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1、计算机控制系统第九章计算机控制系统设计与实现原则与步骤原则与步骤原则与步骤原则与步骤 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（Mean Time Between Failure）MTBF反映了系统可靠工作的能力。平均维修时间MTTR（Mean Time To Restoration）MTTR表示系统出现故障后立即恢复工作的能力。原则与步骤原则与步骤原则与步骤原则与步骤 系统设计的原则 （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
2、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。原则与步骤原则与步骤原则与步骤原则与步骤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.经济效益高系统设计的原则 原则与步骤原则与步骤原则与步骤原则与步骤 系统设计的步骤系统设计的步骤 （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。原则与步骤原则与步骤原则与步骤原则与步骤 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
3、系统总体方案设计(5)乙方进行方案可行性论证(6)签订合同书原则与步骤原则与步骤原则与步骤原则与步骤(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原则与步骤原则与步骤原则与步骤原则与步骤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控制系统设计的一般步骤控制系统设计的一般步骤控制系统的设计一般分为以下几个步骤：系统总体控制方案的设计、控制系统的设计一般分为以下几个步骤：系统总体控制方案
4、的设计、机型的选择、控制算法的设计、硬件设计、软件设计、系统联调。机型的选择、控制算法的设计、硬件设计、软件设计、系统联调。系统整体控制方案的设计系统整体控制方案的设计1、确定控制任务、确定控制任务:控制系统的整体结构、微机的作用控制系统的整体结构、微机的作用2、软硬件的功能分配、软硬件的功能分配3、接口设计：、接口设计：（1）、选用专门的功能接口板）、选用专门的功能接口板（2）、选用通用的接口电路）、选用通用的接口电路（3）、用集成电路自行设计）、用集成电路自行设计4、通道设计、通道设计5、操作员控制台的设计、操作员控制台的设计微型计算机的选择微型计算机的选择1、组装方案、组装方案2、单板机
5、或单片机方案、单板机或单片机方案4、通用微型计算机系统方案、通用微型计算机系统方案5、通用工业控制计算机系统方案、通用工业控制计算机系统方案一、微型计算机系统构成方案选择一、微型计算机系统构成方案选择3、可编程控制器、可编程控制器二、微型计算机系统性能指标选择二、微型计算机系统性能指标选择1、完善的中断系统、完善的中断系统2、足够的存储容量、足够的存储容量3、完备的输入输出通道和实时的时钟、完备的输入输出通道和实时的时钟4、足够的数据处理能力、足够的数据处理能力7.1.3、控制算法的设计、控制算法的设计控制算法的设计要充分考虑：控制速度、控制精度、系统稳定性控制算法的设计要充分考虑：控制速度、
6、控制精度、系统稳定性、可实、可实现性。现性。7.1.4、硬件的设计、硬件的设计7.1.5、软件设计、软件设计7.1.6、系统的联调、系统的联调7.2、微型计算机控制系统的软件、微型计算机控制系统的软件7.2.1、软件的分类、软件的分类1、系统软件、系统软件2、应用软件、应用软件1）控制程序）控制程序2）数据采集及处理程序）数据采集及处理程序3）巡回检测程序）巡回检测程序4）数据管理程序）数据管理程序控制程序的语言选择及设计步骤控制程序的语言选择及设计步骤一、语言的选择一、语言的选择1、机器语言、机器语言2、汇编语言、汇编语言3、高级语言、高级语言二、应用程序的设计步骤和方法二、应用程序的设计步
7、骤和方法设计步骤：问题的定义、程序设计、编码、调试、改进、再改进设计步骤：问题的定义、程序设计、编码、调试、改进、再改进设计方法：模块化设计思想、结构化设计思想设计方法：模块化设计思想、结构化设计思想4、组态软件、组态软件可靠性技术可靠性技术可靠性技术可靠性技术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。基于工业基于工业PC的计算机测控系统设计的计算机测控系统设计 图9-1
8、1 发酵过程控制点示意图1.温度控制图9-12 分程控制系统原理图应用实例应用实例应用实例应用实例2.压力控制3.pH值控制4.溶解氧（DO）值的控制应用实例应用实例应用实例应用实例 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Pt100 01500C回水温度Pt100 01500C发酵罐内的PH值420mA 014进水温度Pt100 01500C发酵罐内的溶氧420mA 0150%发酵罐内压力01KPa发酵罐的空气流量010KPa/0120m3/min冷水控制阀DO输出电磁阀电机转速420mA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
9、排出气体流量控制阀AO输出电动阀变频调速器AO输出电动阀应用实例应用实例应用实例应用实例图9-13 基于IPC的计算机测控系统示意图基于网络结构的计算机测控系统设计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 当污水厂处于检修、手动工况时采用人工控制方式。操作人员通过污水厂操作台上的操作按钮，启动或停止相关的设备，RTU只检测设备的运行工况、生产数据和故障判断，并送中央控制计算机进行显示，不进行故障保护控制。1.污水厂监控系统的控制方式RTU自动控制 就地RTU采集现场数据（如液位、流量、压力和溶解氧浓度等），经分析处理，自动控制现场的机械设备如阀、格栅、转碟和泵
10、等。它主要包括：RTU对氧化沟溶解氧浓度的自动控制，RTU对机械格栅清污的自动控制，RTU对回流污泥的自动控制，故障监测和保护控制。中控室远程遥控 操作人员在中央监控计算机上通过键盘发布控制指令至各个现场RTU控制器，远程遥控各现场设备的工作。1.污水厂监控系统的控制方式考虑一座氧化沟设置有3台溶解氧分析仪，18台转碟（其中6台可变频调速）。其控制流程如图9-15所示。溶解氧的控制可有两种方案：第一种是由2台可变频调速转碟和4台二级调速转碟与一台溶解氧分析仪组成一套控制系统，这样一座氧化沟有三套控制系统。该方案调节响应较快，也有利于整个氧化沟中溶解氧的均匀分布，但对溶解氧分析仪的可靠性要求较高
11、，必须每台正确。(2)氧化沟溶解氧控制另一种方案是对3台溶解氧分析仪的检测信号先进行前置处理，包括信号可靠性分析和信号平滑滤波等，得到一个较为正确的平均信号值。然后按此值同时去控制6台可变频调速的转碟和12台二级调速转碟。该方案与第一种方案相反，只要其中一台溶解氧分析仪可靠即能实现正常自动运行。(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：人工设定；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
12、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应用实例应用实例应用实例应用实例 图9-16 进泥泵运行时间示意图应用实例应用实例应用实例应用实例 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
13、式图9-17 活性污泥回流比控制示意图应用实例应用实例应用实例应用实例 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，停格栅除污机。当液位差低于某个值时，按时间周期启停，而当液位差高于某个值时立即启动并连续运行，直到液位差达到正常范围，格栅恢复按时间周期运行。(5)栅渣清除控制应用实例应用实例应用实例应用实例 图9-18 栅渣清除控制示意图应用实例应用实例应用实例应用实例 图9-19 污水处理厂计算机控制系统网络结构示意图应用实例应用实例应用实例应用实例 (1)精确度 指在正常使用条件下，仪表测量结果的准确程
14、度，误差越小，精确度越高。一般生产过程物理量检测仪表的精确度为1%，水质分析仪表的精确度为2%（测高浊水的浊度仪的精确度为5%）。(2)响应时间 当对被测量进行测量时，仪表指示值总要经过一段时间才能显示出来，这段时间即为仪表的响应时间。水质分析仪表响应时间应不超过3min。(3)输出信号 仪表的模拟输出应是420mA DC信号，负载能力不小于600。仪表选配的一般要求 应用实例应用实例应用实例应用实例 (4)仪表的防护等级 应满足所在环境的要求，一般应不低于IP65，用于药剂投加系统的检测仪表要求能耐腐蚀。(5)电源 四线制的仪表电源多为220V AC、50Hz，两线制的仪表电源为24V DC。(6)现场监测仪表 宜选用数显仪。(7)仪表的工作电源 应独立，不应和计算机共用电源，以保证发生故障和检修时电源互不干扰，使各自都能稳定可靠地运行。仪表选配的一般要求 图9-20 总图图9-21 4#PLC