工程设计与实践基础知识.pdf

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)。(包括参数设定、状态显示、手动自动切换和异常报警等)。、通信板块等。采用通用控制装置构成系统的优点是:系统配置灵活,规模可大可小,扩充方便,维修简单,而且,由于无须进行硬件线路设计,因而对设计人员的硬件技术水平要求不高。一般IPC都配有系统软件,有的还配有各种控制软件包;而有的IPC只提供硬件设计上的方便,而应用软件需自行开发,或者系统设计者希望自己开发研制全部软件,以获取这部分较高的商业利润。而有些是为某项应用而专门设计、开发的专用计算机控制系统,如数控机床控制设备、彩色印刷控制设备、电子称重仪及其他智能数字测控设备等。这些系统偏重于某几项特定的功能,系统的软、硬件比较简单和紧凑,常用于批量的定型产品中。在硬件设计上可以按系统的要求进行自行配置,软件多采用固化的专用芯片和相应器件,一般可采用单片机系统或专用的控制芯片来实现,开发完成后一般不做较14:..深的计算机知识,因为系统的全部硬件、软件均需自行开发研制。(),包括电动机、水泵、风机等的电压、电流等电气参数、型号规格,这部分内容如果细分应归属为电气设计人员。,包括被测参数种类、量程大小、信号类别、型号规格等。,包括能源类型、信号类别、型号规格等。、复杂控制系统图、现场管、线缆敷设图及自控设备汇总表、综合材料表等若干工程图。(3)控制柜(盘)控制柜(盘)把核心控制装置及动力系统主回路与控制回路的低压电器装置集成在一起,既为操作人员提供一个良好的监控界面与操作平台,也为维护人员提供一个方便的检测、维修场所。对于大的系统,往往分成动力柜(强电)、控制柜(弱电)、仪表柜(盘)等几种柜(盘);而对于小系统,可以集成在一个柜(盘)上。控制柜(盘)的设计不仅是柜(盘)的外形尺寸与框架结构,更主要的是柜(盘)内电器部件的安装接线图,他表示了各电器部件的实际安装位置和它们之间的电气连接,这是实际接线的依据,也是现场安装和检修工作不可缺少的图纸。对此,需要设计电气系统图,电气原理图,柜(盘)的正面布置图、背面配线图及结构尺寸图等。有时还需要设计放置控制柜(盘)的控制室,包括平面面积、立体空间、柜(盘)摆放位置、电源电缆与信号电缆的进出位置与走向,还有灯光照明、接地系统、抗干扰措施、防雷措施等。,而且还能减小系统软件设计的工作量。一般它们都配有实时操作系统或实时监控程序以及各种控制、运算软件和组态软件等,可使系统设计者在最短的周期内,开发出应用软件。如果从选择单片机入手来研制控制系统,那系统的全部硬件、软件均需自行开发研制。自行开发控制软件时,应先画出程序总体流程图和各功能模块流程图,再选择程序设计语言,然后编制程序。软件设计应考虑以下5个方面。(1)编程语言的选择根据机型不同和控制工况不同,可以选择不同的编程设计语言。目前常用的语言有汇编语言、高级语言、组态语言等。汇编语言是使用助记符代替二进制指令码的面向机器的语言。用汇编语言编出的程序质量较高,且易懂、易记、易检查和易修改,但不同的机器有不同的汇编语言,如MC51单片机汇编语言、8086CPU汇编语言等。编程者必须先熟悉这种机器的汇编语言才能编程,这就要求编程者要有较深的计算机软件和硬件知识以及一定程度的程序设计技能与经验。高级语言更接近英语自然语言和数学表达式,程序设计人员只要掌握该种语言的特点和使用方法,而不必了解机器的指令系统就可以编程设计。因而它具有通用性好、功能强、更易于编写等特点,是近年来发展很快的一种编程方式。目前,AT89、51系列单片机常用的高级语言有C-51、PL/M以及MBASIC-51等。高级语言在编写控制算法和图形显示方面具有独特的优点,而汇编语言编写的程序比高级语言编写的程序执行速度快、占用内存少。所以,一种较好的模式是混合使用两种语言,用汇编语言编写中断管理、出入/输出等实时性强的程序,而用高级语言编写计算、图形显示、打印等运算管理程序。组态语言是一种针对控制系统设计的面向问题的高级语言,它为用户提供了众多的功能模块。例如,控制算法模块(如PID),运算模块(包括四则运算、开方、最大值/最小值选择、一阶惯性、超前滞后、工程量变换、上下限报警等数十种),计数/计时模块,逻辑能算模块,输入模块,输出模块,打印模块,15:..CRT显示模块等。系统设计者只需根据控制要求,选择所需的模块就能十分方便地生成系统控制软件,因而软件设计工作量大为减少。常用的组态软件有Intouch、FIX、、KingView组态王、MCGS、力控等。在软件技术飞速发展的今天,各种软件开发工具琳琅满目,每种开发语言都有其各自的长处和短处。在设计控制系统的应用程序时,究竟选择哪种语言编程,还是两种语言混合使用,这要根据被控对象的特点、控制任务的要求以及所具备的条件而定。(2)数据类型和数据结构规划系统的各个模块之间要进行各种信息传递,如数据采集模块和数据处理模块之间、数据处理模块和显示模块、打印模块之间的接口条件,即各接口参数的数据结构和数据类型必须严格统一规定。按数据类型来分类,可分为逻辑型和数值型。通常将逻辑型数据归到软件标志中去考虑。数值型数据可分为定点数和浮点数,定点数具有直观、编程简单、运算速度快的优点,缺点是表示的数值动态范围小,容易溢出;而浮点数则相反,数值动态范围大、相对精度稳定、不易溢出,但编程复杂,运算速度低。如果某参数是一系列有序数据的集合,如采样信号序列,则不只有数据类型问题,还有一个数据存放格式问题,即数据结构问题。具体来说,就是按顺序结构、链形结构还是树形结构来存放数据。(3)资源分配完成数据类型和数据结构的规划后,便开始分配系统的资源。系统资源包括ROM、RAM、定时器/计数器、中断源、I/O地址等。ROM资源用来存放程序和表格,而I/O地址、定时器/计数器、中断源在任务分析时已经分配好了。资源分配的主要工作是RAM资源的分配。RAM资源规划好后,应列出一张RAM资源的详细分配清单,作为编程依据。(4)控制软件的设计①数据采集及数据处理程序主要包括模拟量和数字量多路信号的采样、输入变换、存储等。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补偿、标度变换程序、越限报警程序等。②控制算法程序控制算法程序是计算机控制系统的核心程序,其内容由控制系统的类型和控制规律所决定。一般有:数字PID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算法来实现控制。③控制量输出程序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)、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输出两种。④人机界面程序这是面板操作管理程序,包括键盘、开关、薄码盘等信息输入程序,显示器、指示灯、监视器和打印机等输出程序,事故报警以及故障检测程序等。⑤程序实时时钟和中断处理程序计算机控制系统中有很多任务是按时间来安排的,因此实时时钟是计算机控制系统的运行基础。时钟有绝对时钟和相对时钟两种。绝对时钟与当地的时间同步,相对时钟与当地时间无关。许多实时任务,如采样周期、定时显示打印、定时数据处理等,都必须利用实时时钟来实现,并由定时中断服务程序去执行相对的动作或处理动作状态标志。另外,事故报警、掉电保护等一些重要事件的处理也常常使用中断技术,以使计算机能对事件做出及时处理。⑥数据管理程序这部分程序用于生产管理,主要包括画面显示、变化趋势分析、报警记录、统计报表打印输出等。⑦数据通信程序16:..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。(5)程序设计的方法应用程序的设计方法可采用模块化程序设计和自顶向下程序设计等方法。模块化程序设计是把一个较长的程序按功能分成若干个小的程序模块,然后分别进行独立设计、编程、测试和查错,最后把各调试好的程序模块连成一个完整的程序。模块化程序设计的特点是单个小程序模块的编写和调试比较容易;一个模块可以被多个程序调用;检查错误容易,且修改时只需改正该模块即可,无须牵涉其他模块。但这种设计方法在对各个模块进行连接时有一定困难。自顶向下程序设计时,先设计主程序,从属的程序或子程序用程序符号来代替。主程序编好后,再编写从属的程序,最后完成整个系统的程序设计。这种方法的特点是,设计、测试和连接同时按一个线索进行,比较符合人们的日常思维方式,设计中的矛盾和问题可以较早发现和解决。但这种设计的最大问题就是上一级的程序错误将会对整个程序产生影响,并且局部的修改将牵连全局。(控制柜)的设计、采购与成套之后,一般到现场安装之前要先在实验室中进行仿真调试,即依次进行硬件调试、软件调试与硬软件统调,最后考机运行,为现场安装投运做好准备。,应按照说明书检查主要功能,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、电流表等标准仪器。对这两种模板首先检查信号的零点和满量程,然后再分档检查,并且上行和下行来回调试,以便检查线性度是否合乎要求。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。测试时可在输入端加开关量信号,检查输入状态的正确性,在输出端用万用表或灯泡检查输出状态的正确性。硬件测试还包括现场仪表和执行器,这些仪表必须在安装之前按说明书要求校验完毕。如果是DCS等通讯网络系统,还要调试通讯功能,验证数据传输的正确性。→功能模块→主程序。控制模块的调试应分开环和闭环两种情况进行。开环调试检查PID控制模块的开环阶跃响应特性,开环阶跃响应实验分析记录在不同的P、I、D参数下,针对不同阶跃输入幅度、不同控制周期、正反两种作用方向时的纯比例控制、比例积分控制及比例积分微分控制三种主要响应曲线,从而确定较佳的P、I、D、参数。在完成PID控制模块开环特性调试的基础上,还需进一步进行闭环特性调试,即检查PID控制模块的反馈控制功能。被控对象可以使用实验室物理模拟装置,也可以使用电子式模拟实验室设备。实验方法与模拟仪表调节器组成的控制系统类似,即分别做给定值和外部干扰的阶跃响应实验,改变P、I、D参数以及阶跃输入的幅度,分析被控量的阶跃响应曲线和PID控制器输出控制量的记录曲线,判断闭环工作是否正确。在纯PID控制闭环实验通过的基础上,再逐项加入一些计算机控制的特殊功能,如积分分离、微分先行、非线性PID等,并逐项检查是否正确。一般与过程输入/输出通道无关的程序,如运算模块都可用开发装置或仿真器的调试程序进行调试,有时为了调试某些程序,可能还要编写临时性辅助程序。一旦所有的子程序和功能模块调试完毕,就可以用主程序将它们连接在一起,进行整体调试。整体调试的方法是自底向上逐步扩大,首先按分支将模块组合起来,以形成模块子集,调试完各模块子集,再将部分模块子集连接起来进行局部调试,最后进行全局调试。这样经过子集、局部和全局三步调试,完成了整体调试工作。通过整体调试能够把设计中存在的问题和隐藏的缺陷暴露出来,从而基本上消除了编程错误,为以后的系统仿真调试和在线调试及运行打下良好的基础。17:..,必须在进行全系统的硬件、软件统调,即所谓的系统仿真,也称为模拟调试。所谓系统仿真,就是应用相似原理和类比关系来研究事物,也就是用模型来代替实际被控对象进行实验和研究。系统仿真有以下三种类型:全物理仿真、半物理仿真和数字仿真。全物理仿真即在模拟环境条件下的全实物仿真,对于纯数据采集系统,可以做到全物理仿真;而对于控制系统,是难以做到全物理仿真的,这是因为不可能将实际生产过程搬到自己的实验室中。半物理仿真即硬件闭路动态实验,其被控对象可用实验模型来代替。数字仿真即计算机仿真,是指在计算机中建立系统或被控对象的数学模型,然后进行模型实现和模型实验。一般的自动化工程,系统仿真尽量采用全物理仿真或半物理仿真,而且试验条件或工作状态越接近真实,其效果越好。,即进行一定时段的通电运行考验,有时还要根据实际的运行环境,进行特殊运行条件的考验,如高温和低温剧变运行实验、震动和抗电磁干扰实验、电源电压剧变和掉电实验等。,与生产过程连接在一起,最终进行现场调试和运行。安装过程可参照有关专业的施工安装规范标准进行。即使实验室中的仿真和调试工作做到了天衣无缝,但现场调试和运行仍可能出现问题。现场调试与投运阶段是一个从小到大、从易到难、从手动到自动、从简单回路到复杂回路的逐步过渡的过程。此前应制订一系列调试计划、实施方案、安全措施和分工合作细则等。为了做到有把握,在线调试前还要进行下列检查:、变送器、显示仪器、调节阀等必须通过现场的单机与系统校验,以保证一次仪表的正常工作状态和精度要求。,保证连接正确。例如,传感器的极性不能接反,各个传感器对号位置不能接错,各个气动导管必须畅通,特别是不能把强电接在弱电端子上。,如果不符合要求,应采取措施。。经过检查并已安装正确后,即可进行系统的投运和参数的整定。通过现场调试,进一步修改和完善系统的硬件和软件,使控制系统的各项性能指标达到设计要求,直到控制系统正式投产运行。在现场调试的过程中,可能出现错综复杂、时隐时现的各种奇怪现象,一时难以找到问题的根源。此时,控制系统的设计者们应认真地共同分析,不要轻易地怀疑别人所做的工作,以便尽快找到问题的根源并解决。。,形成施工记录,最终形成一份正确无误的整个项目的设计资料,以作为该系统今后维护、维修的重要依据。乙方还要编写一份该系统的操作使用说明书,必要时还要对甲方操作者进行操作培训,以保证系统能正常、有序地运行。,应由甲方主持、乙方参加。系统试运行一段时间后,双方应按照合同书(设计任务书)的技术指标要求逐项验收,如有问题还要进行微调直至完全符合要求,最终双方在设计完成确认书上签字,表明工程项目的最终完成。此时,甲方应按照合同约定,把除质量保证金以外的其余工程费用全部支付乙方。18