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第1章工程设计与实践基础知识1.1基础知识1.2设计原则1.3实施步骤1.1基础知识1.1.1电子器件图例符号常用电子器件有分离元件和集成元件两大类。分离元件包括电阻器、电容器、电感器、二极管、三极管、晶闸管和场效应管。集成元件包括集成运算放大器和典型集成器件。（1）分离元件图形及基本文字符号1．分离元件（2）电阻器色码图形表示和额定功率通用符号图1-1电阻器阻值色码表示图例图1-2电阻器额定功率的通用符号（3）二极管、三极管和晶闸管外形图例图1-3常用二极管外形图例图1-4片状封装二极管外形图例图1-5三极管外形图例图1-6片状三极管图1-7复合双三极管图1-8晶闸管外形图例2．集成元件（1）集成运放的符号和外形图1-9集成运放的符号图1-10集成运放外形图例（2）集成运放的基本应用图1-11集成运放反馈回路和输入形式1.1.2控制流程图例符号1．工艺设备代号与图例2．控制系统常用图例符号图1-12检测点的标识（1）图形符号图1-13仪表图形符号图1-14控制室内非监视仪表图形符号（2）字母代号图1-15仪表位号组成示例（3）仪表位号3．控制流程图示例图1-17计算机控制流程图示例1.1.3电气设备图例符号1.电气设备图形符号表1-11电机与变压器图形符号表1-12仪表、信号器件图形符号表1-13配电箱、屏、控制台图形符号表1-14电气线路图形符号2.电气设备文字符号（1）文字符号电气图中除使用设备图形符号外，在电气设备、装备和元件旁边还需要标注一些文字符号以表示电气设备、装备和元件的名称、功能、状态和特征。文字符号可以作为限定符号与一般图形符号组合，以派生出新的图形符号。表1-15电气设备基本文字符号表1-16电气设备辅助文字符号（2）辅助文字符号表1-17电源线路和三相电气设备标记符号（3）电源线路标记符号电气电源一般用三相五线制表示，即三根相（火）线、一根中（零）线和一根地线，在电气控制图中也有规范的标记符号表示1.2设计原则对于不同的控制对象，系统的设计方案和具体的技术指标是不同的，但系统设计的基本原则是一致的，这就是：系统的可靠性要高，操作性能要好，实时性要强，通用性要好，经济效益要高。1．可靠性要高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。在自动化控制系统中，可靠性指标一般用系统的平均无故障时间（MTBF，MeanTimeBetweenFailures）来表示。MTBF反映了系统可靠工作的能力。但是，组成一个系统的元器件往往有成千上万个，组合的方式也各种各样，一个系统的MTBF再长，也有失效的时候。因此，通常用平均修复时间（MTTR，MeanTimeToRepair）表示每次失效（即出现故障）后所需的维修时间的平均值，它表示系统在出现故障后立即恢复工作的能力。一般希望MTBF要大于某个规定值，而MTTR值越短越好。2．操作性要好操作性能好包括两方面含义，即使用方便和维护容易。首先是使用方便，系统设计时要尽量考虑方便用户使用，并且要尽量降低对使用人员的专业知识的要求，使他们能在较短时间内熟悉和掌握操作方法。其次是维修容易，即故障一旦发生时易于排除。从软件角度而言，要配置查错程序和诊断程序，以便在故障发生时能用程序帮助查找故障发生的部位，从而缩短排除故障的时间；在硬件方面，从零部件的排列位置，标准化的部件设计，以及能否便于带电插拔等都要通盘考虑，甚至操作顺序等都要从方便用户的角度进行设计，如面板上的控制开关不能太多、太复杂等。3．实时性要强工业控制计算机的实时性，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，对此类事件，系统应设置时钟，保证定时处理；另一类是随机事件，如事故报警等，对此类事件，系统应设置中断，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。4．通用性要好自动化控制的设备对象千变万化，而控制计算机的研制开发又需要有一定的投资和周期，一般来说，不可能为一台设备和一个过程对象研制一台专用计算机。因此，系统设计时应考虑能适应不同的设备和不同的控制对象。当设备或控制对象有所变更时，通用性好的系统一般稍作更改就可适应，这就需要系统能灵活扩充且便于修改功能。要使系统能达到这样的要求，首先必须采用通用的系统总线结构，当需要扩充时，只要增加相应的板卡就能实现。当CPU升级时，也只要更换相应的升级芯片及少量相关电路即可实现系统升级的目的。其次，系统设计时，各设计指标要留有一定的余量，如输入/输出通道指标、内存容量、电源功率等均事先留有一定的余量，将为日后系统的扩充创造有利的条件。5．经济效益要高自动化控制应该带来高的经济效益。经济效益表现在两方面：一是系统设计的性能价格比，在满足设计要求的情况下，应尽量采用可靠、廉价的元器件并尽量缩短设计周期；二是投入产出比，应该从提高生产过程的产品质量与产量，降低能耗，消除环境污染，改善劳动条件等方面进行综合评估。1.3实施步骤自动化系统工程的设计与实施一般可分为4个阶段：项目确定与合同签订阶段、初步设计与详细设计阶段、仿真调试与安装运行阶段和资料归档与项目验收阶段。1.3.1项目确定与合同签订阶段1.3.2初步设计与详细设计阶段1．总体设计（1）确定系统任务与控制方案首先应对控制对象的工艺流程进行透彻分析，明确具体控制要求，确定系统所要完成的任务，然后根据系统要求，以及所选设备的性能价格比、操作的方便程度、可扩展性等，确定一种比较合理的设计方案，例如，采用开环还是闭环控制、简单控制还是复杂控制等。（2）确定系统的构成方式进行控制装置机型的选择。（3）选择现场设备现场设备主要是传感器、变送器和执行器的选择。随着控制技术的发展，出现了能测量各种参数的传感器，如温度、压力、流量、液位、成分、位移、重量、速度等，种类繁多，规格各异；而执行器也有模拟量执行器、数字量执行器及电动、气动、液动等之分。因此，如何正确选择这些现场设备，确实不是一件简单的事情，其中的任何一个环节都会影响系统的控制任务和控制精度。（4）确定控制算法控制算法的选择与系统的数学模型有关，在系统的数学模型确定后，便可推导出相应的控制算法。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/输出及其内部状态之间的关系。一般由实验方法测出系统的阶跃响应特性曲线，然后由曲线确定出其数学模型。当系统模型确定之后，即可确定控制算法。控制系统的主要任务就是按此控制算法进行控制。控制算法的正确与否，直接影响控制系统的调节品质。（5）硬、软件功能的划分一般的考虑原则是，视控制系统的应用环境与今后的生产数量而定。对于今后能批量生产的控制系统，为了降低成本，提高产品竞争力，在满足指标功能的前提下，应尽量减少硬件器件，多用软件来完成相应的功能。如果软件实现很困难，而用硬件实现却比较简单，且系统的批量又不大的话，则用硬件实现功能比较妥当。（6）其他方面的考虑还应考虑人机界面、系统的机柜或机箱的结构设计、抗干扰等方面的问题。最后初步估算一下成本，做出工程概算。2．硬件设计（1）核心控制装置无论选用现成的IPC，还是采用PLC装置，设计者都要根据系统要求选择合适的模板或模块。选择的内容一般包括：•根据控制任务的复杂程度、控制精度以及实时性要求等选择主机板（包括总线类型、主机机型等）。•根据AI、AO点数、分辨率和精度，以及采集速度等选择A/D、D/A板（包括通道数量、信号类别、量程范围等）。•根据DI、DO点数和其他要求，选择数字量输入/输出板（包括通道数量、信号类别、交直流和功率大小等）。•根据人机联系方式选择相应的接口板或显示操作面板（包括参数设定、状态显示、手动自动切换和异常报警等）。•根据需要选择各种外设接口、通信板块等。（2）现场仪表及设备根据工艺要求选择电气动力设备，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。•根据工艺流程选择测量装置，包括被测参数种类、量程大小、信号类别、型号规格等。•根据工艺流程选择执行装置，包括能源类型、信号类别、型号规格等。•根据工艺流程图设计带有测控点的工艺控制流程图、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。3．软件设计（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。（2）数据类型和数据结构规划按数据类型来分类，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。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。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。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）程序设计的方法可采用模块化程序设计和自顶向下程序设计等方法。1.3.3仿真调试与安装运行阶段1．硬件调试对于各种标准功能模板，应按照说明书检查主要功能。2．软件调试的顺序是子程序→功能模块→主程序。3．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。4．考机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。5．安装运行阶段安装过程可参照有关专业的施工安装规范标准进行。1.3.4资料归档与项目验收阶段1．资料归档在调试运行过程中所修改的图纸设计都要一一记录在案，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。2．项目验收项目验收是系统设计与实施最终完成的标志，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