《毕业设计指导》课件第6章

第6章微机控制系统设计指导6.1微机控制系统设计综述6.2设计实例：由单片机组成的仿三菱可编程控制器6.3设计选题：皮带配料秤单片机控制系统

6.1微机控制系统设计综述6.1.1微机控制系统的设计方法

对微机控制系统进行设计，应具有以下几方面的知识和能力：

(1)一定的硬件基础知识，包括微机系统、I/O接口、存储器、操作控制台上的相关部件、传感器及通信等知识。

(2)一定的软件设计能力，这包括对相关的编程语言的了解，并且根据系统的要求设计出相应的程序，如过程通道处理程序、各类算法程序、数据处理程序、通信程序及输出处理程序等；并能根据系统的实时性，将其灵活地组织、优化，使系统处于最佳工作状态。(3)综合运用所学知识的能力，善于把一个复杂的设计系统进行合理的划分，通过几个相互独立的组成部分来实现，并能恰当地运用软件和硬件的折衷。

(4)作为一个控制系统的设计者，必须对被控对象有所了解，它不要求对其工艺有专业的知识，但应知道工艺性能、被测参数的测试方法、被控制对象的动态、静态特性及能否提供合适的数学模型供系统处理。

微机控制系统的设计主要包括以下几个方面：

(1)控制系统总体方案的确定。

(2)检测手段及传感器的选择。

(3)数学模型及控制算法的选择。

(4)微机系统的选择。

(5)软、硬件设计：硬件方面是购置成品插件还是自行开发，软件方面的监控程序、管理程序及应用程序如何完成。软、硬件设计是相辅相成的，二者必须综合考虑。

(6)系统的模拟调试及试验条件。6.1.2控制系统总体方案的确定

1．确定控制系统方案首先要明确微机在系统中的作用，若微机在系统中仅仅是对现场信息进行数据采集和处理，而不直接参与控制，则可降低对微机的要求。如果系统要实现闭环控制，此时还应进一步确定整个系统是采用直接数字控制，还是采用上、下两级的监控控制，或者采用更高级的分布式控制、集散型控制及现场总线控制。集散型控制和现场总线控制是20世纪90年代以来迅猛发展起来的新型工业控制技术，由于它们的诸多优点，目前已成为工程工业控制的主流，也标志着工业自动化领域发生了划时代的进步。

集散型控制系统(DCS，DistributedControlSystem)是以微型计算机为基础，将分散控制装置、通信设备、集中操作与信息综合管理结合在一起的新型工业控制系统。分散控制装置一般由各类多回路控制器、批量控制器以及数据采集装置等组成，它们是DCS与生产过程的接口。集中操作和管理部分主要由系统操作站、各种管理单元和管理计算机组成。系统操作站是系统的人机接口，是系统与操作管理人员之间关联的接口。通信系统是DCS各单元(或称工作站)的内联网络，它决定着整个系统的形态与机制。

在集散型控制系统中管理与控制相分离，上位机用于集中监视和管理，多台下位机下放分散到现场实现分布式控制功能，上、下位机之间以网络互联实现相互之间的信息传递，克服了集中控制系统对控制器的处理能力和可靠性要求高的缺点。但DCS的控制通信网络采用专用的封闭形式，不同厂家的DCS系统之间以及DCS与上层的Intranet、Internet之间难以实现网络互联和信息共享，且价格昂贵，因此DCS实质上是一种专用封闭的、不能互联的分布式控制系统。著名的集散控制系统产品有日本横河公司的YEWPACKMARK-Ⅱ型系统，HoneyWell公司的SPX系统，L&N公司的MICROMAX系统，欧陆公司的NETWORK6000系统等。国产的DCS厂家有和利时、浙大中控、浙江维盛等。图6-1集散控制系统结构组成图

现场总线技术是先进的电子技术、仪表技术、计算机技术和网络技术的集成体。现场总线是生产过程智能化现场测控设备与控制站或更高管理控制层网络之间的一种开放、全数字化、双向、多站通信的公共网络通道。现场总线控制系统(FCS，FiledbusControlSystem)则是基于现场总线技术，将控制功能完全下放到底层网络控制节点，实现对现场仪表和设备的控制操作，各控制节点按公开、规范的通信协议经现场总线连成网络控制系统，以实现现场设备之间、现场设备与外界之间的信息交换，并能够进行统一操作、管理的控制系统。

现场总线控制系统采用具有数字通信能力的仪表作为现场设备，用一对双绞线连接多个现场设备，形成总线式的分布式结构，改变了模拟系统中设备一对一的连接方式，简化了系统的结构。由于现场智能仪表集检测、转换、计算、控制、通信等功能于一体，因此，传统系统的输入/输出功能和控制站的功能可分散在各现场智能设备上。现场总线控制系统中，作为智能节点的智能仪表，具备独立的测量、校正、调节、诊断等多种功能，由网络协议统筹工作，任何节点的故障都只影响该节点自身，不会危及全局，从而提高了系统的可靠性。现场总线控制系统与传统控制系统的结构如图6-2所示。图6-2现场总线控制系统与传统控制系统结构比较

2．选择检测元件在确定方案的同时，必须选择好被测参数的测量元件，它是影响控制系统精度的首要因素。测量各种参数的传感器，如温度、流量、压力、液位、成分、位移、重量、速度等，种类繁多，规矩各异，因此，需要正确地选择测量元件。目前许多生产厂家已经开发和研制出专门用于微型计算机系统的集成化传感器，给微型计算机系统参数检测带来了极大的方便。有关这方面的详细内容，请读者参阅6.1.5节。

3．选择执行机构执行机构是微型计算机控制的重要组成部件。执行机构的选择一方面要与控制算法匹配，另一方面要根据被控对象的实际情况决定。常用的执行机构有以下5种：

(1)电动执行机构。电动执行机构具有响应速度快，与计算机接口连接容易等优点，是计算机控制系统的主要执行机构。如DKJH或DKZ电动执行器，专门用来把输入的4～20mA直流信号转换成相应的转角位移或线位移，以带动风门、挡板、阀门等动作，从而完成自动调节的任务。(2)气动薄膜调节阀。气动调节阀具有结构简单、操作方便、使用可靠、维护容易、防火防爆等优点，目前广泛应用于石油、冶金和电力系统中。此种阀门再配以电气阀门定位器，如ZPD(01电气阀门定位器，将4～20mA直流信号转换成0.02～0.1MPa的标准气压信号，以便驱动薄膜调节阀，并利用气动薄膜调节阀阀杆位移进行反馈来改善阀门位置的线性度，克服阀杆的各种附加摩擦力和消除被调介质压力的变化影响，从而使阀门位置能按调节信号实现精确定位。(3)步进电机。步进电机可以直接接受数字量，而且具有速度快、精度高等优点，随着计算机控制技术的发展，用步进电机作执行机构的控制系统逐年增加。如数控机床、X(Y记录仪、高射炮自动跟踪、电子望远镜和大型电子显微镜、旋转变压器、多圈电位器、针式打印机等，采用的均是步进电机。(4)液压伺服机构。液压伺服机构(如油缸)将油液的压力能转换成机械能，驱动负载直线或回转运动，常作为推动机构使用。液压传动的主要优点是：①能方便地进行无级调速；②单位重量的输出功率大，结构紧凑，惯性小，且能传送大扭矩和较大的推力；③控制和调节简单、方便、省力，易于实现自动控制和过载保护。(5)可控硅装置。可控硅装置一般用于温度调节的场合，用可控硅的过零触发信号或导通角的不同来调节加热器的功率，从而实现温度的调节。过零触发具有抑制谐波干扰的功能，对电网的冲击小，在各类系统中应用较广。

4．选择输入/输出通道及外围设备选择输入/输出通道及外围设备时，应考虑以下几个问题：

(1)被控对象的数量。

(2)各通道的操作形式，通道数据是串行还是并行传递，各通道数据的传输速率。

(3)当参数的精度确定后，通道所用的A/D或D/A转换器的位数应该确定。

(4)应考虑人—机会话的能力及各类参数是否需要显示、打印，采用何种操作面板、键盘和显示器选型等问题。5．选择控制算法

(1)直接数字控制(DDC)。当被控对象的数字模型能够确定时，可采用直接数字控制，如最少拍随动系统、最少拍无波纹系统及大林算法等。此外，还有最小二乘法系统辨识、最优控制及自适应控制等。所谓数学模型就是系统动态特性的数学表达式，它表示系统输入、输出之间的关系。一般多用实验的方法测出系统的飞升特性曲线，然后再由此曲线确定出其数学模型，这样可加快系统模型的建立。当系统模型建立以后，即可选定上述某一种算法，设计数字控制器，并求其差分方程，按方程计算出控制量，输出给执行机构，进而实现控制。(2)数字化PID控制。由于被控对象是复杂的，因此并非所有的系统均可求出数学模型；有些即使可以求出来，但由于被控对象环境的影响，许多参数经常变化，因此很难进行直接数字控制。此时最好选用数字化PID控制。在PID算法中，以位置型和增量型两种算法最为常用。根据系统的要求，也可对PID控制进行必要的改进。通过各种组合，可以得到更圆满的控制算法，以满足各种不同控制系统的要求。例如串级PID控制就是人们经常采用的控制方法之一。(3)模糊控制(FuzzyControl)。在前面两种控制算法中，对于直接数字控制，由于某些被控对象的数学模型难以建立，因而给应用带来一定的困难。在PID控制中虽然不用建立模型，但对任何系统全部采用比例(P)、积分(I)、微分(D)三种控制算法似乎千篇一律，有时效果也不太理想，且计算较麻烦，因而实时性受到一定的影响。模糊控制既不用像DDC控制那样要求有严格的被控系统数学模型，也不像PID控制那么“呆板”。它是一种非常灵活的控制方法，只要根据实验数据或实践经验找出Fuzzy控制规律，便能达到所要求的控制效果。这是微型计算机控制算法的一大发展，在一些要求较高的控制系统中得到了广泛的应用。6．画出系统原理图

在系统总体设计中，通常采用自顶向下的“下推式”结构化设计方法，将系统的功能进行分解，目的是明确系统的结构方案。实施过程分两个步骤完成：

(1)先将系统划分成各个子系统和功能块，并绘制出系统总体结构图和总体信息流程图。

(2)对各个子系统功能之间的关系，各子系统和结构内部的输入/输出关系进行定义和描述，这部分工作通过各子系统和功能块信息的转换关系反映出来。6.1.3总体方案设计的具体步骤总体方案是具体设计和工程实施的依据，其好坏直接影响到系统的投资、性能指标、实施细则甚至成败。它主要包括以下几个步骤：

1．确定应用系统要求总体方案的设计主要是根据被控对象的工艺要求来确定，所以首先要对被控对象的工作过程做深入的调查分析，熟悉工艺流程，必要时与有关人员协同工作，然后根据实际应用中的问题提出具体要求，确定系统要完成的任务、系统应具有的功能和性能指标。

2．硬件的选择和组合对系统所需硬件作出初步估计、选择和组合。它包括以下几方面的内容：

(1)选定测量元件、执行机构，明确I/O参数的数量、类型，要求的精度，数据采样和数据分配的周期，根据工作环境提出抗干扰措施。

(2)初步选定系统总线、主机、内存容量、内存分配和I/O接口工作方式。根据显示、打印等要求配以适当的人—机接口设备。

(3)结合工艺流程图，画出完整的应用系统硬件功能框图。

3．系统软件功能框图设计

(1)首先列出控制系统的数学模型，然后写出数据处理方法和控制算法。

(2)在对给定应用问题的目的、条件详细分析的基础上，将微机的复杂操作过程抽象分解成若干个相对独立、功能单一的模块，然后根据操作顺序将这些模块优化组合成为反映全局操作过程的总体功能流程图。

(3)将总体功能流程图和有关说明作为主控模块，然后自顶向下，逐层分解，逐步细化，直至划分到足以方便编程的子功能模块为止，最后画出模块化层次结构图。(4)将硬件、软件总体方案合在一起构成系统总体设计方案，硬、软件设计相互联系、相互影响，设计时要经多次协调反复，才能最后完成合理统一的总体方案。在总体方案中，执行输入/输出功能的硬件、软件之间和软件各功能之间的连接点应做较详细的说明，特别是实现的技术难点要充分反映出来，各模块之间的关系应一目了然。

(5)将上述内容依次以框图和必要的文字说明表达出来，建立文档。文档应包括以下内容：①硬件的工作环境，保证性能指标的技术措施，抗干扰措施和可靠性设计方案，发生故障时的应急措施。②机柜或机箱的结构设计。③应用系统的操作流程图。④进度计划。根据系统的难易程度，确定软硬件详细设计、制作、调试所需时间、必要的资料及日程安排。⑤总体方案的论证和评审。再次检查各部分之间有无矛盾，I/O设备控制有无不当之处，存储器容量、程序处理速度和精度是否足够。必要时应当做几个方案进行比较、筛选、综合和优化。6.1.4软件、硬件折衷问题在微型计算机过程控制系统设计中常遇到一个问题：同样一个功能(例如计数、逻辑控制等)既可以通过硬件实现，也可以用软件完成。这时，需要根据系统的具体情况，确定哪些功能用硬件实现，哪些功能用软件实现，这就是所谓的软件、硬件折衷问题。一般而言，在系统允许的情况下，尽量采用软件，这样可以节省经费。如果系统要求实时性比较强，则可采用硬件。在许多情况下，两者兼而有之。例如：在显示电路接口设计中，为了降低成本，可采用软件译码动态显示电路。但是，如果系统要求采样数据多，数据处理及计算任务比较大，若仍采用动态显示电路，则要求采样周期比较短，这样将不能完成正常显示。此时，必须增加硬件电路，改为静态显示电路。另外，在计数系统中，采用软件计数法可节省计数器，减少系统开支，但需占用CPU的大量时间。6.1.5常用传感器和执行器的选择传感器和执行器的选型是系统总体设计的重要组成部分。系统设计者必须了解所选择的测量仪表与执行机构的特性，并论证是否满足总体方案中确定的技术要求。

测量仪表包括一次仪表(如传感器等)和二次仪表(如变送器等)。

各类传感器的性能特点及应用场合见表6-1。表6-1常用传感器及其特点表6-1常用传感器及其特点表6-1常用传感器及其特点

1．温度检测仪表的选择选择温度仪表时主要考虑仪表的类型、量程和精度等级三方面因素。温度检测仪表的选择原则如图6-3所示。

(1)仪表类型的选择。①根据生产工艺的要求、现场指示、远传、变送、记录、报警和控制等不同方式选择二次仪表的类型。②根据测温参数的变化范围、工艺介质的物化性质和条件、测温对象特点、使用场合、显示仪表类型、安装条件和要求等来选择与温度仪表配套的检测元件(一次仪表)类型、结构形式、连接方式、补偿导线、保护套管和插入深度等。图6-3温度检测仪表的选择原则(2)仪表量程的选择。温度仪表的量程上限应保证仪表测温时最高使用温度指示值不超过仪表满量程的90%，下限应保证最低温度指示值不小于仪表满量程的30%。温度计正常工作指示值应为仪表满量程的50%～70%。选用仪表刻度范围应与定型产品的标准系列相符。

(3)仪表精度等级的选择。根据所选仪表的量程范围、工艺要求的最大误差及检测元件的误差特性来计算和选择仪表的精度等级。

2．压力检测仪表的选择选择压力仪表时同样要考虑仪表的类型、量程和精度等级三方面的因素。压力仪表的选择原则见图6-4。图6-4压力仪表的选择原则(1)仪表类型选择。仪表类型选择的原则是必须满足生产工艺的要求，主要考虑以下三个方面：①显示方式的要求：是否要求现场指示、远传显示、集中显示、信号报警、自动记录或自动控制等。②被测介质物理、化学性质：介质的压力、温度、粘度的高低，是否腐蚀、结晶，脏污程度，易燃、易爆情况，氧化、还原或特殊介质等。③现场环境条件：现场安装条件、环境高温或低温、电磁场、振动、腐蚀性、湿度等。(2)压力仪表量程范围的选择。压力仪表量程范围要从生产过程中操作压力大小变化的范围和保证仪表寿命等方面来考虑。仪表的上限值应大于工艺被测压力变化的最大值。①在测量稳定压力时，仪表的上限值不应小于最大工作压力的3/2或4/3倍。②测量波动大的脉动压力时，仪表的上限值不应小于被测最大压力的2倍或1.5倍。为保证测量的准确度，往往要求被测压力值不能接近仪表的下限值。一般被测压力的最小值不应低于仪表量程范围的1/3。计算出上限和下限后，可查阅仪表产品手册，选择相应量程的压力仪表。(3)仪表精度等级的选择。精度等级是根据已选定的仪表量程和工艺生产上所允许的最大测量误差，通过最大允许百分误差来确定的。一般来说，仪表精度等级越高，测量结果越精确可靠；但另一方面，精度等级越高，价格越贵，操作和维护条件越苛刻。因此，在能满足工艺要求的前提下，要尽量选择精度较低的压力仪表。

3．流量检测仪表的选择选择流量检测仪表时也应考虑仪表的类型、量程和精度等级三方面的因素。流量检测仪表的选择原则如表6-2和表6-3所示。表6-2按被测介质和测量条件选取流量检测仪表表6-2按被测介质和测量条件选取流量检测仪表表6-3按特性选择流量检测仪表表6-3按特性选择流量检测仪表(1)类型选择。应根据生产工艺和控制系统对显示方式的不同要求，被测流体的物化性质和状态，仪表的使用特点，工艺的压力损失，生产工况条件，现场安装和环境条件以及经济性等多方面因素进行综合考虑。

(2)量程范围的选择。流量检测仪表量程范围的选择主要根据工艺中最大和最小额定流量的要求。为使读数和转换方便，应按整数选用，还要考虑流量检测仪表是线性刻度还是非线性刻度等因素。

(3)仪表的精度选择。流量检测仪表的精度等级应根据所选量程范围和工艺要求的最大允许误差来选择。用于计量的流量检测仪表的精度等级应高于1级。4．物位检测仪表的选择图6-5物位检测仪表的选择原则(1)类型选择。①根据仪表的显示方式、工艺操作条件及系统组成的要求选择。②根据工艺介质的性质选择。首先选差压式、浮筒式和浮子式仪表，当不满足要求时，可选电容式、电阻式、接触式、声波式或辐射式仪表。

(2)量程选择。一般要求正常液位为最大刻度的50%左右，最高液位或上限报警点为最大刻度的90%左右，最低液位或下限报警点为最大刻度的10%左右。

(3)精度选择。根据仪表量程及测量允许误差要求选择合适的精度。提供容器计量用的液位仪表的精度应在1级以上。5．执行器的选择表6-4各类执行机构及其特点表6-5各类调节阀及其特点表6-5各类调节阀及其特点(1)调节阀结构形式及类型的选择。选择调节阀结构形式及类型时应考虑：①调节介质的工艺条件，如压力，温度等。②调节介质的物理、化学特性，如粘度、腐蚀性、毒性、悬浮物颗粒、液态或气态等。③调节阀的特点及调节系统的控制要求，如泄漏量大小、噪声大小、安装环境条件等。(2)调节阀气开、气关形式的选择。“气关、气开式”调节阀的定义是：当信号压力增大时阀关小，无信号压力时阀全开的为气关式阀；反之，为气开式阀。调节阀气开、气关形式的选择原则是从工艺生产设备和人身安全出发的。当仪表供气系统故障或控制突然中断时，应保证生产装置和操作人员的安全。如果阀门处于打开位置时，危害性小，安全的场合，则应选气关式；反之，则选气开式。与此相对应，在控制软件设计中也要考虑正作用和反作用。例如，加热炉的燃料气或燃料油应采用气开式调节阀，即当信号中断时切断进炉燃料，避免炉温过高而造成事故。又如进入设备的工艺流体易燃、易爆时，调节阀应选气开式，以防爆炸。若介质为易结晶物料，则选用气关式调节阀，以防堵塞。(3)调节阀流量特性的选择。目前，国产调节阀流量特性有等百分比(对数)、直线和快开三种。快开特性适用于双位控制和程序控制系统，所以调节流量特性的选择实际上是指等百分比和直线特性的选择。调节阀流量特性的选择方法有理论计算和经验准则两种。目前工程设计大多采用经验准则。在工程设计中调节阀流量特性的选择可以从控制系统的特性、工艺管路S值(即分压比，指调节阀全开时阀上压差与系统总压差之比)和负荷变化三方面综合考虑。①从改善控制系统的质量考虑。一个理想的控制系统，其总增益在控制系统的整个操作范围内应保持不变，但有的被控对象的静态增益随着操作条件、负荷变化等因素往往具有非线性特性。此时，适当地选择调节阀特性，以阀的放大系数的变化来补偿被控对象的放大系数变化，使系统总增益保持不变或近似不变，从而改善和提高系统的控制质量。②从工艺管路情况(S值大小)考虑。调节阀总是与工艺设备、管路等串联使用，其工作流量特性不同于理想流量特性。选择时首先根据对象特性情况选择希望的工作流量特性，然后再结合系统工艺配管情况加以考虑，最后可参考表6-6选择确定调节阀流量特性。表6-6配管情况与阀工作流量特性关系

从表6-6可以看出，当S＝1～0.6时，所选理想特性与希望工作流量一致；但是在S＝0.6～0.3时。若要求工作特性是直线的，则理想特性应选等百分比特性。当S<0.3时，流量特性畸变严重，虽然仍能调节，是调节范围已大大减小。对于被控对象不十分清楚的情况，建议参考表6-7的选择原则，确定调节阀流量特性。表6-7建议选用的调节阀特性③从负荷变化情况分析。直线阀在小开度时流量相对变化大，调节过于灵敏，易引起震荡，且阀芯、阀座也易受到冲击而损坏，所以在S值小、负荷变化大的系统不宜采用。而等百分比阀的放大系数随阀门行程增加而增大，流量相对变化值是恒定的，因此它适合于负荷变化幅度大的系统。所以在新工艺参数不能精确确定的系统和阀计算数据偏于保守时，选用等百分比阀有较强的适应性。(4)调节阀口径的计算和选择。确定调节阀口径是选择调节阀的一个重要内容，它直接影响到工艺生产能否正常进行和控制质量的好坏，以及生产的经济效益。①流量系数C的计算。采用国际单位制时，调节阀的流量系数C表示为：当调节阀全开时，阀两端的压差P为100kPa，流体密度为1g/cm3，每小时流经调节阀的流量数以m3/h计。调节阀制造厂在阀铭牌和产品说明书上提供的流量系数是指阀全开时的流量系数，即阀的最大流量系数(额定流量)，用C100表示。例如一台流量系数为32的调节阀，表示阀全开且两端压差为0.1MPa时，每小时最多流过32m3的流量。

当生产过程中的介质流量和阀前后压差已确定后，即可确定所需调节阀的C100。流量系数C的计算公式可参考相关技术手册。对控制阀的使用而言，通过工艺介质的正常流量或最大流量时，必须使控制阀处于一个适当的开度位置，以保证在控制过程中阀有适当的调节余地。所以按工艺提供的正常或最大流量计算出来的C值必须进行适当放大。从调节效果和经济合理性考虑，在一般情况下，控制阀流过最大流量时的相对开度为90%，而通过正常流量时，直线特性调节阀的相对开度为50%~60%，等百分比调节阀为70%～80%。②调节阀(口径)尺寸的选择。调节阀的尺寸常用公称直径Dg和阀座直径dg来表示。Dg与dg的选择取决于控制阀流量系数Cs。整个阀口的计算选择步骤为：首先根据实际设计的生产能力、设备负荷及介质的情况，确定最大工作流量Qmax和最小工作流量Qmin；其次据流体介质的密度以及控制阀上的压降P，由有关公式求得最大流量、最小流量时的Cmax和Cmin值；最后据Cs值，在所选用的产品规格标准系统中，选取大于Cs并最接近的一挡C值，查出Dg和dg值(各类控制阀的C、Dg、dg值可查有关手册)。据以上步骤计算选择的Dg、dg和C，还要进行开度计算、实际可调比验算、压差校核，直至合格。6.1.6硬件设计

1．微型机系统的选择根据被控对象的任务，选择合适的微型机系统十分重要，它直接关系到系统的投资规模，一般有3种选择方案：工业控制机、单片机、利用可购买的CPU芯片自行设计。

(1)工业控制机。工业控制机专指适用于工业现场控制的计算机，它除了具有通用微机共有的基本性能外，为了满足被控对象及运行环境的特殊要求，经过长期发展，已形成各具特色的系列工业控制机。主流的产品有工业PC机、STD总线工控机、可编程控制器及分布式控制系统，近期嵌入式工业控制机也已得到迅速的推广使用。(2)单片机系统。MCS-51系列、MCS-96系列的单片机系统在控制领域占有重要的地位。这类计算机系统包括CPU、存储器、I/O接口，现在大多数机型还配有RS-232串行口或并行口，可与PC机实现通信。这类微机具有开发功能，如果配有I/O接口，就可以形成简单的控制系统。它们的显著特点是价格便宜，常用于小型控制系统中，具有良好的性能价格比，抗干扰能力也能满足工业现场的恶劣环境。

(3)自行设计系统。针对被控对象的具体要求，选择合适的CPU芯片和相关的接口器件，自行开发和设计一套计算机系统，这种方法具有针对性较强、投资少、系统简单、灵活等特点。

2．接口板选择当微机系统选定后，接下来的工作就是对微机以外的其他部分硬件进行选择和设计。尽管微型计算机集成度高，内部包含I/O控制线、ROM、RAM和定时器，但在组成控制系统时，扩展接口仍是设计者经常遇到的任务。一般有两种方案供选择：

(1)购置现成的接口板，如A/D转换器接口板、D/A转换器接口板、各种I/O接口板、各种通讯接口板、实时时钟板及各种执行机构功率放大板、步进电机控制板、可控硅控制板等。这种情况适用于工业PC机及STD工控机。(2)根据系统的实际需要，选择合适的芯片进行设计。设计的内容主要包括：必要的程序存储器的扩展，模拟量输入/输出通道的选择，开关量通道的设计及操作控制台(包括键盘、显示器接口)的设计，这种情况适用于单片机系统和自行设计系统。

在单片机和自行设计系统的接口设计中，主要包含以下几方面的内容：

(1)存储器扩展。单片机有4种存储器空间，且程序存储器和数据存储器独立编址，其存储容量与同样位数的微型计算机相比，扩大了一倍多。扩展时，一方面要注意单片机的种类(片内是否含程序存储器)，另一方面，要把程序存储器和数据存储器分别安排。(2)模拟量输入通道的扩展。模拟量输入通道的扩展主要有下面两个问题：①数据采集通道的结构形式。一般来说，微型计算机控制系统是多通道系统。因此，选用何种结构形式的数据采集通道，是进行模拟量输入通道设计中首先要考虑的问题。多数情况是采取共享A/D转换形式，根据系统待转换参数的数量和频率，选择多路转换器并确定是否需要采样/保持器。②A/D转换器的选择。设计时一定要根据被控制对象的实际精度要求选择A/D转换器的位数，一般在满足系统要求的前提下，尽量选择位数低的转换器，以降低成本。新型的高精度廉价A/D转换器也在速度和精度要求较高的系统中大量采用，如V/F变换器以及串行A/D转换器。由于MCS-51单片机包含两个16位定时器/计数器及全双工串行口，因而采用V/F变换器以及串行A/D转换器更有其独特的优点。另一方面，近年来开发的数据采集芯片，如AD363、DAS1128、MAX1202/1203、MAX1245/1246等，在一个芯片中具有多路开关(4、8或16路)、放大器、S/H和12位A/D转换器等多种电路，给模拟通道的设计带来了极大的方便。(3)输出通道的扩展。模拟量输出通道是微型计算机控制系统与执行机构(或控制设备)连接的桥梁。设计时，要根据被控对象的通道数及执行机构的类型进行选择。对于那些能直接接受数字量的执行机构，可由微型机直接输出数字量(如步进电机、开关、继电器系统等类型的执行机构)。对于只能接受模拟量的执行机构(如电动执行机构、气动执行机构、液压伺服机构等)，则需要用D/A转换器把数字量变成模拟量后，再带动执行机构工作。

模拟量输出通道中的关键部件是D/A转换器，大多数D/A转换器都有数据输入锁存器,因此可以不考虑输出保持问题。对输出通道，还应考虑执行机构的工作原理，确定是用电压型还是用电流型输出、电压型是单极性输出，还是双极型输出。对多通道输出共享一个D/A转换器的形式，还应考虑是否采用同步控制。

与输入通道一样，一般情况下输出通道的设计也有两个方面的问题需要考虑。①输出通道的连接方式。模拟量输出通道除了应具有可靠性和精度外，还必须使输出具有保持功能，以保证被控对象可靠地工作。保持器的主要作用是在新的信号到来之前，使本次控制信号保持不变。保持器有两种，一种是数字保持器(即锁存器)，一种是模拟保持器。因此，模拟量输出通道有两种结构形式。●每个通道设置一个D/A转换器的形式。这是一种数字保持的方案。其优点是可靠性高，速度快，即使某一通路出现故障，也不会影响其他通路的工作。但它使用D/A转换器数量较多。单片多D/A转换器结构的出现，给这种应用带来了更大的方便。例如，MAX5250是一个低功耗4通道10位串行输入D/A转换器；AD7226是一个4通道8位并行D/A转换器。●多通道共享D/A转换器的结构形式。在这种结构中，由于共用一个D/A转换器，各通道必须分时进行工作，因而需要在每一个通道中加上一个采样/保持器。这种结构形式可节省价格比较昂贵的D/A转换器的数量，但实时性及可靠性比较差，所以只适用于通道比较少且转换速度要求不太高的场合，采用高精度D/A转换器的场合也可使用。②D/A转换器的选择。当系统中D/A转换器的输出只作为执行机构的控制信号时，相对来讲，精度要求不高，所以一般选用8位D/A转换器即可。但是，如果D/A转换器的输出用作显示、X-Y记录仪或位置控制时，由于精度要求比较高，所以需选用10位、12位或更高的D/A转换器。近年来，随着微型计算机控制技术的发展，一些厂家设计了许多结构简单、适用的新型D/A转换器，如多通道D/A转换器、串行D/A转换器、电压输出D/A转换器等，设计时可根据系统的需要选用。另一方面，在进行D/A转换电路设计时，往往需要同时设计V/I或I/V变换电路。(4)开关量I/O接口设计。由于开关量只有两种状态“1”和“0”，所以每个开关量只需一位二进制数表示即可。由于MCS-51系列单片机设有一个专用的布尔处理器和专用I/O操作端口P1口，因而能更方便地处理开关量。为了提高系统的抗干扰能力，通常采用光电隔离器把单片机与外部设备隔开，如图6-6所示。图6-6采用光电隔离的I/O接口电路

开关量通道要解决的问题是电平的转换及抗干扰问题。开关量输入通道的任务主要是将现场的开关信号或仪表盘中的各种继电器接点信号有选择地输入计算机。把大量的开关量接点通过I/O接口传送给微机时，应把电平信号转换为微机可接受的0～5V电平信号，然后根据I/O接口的字长，把开关量输入进行分组，经I/O接口或带有三态控制的数据锁存器与主机的数据总线相连。开关量输出通道的任务是产生开关量信号，用以操纵生产过程中具有两位状态的设备，如控制电机的启停、阀门的开闭等。当被控制的设备需要较大电流或较高电压才能操作时，可通过固态继电器(无触点开关)或中间继电器来实现。开关量输出的另一个作用是实现声光报警和中断请求，这时要用光隔离技术来抑制干扰。继电器是常用的开关量输出控制器件，常用的有电磁继电器和固态继电器。

3．人机界面的选择一般情况下，为便于现场操作人员操作，微型计算机控制系统都要设计一个操作控制台。操作控制台是人机对话的纽带，根据控制对象的要求可确定它的规模。规模大的可以是一个庞大的操作台，小的由几个功能键及开关组成。在智能仪器中，操作面板都比较小，一般需要自己设计。为了操作安全，很多操作面板上都设有电子锁。操作控制台上主要的硬件有：用于输入程序或数据的键盘，用来显示过程参数及中间结果的显示及打印装置，各种工作方式选择开关及切换装置，报警装置及相应的控制电路。这些硬件设备都必须有相应的控制软件与之配合。对操作控制台的要求是使用方便、操作简单、安全可靠并具有自保功能，保证不会因为误操作给系统带来不良影响。

操作控制台的主要功能有：

(1)输送源程序到存储器，或者通过操作面板操作来监视程序执行情况。(2)打印、显示中间结果或最终结果。(3)根据工艺要求，修改一些检测点和控制点的参数及给定值。(4)设置报警状态，选择工作方式以及控制回路等。(5)完成手动—自动无扰动切换。(6)进行现场手动操作。(7)完成各种画面显示。

4．系统速度匹配问题

8031时钟频率可在2～12MHz之间任意选择。在不影响系统速度的前提下，时钟频率选低一些为好。这样可降低系统对其他元件工作速度的要求，从而降低成本和提高系统的可靠性。当系统频率选得比较高时，要设法使其他元件与主机匹配。工业上常用的单片机的时钟频率大都为12MHz。

5．系统负载匹配问题

(1)逻辑电路间的接口及负载匹配问题。在进行系统设计时，有时需要TTL和CMOS两种电路混合使用，但两者要求的电平不一样(TTL高电平＋5V，CMOS则为＋10～＋18V)，因此，一定要注意电流及负载的匹配问题。例如，当TTL电路驱动CMOS电路时，需要增加TTLOC或采用TTL-CMOS电平移动器；而当CMOS电路驱动TTL电路时，则需要增加如CC4049/CC4050或CC40107/74C906等器件作为中间接口。当用TTL和CMOS器件带较大负载时，可在其输出端设置放大电路。(2)MCS-51系统单片机负载匹配问题。微型计算机与微型计算机之间，微型计算机与I/O接口之间都存在匹配问题。下面以8031为例，介绍微型计算机带动负载的能力。8031的外部扩展功能是很强的，但是其P0口和P2口以及控制信号的负载能力都是有限的，P0口能驱动8个LSTTL电路，P2口能驱动4个LSTTL电路。硬件设计时应仔细核对8031的负载，使其不超过总负载能力的70%。若负载过重，则需要在P0口、P2口及相关的控制引脚增加驱动器，或者用CMOS电路代替TTL电路。80/85标准的外围接口电路均采用CMOS电路。6．硬件抗干扰措施

(1)空间干扰的去除。空间干扰一般指空间电磁波辐射而窜入计算机系统的干扰，如各种无线电波、大型用电设备产生的强电场和磁场以及自然界的雷电现象。空间干扰常用屏蔽措施消除，即将计算机装置放在屏蔽罩内，使用屏蔽线传递数据和主要控制信号，屏蔽罩和屏蔽线要很好地接地。与过程通道干扰和供电系统干扰相比，空间干扰的强度相对较弱。(2)供电系统干扰的去除。供电系统干扰指电源和供电线路上的干扰，主要有过压、欠压浪涌、下陷、尖峰电压、射频干扰等。防止电源系统干扰的方法有：①通过交流稳压器保证供电的稳定性。②通过隔离变压器隔离高频噪声。③通过低通滤波器滤去高次谐波。④采用独立功能块单独供电。(3)过程通道干扰的去除。过程通道干扰指计算机数据采集与控制系统中模拟或数字输入/输出通道中产生的干扰。例如，数据采样回路的传感器，开关信号控制中的继电器、电磁阀，电力线路中的电压互感器、电流互感器，自动控制系统中的大功率驱动器，各种交直流电动机或步进电机等，这些设备在工作时会产生一种大的脉冲干扰信号。模拟通道中的干扰主要有常态干扰和共态干扰两种。数字量通道的干扰主要是信号的电气联系。①常态干扰的仰制。常态干扰是指叠加到测量信号上的噪声干扰，这种干扰信号一般是变化较快的杂乱交变信号，主要来自传感器信号源的内部。消除常态干扰的方法有：●在输入回路中接入滤波器。干扰信号频率高于被测信号频率时采用低通滤波器；干扰信号频率低于被测信号频率时采用高通滤波器；干扰信号频率位于被测信号频率两侧时采用带通滤波器。●对于尖峰常态干扰信号，使用双积分式A/D转换器。●常态干扰信号与被测信号频率相当时，无法采用滤波消除。通常在信号源到计算机之间采用带屏蔽的双绞线或同轴电缆，并确保接地正确。●传感器离A/D转换器相距较远时，可采用4～20mA的电流传输代替电压传输，在长线传输到A/D转换器时，再通过并联250Ω的电阻将电流转换成1～5V的直流电压。②共态干扰的抑制。共态干扰是指模/数转换器两个输入端上共有的电压干扰。这种干扰可以是直流的，也可以是交流的。它是一种被测信号接地端与计算机接地端之间存在的电位差。消除共态干扰的方法有：●采用具有高共模抑制比的差动放大器。●采用隔离放大器消除通过地回路、静电耦合和电磁耦合窜入的干扰。●采用光电隔离技术，使主机同模拟输入/输出通道隔离开来。③用光电耦合器实现信号隔离。数字量通道的信号主要有控制电路的通断、继电器的吸合与断开，或者输出驱动脉冲控制步进电机的工作等。在这些情况下，受控电路都会产生较大的反冲击脉冲，直接影响计算机系统的正常工作。消除这种干扰最好的办法就是将计算机系统与执行机构隔离开，以切断它们之间的电气联系。光电耦合器能可靠地实现信号的隔离，并容易构成多种功能输出，如信号隔离、隔离驱动等。光电耦合是用光把输入电路与输出电路耦合起来，从而割断输入电路与输出电路之间的电气联系。当输入电路中的电流流过发光元件时发光元件发光。而光线照到光接收元件上时，使光接收元件回路中产生电流。这样，就在输入电路与输出电路之间由光传递代替了电流传递，割断了它们之间的电气联系，消除了电流联系引起的干扰。

光电耦合器件的构成有多种形式，如图6-7所示。其中图(a)以发光二极管为输入端，光敏三极管为输出端，一般用于100kHz以下的频率信号。图(b)的输出端采用PIN型光敏二极管和高速开关组成复合结构，具有较高的响应速度。图(c)是由光敏三极管和放大三极管构成达林顿输出，具有达林顿输出的特性，可直接驱动较低频率的负载，故有隔离驱动作用。图(d)的输出部分为光控晶闸管，光控晶闸管有单向、双向两种形式，这种光电耦合器用于交流大功率的隔离驱动中。图6-7光电耦合器的构成6.1.7控制系统软件设计

1．软件设计的基本过程计算机控制系统中的应用软件，是为了完成某种控制而编制的用户程序，由于它对实时性要求较高，与生产过程联系紧密，因此多数情况下采用汇编语言编写。近年来随着软件技术的发展，采用高级语言编写控制程序的情况也很多，常用的有C51、TurboC、VisualC＋＋等。用何种语言编程，要按系统的规模和要求确定。如果系统实时性要求较高，宜用汇编语言编写。如果系统需要显示的画面要求较高，则可用高级语言。也可采用混合编程技术，即用汇编语言编写控制程序，用高级语言编制显示输入部分的程序，但应注意两者的接口应协调规划和慎重设计。图6-8微机控制系统软件设计步骤

2．软件设计的基本要求在微机控制中，工业对象及其环境千差万别，不仅控制系统本身的硬件配置不同，系统应用软件也不尽相同。但在编制软件时，必须满足下面几个方面的基本要求：(1)实时性。(2)针对性。(3)灵活性和通用性。(4)可靠性。

3．应用程序功能模块分类对于一个实时的计算机控制系统来说，不论模块如何划分，均可基本分为以下几个功能模块：(1)过程监视程序。(2)数据处理程序。(3)控制算法及执行机构控制程序。(4)故障自诊断程序。

4.软件抗干扰方法除采用硬件防止干扰之外，也可以用软件的方法去除干扰。监控系统中的软件抗干扰方法有以下几种：(1)指令冗余技术。(2)软件陷阱技术。(3)故障自动恢复处理技术。(4)数字滤波程序。常用的滤波方法有：①中值滤波：对某参数连续采样N次(N取奇数)，然后由小到大(或由大到小)排队，再取中间值作为此次采样值。②算术平均值滤波：对某参数连续采样N次(N一般取3～5)，求出平均值，作为此次采样值。③RC低通数字滤波：用软件实现RC低通滤波器的算法，以软件代替硬件RC低通数字滤波。④程序判断滤波：根据实践经验，确定出两次采样值可能出现的最大偏差，若超过此偏差值，则表明是干扰信号，应该去掉；如小于此偏差值，则可将此信号作为采样值。6.1.8实时多任务系统的时序安排1．串行多任务系统设计串行多任务系统是一类较容易实现的多任务系统，大多数系统均属于这一类。按具体要求，其时序安排可以用连续顺序执行和按时间表间隙执行两种方法实现。连续顺序执行就是计算机不停地循环执行各个任务，直至工作条件不满足或停机为止。执行过程如图6-9所示。例如家用微电脑洗衣机的控制就属此种类型。CPU不停地检测水位和桶盖状态，只要条件满足，就按照洗衣程序洗涤、漂洗、甩干。图6-9连续顺序执行的多任务系统

有些串行多任务系统并不能连续不断地执行，如某个控制系统，要求下位机在控制温度、湿度及通风量的同时，每隔2小时自动翻蛋一次，每隔20分钟自动打印数据一次，每隔2分钟与上位机通讯一次，每隔2秒刷新显示一次。像这样的系统用延时是不能解决问题的，用中断也不行，只能用时间表的办法，即在程序中设计一个时间表程序，时间表中的天、小时、分钟、秒、毫秒等分别用特定的单元存储，它们的数值由时间中断修改，主程序中不需要修改。主程序只要不停地采样和控制温度、湿度、通风量等，并不断判断时间表的条件。一旦时间条件满足就启动相应子程序工作一次。图6-10表示这个多任务系统的执行过程。

另外，在这种系统中还需要1个计时程序，一般采用计算机的时间中断来实现。例如在8031单片机中，用定时器T0作为时间中断发生器，以10ms或100ms为1个中断基础单位。在程序中设计中断单位计数器、秒计数器、分钟计数器、小时计数器、天计数器等，这些计数器的值在时间中断中修改，主程序与中断子程序公用。以计时单位为100ms为例给出时间中断子程序如图6-11所示。这种方法在各种微机控制系统中应用较广。图6-10时间表多任务系统主程序框图图6-11时间表多任务系统子程序框图

2．并行多任务系统设计实现并行多任务系统的基本条件是中断，如在8031单片机系统中，可利用5个中断源，还可以编程确定各自的优先级。稍简单的并行多任务系统可用单片机内部中断直接处理。对8031系统，可以用INT0、INT1分别表示不同任务请求来实现各任务。当任务多于两个时就要用8259一类的中断扩展芯片进行中断源扩展。8086系列微机采用的就是这种方法，但是对于复杂的并行多任务系统，用这种方法就较困难，一般根据具体要求可采用下面两种方法：

(1)直接中断服务。

(2)中断标志。图6-12用中断标志法实现多任务程序框图6.1.9控制系统的调试

1．硬件调试根据设计的逻辑图制作好实验样机后，便进入硬件调试阶段。调试工作的主要任务是排除样机故障，其中包括设计错误和工艺性故障。

(1)脱机检查。用万用表或逻辑测试笔逐步按照逻辑图检查印刷板中各器件的电源及各引脚的连接是否正确，有否断路或短路，检查数据总线、地址总线和控制总线是否有故障。有时为了保护芯片，应先对各管座电位(或电源)进行检查，确定其无误后再插入芯片检查。(2)联机调试。对单片机系统，可暂时拔掉8031和EPROM，将样机接上仿真机的40芯仿真插头进行调试，观察各部分接口电路是否满足设计要求。此时可通过运行一些简单的软件查看各个接口工作是否正常，如果正常，则说明各接口硬件没问题；否则，应进行针对性的处理。对其他微机控制系统，可用逻辑分析仪或仿真开发机进行联机调试。此时可设计一些简单的调试程序检查各部分是否满足设计要求。若某部分不正常，则应进行局部处理。

2．软件调试软件调试时可先对各个模块单独调试，然后再进行软件联调。需要注意的是，在软件调试中应尽量采用较先进的调试手段，如果有可能，应尽量用仿真软件或仿真器。例如对MCS-51系列的单片机程序，可借助一些仿真实验系统将汇编程序直接生成可执行文件，并用通讯方式将其输入到单片机系统，在PC机上监控各寄存器及输入/输出口的状态，就可达到事半功倍的效果。仿真通过后，再移植到硬件系统，以减少不必要的人力消耗。对单片机系统，其调试方法有以下4种：(1)交叉汇编。用个人计算机对MCS(51系列单片机程序进行交叉汇编时，可借助PC机的行编辑和屏幕编辑功能，将源程序按规定的格式输入到计算机，生成(.ASM文件，然后再利用汇编语言，如MBUG、X8051等，将其交叉汇编后生产(.LST、(.HES、(.BIN文件。将此(.BIN文件用EPROM编辑器写到EPROM中，即可插入系统中运行。

(2)用汇编语言。现在有些以单片机为主板的STD总线工业控制机或开发系统，可直接使用汇编语言，借助CRT进行汇编语言调试，如ASM51、ASM96等。(3)手工汇编。这种方法是最原始的，但又是一种最简单的调试方法，且不必增加调试设备。这种方法的实质就是对照微型机指令编码表，将源程序指令逐条地翻译成机器码，然后输入到RAM中进行调试。在进行手工汇编时，要特别注意转移指令、调用指令和查表指令，必须准确无误地计算出操作码、转移地址和相对偏移量，以免出错。(4)仿真。近年来又出现一种所谓仿真软件。它可以不用硬件，直接在计算机上调试汇编语言程序，待汇编程序基本调试好以后，再移到硬件系统中去调试。这种软、硬件并行调试方法，可大大加快系统开发速度。用以上4种方法调试完成以后，即可通过EPROM写入器，将目标代码写入EPROM中，并将其插入机器的相应插座上，系统便可投入运行。

3．软、硬件联合调试经过硬、软件单独调试后，即可进入软、硬件联合调试阶段。它是系统的最后一步工作，通过联调应解决软、硬件之间不协调、不匹配的地方。实验室调试工作完成以后，即可组装成机器，移至现场进行运行和进一步调试，并根据运行及调试中的问题反复进行修改。值得说明的是，软、硬件的调试是一个综合性的系统工程，必须反复进行才能完成。有时为了得到满意的结果，往往需要对软件和硬件方案进行多次修改。6.2设计实例：由单片机组成的仿三菱可编程控制器6.2.1设计要求

1．设计要求该系统必须能完成所有逻辑控制(即PC)功能，并对机床全部输入信息进行处理；具有最优性能价格比；要求形成电气性能稳定可靠，指令直观，操作维修方便，并具有一定通用性，商品化的产品。

2．仿三菱可编程控制系统梯形图编程与开发的设计要求利用仿三菱可编程控制器，用户在编写程序时可以采用梯形图编程，这种方法能按继电器控制的梯形图或工艺流程来编制程序，并能把程序存储在存储器中，对开关量进行反复自动控制。仿三菱可编程控制器把计算机的功能完备、灵活性和通用性强等优点同继电器的简单易懂、操作方便和价格便宜等优点结合起来，成为了现代低压电器“机电一体化”的最新产品。整个指令基本上是按三菱公司的指令设置的。同时为了扩大控制范围及功能，加了若干条指令，增加的指令主要包括外延时指令、外计数及内计数指令等。表6-8梯形图指令表

3．仿三菱可编程控制系统用户梯形图编程指令的功能及使用习惯要求

(1)LD、LDI和OUT指令。LD和LDI用于母线或分支形状，LD用于常开触点，LDI用于常闭触点。

OUT根据给予的指令条件用于输出点、计数器输出和延时器输出等。OUT指令可以并联连接，次数不限。OUT用于计数器或延时器时，必须用K1、K2计数器及延时器的常数。对于延时器，当条件不满足时，输出自动复位；对于计数值到后的重新计数复位，需使用RST指令。指令的梯形图和指令表分别见图6-13及表6-9。图6-13梯形图1表6-9指令表1(2)AND和ANI指令。AND用于串联常开触点，ANI用于串联常闭触点，串联接点数不受限制。其梯形图和指令表分别见图6-14及表6-10。图6-14梯形图2表6-10指令表2(3)OR和ORI指令。OR用于一个并联常开触点，ORI用于一个并联常闭触点，并联点数不受限制。其梯形图和指令表分别见图6-15及表6-11。图6-15梯形图3表6-11指令表3(4)ORB指令。ORB(ORBLOCR)用于并联的2个或2个以上网络，每一网络单独编程。其梯形图和指令表分别见图6-16及表6-12。表6-12指令表4.0图6-16梯形图4

也可以将上面的程序换个形式，即将ORB指令集中放置。但每次集中放置时，ORB指令最多只能8个，由此可将表6-12改为表6-13来编程。表6-13指令表4.1(5)ANB指令。ANB(ANDBLOCK)用于串联的2个或2个以上网络，每一网络单独编程。其梯形图和指令表分别见图6-17及表6-14。图6-17梯形图5表6-14指令表5.0表6-15指令表5.1

例1使用ORB和ANB编写下列程序。梯形图和指令表分别见图6-18及表6-16。图6-18梯形图6表6-16指令表6(6)RST指令。该指令用来清除计数输出及移位输出。其梯形图和指令表分别见图6-19及表6-17。图6-19梯形图7表6-17指令表7(7)PLS指令。PLS指令在辅助继电器产生一个正脉冲。要注意的是脉冲通过编程仅仅只能在辅助继电器上产生。其梯形图和指令表分别见图6-20和表6-18。表6-18指令表8图6-20梯形图8(8)SFT指令。SFT指令仅应用于移位寄存器，对于本可编程序控制器，每8个辅助继电器为一组移位寄存器，例如1A－8A或1B－8B，共有6组，即1A－8A、1B－8B、1C－8C、1D－8D、1E－8E、1F－8F，其梯形图和指令表分别见图6-21及表6-19。图6-21梯形图9表6-19指令表9(9)END指令。对于本可编程序控制器，可以从000步到999步，但如果其中有一条END指令，则将从000语句步扫描至END结束，由此缩短了循环周期，如图6-22所示。图6-22END指令(10)NOP指令。完成空操作。

(11)K1、K2延时器、计数器常数。K1用于内延时、内计数时延时时间和计数常数的设定；K2用于外延时、外计数时延时时间和计数常数的设定。K1在内延时和内计数时的设定值都为00～99，分别为延时常数和计数常数。K2设定在外延时时，为延时器的设定，可以是01～08。K2设定在外计数时，常数的高位用于输入开始单元的设定，常数的低位用于计数位数的设定。对于延时时指令的排列，应按如下顺序：K1或K2元素OUT元素NOP元素由此组成一个内延时器或外延时器，其中NOP后的元素决定延时时基，即K1或K2元素的倍数，也可以不要NOP指令，此时计算机认为时基为0.1s。对于计数时指令的排列，应按如下顺序：K1或K2元素OUT元素(12)指令应用举例。例2梯形图和指令表分别如图6-23及表6-20所示。图6-23梯形图10表6-20指令表10例3

梯形图和指令表分别如图6-24及表6-21所示。图6-24梯形图11表6-21指令表11(13)补充指令及复合指令的使用。①S及R指令。S指令用于辅助继电器的输出保持及置位。当指令S前的条件满足时，指定的辅助继电器将被置位，并保持到R指令条件满足时才能消除。其梯形图和指令表分别见图6-25及表6-22。图6-25梯形图12表6-22指令表12

说明：●用S指令时，线圈用其本身的自保功能使之一直处于接通状态。当用R指令时，自保功能消除，同时辅助继电器复位。●只有当S指令和R指令分开来编程(即中间插有许多其他程序)时，指令的执行才有效。如果S指令与R指令之间没有插入其他程序，而01、02同时又接通时，则将优先执行R指令。②公共串联指令MC及MCR。MC指令用来完成一个公共触点与其他程序的串联连接，MCR是MC指令的复位指令。其梯形图和指令表分别见图6-26及表6-23。图6-26梯形图13表6-23指令表13

说明：●当公共串联触点20断开时，A2、A3等全部断开。同理，如果公共串联触点21接通，A4、A5等也不会接通。●在主控MC后任何指令都需以LD或LDI开头，当然，此时公共母线移到了另外一根新的母线上，即移到了公共串联触点的另一端。●使用MCR可使公共母线回到MC指令执行前的公共母线上。●每一个MC指令都要与原来的公共母线相连。③跳步功能的实现。跳步功能是使用NOP和END指令来实现的。当NOP、END后的元素为04～99时，NOP指令即为跳步开始，END为跳步终点。图6-27给出了用这两个指令实现跳步功能时的示意图。图6-27跳步功能

由此可知，条件跳步指令和跳步终止指令分别由NOP××和END××组成，其中××为04～99(以十进制编号)，用来指定跳步目标号。使用条件跳步功能必须遵守以下规定：●条件跳步指令与跳步结束指令必须成对使用，使用时所设定的跳步目标号必须一致。●当只有条件跳步指令而没有跳步结束指令时，被处理为NOP指令●当只有跳步结束指令而没有条件跳步指令，被处理为END指令。●若在写条件跳步指令和跳步结束指令时，NOP和END所附带的2位数不在04、99之间，则分别被处理为NOP和END指令。

应特别注意在跳步的程序段中有定时器和计数器的情况。如图6-28所示，当00接通时，将跳过延时器的程序。此时，该程序段中的任何延时器和计数器都将不被接受。若在跳步前01或02也接通，使延时器开始延时，那么，即便发生跳步，定时器仍将计时到结束，并保持定时器的接点处于接通状态。双线圈和跳步指令：在两个程序段中，条件跳步指令的条件正好相反，如图6-29所示。第一段程序跳步的条件是03常开触点，而第二段程序跳步的条件是03常闭触点，但两个程序段中都有相同的输出指令。这时，哪一段程序在执行，则处在该程序段中的那个输出指令便优先执行，若图中的03接通，则B0状态以24的状态而定。03断开时，执行第一段程序，B0的状态以23的状态而定。图6-28跳步的使用1图6-29跳步的使用2

复用的跳步指令：如图6-30所示，对同一跳步的目标号，用了两个条件跳步指令，而这两个跳步指令的条件不同。这时，复用的跳步指令按图6-30所示的条件执行跳步。如10接通、11断开时，跳过A、B、C程序段，执行D程序。多重跳步指令：具有同一跳步目标的多重跳步指令可用相同的跳步目标号。若监视这些跳步指令，如图6-31所示，只要有一个条件跳步指令的条件得到满足(如图6-31中44接通)，则NOP05均显示处于“接通状态”。图6-30跳步的使用3图6-31跳步的使用4

多重跳步指令中，允许某一跳步目标号所指定的程序段全部或部分覆盖另外的跳步目标号所指定的程序段。图6-31中，目标号07所指定的跳步程序段，被目标号06所指定的跳步程序段全部包括在内，而目标号06所指定的程序段，将目标号08所指定的跳步程序段部分覆盖。当46处于接通状态时，跳步指令NOP07和NOP08便不起作用。当47处于接通状态时，跳步指令NOP08便不起作用。

主令控制指令MC与条件跳步指令：●在主令控制指令MC的外部跳步，不管主令控制指令MC是否执行，跳步均可正常执行。●从主令控制指令MC的外部跳步到其内部，不管主令控制指令MC是否执行，跳步均可正常执行，甚至于MC××处于断开状态跳步仍执行。●在主令控制指令MC的内部跳步，当MC××处于接通状态时，执行跳步；当MC××处于断开状态时，不执行跳步。●从主令控制指令MC的内部跳步到其外部，当MC××处于接通状态时，执行跳步，但MCR则变为无效；当MC××处于断开状态时，不执行跳步。●从主令控制指令MC××1的内部跳步到另一主令控制指令MC××2的内部时，不管MC××2处于什么状态，跳步后，仍按另一主令控制指令(即MC××2)处于接通状态下执行。6.2.2总体设计

1．系统设计原则在进行系统设计时，主要遵循以下几条原则：

(1)冗余设计原则：系统的硬件和软件设计都留有一定的余地，既能充分满足当前系统的要求，又考虑到今后发展的需要，可进行二次再开发等。如存储器RAM、EPROM的容量都留有余地；地址选择线和总线板亦有余量，输入/输出点可根据需要进行添加等。(2)设计原则：在进行硬件设计时