机电系统计算机控制-第8章

8.1计算机控制系统的基本设计原则与步骤8.1.1计算机控制系统的基本设计原则1.满足生产过程对控制系统的性能要求这是一条最基本的也是最重要的设计原则。进行系统设计之前，设计人员需对控制对象进行深入调查、分析，熟悉工艺流程，了解具体的控制要求，确定系统所要完成的任务，包括要实现的功能、动态性能、控制精度、现场环境、完成设计的时间等。根据这些任务写好设计任务说明书，作为整个设计的依据。2.具有较高的安全可靠性计算机控制系统应用于生产过程当中，一旦出现故障，轻则影响生产，重则造成人员伤亡，产生不良后果。下一页返回8.1计算机控制系统的基本设计原则与步骤因此，在实时过程控制中，要把计算机控制系统的安全可靠放在首位，所以，在计算机控制系统设计中很重视采取各种技术措施，以提高系统的可靠性。元器件的可靠性是通过严格的工艺及生产品质控制体系来保证的，而系统的可靠性则可通过规范化设计来达到。因此，应选用高性能的工业控制计算机，保证其在恶劣的工业环境下仍能正常运行，同时，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。为了预防计算机故障，还常设计后备装置，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，常采用双机系统作为控制系统的核心控制器，一般的方式有：上一页下一页返回8.1计算机控制系统的基本设计原则与步骤①备份工作方式，即一台投入运行，另一台作为备用机。当投入运行的微机出现故障时，由专用切换装置（过程控制）将备用机自动投入运行，接替出故障的主机，使系统照常运行；出现故障的微机修复后，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，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。上一页下一页返回8.1计算机控制系统的基本设计原则与步骤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。3.具有良好的操作性能具有操作性能的计算机应用系统应该具有友好的人机界面，操作简单、方便，显示直观形象，符合常规操作习惯，且维修方便。这个要求对控制系统来说，是非常重要的，无论是进行硬件设计还是软件设计，都必须考虑这个问题。上一页下一页返回8.1计算机控制系统的基本设计原则与步骤软件操作系统一定要尽量降低对操作人员专业知识的要求，使系统操作过程“傻瓜化”。在系统硬件配置方面，系统的控制开关、按钮、显示部分不要太多、太复杂，且它们的大小、位置的安排都应使操作者实际观察、操作更便捷，尽量采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，便于维修人员检查；另外，配置诊断程序，用来查找故障。4.具有较强的通用性和可扩展性计算机控制的对象千变万化，尽管如此，仍能找许多共性，所以在进行系统设计时，必须使硬件、软件标准化、模块化。上一页下一页返回8.1计算机控制系统的基本设计原则与步骤工业控制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（如PC总线），配置各种通用的功能模板，以便在扩充功能或更换使用场合时，只需增减功能模板就能实现；二是软件设计时，若速度允许，就尽可能把硬件部分实现的功能用软件来代替，且软件设计也尽量采用标准模块结构，这样，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，而无须变换硬件或做较少变动。通过软件实现的控制功能只需修改软件即可。另外，进行系统设计时，各设计指标如输入/输出信道指标、内存容量、电源功率等，要留有一定的余量，为日后系统的扩充创造有利的条件。上一页下一页返回8.1计算机控制系统的基本设计原则与步骤5.实时性好，适应性强工业控制机的实时性，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；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，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。6.具有较高的经济效益计算机控制应该带来更高的经济效益，系统设计时要考虑性能价格比，要有市场竞争意识。经济效益表现在两个方面：一是系统设计的性能价格比要尽可能地高；二是投入产出比要尽可能地低。上一页下一页返回8.1计算机控制系统的基本设计原则与步骤由于计算机应用技术发展迅速，新老产品更迭速度很快，硬件价格一直呈周期下降趋势，因此，在满足精度、速度和其他性能要求的前提下，应尽量缩短设计周期，以降低整个系统的开发费用。其他如精度、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，设计时应综合考虑各种因素，合理进行配置。7.具有较高的绿色化程度绿色化，意味低能耗，低材耗，不危害人体健康，对环境无污染或低污染，操作舒适方便，并且废弃后可回收利用。设计人员在进行计算机控制系统设计时，也应该考虑到这一点。上一页下一页返回8.1计算机控制系统的基本设计原则与步骤人们已经认识到：科学技术的发展给人们的生产生活带来了日新月异的变化，而同时也带来了资源减少、环境恶化的不良后果。这就要求新一代机电产品是一种低能耗、低污染、人机协调、可再生利用的绿色产品，在其设计、制造、使用和销毁时都应符合环保和人类健康的要求。8.1.2计算机控制系统设计的一般步骤计算机控制系统的设计，会因控制对象、控制目标的不同而有很大的差别，但系统设计的主要步骤是大致相同的，一般包括以下几个方面。1.系统需求分析上一页下一页返回8.1计算机控制系统的基本设计原则与步骤计算机控制系统是用在生产过程中解决实际问题的，所以只有对生产过程和环境进行深入了解和分析，对系统需求进行分析，才有可能设计出一个性能优良的控制系统。计算机控制系统设计的第一步，就是对被控对象进行深入调查、分析，熟悉生产过程的流程，充分了解具体的控制要求，确定所设计的控制系统应该具有的功能及性能指标，这就是系统需求分析的过程。根据分析结果，形成设计任务说明书，任务说明书采用工艺图、时序图或控制流程图等形式，对系统的功能和性能要求进行适当的描述。另外，设计任务说明书还应对系统成本、可靠性、可维护性等方面的安排和考虑进行说明。设计任务说明书是整个控制系统的总体要求和依据。上一页下一页返回8.1计算机控制系统的基本设计原则与步骤2.总体方案设计系统总体方案设计包括硬件方案设计和软件方案设计。硬件和软件的设计是互相有机联系的，因此在这一步要划分好软、硬件完成的功能。（1）硬件总体方案设计系统的硬件构成，尤其是用于实时控制的计算机，应优先选择工业控制计算机。因为工控机具有许多针对工业控制现场环境设计的特点，可以满足复杂工业环境的要求，提高系统的可靠性。此外，工控机还具有系统化、模块化、标准化和开放的结构，有利于系统设计者在系统设计时根据要求任意选择，像搭积木般地组建系统，提高系统研制和开发的速度，增强系统的技术水平和性能。上一页下一页返回8.1计算机控制系统的基本设计原则与步骤在实际的工业过程控制中，或由于过程的开关量（数字量）较多，或出于习惯等原因，也有不少的系统采用了通用的可编程序控制器（PLC）或智能调节器来构成计算机控制系统（如DCS、SCC、分级控制系统、工业测控网络等）的前端机（或下位机），效果也不错。现场设备主要包含传感器、变送器和执行机构，它们是影响系统控制精度的重要因素之一，所以要从信号量程范围、精度、对环境及安装要求等方面考虑，适当选择。另外，硬件设计还应考虑人机联系方式、系统机柜或机箱的结构设计、抗干扰等方面的问题。（2）软件总体方案设计上一页下一页返回8.1计算机控制系统的基本设计原则与步骤依据用户任务的技术要求和已做出的初步方案，进行软件的总体设计。软件总体设计和硬件总体设计一样，也是采用结构化的“黑箱”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，直到能表达清楚功能为止。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。（3）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成系统的总体方案。总体方案论证可行后，要形成文件，建立总体方案文档。系统总体文件的内容包括：①系统的主要功能、技术指标、原理性方框图及文字说明。上一页下一页返回8.1计算机控制系统的基本设计原则与步骤②控制策略和控制算法，例如PID控制、最少拍控制、串级控制、最优控制等。③系统的硬件结构及配置，主要的软件功能、结构及框图。④方案比较和选择。⑤保证性能指标要求的技术措施。⑥抗干扰措施和可靠性设计。⑦机柜或机箱的结构及外形设计。⑧经费和进度计划的安排。对所提出的总体设计方案进行合理性、经济性、可靠性以及可行性方面的论证。上一页下一页返回8.1计算机控制系统的基本设计原则与步骤论证通过后，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，用以指导具体的系统设计过程。3.硬件和软件的分别细化设计所谓细化设计，就是将方块图中的方块划到最底层，然后进行底层块内的结构细化设计。对于硬件设计来说，主要包括系统总线及主机机型的选择、过程通道的设计和现场设备的选择等；对软件设计来说，主要包括数据采集和数据处理程序、控制算法程序、中断程序、数据管理程序及通信程序等，就是将一个个模块编成一条条的程序。硬件和软件都须采用模块化、标准化设计。4.系统的调试上一页下一页返回8.1计算机控制系统的基本设计原则与步骤最初的系统调试，软硬件是分别联调的。（1）硬件调试对于各种标准功能模板，按照说明书检查主要功能，比如主机板（CPU板）上RAM区的读写功能、ROM区的读出功能、复位电路、时钟电路等的正确性。在调试A/D和D/A模板之前，必须准备好信号源、数字电压表、电流表等。对这两种模板首先要检查信号的零点和满量程，然后再分挡检查，可以按满量程的25%、50%、75%、100%分挡，并且上行和下行来回调试，以便检查线性度是否合乎要求。如果有多路开关板，应测试各通路能否正确切换。利用开关量输入和输出程序来检查开关量输入（DI）和开关量输出（DO）模板。上一页下一页返回8.1计算机控制系统的基本设计原则与步骤测试时可在输入端加开关量信号，检查读入状态的正确性；可在输出端检查（用万用表）输出状态的正确性。硬件调试还包括现场仪表和执行机构，如压力变送器、差压变送器、流量变送器、温度变送器以及电动或气动调节阀等。这些仪表必须在安装之前按说明书要求校验完毕。如果是分级计算机控制系统和分散型控制系统，还要调试通信功能，验证数据传输的正确性。（2）软件调试软件调试的顺序是子程序、功能模块和主程序。上一页下一页返回8.1计算机控制系统的基本设计原则与步骤有些程序的调试比较简单，利用开发装置（或仿真器）以及计算机提供的调试程序就可以进行。程序设计一般采用汇编语言和高级语言混合编程。对处理速度和实时性要求高的部分，用汇编语言编程（如数据采集、时钟、中断、控制输出等）；对处理速度和实时性要求不高的部分，用高级语言编程（如数据处理、变换、图形、显示、打印、统计报表等）。与过程输入/输出通道无关的一般程序，都可用开发装置（或仿真器）的调试程序进行调试，不过有时为了能调试某些程序，可能要编写临时性的辅助程序。系统控制模块的调试应分为开环和闭环两种情况进行。上一页下一页返回8.1计算机控制系统的基本设计原则与步骤开环调试是检查它的阶跃响应特性，闭环调试是检查它的反馈控制功能。一旦所有的子程序和功能模块都调试完毕，就可以用主程序将它们连接在一起，进行整体调试。在硬件和软件分别联调后，并不意味着系统的设计和离线调试已经结束。在硬件、软件的调试之后，就可进行系统的组装。组装之后的统调分为如下两个阶段。第一阶段：离线仿真和调试。所谓离线仿真和调试，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，还需要进行长时间的运行考验（称为考机）。考机的目的是要在连续不停机的运行中发现问题和解决问题。上一页下一页返回8.1计算机控制系统的基本设计原则与步骤第二阶段：在线调试和运行。系统离线仿真和调试后，便可进行在线调试和运行。在线调试和运行就是将系统和生产过程连接在一起，进行现场调试和运行。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，在实际运行前制订一系列调试计划、实施方案、安全措施、分工合作细则等。现场调试与运行过程可按照从小到大、从易到难、从手动到自动、从简单回路到复杂回路的顺序进行。尽管离线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，因此必须认真分析加以解决。上一页返回8.2计算机控制系统的硬件设计一个计算机控制系统是一个复杂的软硬件结合体。硬件是软件的运行平台，硬件系统设计的好坏直接影响整个计算机控制系统的性能优劣。工业控制计算机（IndustrialPersonalComputer，IPC）简称工控机，它是充分利用计算机系统的硬件和操作系统，配以模块化的硬件板卡而组成的中、小规模的控制系统。工业控制计算机主要用于工业过程中的测量、控制、数据采集等工作，它与通用计算机相比，有许多不同点，其主要特点如下。①可靠性高。②实时性好。③环境适应能力强。下一页返回8.2计算机控制系统的硬件设计④输入和输出模板配套好。⑤系统通信功能强。⑥系统开放性和扩充性好。⑦控制软件包功能强。⑧后备措施齐全和具有冗余性。目前，控计算机控制系统常采用总线结构，用户可根据需要直接选用符合总线标准的功能模板，而不必考虑模板插件之间的匹配问题，从而使系统硬件设计大大简化；如系统需要扩展时，仅需将按总线标准研制的新的功能模板插在总线槽中；一旦出现新的微处理器、存储器芯片和接口电路，只要将这些新的芯片按总线标准研制成各类插件，即可取代原来的模板而升级更新系统。上一页下一页返回8.2计算机控制系统的硬件设计总线式工控机是最常用的一种控制计算机。总线式工业控制机的高度模块化和插板结构，决定了可以采用组合方式来大大简化计算机控制系统的设计。采用总线式工业控制机，只需要简单地更换几块模板，就可以很方便地组成具有不同功能的控制系统。在计算机控制系统中，一些控制功能既能用硬件实现，也能用软件实现，故进行系统设计时，对硬件、软件功能的划分要综合考虑。采用总线式工控机进行系统的硬件设计是目前广泛使用的方案之一，计算机控制系统的硬件设计总体上主要包括三方面内容：主机机型的选择、过程通道的设计、执行机构与变送器的选取。上一页下一页返回8.2计算机控制系统的硬件设计8.2.1主机机型的选择1.系统总线的选择工控机的系统总线主要有两大类，即内部总线和外部总线。（1）内部总线选择内部总线，又称板级总线，是工控机内部连接各插件板的总线，是各组成部分进行信息传输的公共通道。常用的工业控制机内部总线有STD总线、PC系列总线、VME总线（VME总线数据宽度64位，最大数据传输速度为80MB/s）、MULTIBUS总线（主要采用otorola公司的68K系列微处理器，MULTIBUS总线以Intel工控机为代表）、CompactPCI总线等。上一页下一页返回8.2计算机控制系统的硬件设计设计时可根据需要选择其中一种，一般常选用PC总线进行系统的设计，即选用PC总线系列的通用型工控机（简称IPC）。1）STD总线。STD总线由MattBiewer研制，1978年由美国Pro-Log公司和Mostek公司首先作为工业标准而制定的8位工业I/O总线，以及随后发展的16位总线，统称为STD80。1987年，正式成为IEEE961标准。STD总线采用同步方式进行数据传输。原始的STD总线只有两条中断控制线，对中断的控制能力很差，但是后来改进的STD产品，如系统Ⅱ，则与PC/XT总线兼容并增强了中断能力。STD总线具有良好的抗干扰、防振动、抑噪声的性能，接口简单，适应性强，简单易学，容易普及并支持多微处理机系统。上一页下一页返回8.2计算机控制系统的硬件设计STD总线工控机也存在着不足，如STD工控机模板采用“金手指”拔插、模拟输入测量线和I/O信号线采用前端扁平电缆连接等。20世纪90年代以后，STD总线工控机逐渐被淘汰，采用ISA和PCI总线的IPC取代STD开始得到应用和普及。2）PC系列总线。PC系列总线是在以8088/8086为CPU的IBM/XT及其兼容机的XT62总线基础上发展起来的，从最初的XT总线到发展到PCI局部总线，以及PCIExpress总线。它包括ISA总线、EISA总线、VESA总线、PCI总线以及PCIExpress总线。目前工业PC机大多采用ISA总线（AT总线）和PCI总线。上一页下一页返回8.2计算机控制系统的硬件设计ISA总线的特点如下：①ISA总线结构的I/O接口卡种类最多，经过多年的应用，证明其技术已成熟。②ISA总线已被绝大多数工业PC机从业人员所接受和掌握。③ISA总线性能基本满足工业控制领域的需求。④ISA总线产品性价比高，易被工控系统设计人员所接受。PCI（外部设备连接接口）总线是1993年Intel公司主导推出的功能强大的总线结构。它支持并发CPU和总线主控部件操作，支持64位奔腾（Pentium）处理器，是目前普遍应用的总线。PCI总线是一种兼容性很强、功能齐全的计算机总线。上一页下一页返回8.2计算机控制系统的硬件设计它可同时支持多组外围设备，且不受制于处理器，为CPU及高速外围设备提供高性能、高吞吐量、低延迟的数据通路。PCI总线以其速度高、可靠性强、成本低及兼容性好等性能，在各种总线标准中占主导地位。3）CompactPCI总线。CompactPCI总线规范是由PICMG（PCIIndustrialComputerManufacturer’sGroup，PCI工业计算机制造商联盟）制定的，它定义了更为完善的PCI版本，用于工业和嵌入式应用。在电气、逻辑和软件功能方面，它与PCI标准完全兼容。CompactPCI的总线宽度可达132MB/s（32位）和264MB/s（64位）。上一页下一页返回8.2计算机控制系统的硬件设计CompactPCI在芯片软件和开发工具方面，充分利用了PC机资源，从而大幅度地降低了成本。（2）外部总线选择外部总线主要用于计算机系统与系统之间或计算机系统与外部设备之间的通信。外部总线的种类较多，通用的外部总线有RS−232C、RS−485、USB、IEEE−1394、SCSI等；用于工业现场的现场总线有CAN、LonWorks、FF、Profibus等；用于测控系统和仪表的有GPIB（IEEE−488）、HP−IL、MXI等。1）RS−232C串行通信接口。上一页下一页返回8.2计算机控制系统的硬件设计RS−232C端子RS−232C的连接插头用25针或9针的EIA连接插头座。RS−232C接口为非平衡型，每个信号用一根导线，所有信号回路共用一根地线。由于RS−232C采用电平传输，在通信速率为19.2Kbit/s时，其通信距离只有15m。若要延长通信距离，必须以降低通信速率为代价。RS−232C的逻辑电平与TTL电平不兼容，为了与TTL器件相连，必须进行电平转换。常用的电平转换器有Motorola公司生产的MC1488驱动器、MC1489接收器，TI公司的SN75188驱动器、SN75189接收器，以及美国MAXIM公司生产的单一+5V电源供电、多路RS−232驱动器/接收器，如MAX232A、MAX202等。上一页下一页返回8.2计算机控制系统的硬件设计2）RS−485串行通信接口。由于RS−232C通信距离较近，当传输距离较远时，可采用RS−485串行通信接口。RS−485具有比RS−232C更长的距离、更快的速度以及更多的节点，RS−485更适用于多台计算机或带微控制器的设备之间的远距离数据通信。3）IEEE−488。IEEE−488总线是美国Hewlett−Packard（惠普）公司于1970年开发的测量仪器接口总线，命名为HP−IB。IEEE以HP−IB为基础，制定了IEEE−488标准接口总线（GeneralPurposeInterfaceBus，GPIB）。上一页下一页返回8.2计算机控制系统的硬件设计各类外设，如打印机、绘图仪、磁盘驱动器、数字转换器、电压表、电源、信号发生器等，都可以使用这种总线。IEEE−488通过总线可以将各种测控仪表与计算机一起构成计算机测控系统，任何厂家按IEEE−488总线设计制造的器件可以直接连接，相互通信，结构简单，通用性强，使用灵活。IEEE−488的收发电路一般采用TTL电路，也可用三电平电路提高收发速度，适用于受电气轻微干扰的实验室及生产测试环境中。IEEE−488总线电缆是一条24线的无源电缆线，包括16根信号线和8根地线。其中16根信号线分成三组：8根双向数据总线、3根数据字节传送控制总线和5根接口管理总线，均为低电平有效。上一页下一页返回8.2计算机控制系统的硬件设计总线传输方式有按位并行、字节串行、三线握手、双向异步。目前国际上流行两种接插件标准：IEC国际标准−25芯针形连接器和IEEE−488美国标准−24芯簧片形连接器，为了调和两种不同标准引起的矛盾，出现了两种标准转接的装置，名称为PM94831EC/IEEE转换连接器。具体选择哪一种，要根据通信的速率、距离、系统拓扑结构、通信协议等要求来综合分析，才能确定。工控机常采用的通信接口为RS−232C和RS−485接口。若没有现成的接口装置，必须另外选择相应的通信接口板或协议转换模块，如RS−232转RS−422和RS−485模块等。上一页下一页返回8.2计算机控制系统的硬件设计2.主机机型的选择在总线式工业控制机中，有许多机型，都因采用的CPU不同而不同。国内生产工控机的厂家有研祥、研华、华北工控、艾雷斯等，其中研华工控机应用较多。设计人员可根据要求合理地进行选型。8.2.2过程通道的设计过程通道的主要任务是将生产过程中的各种参量和状态通过检测器件转换成计算机所能接收的信息送入计算机，计算机按确定算法计算后，又将计算结果以数字量或转换成模拟量的形式输出给执行机构，从而对被控对象进行自动控制。上一页下一页返回8.2计算机控制系统的硬件设计因此，过程通道起到了CPU和被控对象之间的信息传送和变换的桥梁作用。它的设计是计算机控制系统硬件设计的重要组成部分，对系统的控制精度起到决定性作用。计算机控制系统中最基本的一类信号是数字量（开关量）信号，这些信号都被作为控制的依据。这些信号包括开关的闭合与断开、指示灯的亮与灭、继电器或接触器的吸合与释放、电动机的启动与停止、设备的安全状况等。数字量一般分为电平式和触点式两种。电平式为高电平或低电平；触点式为触点闭合或触点断开。触点一般分两类，即机械触点和电子触点。上一页下一页返回8.2计算机控制系统的硬件设计按钮、旋钮、行程开关、继电器等触点为机械触点，晶体管输出型的接近开关和光电触点等为电子触点。处理这些数字量时需要建立数字量输入、输出通道，如图8−1所示。计算机控制系统中，另一类信号就是模拟量信号，包括生产过程的一些状态参数，如温度、压力、流量、位移等，虽然这些不同种类的模拟信号已经传感器和变送器转化为电压或电流信号，但仍为模拟量，需要建立模拟量的输入/输出通道，如图8−1所示。计算机控制系统由于规模、开发目的不同，采用不同的芯片以及测控对象的多样化，结构形式多种多样，相应的过程通道的接口及其控制也有所不同。上一页下一页返回8.2计算机控制系统的硬件设计若用硬件实现，实时性好，速度快；若用软件实现，可以方便系统功能的改变。硬件设计时，可以采用通用I/O接口芯片实现，也可选用现成的I/O接口模板实现。采用通用I/O接口芯片自行开发设计，针对性强，成本低，但开发周期长。计算机控制系统的过程通道包括数字量输入通道、数字量输出通道、模拟量输入通道和模拟量输出通道。1.数字量输入通道数字量输入通道的任务是把被控对象的开关状态信号（或数字信号）传送给计算机，简称DI（DigitalInput）通道。如图8−2所示，数字量输入通道由信号调理电路和输入接口电路构成。上一页下一页返回8.2计算机控制系统的硬件设计（1）信号调理电路1）小功率输入调理电路。小功率调理电路的作用，是将开关、继电器等的接通和断开动作，转换成TTL电平信号与计算机相连。为了消除由于触点机械扰动而产生的震荡信号，通常采用RC滤波电路或基本R−S触发器电路。如图8−3所示。2）大功率输入调理电路。大功率输入调理电路的作用是在大功率系统中，将电磁离合器等大功率器件接点的接通或断开，转换成TTL电平信号与计算机相连。为了使接点工作可靠，接点两端至少要加12V或24V以上的直流电压。上一页下一页返回8.2计算机控制系统的硬件设计因为直流电平的响应快，不易产生干扰，电路又简单，因而被广泛采用。但是这种电路所带电压高，容易带有干扰，通常采用光电耦合器进行隔离，如图8−4所示。（2）数字量输入接口数字量输入接口包括信号缓冲电路和接口地址译码。总线缓冲器在总线传输中起数据暂存缓冲的作用。其典型芯片有74LS244和74LS245。74LS244是一种8位三态输入缓冲器，可用来进行总线的单向传输控制；74LS245是一种8位的双向传输的三态缓冲器，可用来进行总线的双向传输控制，所以也称总线收发器。接口地址译码器可以选择3/8线译码器74LS138或4/16线译码器74LS148等。上一页下一页返回8.2计算机控制系统的硬件设计进行执行输入指令IN时，接口地址译码电路产生片选信号，将经过输入调理电路送来的开关信号，通过输入缓冲器送到数据总线上，再送到CPU中。2.数字量输出通道数字量输出通道的任务是把计算机输出的数字信号（或开关信号）传送给开关器件（如继电器或指示灯），控制它们的通、断或亮、灭，简称DO通道。数字量输出通道主要由输出接口电路（输出锁存和输出口地址译码等）和输出驱动电路等组成，如图8−5所示。数字量可直接从I/O接口电路输出，一般需要锁存，常用的输出锁存器有74LS273、74LS373等。上一页下一页返回8.2计算机控制系统的硬件设计当CPU执行输出指令OUT时，接口地址译码电路产生写数据信号，将计算机发出的控制信号送到锁存器的输出端，再经输出驱动电路送到开关器件。当数字量传输距离较远时，为节省传输线路和提高可靠性，宜采用串行通信。如有必要，可在数据接收端进行串−并转换，转换成并行形式。输出驱动电路的功能有两个，一是进行信号隔离，二是驱动开关器件。常用的驱动电路有以下几种。1）晶体管输出驱动电路。晶体管输出驱动电路如图8−6所示，适合小功率直流驱动。光耦合器之后加一个晶体管，以增大驱动能力，且可频繁通断，晶体管类型输出的响应时间在0.2ms以下。上一页下一页返回8.2计算机控制系统的硬件设计2）继电器输出驱动电路。继电器输出驱动电路如图8−7所示，适用于交流或直流驱动。输出锁存器后用光耦合器隔离，之后又加一级放大，然后驱动继电器线圈。输出变化速度缓慢，继电器类型输出的响应时间在10ms以上，同时，继电器输出型寿命有限，开关次数有限。3）固态继电器驱动电路。固态继电器（SSR）驱动电路如图8−8所示，适用于交流驱动。固态继电器是一种四端有源器件，输入、输出之间采用光耦合器进行隔离。过零检测电路可使交流电压变化到零状态附近让电路接通。上一页下一页返回8.2计算机控制系统的硬件设计电路接通后，由触发器电路给出晶闸管的触发信号。3.模拟量输入通道在计算机控制系统中，模拟通道的作用是把被控对象的模拟信号（如温度、压力和流量等）转换成计算机可以接受的数字信号。模拟量输入通道一般由信号预处理、多路转换器、前置放大器、采样保持器、模/数转换器和接口逻辑电路等组成，如图8−9所示。其核心是模/数转换器，即A/D或ADC。（1）信号预处理上一页下一页返回8.2计算机控制系统的硬件设计信号预处理的功能是对来自传感器或变送器的信号进行处理，除包括信号放大、滤波、阻抗匹配、电平变换、非线性补偿等，往往还包括电流/电压转换（I/V转换）器，其设置目的就是将传感器输出的信号不失真地转换为标准的电流或电压信号（通常为4～20mA，0～5V等）。目前，大多数传感器已和变送器合为一体，对于计算机测控系统而言，其调理电路的主要工作是将传感器输出的非标准电压或电流信号转化为A/D转换器能够直接转换的电压范围。目前，生产过程中所使用的自动化仪表所采用的传感器大多属于DDZ−Ⅲ电动单元组合仪表，其输出信号范围为4～20mA的国际标准，只需做电流/电压转换。上一页下一页返回8.2计算机控制系统的硬件设计I/V转换电路可分为无源I/V变换和有源I/V变换两种：①无源I/V变换即利用无源器件精密电阻来实现，将电流信号转换为0～5V的电压信号，原理如图8−10（a）所示，对于不同的输入电流，通过调整RP的电阻值来保证输出电压在0～5V的范围内；②有源I/V变换即利用有源器件运算放大器、电阻来实现，原理如图8−10（b）所示，采用同相放大电路实现，当然也可以采用反相输入方式实现，运算放大器的放大倍数为A=1+(R3+RP)/R2通过调节RP的电阻值来调整放大倍数。（2）前置放大器前置放大器可把传感器的信号从毫伏电平按比例地放大到典型的A/D转换输入电平。上一页下一页返回8.2计算机控制系统的硬件设计如果多个信号源的信号幅值相差悬殊，用同一增益放大器去放大高/低电平信号，可能使低电平信号测量精度降低，而高电平信号有可能超出A/D转换器的输入范围，这时可采用可编程增益前置放大器（PGA），使A/D转换器满量程达到均一化，提高多路采集的精度。前置放大器可分为固定增益和可编程增益两种。当模拟信号传输很长距离时，信号源和A/D之间的电位差（共模干扰）会给系统带来麻烦（即使传送距离短，也可能会出现这样的问题）。为此，需采用仪表放大器或隔离放大器。常用的仪表放大器有AD620、AD626、LH0036、LM363等，隔离放大器有AD202、AD203、AD204、AD206、ISO212P等。上一页下一页返回8.2计算机控制系统的硬件设计如果模拟输入电压已满足A/D转换量程要求，就不必再用前置放大器。（3）多路转换器多路转换器又称多路开关，多路开关实质上实现了多选一的目的，在模拟量输入/输出通道中，当多个信号共用一个A/D转换器时，用它来将各路被测信号依次或被控信号随机地切换到后一级电路即A/D转换、D/A转换电路上。常用的多路转换集成芯片有CD4051（8路，双向）和CD4052（4路，双向）等。在选择多路开关时，除考虑其通道数外，还要注意其他性能参数，如切换时间、开路电阻、导通电阻、通道间的串扰误差等。上一页下一页返回8.2计算机控制系统的硬件设计（4）采样保持器采样保持器实质上是计算机系统模拟量输入通道中的一种模拟量存储装置。它是连接采样器和模数转换器的中间环节。采样器是一种开关电路或装置，它在固定时间点上取出被处理信号的值，把这个信号值放大后存储起来，保持一段时间，以供模数转换器转换，直到下一个采样时间再取出一个模拟信号值来代替原来的值。在模数转换器工作期间，采样保持器一直保持着转换开始时的输入值，因而能抑制由放大器干扰带来的转换噪声，降低模数转换器的孔径时间，提高模数转换器的精确度，消除转换时间的不准确性。对于一般生产过程，控制计算机的模拟量输入可能是每秒几十点、几百点，而大型系统甚至上千点，往往需要高速采样（如5000～10000点/s）。上一页下一页返回8.2计算机控制系统的硬件设计为使这些模拟量信号逐个地送到模数转换器，必须采用采样保持器。采样保持器（S/H）的选用取决于测量信号的变化频率，原则上，直流信号或变化缓慢的信号且信号在A/D转换精度范围之内，可以不用采样保持器。常用的采样保持器有AD582、AD583、LF398等，用于高速场合的有HTS−25、HTC−300等，用于高分辨率场合的有SHA144等。选择采样保持器时，要注意其主要参数，如孔径时间、捕捉时间、保持时间下降率等。（5）A/D转换器上一页下一页返回8.2计算机控制系统的硬件设计A/D转换器的作用是将模拟量转换为数字量，这些模拟量来自生产过程的压力、温度、流量和物位等非电信号，在输入A/D转换器之前，经前期处理已转换成了电压信号。A/D转换器是模拟量输入通道的核心部件，是模拟系统和计算机之间的接口。A/D转换器的主要性能参数有分辨率、转换时间、转换精度、转换量程等。这些参数是选用A/D转换器的重要依据。①分辨率：它表明A/D对模拟信号的分辨能力，由它确定能被A/D辨别的最小模拟量变化。一般来说，A/D转换器的位数越多，其分辨率越高。实际的A/D转换器，通常为8、10、12、16位等。对A/D转换器位数的选择主要取决于系统测量精度，一般比传感器的精度高一个数量级。上一页下一页返回8.2计算机控制系统的硬件设计②转换时间：转换时间即A/D转换器完成转换所需的时间，即孔径时间，一般为几微秒到几百毫秒。转换时间是编程时必须考虑的参数。若CPU采用无条件传送方式输入A/D转换后的数据，由于存在转换时间，CPU必需的延时等待，延时时间必须大于等于转换时间。延时程序要放在启动转换程序之后。③转换精度：转换精度指满量程输出情况下模拟量输入电压的实际值与理想值之间的差值。A/D转换电路中与每一个输出的数字量对应的模拟量输入并非是一个数值，而是一个范围。④转换量程：所能转换的模拟量输入电压范围，如0～5V，0～10V，−5～+5V等。上一页下一页返回8.2计算机控制系统的硬件设计⑤工作温度：一般的A/D转换器的工作温度为0℃～70℃，较好的A/D转换器的为−40℃～85℃，选择时，若超出工作温度范围，将不能保证精度指标。常用的A/D转换芯片有8位的AD0808、AD0809等，12位的AD574等。4.模拟量输出通道在计算机控制系统中，模拟量输出通道是实现控制的关键。它的任务是把计算机输出的数字量转换成模拟量（电压或电流）去控制调节阀或驱动相应的执行机构，达到计算机控制的目的。上一页下一页返回8.2计算机控制系统的硬件设计模拟量输出通道一般由接口电路、控制电路、数/模转换器和V/I变换器等构成，其核心是数/模转换器，即D/A或DAC。它是模拟量输出通道的核心部件，是计算机和模拟系统之间的接口。（1）D/A转换器的主要技术指标①分辨率：D/A转换器的分辨率定义为基准电压与2n的比值，其中n为D/A转换器的位数。②稳定时间（又称转换时间）：输入二进制数变化量是满刻度时，输出达到离终值±LSB/2时所需的时间。③绝对误差：指在全量程范围内，D/A转换器的实际输出值和理论值之间的最大偏差。该偏差用最低有效位LSB的分数来表示。上一页下一页返回8.2计算机控制系统的硬件设计（2）模拟量输出通道的结构如图8−11和图8−12所示，模拟量I/O通道的结构通常有两种：一个通路一个D/A转换器的结构和多个通道共用一个D/A转换器的结构。前者转换速度快，工作可靠；后者只适用于通路数量多且速度要求不高的场合，可靠性较差。如图8−11和图8−12所示。在计算机控制系统中，被控量和被测量往往有很多回路，此时往往采用共用A/D转换器或D/A转换器的形式。5.I/O模板的标准化设计计算机扩展插槽从ISA标准、VISA标准，发展到现在的PCI标准。上一页下一页返回8.2计算机控制系统的硬件设计利用计算机的扩展功能，许多厂家将I/O接口装置按照计算机扩展槽的标准开发，并制成多种类型的板卡，用户可以根据需要直接选用现成的模板。输入/输出模板也如此。直接选用现成的模板使设计工作变得简单、方便，具有一定的灵活性，可靠性较高。使用者也可以根据需要自行设计，将更具灵活性，但开发周期较长。（1）数字量I/O通道的标准化设计为了对开关信号进行识别和控制，各工业PC厂家都开发了相应的开关量I/O接口模板。各开关量I/O模板的主要区别在于I/O电气接口的不同，即信号调理电路不同。在设计上，一般都将开关量的I/O接口做在同一块模板上，这样可以节省硬件成本，充分利用计算机的有限资源，方便用户使用。上一页下一页返回8.2计算机控制系统的硬件设计图8−13给出了PC总线下的数字量I/O模块的原理图。该系统共用8路数字量输入和8路数字量输出，并可分为两部分：一部分是地址译码部分，用于选通相应的通道；另一部分就是输入和输出接口部分。①地址译码电路部分。这一部分主要由两部分组成：译码控制部分和译码部分。译码控制部分的主要作用是产生片选信号。如图8−13所示，主要由比较器74LS688和波段开关（SW1）组成。比较器74LS688控制74LS138进行译码，波段开关的设置有效地防止了系统中不同I/O模板间的地址冲突。②I/O部分。图中74LS245是双向三态数据缓冲器，其和74LS244的DIR引脚连接，用

信号来控制数据的流向。上一页下一页返回8.2计算机控制系统的硬件设计当=0时，表示读信号有效，数据从B口流向A口，如果译码电路产生的地址选通74LS244，则数字量输入计算机，即调理电路输出的信号经输入缓冲器74LS244、总线收发器74LS245，由系统总线送到CPU。数字量输出时，只要将“读”I/O接口的地址改为“写”I/O接口的地址即可。现成的数字量I/O模板有研华工控的配套组件中的PCL−730等。（2）A/D转换模板的标准化设计A/D转换模板设计中应考虑的内容基本有以下几方面：①采样保持器。当所采集的信号变化很快时，为了保证数据不发生误码，一定要采用采样保持器；当多个输入通道要同步采样时，也应采用采样保持器。上一页下一页返回8.2计算机控制系统的硬件设计②输入跟随或信号放大处理。当有小信号输入时，如毫伏或微伏信号，则需加放大电路，而且在设计放大电路时，还应考虑运放的输入失调电压等指标。③多路模拟信号的切换技术。当有多路模拟信号输入时，应考虑选用何种模拟开关进行切换，并考虑模拟开关的导通电阻、开路电阻对信号源是否有影响。④隔离技术。对可靠性要求高或环境恶劣的应用场合，均应考虑信号的隔离技术。⑤A/D转换精度和速度。在设计A/D转换模板时，A/D转换器的转换精度和转换速度必须满足系统要求。转换速度选择时坚持宁快勿慢的原则。上一页下一页返回8.2计算机控制系统的硬件设计⑥参考基准电压。大多数A/D转换器件需外接基准电压，而基准电压的选取直接关系到A/D转换的精度，所以，选取基准电压时，应与A/D转换器的主要性能指标一起考虑。图8−14为一种8通道的模拟输入通道原理图，由2片多路开关CD4051（8路）、采样保持器LF398、12位A/D转换器AD574A、仪表放大器AD625和接口电路8255A组成。该模拟输入通道的主要技术指标如下。●分辨率：12位；●通道数（双端）：8路；●输入量程：单极性0～10V；双极性−5～+5V；上一页下一页返回8.2计算机控制系统的硬件设计●转换时间：25μs（A/D）；●线线误差：不大于0.02%；●应答方式：查询。该通道采集一个数据的过程如下：①通道选择。目的通道号写入端口C的低4位，使LF398对目的通道采样（LF398的工作状态受AD574A的STS控制，AD574未转换期间，STS=0，LF398处于采样状态）。②启动AD574A进行12位转换。通过PC6～PC4输出控制信号启动AD574A。③查询AD574A是否转换结束。上一页下一页返回8.2计算机控制系统的硬件设计读端口A，了解STS是否已由高电平变为低电平。④读取转换结果。读8255A端口A、B，便可得到转换结果（12/8脚接+5V，一次性输出12位）。（3）D/A转换模板的标准化设计根据用户对D/A输出的具体要求，设计者应合理地选择D/A转换芯片及相关的外围电路，如D/A转换器的分辨率、稳定时间和绝对误差等。在设计中，一般没有复杂的电路参数计算，但需要掌握各类集成电路的性能指标及引脚功能，以及与D/A转换模板连接的CPU或计算机总线的功能、接口及其特点。上一页下一页返回8.2计算机控制系统的硬件设计在硬件设计的同时，还需考虑软件的设计，并充分利用计算机的软件资源；原则上，不增加硬件成本就能实现的功能应由硬件来实现；需要通过增加硬件成本才能实现，同时软件也能实现的功能应由软件来实现。因此，只有做到硬件和软件的合理结合，才能在较少硬件投资的情况下，设计出同样功能的D/A转换模板。此外还应考虑以下几点：①安全可靠。②性能与经济的统一。③通用性。上一页下一页返回8.2计算机控制系统的硬件设计D/A转换模板的设计步骤为：确定性能指标、设计电路原理图、设计和制造电路模板、焊接和调试电路模板。首选按照设计原则和性能指标来设计和选择集成电路芯片。在设计电路板时，应注意数字电路和模拟电路分别排列走线，避免交叉，连线尽量短。模拟地（AGND）和数字地（DGND）分别走线，通常在总线引脚附近一点接地。如果采用光耦合器隔离，那么隔离前、后电源线和地线要独立。然后进行焊接，但在焊接前必须严格筛选元器件，并保证焊接质量。最后分步调试，一般是先调数字电路部分，再调模拟电路部分，并按性能指标逐项考核。模拟量输出模板最主要部分为D/A转换部分，下面是采用12位D/A转换器设计的模拟量数字量转换部分，如图8−15所示。上一页下一页返回8.2计算机控制系统的硬件设计DAC1210有12位数据输入线，当与8位数据总线连接时，由于CPU输出数据是按字节操作的，则送出12位数据需要执行两次输出指令，比如第一次执行输出指令送出数据的高8位，第二次则送出低4位。为避免两次输出指令之间在D/A转换器的输出端出现扰动，就必须使高8位和低4位数据同时送入DAC1210的12位输入寄存器。为此，往往用两级数据缓冲结构来解决D/A转换器和总线的连接问题，CPU先用两条输出指令把12位数据送到第一级数据缓冲器，然后通过第三条输出指令把数据送到第二级数据缓冲器，从而使D/A转换器同时得到12位待转换的数据。图8−15是DAC1210与PC/XT总线接口图。上一页下一页返回8.2计算机控制系统的硬件设计图8−16为研华工控机的组件模拟量输出模板PCL−726组成框图。8.2.3变送器及执行器的选取执行器接收来自调节器的控制信号，由执行机构将其转换成相应的角位移或直线位移，去操纵调节机构（调节阀），改变控制量，使被控变量符合预期要求。1.传感器及变送器变送器是一种仪表，它能将传感器所测变量（如温度、压力、物位、流量、电压、电流等）转换为可远传的统一标准信号（0～10mA、4～20mA等），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业控制机进行处理，实现数据采集。上一页下一页返回8.2计算机控制系统的硬件设计DDZ−Ⅲ型变送器输出的是4～20mA信号，供电电源为24V（DC）且采用二线制，DDZ−Ⅲ型比DDZ−Ⅱ型变送器性能好，使用方便。DDZ−S系列变送器是在总结DDZ−Ⅱ和DDZ−Ⅲ型变送器的基础上，吸取了国外同类变送器的先进技术，采用模拟技术与数字技术相结合，从而开发出的新一代变送器。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。系统设计人员可根据被测参数的种类、量程，以及被测对象的介质类型和环境来选择变送器的具体型号。（1）压力检测及变送上一页下一页返回8.2计算机控制系统的硬件设计工业生产中许多生产工艺过程经常要求在一定的压力或一定的压力变化范围内进行，这就需要测量和控制压力，以保证工艺过程的正常进行。通过测量压力和压差可间接测量其他物理量，如温度、液位、流量、密度与成分含量等，差压变送器就是将差压、流量、液位等被测参数转换为标准的统一信号，以实现对这些参数的显示、记录或自动控制。按照检测元件分类，差压变送器主要有膜盒式差压变送器、电容式差压变送器、扩散硅式差压变送器、振弦式差压变送器和电感式差压变送器等。上一页下一页返回8.2计算机控制系统的硬件设计压力检测的方法很多，按敏感元件和转换原理的特性不同，一般分为以下几类：①液柱式压力检测。它是依据流体静力学原理，把被测压力转换成液柱高度来实现测量的。利用这种方法测量压力的仪器主要有U形管压力计、单管压力计、斜管微压计、补偿微压计和自动液柱式压力计等。这类压力计结构简单、使用方便，但其精度受工作液的毛细管作用密度及视差等因素的影响，测量范围较窄，一般用来测量较低压力、真空度或压力差。②弹性式压力检测。上一页下一页返回8.2计算机控制系统的硬件设计它是根据弹性元件受力变形的原理，将被测压力转换成位移来实现测量的，常用的弹性元件有弹簧管、膜片和波纹管等。③负荷式压力检测。它是基于静力平衡原理进行压力测量的，典型仪表有活塞式、浮球式和钟罩式三大类。它普遍被用作标准仪器对压力检测仪表进行标定。④电气式压力检测。它是利用敏感元件将被测压力转换成各种电量，如电阻、电感、电容、电位差等。该方法具有较好的动态响应特性，量程范围大，线性好，便于进行压力的自动控制。其他压力检测仪表还有弹性振动式压力计、压磁式压力计等。上一页下一页返回8.2计算机控制系统的硬件设计弹性振动式压力计是利用弹性元件受压后其固有振动频率发生变化这一原理制成的，其本质是将被测压力转换成频率信号加以输出，所以抗干扰性强。压磁式压力计是利用铁磁材料在压力作用下会改变其磁导率的物理现象而制成的，可用于测量频率高达1kHz的脉动压力。（2）温度检测及变送温度是各种工艺生产过程和科学实验中非常普遍、非常重要的热工参数之一。许多产品的质量、产量、能量和过程控制等都直接与温度参数有关，因此，实现准确的温度测量具有十分重要的意义。温度变送器与测温元件配合，温差信号转换成为标准的统一信号，以实现对温度或温差信号的显示和记录。温度变送器分为模拟式温度变送器和智能式温度变送器两大类。上一页下一页返回8.2计算机控制系统的硬件设计根据测量方法，可将温度测量划分为接触式测温和非接触式测温两大类。接触式测温是基于物体的热交换原理设计而成的。其优点是：较直观、可靠；系统结构相对测量准确，精度高。其缺点是：测温时有较大的滞后（因为要进行充分的热交换），在接触过程中易破坏被测对象的温度场分布，从而造成测量误差；不能测量移动的或太小的物体；测温上限受到温度计材质的限制，故所测温度不能太高。接触式测温仪表主要有：基于物体受热膨胀原理制成的膨胀式温度检测仪表，基于密闭容积内工作介质随温度升高而压力升高的性质制成的压力式温度检测仪表，基于导体或半导体电阻值随温度变化而变化的热电阻温度检测仪表，基于热电效应的热电偶温度检测仪表。上一页下一页返回8.2计算机控制系统的硬件设计非接触式测温是基于物体的热辐射特性与温度之间的对应关系设计而成的。其优点：测温范围广（理论上没有上限限制）；测温过程中不破坏被测对象的温度场分布；能测运动的物体；测温响应速度快。缺点是：所测温度受物体发射率、中间介质和测量距离等的影响。目前应用较广的非接触式测温仪表有：辐射温度计、光学高温计、光电高温计、比色温度计等。其他测温技术，如光纤测温技术、集成温度传感器测温技术等也在不同领域得到应用。（3）流量检测及变送生产过程中，大量的气体、液体等流体介质的流量需要准确检测与控制，以保证设备在合理负荷和安全状态下运行。上一页下一页返回8.2计算机控制系统的硬件设计所谓流量大小，指单位时间内流过管道某一截面的流体数量，即瞬时流量，常用体积流量QV（m3/h、L/h）和质量流量Qm（kg/h）表示。①按测量的单位分，有质量流量计和体积流量计；②按测量流体运动的原理分，有容积式、速度式、动量式和质量流量式；③按测量的方法分，有直接测量式和间接测量式。（4）物位检测及变送在生产过程中常需要对容器中储存的固体（块料、粉料或颗粒）、液体的储量进行测量，以保证生产工艺正常运行及进行经济核算。上一页下一页返回8.2计算机控制系统的硬件设计这种测量通过检测储物在容器中的堆积高度来实现，储物的堆积高度就叫作物位；容器、河道、水库中液体的表面位置（相对于某一指定位置）叫作液位；容器、堆场、仓库等所储固体颗粒、粉料等的堆积高度叫作料位；同一容器中储存的两种密度不同且互不相溶的液体之间或两种介质之间的分界面位置称为相界面位置。物位的测量就是指以上三种位置的测量，测量固体物位的仪表称为料位计，测量液体物位的仪表称为液位计，测量相界面位置的仪表称为界面计。通过物位的测量，可以正确获知容器设备中所储物质的体积或质量，监视或控制容器内的介质物位，使它保持在一定的工艺要求的高度，或对它的上、下限位置进行报警，以及根据物位来连接监视或调节容器中流入与流出物料的平衡。上一页下一页返回8.2计算机控制系统的硬件设计所以，一般测量物位有两种目的，一种是对物位测量的绝对值要求非常准确，借以确定容器或储料库中的原料、辅料、半成品或成品的数量；另一种是对物位测量的相对值要求非常准确，要能迅速、准确地反映某一特定水准面上的物料相对变化，用以连续控制生产工艺过程，即利用物位仪表进行监视和控制。物位测量方法很多，但无论是哪一种测量方法，一般都可以归结为测量某些物理参数，如测量高度、压力（压差）、电容、γ射线强度和声阻等。物位仪表按工作原理可分以下几种。①直读式物位测量仪表。它是最原始但应用仍较多的物位测量仪表，主要有玻璃管液位计、玻璃板液位计等。上一页下一页返回8.2计算机控制系统的硬件设计②浮力式物位测量仪表。它利用浮子高度随液位变化而改变或液体对沉浸于液体中的浮子（或称沉筒）的浮力随液位高度而变化的原理来工作的。它也是一种应用范围很广的物位测量仪表。③静压式物位测量仪表。它是利用液柱或物料堆积对某定点产生压力，测量该点压力或测量该点与另一参考点的压差而间接测量物位的仪表。④电磁式物位测量仪表。它是将物位的变化转换为电量的变化，进行间接测量物位的仪表。它可以分为电阻式（即电极式）、电容式和电感式物位仪表等，还有利用压磁效应工作的物位仪表。⑤核辐射式物位仪表。上一页下一页返回8.2计算机控制系统的硬件设计它是利用核辐射透过物料时，其强度随物质层的厚度而变化的原理而工作的，目前应用较多的是γ射线。⑥声波式物位测量仪表。物位的变化可以引起声阻抗的变化、声波的遮断和声波反射距离的不同，测出这些变化就可测出物位。所以声波式物位测量仪表可以根据它的工作原理分为声波遮断式、反射式和阻尼式。⑦光学式物位测量仪表。它利用物位对光波的遮断和反射原理工作，可利用的光源有普通白炽灯光或激光等。还有一些其他形式的物位测量仪表，如射流式、称重式、热敏式、音叉式等多种类型，而新原理、新品种仍在不断发展之中。上一页下一页返回8.2计算机控制系统的硬件设计2.执行器的选取执行器是过程计算机控制系统中的一个重要组成部分。它的作用是接收计算机发出的控制信号，并把它转换为调整机构的动作，使生产过程按预先规定的要求正常运行。执行器由执行机构和调节机构（控制阀）组成。在用电信号作为控制信号的计算机控制系统中，目前广泛应用三种控制方式，如图8−17所示。执行器若按动力能源分类，分为气动执行器、电动执行器、液动执行器。上一页下一页返回8.2计算机控制系统的硬件设计气动执行器利用压缩空气作为能源，其特点是结构简单，动作可靠、平稳，输出推力较大，维修方便，防火防爆，价格较低；可方便地与气动仪表配套使用，即使是采用电动仪表或计算机控制时，只要经过电/气转换器或电/气阀门定位器，将电信号转换为0.02～0.1MPa的标准气压信号，仍可用气动执行器。电动执行机构的特点是体积小，种类多，使用方便；液压执行机构的特点是推力大，精度高。常用的执行机构类型为气动和电动。下面分别加以介绍。（1）气动执行机构气动执行器又称为气动调节阀，由气动执行机构和控制机构组成，如图8−18所示。执行器上有标尺，用以指示执行器的动作行程。上一页下一页返回8.2计算机控制系统的硬件设计常见的气动执行机构有薄膜式和活塞式两大类，其中薄膜式执行机构最常见，它可以用作一般控制阀的推动装置，组成气动薄膜式执行器。气动薄膜式执行机构的信号压力作用于膜片，使其变形，带动膜片上的推杆移动，使阀芯产生位移，从而改变阀的开度。它结构简单，价格低廉，维修方便，应用广泛。气动活塞执行机构使活塞在汽缸中移动，产生推力，显然，活塞式的输出力度远大于薄膜式。因此，薄膜式适用于输出力较小、精度较高的场合；活塞式适用于输出力较大的场合，如大口径、高压降控制或蝶阀的推动装置。除薄膜式和活塞式之外，还有一种长行程执行机构，它的行程长、转矩大，适用于输出角位移和大力矩的场合。气动执行机构接收的信号标准为0.02～0.1MPa。上一页下一页返回8.2计算机控制系统的硬件设计气动薄膜执行机构输出的位移L与信号压力p的关系为L=Ap/K。推杆受压移动，使弹簧受压，当弹簧的反作用力与推杆的作用力相等时，输出的位移L与信号压力p成正比。执行机构的输出（即推杆输出的位移）也称为行程。气动薄膜执行机构的行程规格有10、16、25、60、100mm。气动薄膜执行机构的输入−输出特性是非线性的，且存在正反行程的变差。实际应用中常用上阀门定位器，可减小一部分误差。气动薄膜执行机构有正作用和反作用两种形式。当来自控制器或阀门定位器的信号压力增大时，阀杆向下动作的叫作正作用执行机构（ZMA型）；当信号压力增大时，阀杆向上动作的叫作反作用执行机构（ZMB型）。上一页下一页返回8.2计算机控制系统的硬件设计正作用执行机构的信号压力是通入波纹膜片上方的薄膜气室；反作用执行机构的信号压力是通入波纹膜片下方的薄膜气室。通过更换个别零件，两者就能互相改装。气动活塞执行机构的主要部件为汽缸、活塞、推杆，汽缸内活塞随汽缸内两侧压差的变化而移动。根据特性分为比例式和两位式两种。两位式根据输入活塞两侧操作压力的大小，活塞从高压侧被推向低压侧。比例式是在两位式基础上加上阀门定位器，使推杆位移和信号压力成比例关系。（2）控制机构（控制阀或调节阀）控制机构即控制阀或调节阀，实际上是一个局部阻力可以改变的节流元件。上一页下一页返回8.2计算机控制系统的硬件设计阀杆上部与执行机构相连，下部与阀芯相连。由于阀芯在阀体内移动，改变了阀芯与阀座之间的流通面积，即改变了阀的阻力系数，被控介质的流量也就相应改变，从而达到控制工艺参数的目的。控制阀由阀体、阀座、阀芯、阀杆、上下阀盖等组成。控制阀直接与被控介质接触，为适应各种使用要求，阀芯、阀体的结构、材料各不相同。控制阀的阀芯有直行程阀芯与角行程阀芯两种。常见的直行程阀芯有：平板形阀芯，具有快开特性，可作两位控制；柱塞形阀芯，可上下倒装，以实现正反调节作用；窗口形阀芯，有合流型与分流型，适宜作三通阀；多级阀芯，将几个阀芯串联，起逐级降压作用。上一页下一页返回8.2计算机控制系统的硬件设计角行程阀芯通过阀芯的旋转运动改变其与阀座间的流通截面，常见的角行程阀芯形式有：偏心旋转阀芯、蝶形阀芯、球形阀芯。根据不同的使用要求，控制阀的结构形式很多，现简介如下：①直通单座控制阀。这种阀的阀体内只有一个阀芯与阀座。其特点是结构简单，泄漏量小，易于保证关闭，甚至完全切断。但是在压差大的时候，流体对阀芯上下作用的推力不平衡，这种不平衡力会影响阀芯的移动。这种阀一般用于小口径、低压差的场合。②直通双座控制阀。阀体内有两个阀芯和阀座，这是最常用的一种类型。由于流体流过的时候，作用在上、下两个阀芯上的推力方向相反而大小近于相等，可以互相抵消，所以不平衡力小。上一页下一页返回8.2计算机控制系统的硬件设计但是由于加工的限制，上下两个阀芯阀座不易保证同时密闭，因此泄漏量较大。根据阀芯与阀座的相对位置，这种阀可分为正作用式与反作用式（或称正装与反装）两种形式。当阀体直立、阀杆下移时，阀芯与阀座间的流通面积减小，称为正作用式。如果阀芯倒装，则当阀杆下移时，阀芯与阀座间的流通面积增大，称为反作用式。③隔膜控制阀。它采用耐腐蚀衬里的阀体和隔膜。隔膜阀结构简单，流阻小，流通能力比同口径的其他种类的阀要大。由于介质用隔膜与外界隔离，故无填料，介质也不会泄漏。这种阀耐腐蚀性强，适用于强酸、强碱等腐蚀性介质的控制，也能用于高黏度及悬浮颗粒状介质的控制。上一页下一页返回8.2计算机控制系统的硬件设计④三通控制阀。三通阀共有三个出入口与工艺管道连接。其流通方式有合流(两种介质混合成一路)型和分流（一种介质分成两路）型两种。这种阀可以用来代替两个直通阀，适用于配比控制与旁路控制。⑤角形控制阀。角形阀的两个接管呈直角形，一般为底进侧出。这种阀的流路简单、阻力较小，适用于现场管道要求直角连接，介质为高黏度、高压差，以及含有少量悬浮物和固体颗粒的场合。⑥套筒式控制阀。又名笼式阀，它的阀体与一般的直通单座阀相似。笼式阀内有一个圆柱形套筒（笼子）。套筒壁上有几个不同形状的孔（窗口），利用套筒导向，阀芯在套筒内上下移动。上一页下一页返回8.2计算机控制系统的硬件设计由于这种移动改变了笼子的节流孔面积，因此形成了各种特性并实现流量控制。笼式阀的可调比大、振动小、不平衡力小、结构简单、套筒互换性好，更换不同的套筒（窗口形状不同）即可得到不同的流量特性，阀内部件所受的气蚀小、噪声小，是一种性能优良的阀，特别适用于要求低噪声及压差较大的场合，但不适用于高温、高黏度及含有固体颗粒的液体。⑦蝶阀。又名翻板阀。蝶阀具有结构简单、质量小、价格便宜、流阻极小的优点，但泄漏量大，适用于大口径、大流量、低压差的场合，也可以用于含少量纤维或悬浮颗粒状介质的控制。⑧球阀。上一页下一页返回8.2计算机控制系统的硬件设计球阀的阀芯和阀体都呈球形体。转动阀芯，使其与阀体处于不同的相对位置时，就具有不同的流通面积，以达到流量控制的目的。⑨凸轮挠曲阀。又名偏心旋转阀。它的阀芯呈扇形球面状，与挠曲臂及轴套一起铸成，固定在转动轴上。凸轮挠曲阀的挠曲臂在压力作用下会产生挠曲变形，使阀芯球面与阀座密封圈紧密接触，密封性好。同时它的质量小、体积小、安装方便，适用于高黏度或带有悬浮物的介质的流量控制。除以上介绍的阀以外，还有一些特殊的控制阀。例如小流量阀适用于小流量的精密控制，超高压阀适用于高静压、高压差的场合。（3）电/气转换器和电/气阀门定位器上一页下一页返回8.2计算机控制系统的硬件设计在实际系统中，电与气两