搜索
第9章计算机控制系统的设计9.1计算机控制系统的设计概述9.2计算机控制系统的硬件设计9.3计算机控制系统的软件设计9.4计算机控制系统的调试与运行9.5计算机控制系统的抗干扰设计9.6计算机控制系统的可靠性设计9.4计算机控制系统的调试与运行系统的调试与运行可分为离线仿真与调试和在线调试与运行两个阶段。离线仿真与调试一般是在实验室或非工业现场进行，而在线调试与运行是在生产过程工业现场进行。离线仿真与调试是基础，是检查系统硬件和软件的整体性能，为在线调试与现场运行做准备。现场运行是对全系统的实际考验与检查。图9-3示出了系统调试与运行阶段的工作流程。图中硬件调试、软件调试、硬件与软件统调（即系统仿真）和考机属于离线仿真与调试阶段，而现场安装调试、验收和现场运行属于在线调试与运行阶段。在系统调试和运行阶段，应做好调试方案、测试数据、图表等记录，并建立完备的调试文档资料。9.5计算机控制系统的抗干扰设计计算机控制系统是对生产过程进行监测和控制，它往往工作在工业现场。由于工业现场的环境复杂，并且恶劣，计算机控制系统不可避免地受到各种各样的干扰。这些干扰可能会影响到系统的控制精度，使系统的性能指标下降，降低系统的可靠性，甚至导致系统的运行混乱和故障，进而造成生产事故。对计算机控制系统来说，干扰是客观存在的。干扰可能来自外部，也可能来自内部；它可通过不同的途径作用于控制系统，且其作用程度及引起的后果与干扰的性质及干扰强度等有关。为了保证系统能长期、稳定、可靠地工作，系统设计时必须考虑抑制干扰问题，并采取行之有效的抗干扰措施，以保证工业控制系统的正常运行。9.5.1干扰信号的来源1．内部干扰内部干扰是指控制系统内部电子电路的各种干扰。主要来自：分布电容、分布电感引起的耦合感应，电磁场辐射感应，长线传输的波反射，多点接地造成的电位差引起的干扰，寄生振荡引起的干扰以及电子元件内部的热噪声等。2．外部干扰源外部干扰是指与系统结构和参数无关的，由外界窜入到控制系统内的各种干扰，一般来自：电网电压的波动，大型用电设备（天车、电炉、大电机、电焊机）的启停，高压设备和电磁开关的电磁辐射，通信设备发出的电磁波以及传输电缆的共模干扰等。除此之外，太阳和其他天体辐射的电磁波、雷电，甚至气温、湿度等气象条件也会造成干扰。9.5.2干扰信号的种类1．按干扰耦合的形式分类1）静电干扰。静电耦合是干扰电场通过电容耦合方式窜入其他回路中。在控制系统中，互容现象是很普遍的。两根导线之间构成电容；印刷电路板的印刷导线之间存在电容；变压器的线匝之间和绕组之间也都会构成电容。电容为信号的传输提供了一条通路，造成电场干扰信号。2）电磁干扰。在任何通电导体周围空间都会产生磁场，而且电流的变化必然引起磁场的变化，变化的磁场就要在其周围闭合回路中产生感应电动势。在设备内部，线圈或变压器的漏磁会引起干扰；在设备外部，当两根导线在很长的一段区间架设时，也会产生干扰。3）漏电耦合干扰。漏电耦合又称为电阻性耦合。当相邻的元件或导线间绝缘电阻降低时，有些信号便通过这个降低了的绝缘电阻耦合到信号传送的输入端而形成干扰。4）共阻抗感应干扰。在控制系统的回路之间不可避免地存在公共耦合阻抗。例如电源引线、汇流排等都具有一定的阻抗，对于多回路来说就是一个公共阻抗，尽管数值很小，但当流过较大电流时，其作用就像一根天线，将干扰信号引入各回路。2．按干扰的作用方式分类1）串模干扰信号串模干扰信号是指串联于有用信号源回路之中的干扰，也称横向干扰或常态干扰。其表现形式如图9-4所示。当串模干扰的幅值与有用信号相接近时，系统就无法正常工作，即这时提供给微机系统的数据会严重失真，甚至是错误的。2）共模干扰信号共模干扰信号是指由于对地电位的变化所形成的干扰信号，也称为对地干扰、横向干扰或不平衡干扰。共模干扰示意图见图9-5。3）长线传输干扰在计算机控制系统中，现场信号到控制计算机以及控制计算机到现场执行机构，都经过一段较长的线路进行信号传输，即长线传输。对于高速信号传输的线路，即在高频信号电路中，多长的传输线可作为长线，取决于电路信号频率的大小，在有些情况下，可能1米左右的线就应作为长线看待。长线传输干扰主要有：外界干扰；信号延时干扰；信号反射干扰。3．按干扰信号的性质分类1）随机干扰信号。随机干扰信号是无规律的随机性干扰信号，如突发性脉冲干扰信号，连续性脉冲干扰信号。2）周期干扰信号。属于周期干扰信号的有交流声、啸叫、汽船声等自激振荡。4．按干扰源的类型分类1）外部干扰信号。外部干扰信号是指来源于系统外部、与系统结构无关的的干扰源。在工业生产现场的外部干扰源种类繁多，干扰性强，随机性大，主要有电源、用电设备、自然界的雷电、带电的物体等。2）内部干扰信号。内部干扰信号是由于系统的结构布局、线路设计、元器件性能变化和漂移等原因所形成的存在于系统内部的干扰信号。9.5.3抗干扰技术所谓抗干扰是指把窜入微机控制系统的干扰衰减到一定的强度以内，保证系统能够正常工作或者达到要求的测量控制精度。提高设备的抗干扰能力，必须从设计阶段开始，要考虑到电磁兼容性（EMC）的设计。电磁兼容性设计要求所设计的电子设备在运行时，既不受周围电磁干扰而能正常工作，又不对周围设备产生干扰。常用抗干扰技术主要有：滤波、接地、屏蔽、隔离、设置干扰吸收网络及合理布线等。1．接地技术将电路、单元与充作信号电位公共参考点的一个等位点或等位面实现低阻抗连接，称为接地。一个系统涉及到许多接地点，它对系统的工作性能有极大的影响。良好的接地处理有利于抑制干扰信号和稳定系统的工作状态，接地处理不当则导致系统不能正常工作，甚至根本不能工作。接地的目的通常有两个：一是为了安全，即安全接地；二是为了给系统提供一个基准电位，并给高频干扰提供低阻通路，即工作接地。1）接地方式（1）安全接地：设备金属外壳的接地。（2）工作接地：信号回路接于基准导体或基准电位点。（3）屏蔽接地：电缆、变压器的屏蔽层的接地。2）浮地系统和接地系统3）交流地与直流地分开4）模拟地与数字地分开5）印刷电路板的地线安排6）屏蔽地2．屏蔽技术1）电场屏蔽2）电磁屏蔽3）磁屏蔽3．隔离技术1）光电隔离2）变压器隔离3）继电器隔离9.5.4干扰信号的抑制干扰是客观存在的，为了减少干扰对计算机控制系统的影响，必须采取各种抗干扰措施，以保证系统能正常工作。抗干扰是一个综合性问题，涉及面较广，既要尽可能地消除干扰源，远离干扰源，也要防止干扰信号的窜入，甚至干扰产生影响后的保护措施等。1．串模干扰的抑制1）在信号电路中加装滤波器2）选择合适的A/D转换器3）采用调制解调技术4）尽可能早地进行前置放大或者尽可能早地完成模／数变换；或采用隔离和屏蔽等措施5）使用电流信号传输6）使用数字信号输出7）对测量仪表进行良好的电磁屏蔽；信号线应选用带有屏蔽层的双绞线或同轴电缆线，并应有良好的接地措施，8）用光电耦合器隔离干扰；配备高质量的稳压电源等2．共模干扰的抑制1）可以选择隔离技术，使共模干扰不能构成回路2）采用浮空输入法3）模拟量输入板卡或模块的前置放大器采用差分输入4）使用较好的稳压电源3．长线传输中的抗干扰问题长线传输一般选用同轴电缆或双绞线，不宜选用一般平行导线。在电场干扰较强时可采用屏蔽双绞线在用双绞线作传输线时，应注意；1）尽可能采用平衡式传输线路；2）若将双绞线的一根接地，就变成非平衡的传输线路3）当多根双绞线一起敷设时，最好使用节距不同的双绞线4．电源干扰的抑制1）过程通道板卡上的每块集成电路芯片的电源与地线引入端之间接一个容量为0.01∽0.1μF的去耦电容器2）大功率器件和逻辑器件可以使用不同的电源3）采用能抑制交流电源干扰的计算机系统电源4）微机用不间断电源UPS5）当现场的强电设备较多时，工控机系统控制柜电源应该使用控制变压器5．软件抗干扰措施在计算机控制系统中，虽然采用了硬件抗干扰措施，但由于干扰的频谱较广，干扰的来源多和影响复杂，仍可能会有一些干扰进入系统，并作用于输入信号和系统。为此，在硬件抗干扰的基础上，应再采用软件抗干扰措施，使两者相互配合，进一步提高控制系统的可靠性。1）数字滤波当各种干扰信号的存在使被测信号中混入了无用成分时，可以采用滤波器滤掉信号中的无用成分，以提高信号质量。滤波器分为模拟滤波器和数字滤波器两种类型。模拟滤波器在低频或甚低频时实现是比较困难的，而数字滤波器则不存在这些问题。它具有高精度、高可靠性和高稳定性的特点，因此在工控机控制系统中被广泛用于克服随机误差。常用的数字滤波包括一阶惯性滤波、限幅滤波、中位值滤波、算术平均值滤波、滑动平均值滤波、加权滑动平均滤波、复合滤波和卡尔曼滤波等。2）数字信号的软件抗干扰措施（1）输入开关量信号的抗干扰对于开关量信号来说，干扰信号多呈毛刺状，作用时间短。利用这一特点，在采集某一开关量信号时，可多次重复采集，直到连续两次或两次以上采集结果完全一致方为有效。若多次采集后，信号总是变化不定，可停止采集，给出报警信号。对开关量信号的采集不能采用多次平均方法，而是比较两次或两次采集结果是否相同。在满足实时性要求的前提下，应根据信号的特点，适当地设置各次采集开关量信号之间的延时，以适应不同宽度的干扰信号。对于每次采集的最高次数限额和连续相同次数均可按实际情况适当调整。（2）输出开关量信号的抗干扰（1）重复输出同一数据。（2）对于不能进行重复输出信号的输出装置，（3）计算机进行开关量信号输出时，应将有关可编程输出芯片的状态也一并重复设置。（4）采用抗干扰编码。9.6计算机控制系统的可靠性设计计算机控制系统对可靠性提出了很高的要求，系统一旦发生故障，既有可能造成经济损失，还有可能造成安全事故。因此，设计控制系统时必须考虑可靠性。可靠性技术涉及到生产过程的多个方面，不仅与设计、制造、安装、维护有关，而且还与生产管理、质量监控体系、使用人员的专业技术水平与素质有关。9.6.1影响可靠性的因素1．内部因素1）元器件本身的性能与可靠性2）系统结构设计3）安装与调试2．外部因素1）外部电气条件2）外部空间条件3）外部机械条件9.6.2可靠性设计技术1．硬件的可靠性设计技术1）元器件级（1）严格管理元器件的购置、储运（2）老化、筛选和测试（3）降额使用（4）选用集成度高的元器件2）部件及系统级（1）采用高质量的主机（2）采用模块化、标准化、积木化结构（3）采用冗余技术（4）采用双机系统（5）电磁兼容性设计（6）故障自动检测与诊断技术（7）其他措施2．软件的可靠性设计技术为了提高软件的可靠性，应尽量将软件规范化、标准化和模块化，尽可能把复杂的问题化成若干较为简单明确的小任务。把一个大程序分成若干独立的小模块，这有助于及时发现设计中的不合理部分，而且检查和测试几个小模块要比检查和测试大程序方便得多。软件可靠性技术主要包括以下两个方面的内容：利用软件提高系统的可靠性；提高软件自身的可靠性。利用软件提高系统可靠性的具体措施包括：1）采用系统信息管理的软件。它与硬件配合，对信息进行保护，这包括防止信息被破坏，在出现故障时保护信息；在故障排除后，恢复信息等。2）利用软件冗余，防止信息的输入输出过程及传送过程中出错。如对关键数据采用重复校验方式，对信息采用重复传送并进行校验等。3）编制诊断程序，及时发现故障，找出故障的部位并排除，以便缩短修理时间。4）用软件进行系统调度。提高软件自身的可靠性包括两个方面：一是采取措施，减少软件设计中的错误，这包括采用模块化设计、进行软件评审和对软件进行测试等；二是采用能提高可测试性的设计，在作系统设计时就充分考虑到测试的要求，使得软件的可维护性较高、故障的诊断及时迅速。习题与思考题1．设计一套计算机控制系统需要具备哪几方面的知识？2．设计一套工业控制计算机系统一般可以采取哪几种途径？3．何谓计算机控制系统的规范化设计？其具体内容是什么？4．设计一套计算机控制系统，如何选用合适的传感器？如何正确使用传感器？5．干扰是如何窜入计算机控制系统并其对造成影响？抗干扰的原则是什么？6．控制一个炉子的温度可以采用通断控制也可以采用连续控制，请