响系统控制性能的重要装置的选择要正确，它是影响系统控制性能的重要因素之一。因素之一。(4)其它方面的考虑其它方面的考虑 总体方案中还应考虑人机联系方式、系统的机柜或总体方案中还应考虑人机联系方式、系统的机柜或机箱的结构设计、抗干扰等方面的问题。机箱的结构设计、抗干扰等方面的问题。2软件总体方案设计软件总体方案设计 依据系统的控制任务和性能要求进行软件的总体设依据系统的控制任务和性能要求进行软件的总体设计。软件
25、总体设计和硬件总体设计一样，也是采用计。软件总体设计和硬件总体设计一样，也是采用结构化的结构化的“黑箱黑箱”设计法。先画出较高一级的方框设计法。先画出较高一级的方框图，然后再将大的方框分解成小的方框，直到能表图，然后再将大的方框分解成小的方框，直到能表达清楚为止。软件总体方案还应考虑确定系统的数达清楚为止。软件总体方案还应考虑确定系统的数学模型、控制策略、控制算法等。学模型、控制策略、控制算法等。3系统总体方案系统总体方案 将上面的硬件总体方案和软件总体方案合在一起构将上面的硬件总体方案和软件总体方案合在一起构成系统的总体方案。一般来说应制定多套总体方案，成系统的总体方案。一般来说应制定多套总
26、体方案，从技术可行性、经费可行性、进度可行性等方面进从技术可行性、经费可行性、进度可行性等方面进行比较和选择，并形成可行性论证报告。可行性论行比较和选择，并形成可行性论证报告。可行性论证报告中特别要对项目的可测性和可控性进行说明。证报告中特别要对项目的可测性和可控性进行说明。可行性论证报告的主要内容包括：可行性论证报告的主要内容包括：(1)系统的主要功能、技术指标、原理性方框图及文字系统的主要功能、技术指标、原理性方框图及文字说明。说明。(2)控制策略和控制算法，例如控制策略和控制算法，例如PID控制、达林算法、控制、达林算法、Smith 补偿控制、最少拍控制、串级控制、前馈控制、补偿控制、最
27、少拍控制、串级控制、前馈控制、解耦控制、模糊控制、最优控制等。解耦控制、模糊控制、最优控制等。(3)系统的硬件结构及配置，主要的软件功能、结构及系统的硬件结构及配置，主要的软件功能、结构及框图。框图。(4)方案比较和选择。方案比较和选择。(5)保证性能指标要求的技术措施。保证性能指标要求的技术措施。(6)抗干扰和可靠性设计。抗干扰和可靠性设计。(7)机柜或机箱的结构设计。机柜或机箱的结构设计。(8)经费和进度计划的安排。经费和进度计划的安排。4方案可行性论证方案可行性论证 可行性论证报告形成后应邀请有关专家、主管领导可行性论证报告形成后应邀请有关专家、主管领导及用户代表参对项目的总体设计方案要
28、进行合理性、及用户代表参对项目的总体设计方案要进行合理性、经济性、可靠性及可行性进行论证评审。方案可行经济性、可靠性及可行性进行论证评审。方案可行性论证是对系统总体方案的把关，如果论证评审的性论证是对系统总体方案的把关，如果论证评审的结果为可行，则论证评审后确定的总体方案是进行结果为可行，则论证评审后确定的总体方案是进行工程设计的依据，因此评审后应根据评审意见重新工程设计的依据，因此评审后应根据评审意见重新修改总体方案，评审过的方案应该作为正式文件存修改总体方案，评审过的方案应该作为正式文件存档，原则上不应再作大的改动。同时根据形成作为档，原则上不应再作大的改动。同时根据形成作为系统设计依据的
29、系统总体方案图和设计任务书，以系统设计依据的系统总体方案图和设计任务书，以指导具体的系统设计过程。设计任务书一定要有明指导具体的系统设计过程。设计任务书一定要有明确的系统技术性能指标要求，还要包含经费、计划确的系统技术性能指标要求，还要包含经费、计划进度接等内容，然后下达设计任务。如果论证的结进度接等内容，然后下达设计任务。如果论证的结果为不可行，则应重新设计系统总体方案进行可行果为不可行，则应重新设计系统总体方案进行可行性论证或终止项目。性论证或终止项目。7.2.2 计算机控制系统的工程设计计算机控制系统的工程设计 在计算机控制系统中，一些控制功能既能由硬件实现，亦能在计算机控制系统中，一些
30、控制功能既能由硬件实现，亦能用软件实现，故系统设计时，硬件、软件功能的划分要综合用软件实现，故系统设计时，硬件、软件功能的划分要综合考虑。总的来说，各种形式的计算机控制系统的设计过程也考虑。总的来说，各种形式的计算机控制系统的设计过程也大同小异。大同小异。1硬件系统设计硬件系统设计硬件系统设计的任务是：硬件系统设计的任务是：(1)根据系统总体框图，设计系统电气原理图。根据系统总体框图，设计系统电气原理图。(2)按照电气原理图选择控制主机、板卡、传感器、变送器、执按照电气原理图选择控制主机、板卡、传感器、变送器、执行机构和配套的元器件等，并对硬件系统进行详细设计。行机构和配套的元器件等，并对硬件
31、系统进行详细设计。硬件系统设计过程中需要注意硬件设备之间的匹配问题，应硬件系统设计过程中需要注意硬件设备之间的匹配问题，应进行严格的匹配筛选。在布线和结构设计时，应注意生产工进行严格的匹配筛选。在布线和结构设计时，应注意生产工艺和装配工艺，以减少电磁干扰和避免结构干涉。艺和装配工艺，以减少电磁干扰和避免结构干涉。控制系统的计算机可根据控制功能与的要求选用工控机、控制系统的计算机可根据控制功能与的要求选用工控机、PC机、机、PLC或单片机等形式。但由于工控机具有高度模块化和或单片机等形式。但由于工控机具有高度模块化和插板结构的特点，可以采用组合方式来大大简化计算机控制插板结构的特点，可以采用组合
32、方式来大大简化计算机控制系统的设计。因此，工控机控制系统只需要简单地更换几块系统的设计。因此，工控机控制系统只需要简单地更换几块模板，就可以很方便地变成另外一种功能的控制系统。模板，就可以很方便地变成另外一种功能的控制系统。硬件设备的选择一般应注意以下几点：硬件设备的选择一般应注意以下几点：字长。计算机的字长定义为并行数据总线线数，字条越长，精度越高，但字长。计算机的字长定义为并行数据总线线数，字条越长，精度越高，但价格相应越贵。对于嵌入式控制系统可选择价格相应越贵。对于嵌入式控制系统可选择16位、位、32位或位或64位单片机；位单片机；对线切割机床的控制以及温度控制等这类计算精度要求较高、处
33、理速度对线切割机床的控制以及温度控制等这类计算精度要求较高、处理速度快的系统可选用快的系统可选用16位机或位机或32位机。位机。速度。运算速度直接影响系统响应的快速性，若系统要求响应快，就必须速度。运算速度直接影响系统响应的快速性，若系统要求响应快，就必须选择速度快的计算机。例如：对于反应缓慢的化工产生过程的控制，可选择速度快的计算机。例如：对于反应缓慢的化工产生过程的控制，可选用慢速的微处理器；对于加工机床类设备的运动控制必须选用高速的选用慢速的微处理器；对于加工机床类设备的运动控制必须选用高速的微处理器。微处理器。内存容量。内存容量取决于控制算法的复杂程度。若控制算法复杂，计算内存容量。内
34、存容量取决于控制算法的复杂程度。若控制算法复杂，计算量大，所处理的数据多，就要选择内存容量大的计算机。量大，所处理的数据多，就要选择内存容量大的计算机。中断能力。计算机控制系统的中断能力，不仅解决主机与外设间的信息交中断能力。计算机控制系统的中断能力，不仅解决主机与外设间的信息交换问题，而且解决故障处理、多机连接等，因而要选择中断能力强的计换问题，而且解决故障处理、多机连接等，因而要选择中断能力强的计算机。中断方式和优先级应根据被控对象的要求和计算机为其服务的频算机。中断方式和优先级应根据被控对象的要求和计算机为其服务的频繁程度来确定。一般用硬件处理中断响应速度较快，便要配备中断控制繁程度来确
35、定。一般用硬件处理中断响应速度较快，便要配备中断控制部件；用软件处理中断的速度要慢一些，但比较灵活、修改方便。部件；用软件处理中断的速度要慢一些，但比较灵活、修改方便。外围接口。一个典型的计算机控制系统，除了工业控制机的主机以外，还外围接口。一个典型的计算机控制系统，除了工业控制机的主机以外，还必须有各种输入输出信道模板，其中包括数字量必须有各种输入输出信道模板，其中包括数字量I/O(即即DI/DO)、模拟量、模拟量I/O(AI/AO)等模板。等模板。变送器变送器 变送器是能将被测变量变送器是能将被测变量(如温度、压力、物位、流量、电压、如温度、压力、物位、流量、电压、电流等电流等)转换为可远
36、传的统一标准信号转换为可远传的统一标准信号(010mA、420mA等等)的一种仪表，且输出信号与被测变量有一定的连续关系。的一种仪表，且输出信号与被测变量有一定的连续关系。在控制系统中其输出信号被送至工控机进行处理，实现数据在控制系统中其输出信号被送至工控机进行处理，实现数据采集。常用的变送器有温度变送器、压力变送器、液位变送采集。常用的变送器有温度变送器、压力变送器、液位变送器、差压变送器、流量变送器、各种电量变送器等。系统设器、差压变送器、流量变送器、各种电量变送器等。系统设计人员可根据被测参数的种类、量程、被测对象的介质类型计人员可根据被测参数的种类、量程、被测对象的介质类型和环境来选择
37、变送器的具体型号。和环境来选择变送器的具体型号。执行机构执行机构 执行机构是控制系统中必不可少的组成部分，它的作用是接执行机构是控制系统中必不可少的组成部分，它的作用是接受计算机发出的控制信号，并把它转换成调整机构的动作，受计算机发出的控制信号，并把它转换成调整机构的动作，使生产过程按预先规定的要求正常运行。使生产过程按预先规定的要求正常运行。2软件系统设计软件系统设计 一般在进行计算机控制系统设计时都运用实时操作系统或实一般在进行计算机控制系统设计时都运用实时操作系统或实时监控程序、各种控制、运算软件、组态软件等工具软件，时监控程序、各种控制、运算软件、组态软件等工具软件，以使系统设计者在最
38、短的周期内，开发出目标系统软件。而以使系统设计者在最短的周期内，开发出目标系统软件。而 控制软件供应商一般都把工业控制所需的各种功能以模块形控制软件供应商一般都把工业控制所需的各种功能以模块形式提供给用户。这些功能模块应依据式提供给用户。这些功能模块应依据IEC 61499（PAS）“工业测量与控制系统用功能块工业测量与控制系统用功能块”定义的定义的“工业测量与控工业测量与控制系统用功能块制系统用功能块”模型和模型和IEC61804（PAS）定义的）定义的“过程控过程控制用的功能块制用的功能块”，采用编程语言的标准，采用编程语言的标准IEC61131-3来规范功来规范功能模块的实现。能模块的实
39、现。来纺。其中包括：控制类模块来纺。其中包括：控制类模块(多为多为PID)，数，数学类模块学类模块(四则运算、开方、最大值四则运算、开方、最大值/最小值选择、计数最小值选择、计数/计时、计时、一阶惯性、超前滞后、工程量变换、上下限报警等数十种一阶惯性、超前滞后、工程量变换、上下限报警等数十种)，逻辑类模块，输入类模块，输出类模块，打印模块，逻辑类模块，输入类模块，输出类模块，打印模块，CRT显显示模块等。系统设计者根据控制要求，选择所需的模块就能示模块等。系统设计者根据控制要求，选择所需的模块就能生成系统控制软件，因而软件设计工作量大为减小。为了便生成系统控制软件，因而软件设计工作量大为减小。
40、为了便于系统组态于系统组态(即选择模块组成系统即选择模块组成系统)，有的还提供了组态语言。，有的还提供了组态语言。一般来说控制系统的软件设计应在总体设计基础上，根据设一般来说控制系统的软件设计应在总体设计基础上，根据设计任务书明确的系统功能和技术指标要求画出程序总体流程计任务书明确的系统功能和技术指标要求画出程序总体流程图和各功能模块流程图，再进行系统组态或选择程序设计语图和各功能模块流程图，再进行系统组态或选择程序设计语言编制控制程序。具体程序设计一般要处理以下内容。言编制控制程序。具体程序设计一般要处理以下内容。(1)数据类型和数据结构规划数据类型和数据结构规划 在系统总体方案设计中，系统
41、的各个模块之间有着各种因果在系统总体方案设计中，系统的各个模块之间有着各种因果关系，互相之间要进行各种信息传递。如数据处理模块和数关系，互相之间要进行各种信息传递。如数据处理模块和数据采集模块之间的关系，数据采集模块的输出信息就是数据据采集模块之间的关系，数据采集模块的输出信息就是数据处理模块的输入信息。同样，显示模块、打印模块之也需要处理模块的输入信息。同样，显示模块、打印模块之也需要从数据处理模块获得信息。各模块之间的关系体现在它们的从数据处理模块获得信息。各模块之间的关系体现在它们的接口条件上，即输入条件和输出结果上。为了使信息传递顺接口条件上，即输入条件和输出结果上。为了使信息传递顺畅
42、可靠，就必须严格规定好各个接口条件，即各接口参数的畅可靠，就必须严格规定好各个接口条件，即各接口参数的数据结构和数据类型。数据结构和数据类型。一般来说，数据处理模块和数据采集模块的输出都需要通过一般来说，数据处理模块和数据采集模块的输出都需要通过数据库进行一定时间的保存。因此，不仅要确定相关数据的数据库进行一定时间的保存。因此，不仅要确定相关数据的类型，而且要很好地规划数据结构，即数据存放格式。类型，而且要很好地规划数据结构，即数据存放格式。(2)资源分配资源分配 系统资源包括系统资源包括ROM、RAM、定时器、定时器/计数器、中断源、计数器、中断源、I/O地地址等。址等。ROM资源一般用来存
43、放程序和表格。因此，资源分配资源一般用来存放程序和表格。因此，资源分配的主要工作是的主要工作是RAM资源的分配。资源的分配。RAM资源分配好后应列出资源分配好后应列出一张一张RAM资源的详细分配清单，作为编程依据。资源的详细分配清单，作为编程依据。I/O地址、地址、定时器定时器/计数器、中断源在硬件系统设计时选定输入输出模板计数器、中断源在硬件系统设计时选定输入输出模板时就已经确定，不需重要分配。时就已经确定，不需重要分配。(3)实时控制软件设计实时控制软件设计数据采集及数据处理程序数据采集及数据处理程序 数据采集程序主要包括多路信号的采样、输入变换、存储等。数据采集程序主要包括多路信号的采样
44、、输入变换、存储等。模拟输入信号为模拟输入信号为mA(DC)或或mV(DC)和电阻等。可以直接作为和电阻等。可以直接作为A/D转换模板的输入转换模板的输入(电流经电流经I/V变换变为电压输入，或经放大变换变为电压输入，或经放大器放大后再作为器放大后再作为A/D转换模板的输入转换模板的输入)。开关触点状态通过数。开关触点状态通过数字量输入字量输入(DI)模板输入。输入信号的点数可根据需要选取，模板输入。输入信号的点数可根据需要选取，每个信号的量程和工业单位用户必须规定清楚。每个信号的量程和工业单位用户必须规定清楚。数据处理程序主要包括数字滤波程序、线性化处理和非线性数据处理程序主要包括数字滤波程
45、序、线性化处理和非线性补偿、标度变换程序、超限报警程序等。补偿、标度变换程序、超限报警程序等。控制算法程序控制算法程序控制算法程序主要实现控制规律的计算，产生控制量。其中包括：数字控制算法程序主要实现控制规律的计算，产生控制量。其中包括：数字PID控制算法、大林算法、控制算法、大林算法、Smith补偿控制算法、最少拍控制算法、串级控制补偿控制算法、最少拍控制算法、串级控制算法、前馈控制算法、解耦控制算法、模糊控制算法、最优控制算法等。算法、前馈控制算法、解耦控制算法、模糊控制算法、最优控制算法等。实际实现时，可选择合适的一种或几种控制算法，来实现控制。实际实现时，可选择合适的一种或几种控制算法
46、，来实现控制。控制量输出程序控制量输出程序控制量输出程序实现对控制量的处理控制量输出程序实现对控制量的处理(上下限和变化率处理上下限和变化率处理)、控制量的变换、控制量的变换及输出，驱动执行机构或各种电气开关。控制量也包括模拟量和开关量及输出，驱动执行机构或各种电气开关。控制量也包括模拟量和开关量输出两种。模拟控制量由输出两种。模拟控制量由D/A转换模板输出，一般为标准的转换模板输出，一般为标准的010mA(DC)或或420mA(DC)信号，该信号驱动执行机构如各种调节阀。开关量控制信号，该信号驱动执行机构如各种调节阀。开关量控制信号驱动各种电气开关。信号驱动各种电气开关。实时时钟和中断处理程
47、序实时时钟和中断处理程序实时时钟是计算机控制系统一切与时间有关过程的运行基础。时钟有两种，实时时钟是计算机控制系统一切与时间有关过程的运行基础。时钟有两种，即绝对时钟和相对时钟。绝对时钟与当地的时间同步，有年、月、日、即绝对时钟和相对时钟。绝对时钟与当地的时间同步，有年、月、日、时、分、秒等功能。相对时钟与当地时间无关，一般只要时、分、秒就时、分、秒等功能。相对时钟与当地时间无关，一般只要时、分、秒就可以，在某些场合要精确到可以，在某些场合要精确到0.1秒甚至毫秒。秒甚至毫秒。数据管理程序数据管理程序 数据管理程序用于生产管理和过程监控。主要包括数据管理程序用于生产管理和过程监控。主要包括画面
48、动态显示、变化趋势分析、报警记录、统计报画面动态显示、变化趋势分析、报警记录、统计报表打印输出等。表打印输出等。数据通信程序数据通信程序 数据通信程序主要完成计算机与计算机之间、计算数据通信程序主要完成计算机与计算机之间、计算机与智能设备之间的信息传递和交换。这个功能主机与智能设备之间的信息传递和交换。这个功能主要在集散控制、现场总线控制、工业以太网控制等要在集散控制、现场总线控制、工业以太网控制等系统中需要实现。系统中需要实现。3离线仿真和调试离线仿真和调试 离线仿真与调试阶段一般在实验室或非工业现场进离线仿真与调试阶段一般在实验室或非工业现场进行，在线调试与运行阶段是在生产过程工业现场进行
49、，在线调试与运行阶段是在生产过程工业现场进行。其中离线仿真与调试阶段是基础，是检查硬件行。其中离线仿真与调试阶段是基础，是检查硬件和软件的整体性能，为现场投运做准备，现场投运和软件的整体性能，为现场投运做准备，现场投运是对全系统的实际考验与检查。系统调试的内容很是对全系统的实际考验与检查。系统调试的内容很丰富，碰到的问题是千变万化，解决的方法也是多丰富，碰到的问题是千变万化，解决的方法也是多种多样，并没有统一的模式。种多样，并没有统一的模式。(1)硬件调试硬件调试(2)软件调试软件调试(3)仿真调试仿真调试4在线调试和运行验收在线调试和运行验收 在离线调试过程中，尽管工作很仔细，检查很严格，在
50、离线调试过程中，尽管工作很仔细，检查很严格，但仍然没有经受实践的考验。因此，在现场进行在但仍然没有经受实践的考验。因此，在现场进行在线调试和运行过程中，设计人员与用户要密切配合，线调试和运行过程中，设计人员与用户要密切配合，在实际运行前制定一系列调试计划、实施方案、安在实际运行前制定一系列调试计划、实施方案、安全措施、分工合作细则等。现场调试与运行过程是全措施、分工合作细则等。现场调试与运行过程是从小到大，从易到难，从手动到自动，从简单回路从小到大，从易到难，从手动到自动，从简单回路到复杂回路逐步过渡。为了做到有把握，现场安装到复杂回路逐步过渡。为了做到有把握，现场安装及在线调试前先要进行下列
