计算机控制技术

计算机控制系统第9章计算机控制系统设计与实现

9.1原则与步骤

9.1.1系统设计的原则

1.安全可靠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。平均无故障时间MTBF（MeanTimeBetweenFailure）MTBF反映了系统可靠工作的能力。平均维修时间MTTR（MeanTimeToRestoration）MTTR表示系统出现故障后立即恢复工作的能力。（1）高性能的主控模板。（2）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、事故处理和不间断电源等。（3）后备装置。对于一般的控制回路选用手动操作为后备；对于重要的控制回路，选用常规控制仪表作为后备。（4）各种软、硬件的冗余设置。2.满足工艺要求3.操作维护方便4.实时性强5.通用性好6.经济效益高9.1.2系统设计的步骤（1）工程项目与控制任务的确定阶段；（2）工程项目的设计阶段；（3）离线仿真和调试阶段；（4）在线调试和运行阶段。

1.工程项目与控制任务的确定阶段(1)甲方提出任务委托书(2)乙方研究任务委托书(3)双方对委托书进行确认性修改(4)乙方初步进行系统总体方案设计(5)乙方进行方案可行性论证(6)签订合同书(1)组建项目研制小组(2)系统总体方案设计

1)系统总线与主机机型

2)I/O接口

3)变送器

4)执行机构

5)其它现场设备(3)方案论证与评审(4)硬件和软件的细化设计(5)硬件和软件的调试(6)系统的组装2.工程项目的设计阶段3.离线仿真和调试阶段4.在线调试和运行阶段图9-1离线仿真和调试阶段流程9.2可靠性技术1.计算机控制系统的抗干扰技术(1)长线传输干扰及其抑制(2)信号线的选择和敷设

1)信号线的选择（表9－1）9.2.1控制系统的抗干扰设计屏蔽结构干扰衰减比屏蔽效果（db）特点铜网（密度85%）103:140.3电缆的可挠性好（短距离敷设较好）铜带迭卷（密度90%）376:151.5带有焊药，便于接地（通用性好）铝聚酯树酯带迭卷6610:176.4为便于接地，使用电缆沟（抗干扰效果好）2)信号线的敷设①模拟信号线与数字信号线不能合用同一股电缆，更要绝对避免信号线与电缆线合用同一股电缆。②屏蔽系统的屏蔽层应该接地。在频率低于1MHz时，一点接地即可。当频率高于1MHz时，最好在多个位置接地。③信号线的敷设尽量远离干扰源，避免敷设在大容量变压器、电动机等电器设备的近旁。如果有条件，应将信号线单独穿管配线，在电缆沟内从上到下依次架设信号电缆、直流电源电缆、交流低压电缆、交流高压电缆等。④信号电缆与电源电缆必须分开，并尽量避免平行敷设。当信号电缆与电源电缆不得不敷设在一起时应满足：电缆沟内设置隔板，且隔板与大地连接；电源电缆使用屏蔽罩；电缆沟内用电缆架或在沟底自由敷设时，信号电缆与电源电缆间距要大于15cm；如电源电缆无屏蔽且交流电压220VAC电流10A时，两者间距应在60cm以上。供电系统的一般保护2.系统供电与接地技术图9-2一般计算机控制系统供电结构电源异常的保护

由于计算机控制系统的供电不允许中断，一般采用不间断电源UPS。正常情况下由交流电网供电，同时给电池组充电。如果交流电供电中断，电池组经逆变器输出交流代替外界交流供电，这是一种无触点的不间断的切换。UPS用电池组作为后备电源，如果外界交流电中断时间长，就需要大容量的蓄电池组。此外为了确保供电安全，可以采用交流发电机，或第二路交流供电线路。模拟地系统中的传感器、变送器、放大器、A/D和D/A转换器中模拟电路的零电位。数字地计算机中各种数字电路的零电位，为避免对模拟信号造成数字脉冲的干扰，数字地应与模拟地分开。安全地又称为保护地或机壳地，其目的是让设备机壳（包括机架、外壳、屏蔽罩等）与大地等电位，以免因机壳带电而影响人身及设备安全。系统地上述几类地的最终回流点，直接与大地相连，如图9-3所示。交流地计算机交流供电电源地，即动力线地，其地电位很不稳定。接地系统分析图9-3分别回流法接地示例回流法单点接地

①一点接地方式低频接地技术

图9-4串联一点接地图9-5并联一点接地一般在低频时采用串联一点接地的综合接法，即分组接法：将低电平电路经一组共同的地线接地；高电平电路经另一组共同地线接地，也就是说在同一组中的电路功率、噪声电平均相差不大。在一般的过程计算机控制系统中为避免噪声耦合至少有三条分开的地线，如图9-6所示。一条是低电平电路地线；一条是继电器、电动机等的地线（称为“噪声”地线）；一条是设备机壳地线（称为“金属件”地线）。若设备使用交流电源，则电源地线应和金属件地线相连。这三条地线应在一点连接接地。使用这种接地方法可解决计算机控制系统的大部分接地问题。②实用的低频接地图9-6实用低频接地方式若几台计算机的距离比较近（如安装在同一机房内），可采用类似图9-8所示的多机一点接地的方法。各机柜用绝缘板垫起来，以防多点接地。对于远距离的计算机网络，则通过隔离的办法把地分开，例如采用变压器隔离技术、光电隔离技术和无线电通信技术等。多机系统的接地图9-8多机系统的接地采用三级浪涌电压保护器（也叫瞬态过电压保护器，SPD）是计算机控制系统目前比较理想的防雷保护措施。第一级在变压器二次侧、进线柜断路器后的三根相线和中性线上，分别对地并联，主要泄放外线等产生的较强过电压第二级在PLC或UPS等专用配电母线处的三根相线和中性线上，分别对地并联，主要泄放第一级残压，分流配电线路上传输过程中的感应或耦合过电压和其它用电设备的操作过电压，有效抑制各种电磁干扰。第三级在主机、UPS或其它自控设备接线板熔断器后的相线和中性线上，分别对地并联，主要泄放前面的残压，进一步保护设备不受过电压的干扰。计算机控制系统的防雷设计计算机控制系统的冗余技术可以分为多重化自动备用和简易的手动备用两种方式。多重化自动备用就是对设备或部件进行双重化或三重化设置，万一发生故障时，备用设备或部件自动从备用状态切入到运行状态。又分为同步运转方式、待机运转方式、后退运转方式三种。控制系统的冗余设计

同步运转方式就是让两台或两台以上的设备或部件同步运行，进行相同的处理，并将其输出进行核对，只有当它们的输出一致时，才作为正确的输出，这种系统称为“双重化系统”(DualSystem)。也可以将设备三重化设置，在三台设备中取两个相等的输出作为正确的输出值。待机运转方式就是使一台设备处于待机状态，在发生故障时，启动待机设备来保证系统正常运行。这种方式称为1:1的备用方式，这种类型的系统称为“双工系统”（DuplexSystem）。后退运转方式就是使用多台设备，在正常运行时，各自分担各种功能运行，当其中之一发生故障时，其他设备放弃其中一些不重要的功能，进行互相备用。简易的手动备用方式即采用手动操作方式实现对自动控制方式的备用。当自动方式发生故障时，通过切换成手动工作方式，来保持系统的控制功能。一般在进行计算机控制系统设计时，主要包括如下关键部件的冗余设置：电源冗余、输入/输出模块冗余、控制回路冗余、控制网络冗余以及操作站冗余等。图9-11发酵过程控制点示意图9.3基于工业PC的计算机测控系统设计

1.温度控制图9-12分程控制系统原理图压力控制pH值控制溶解氧（DO）值的控制表9-2监控点情况一览表描述范围说明描述范围说明发酵罐内的温度Pt1000～1500C回水温度Pt1000～1500C发酵罐内的PH值4～20mA0～14进水温度Pt1000～1500C发酵罐内的溶氧4～20mA0～150%发酵罐内压力0～1KPa发酵罐的空气流量0～10KPa/0～120m3/min冷水控制阀DO输出电磁阀电机转速4～20mA蒸汽控制阀DO输出电磁阀空气流量控制阀AO输出电动阀氨流量控制阀DO输出空气开关排出气体流量控制阀AO输出电动阀变频调速器AO输出电动阀图9-13基于IPC的计算机测控系统示意图9.4基于网络结构的计算机测控系统设计

图9-14污水处理厂工艺流程图人工控制RTU自动控制中控室远程遥控1.污水厂监控系统的控制方式2.氧化沟溶解氧控制图9-15氧化沟溶解氧控制流程示意图初沉污泥泵房内设两台进泥泵。进泥管上各设一个进泥阀，泵房前池内设置高低泥位开关。泵房前池泥位控制策略为：按时间周期控制泵和阀的启停。而时间周期的设定修正有两种方式：①人工设定；②按泥位开关的动作来作出修正。如图9-16所示，若高位开关动作，一方面立即启动第二台泵，另一方面修正时间周期的设定，减小△T（△T可“正”可“负”，“负”表示两台污泥泵同时运转）。若低位开关动作，则相反。3.初沉池污泥泵房前池泥位控制图9-16进泥泵运行时间示意图回流污泥系统把二沉池中沉淀下来的绝大部分活性污泥再回流到氧化沟，以保证氧化沟中有足够的微生物浓度。回流污泥量和回流比是活性污泥系统的重要工艺参数。回流比是指回流污泥量与入流污水量之比回流系统的控制有三种方式：保持回流量恒定；保持回流比恒定；定期或随时调节回流量及回流比，使系统状态处于最佳。4.回流污泥控制实际采用第2种和第3种相结合的方式图9-17活性污泥回流比控制示意图按时间周期启停。按格栅前后液位差来决定启停。当液位差超过某个数值（如0.2m）时，启动格栅除污机；液位差小于某个值（如0.1m）时，停格栅除污