计算机测控系统的设计与实现

计算机测控系统的设计与实现1计算机测控系统的发展历程及其定义在现代工业控制领域，计算机以其无以伦比的运算能力，数据处理分析能力，在测控系统中起到了很大了作用，测控系统的发展经历了五个阶段：1.1测控系统的发展在20世纪50年代，测控系统处于自动测量、人工控制阶段，整个系统结构简单，操作灵活，但由人工操作，速度受到了限制，不能同时控制多个对象。在20世纪60年代，采用电动单元组合式仪表测控系统，测控系统处于模拟式控制阶段，系统的控制精度和速度都有了提高，但抗干扰的能力比较差，且对操作人员的经验要求比较高。直到20世纪70年代到20世纪80年代，出现的计算机集中测控系统以及分布式测控系统，才使得人类在控制领域实现了一次巨大的飞跃。1.2计算机测控系统的发展首先，在60年代末期，出现了用一台计算机代替多个调节控制回路的测控系统，就是直接数字测控系统，它的特点是控制集中，便于运算的集中处理，然而这种系统的危险性过于集中，可靠性不强。随着70年代，电子技术的飞速发展，由美国Honeywell公司推出了以微处理器为基础的总体分散型测控系统，它的含义是集中管理，分散控制，所以又称为集散测控系统。分布式测控系统是在集散测控系统的基础上，随着生产发展的需要而产生的新一代测控系统，分布式测控系统更强调各子系统之间的协作，有明确的分解策略和算法。因此，计算机测控系统就是应用计算机参与控制并借助一些辅助部件与被控对象联系，以达到一定控制目的所构成的系统2计算机测控系统的组成测量设备计算机主控器执行机构人机界面通讯模块图1测控系统的组成计算机测控系统的组成如图1所示，包括计算机主控器、测量设备、执行机构、人机界面或通讯模块所组成。2.1测量设备测量设备的主要作用就是向计算机主控器输入数据。一般来说，是利用传感装置将被控对象中的物理参数，如：温度、压力、液位、速度。转换为电量，如电压，电流，再将这些电量送人到输入装置中，转换为计算机可以识别的数字量，2.2执行机构执行机构（例如：调节阀、电动机）接收主控器的控制信号，输出动作，完成控制目的。2.3人机界面计算机系统人机界面是系统和用户进行交互和信息交换的媒介，它实现信息内部形式与人类可接受形式之间的转换。人机界面一般而言分为基于窗体的界面和基于web的界面，基于窗体的界面它的基本特点是对动作的反应十分灵敏，能够及时响应，它是由内部的CPU处理数据。而基于web的界面是一个轻量型的界面，它是由远程服务器处理数据。2.4通讯模块通讯模块就是通过网络，远程通信。它是计算机主控器与通讯网络之间的连接器，它可以为计算机主控器传递不同的讯号。总而言之，一个测控系统，核心是主控器，必须有输入输出，一般而言还有人机界面或通讯模块，目的在于数据收集，参数控制。3主控器3.1主控器的结构主控单元(CPU+外围芯片)总线DIAIDOAO图2主控器的组成3.2主控单元主控单元一般而言，它由CPU（中央处理器）、外围芯片组成。CPU是控制和运算的的核心，CPU的运作原理可分为四个阶段：提取（Feich）、解码（Decode）执行（Execute）和写回（Writeback）。CPU从存储器或高速缓冲存储器中取出指令，放入指令寄存器，并对指令译码，执行指令。外围芯片就是许多专门功能的集成电路，配合CPU构成整个主控系统，如：复位（看门狗电路）、定时器、各类总线控制器等。3.3数据的分类从信号类型上分，分为开关量（D）和模拟量（A）。从方向上分，分为输入（I）和输出（O），因此DI就是开关量输入，AI就是模拟量输入，DO就是开关量输出，AO是模拟量输出，开关量只有0和1两种状态，而模拟量是连续的信号。3.4DI凡在电路中起到“通”和“断”作用的各种按钮、触点、开关、继电器，它的端子引出数字信号，向控制器输入信号。此外，需同为数字信号，也需将外部的数字信号，转换为计算机接受的数字信号。3.5DODO的主要任务是将计算机发出的微弱的数字信号，转换为能驱动执行机构的数字信号，根据现场执行机构的负荷不同如：指示灯、继电器、阀门等，选用不同的功率放大器件，常用的有三极管、晶闸管。典型的数字输出驱动过程如下图所示：数字信号放大器执行机构图3数字输出驱动过程3.6AI模拟输入通道，是把外部的模拟信号送入到计算机，由于计算机只能处理数字信号，所以必须用A/D转换器进行信号的转换。变送器的作用就是：.现场的各种信号标准信号控制系统图4变送器作用示意图3.7AO模拟输出模块通过D/A转换把控制系统的数字信号转换为模拟信号，并通过运算放大器把信号放大，AO就可以直接输出具体的电压（1-5V或2-10V）或电流信号（4-20mA）作用于执行机构(变频器或调节阀)。4系统设计下面以控制温度为例，设计一个计算机温度测控系统。4.1温度控制原理框图整个系统通过测量设备把现场环境的温度与给定的期望温度做比较，得到的偏差信号送人控制器，使控制器产生控制作用，发出控制信号，控制执行机构，使执行机构工作，再把输出温度反馈回控制系统，使系统的输出温度始终和给定的温度保持一致。温度控制的原理框图如图5所示：图5系统的控制原理结构框图4.2系统的设计思路整个系统的设计思路是，以电热器和固态继电器作为加热的执行机构，温度变送器为测量设备。，控制器可选用数字温控器，温控器直接控制的是固态继电器，利用固态继电器的导通和关断来使电热器加热或不加热，进而控制温度。在温控器上设置通讯网络接口实现与计算机远程通信，设置LED数显和功能按钮实现人机交互。在计算机上对整个系统进行监控。系统硬件结构如图：图6系统硬件结构图4.3系统测点配置4.3.1开关量输入信号（DI）电热器工作状态，温度变送器状态（上电、运行、故障），SSR导通、关断状态，温控器状态（上电、报警、运行、故障）4.3.2开关量输出信号（DO）电热器开，电热器关，导通SSR，关断SSR。4.3.3模拟量输入信号（AI）温度测点：温度变送器检测温度电流测点：温度变送器输出电流4.3.4模拟量输出信号（AO）电热器输出温度测量设备控制器-给定温度偏差控制信号输出温度执行机构计算机温控器温度变送器SSR电热器通讯协议5系统功能5.1记录参数系统可检测温控器的开或关状态、是否处于报警状态，SSR导通、关断，电热器的“启”“停”，“启动”“停止”温控器信号状态，温控器中控制单路SSR的输出电压，变送器传送的电流大小，现场温度等主要参数。5.2实时控制操作人员可以在远离现场的情况下，对所有设备进行启停，以及运行参数的优化。在整个系统中，当温控器测得现场的温度小于设定值时，温控器就可以立即导通SSR使电热器工作，反之，则关断SSR使电热器不工作，以此来达到温度控制的目的，计算机在宏观上对整个系统进行管理与控制。达到了管控一体化的目标。5.3安全管理系统设置了报警功能，为安全运行加了一道护栏。5.4运行管理对交接班、巡检进行记录管理，保证整个系统正常运行。5.5设备管理保证安全优质的功能，为设备提供保障。根据检测的设备运行状况，主动预防故障发生。提高设备利用率充分发挥效能。集中监控，少人值守或无人值守。并进行维修成本核算5.6成本核算根据参数记录，在一个运行周期结束，核算单位成本。6主要设备选型介绍温控器选用AI708温度控制器：通用的100V~240VAC输入电源，24VDC直流输出电压，最小控制周期达0.24秒，能适应快速变化的对象的控制精度。采用先进的PID调节算法，无超调。使用14位分辨率，0.2%高精度电流输出模块。图7AI数字温度控制器固态继电器选用G3PE（单相）：额定电压DC12—24V，使用电压范围DC9.6—30V，输入电流7mA以下，动作电压DC9.6V以下，复位电压DC1V以上。重量约240克。图8G3PE（单相）固态继电器温度变送器选用重庆川仪SBWZ系列温度变送器：量程-30℃—120℃，具有高精度冷端补偿电路，全温度范围绝对误差±0.5℃。图9重庆川仪SBWZ温度变送器7系统优点目前设计的计算机温度测控系统采用的是三级结构，第一级是过程控制，第二级是监督控制，第三级是管理，突出特点是网络结构简单，可靠性高，通讯速度快，扩展灵活，接口开放，控制功能增强，管理功能丰富，适应了管理与控制一体化的要求。8系统扩展用计算机实时监控整个系统的运行状态，采用多个温控器控制多个控制回路，这样就能很容易地进行扩展，且可以达到实际工业控制的目标。系统扩展如图所示：图10系统扩展图9总结综上所述，计算机测控系统就是通过测量设备将外界的各种信号（如温度、压力、液位、流量等）转换为标准的电信号（4~20mA或1~5V）进入计算机主控器的输入通道到CPU中与设定值进行比较来得到偏差，使主控器发出控制作用，推动执行机构来修补偏差，从而使被控量始终与设定值保持一致达到控制效果。本文选用温度变送器作为测量设备、AI708温控器为现场主控器、固态继电器和电热器作执行机构、被控量是温度，另外用一台PC机作为监控机。PC机与温控器通过通讯模块实现数据传递，因此组态十分灵活。但是，很多实际的系统都是高阶、非线性、强耦合、多变量的系统，这样就使得控制的难度大大增加。被控量在扰动和负荷变化的情况下，控制系统不可避免地会出现超调、振荡时间和稳态误差，如何有效地克服这些不利因素也是控制系统品质好坏的标准。温控器1计算机SSR1温度变送器1电热器1通讯协议温控器2SSR2温度变送器2电热器2温控器3SSR3温度变送器3电热器3、、、、温控器NSSRN温度变送器N电热器N、、、、附录温控器端子接线温控器的端子接线图如下图所示：图11温控器的端子接线图1、2端外接100V~240V的交流电源，为整个温度测控器提供电力驱动。3、4端接外部的变送器给其供电（也可以安装通讯接口实现与计算机的远程通信），变送器反馈回来的4~20mA信号由14、16端接入（也能接受开关量输入），如图：图12变送器与温控器接线图变送器的信号也可以通过17、18端外接250欧的电阻得到电压信号反馈回温控器，其接线图如下图所示：图1317、18端外接电阻接法34161424V0V变送器4~20mA34171824V0V变送器4~20mA250Ω+-1~5V1234567891011121314151617181920电源供电/通讯报警通讯主输出辅助输入+-+0~5V1~5V单路SSR输出接变送器输入100V~240VAC给外部变送器供电++--+TXDRXDGND如图，当在17、18端之间接上250Ω的电阻时，4~20mA电流经过时会产生一个压降，而这个压降正好大约1~5V，从而实现了把信号从17、18端输入的目标。11、13端可以输出控制单路SSR的电压（也可以作为测量值的变送输出），在系统中由于有触点的继电器过于频繁的机械振动，对其的使用寿命有影响，使用SSR可以在一定程度上达到免设备维护的需要。11、13端的接线图如下图所示：图1411、13端接SSR接线图在通讯插座上安装的是RS232串行通讯接口，实现与计算机的通信，8端接TXD针脚（串口数据输出），9端接RXD针脚（串口数据输入），10端接GND（地线）。18、19端接测量温度的热电偶，热电偶是一种感温元件，是一种仪表，它直接测量温度，并把温度信号转换成热电动势信号再通过电气仪表转换成被测介质的温度。用热电偶进行温度测量时，由于冷端（温度较低的一端）的环境温度变化等因素需要对冷端进行补偿。可外置一只接线盒，将Cu50电阻和热电偶的冷端放在一起并远离各种热源。这样补偿造成的测量不一致性可小于0.3℃。其接线图如图所示：图15热电偶补偿接线图1113负载SSR快速熔断器3412LN181920+-补偿导线热电偶普通导线Cu50电阻热电偶冷端