计算机测控系统.pdf

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1、计算机测控系统 新编电气工程师手册全 3 册：1 概 述随着微电子技术、计算机技术和通讯技术的飞速发展，计算机在过程自动化、工厂自动化、计算机综合生产系统等自动化领域中得到越来越广泛的应用。例如用它来实现对生产过程的自动监控、产品质量的自动检验、能源自动检测与管理等。这类技术的采用，对于提高产品的产量与质量降低成本、确保生产安全、改善工作条件、减轻劳动强度、节省能源和材料、实现生产过程的优化控制及科学管理等都具有重要作用。计算机测控技术的发展在国际上大致可分为三个阶段。2 0 世纪50 年代至60年代为开创时期；6 0 年代末至7 0 年代初为系列化小型工业控制机发展时期；进 入 7 0 年代

2、中期以后，以微型机为基础的测控技术和以4C（计算机、通讯、控制、CRT）技术为特征的分散型控制系统得到了长足发展。目前正是这一阶段的鼎盛时期。正是这一时期，工业计算机测控技术才真正被广泛地应用于各种生产领域，这一阶段的工业计算机测控技术不仅注重监控，而且注重管理，把过程监控和生产管理有机结合在一起。监控与管理集成系统、智能自动系统已成为当前国际上工业计算机测控技术的发展方向。8 0 年代初，给排水行业中的工业计算机测控技术还基本上是一片空白。8 0 年代中期以后，一些基于微处理器的简单控制装置开始在给排水行业中运行。从 8 0 年代末开始，一大批国外贷款工程的实例，引进了多种计算机检测控制产品

3、和技术，使计算机测控技术在国内给排水行业得到普遍应用，并带动了相关技术的发展，培养了一大批计算机测控技术人才。今天，计算机测控技术已成为给排水行业不可缺少的、最具活力的部分之一。出现这种情况一方面是由于工艺过程对监控和管理的要求进一步提高；另一方面，由于计算机测控技术的发展，新一代高性能、高可靠性、低价格的计算机控制系统确实能够满足这种需求。总之，由于计算机测控技术的发展，在一定程度上促进了给排水工艺技术的革新。给排水技术的革新反过来又给计算机测控技术的发展提出了更高的要求。这种相互促进的良好态势将使计算机测控技术在给排水行业中的应用不断向前迈进。2 计算机测控系统分类计算机测控系统根据其类控

4、制方案、体系结构、复杂程度和技术发展来源不同，可分成以下儿种典型类型。（1）可编程控制器：可编程序控制器简称P L C,是一种数字式运算操作的电子系统，专门为工业环境下使用而设计。它采用可编程序的存储器，在其内部储存并执行逻辑、顺控、计时、四则运算等功能,并通过数字或模拟式输出输入组件，控制各种生产机械和生产过程。它是通过早期继电器逻辑控制系统与现代计算机技术相结合而发展起来的新一代计算机控制装置。它的低端即为继电逻辑控制器件的代用品，而其高端实际上是一种高性能的工业计算机控制系统。与普通计算机相比，它具有更强的工业过程接口，更直接地适用于控制要求的编程语言，并具有可以在恶劣环境下运行等特点。

5、PLC的基本组成可用图表示（见附图）】1）中央处理器（CPU）:中央处理器（CPU）是PLC控制系统的核心，它主要用来实现逻辑和算术运算，采用扫描的方式接受现场输入装置的状态或数据，并存入输入状态表或寄存器中，同时可诊断电源、内部电路的工作状态以及编程过程的语法错误。PLC运行时、中央处理器（CPU）从存储器中逐条读取用户程序，经过指令解释后按指令规定的任务产生相应的控制信号去指挥整个系统工作。目前大型PLC多采用双极型位片式处理器或16位微处理器，甚至32位超级微处理器作为其中中央处理器（CPU）;而中、小型PLC的中央处理器主要选用8位通用微处理器，微 型PLC的中央处理器（CPU）则都使

6、用单片机。2）存储器：存储器用来存放监控程序、功能子程序、调用管理程序和用户程序及数据等。目前使用的存储器主要有CMOS、RAM、EPROM、E2PROMoCMOSRAM是一种动态存储器。在 PLC中通常用来存储那些经常发生变化的程序和数据。为了防止因失电源掉电而造成的数据丢失，一般使用专用电池作为其后备电池。EPROM,E2PROM属于半导体静态储存器，读取容易，但要在线刷新则较麻烦。这种储存器的优点在于不需要电池后备，数据不容易丢失。PLC中通常用它来储存不需要更改的程序和数据。3）输入检出（I/O）接口：将工业过程信号与中央处理器（CPU）联系起来的装置称为输入/输出（I/O）接口。它通

7、常包括数字量（I/O）和模拟量（I/O）o 数字量输入接口将工业过程中的状态信号转换成符合计算机电平的内部信号供中央处理器（CPU）识别。数字量输出接口则将内部电平信号转换成外部过程状态信号O模拟量输入接口将工业过程中可连续变化的信号转换成中央处理器（CPU）可识别的数字信号。模拟量输出接口则将中央处理器（CPU）内部的数字量信号转换成工业过程中可连续变化的信号。传统的接口概念是指一种能实现电平转换的电路。由于智能输入/输出（I/O）接口的出现，使这一概念发生了变化。这些智能输入/输出（I/O）接口带有自身的处理器系统，它们本身就是一台计算机。它们使PLC使用更为灵活，功能更为强大。4）通讯接

8、口：目前一般的PLC均配有通讯接口，用来实现“人一机”或“机一机”对话。这类通讯接口是实现多级多机PLC网络控制系统的硬件基础。它使得PLC可以完成整个工厂的自动化控制任务。PLC所配通讯接口一般为标准型如：RS-232C、RS-422或 RS-485等。一台PLC可以配一个或多个通讯接口以完成不同的任务。5）编程器：PLC最大的优点是可以在不改变硬件的条件下，通过调整程序（软件）来改变控制动作。而编程器正是用来编辑程序并使之下载至PLC的装置。编程器除了用来编写、输入、调试用户程序外，还可以用来完成对现场工业过程的监视。它实际上也是一种“人机”接口。编程器可分为专用型和通用型两种。专用型一般

9、带LED或 LCD显示器，较为简单的键盘，体积小且轻便，适于编写小程序或对已经编好的程序进行调试。通用型编程器一般为普通个人计算机配以专用软件。由于有丰富的软件支持和完善的存储手段，可以用来编写大型程序。6)电源：PLC作为一种面向恶劣工业现场环境的控制装置其电源必须能够抑制工业现场的电干扰和磁干扰。PLC的电源一般来源于220V交流电源。使用带屏蔽的变压器使电源内部与电网隔离开来，防止外界电磁干扰对它的影响。电路形式一般有串联稳压电源开关稳压电源两种。使用效果都比较好。(2)单、多回路调节器是简单的计算机闭环控制系统。其功能是用来实现工业过程中某一或多个回路的自动控制。在过去的很长一段时间内

10、，模拟式控制仪表是生产过程自动控制的主要手段，它具有运行容易、操作方便、价格便宜的优点，因而受到用户的欢迎。随着计算机数字技术的发展，模拟式控制仪表逐渐显示出它的不足。主要表现在控制精度差，功能不全，难以实现程序、前馈控制、纯滞后控制等。特别是不能与计算机网络相连接。这些不足促使了以微处理器为核心的数字式控制仪表逐步取代模拟式控制仪表。单、多回路调节器亦属于这类控制仪表。它既可以单独使用，实现某一回路的自动控制，也可以用来构筑分散式控制系统的低端，实现整个生产过程的自动控制。近年来由于计算机控制技术的不断发展，出现了智能I/O和远程I/O等产品。这些产品从功能上完全可以取代单、多回路调节器，而

11、且从功能上完全可以取代单、多回路调节器，而且在网络功能上更加完善。但是从仪表的角度来看，单、多回路调节器仍有存在和发展的空间。(3)微机测控系统是专为工业过程自动控制而设计的。它除可靠性高、抗干扰能力强、能够在恶劣工业环境中长期无故障运行外，另一个显著特点是配有较为典型的有STD总线、VME总线、MULTI总线工业控制计算机测控系统。这类系统组态灵活，可靠性高，造价低，非常适合一些技术改造和更新的生产过程使用。影响这类控制系统的关键是编程软件难度较大，需要专门人员才能胜任，且程序通用性较差。通用性微机测控系统是指使用通用的个人计算机配以各种I/O 模块而组成的计算机控制系统。由于个人计算机上有

12、丰富的软件资源可用，所以在软件方面这类系统有明显的优越性。为通用型微机测控系统配套的各种PC总线I/O 模板是为满足工业现场而设计的，同样具有良好的抗干扰和耐冲击能力。再加上造价低，这种系统也有一定的市场。但是由于整个系统的核心一一个人计算机并非是为工业过程控制而设计的，虽然目前有些工业个人计算机可供选择，但在结构上仍属个人计算机范畴，而对环境的适应性和维护性方面仍与其他工业计算机控制系统有一定差距。故在较为重要、危险的场合很少使用这类系统。（4）集散型控制系统（D C S）：在生产过程中，很多情况下不仅要求生产过程自动化，而且要在长时间的保持生产过程处于最优的生产状态。为满足生产过程的这一需

13、求，70年代中以后，集散型控制系 统（又 称 DCS系统）开始发展起来。目前这一系统已广泛地用于给排水领域。并已成为所有类型的控制系统中应用范围最广，层次最高的控制系统。集散型控制系统就是将管理和指挥权集中，将功能和控制权分散。既把整个系统系统从地理上和功能上分散开来，降低某一部分故障对全局的影响，又通过网络通道将信息集中起来，实现整个系统的集中监视和管理。具体而言就是采用一台中央计算机（可以是较高档的微机甚至于小型机）指挥若干台面向过程的现场测控计算机（站）和智能控制单元。这些测控计算机和智能控制单元直接对各自区域的对象实施测量、控制、优化，并向中央计算机报告过程运行情况。中央计算机负责全局

14、综合控制、管理、调度、计划等，协调各现场测控计算机和智能控制单元之间的工作，以及测控执行情况的报表统计等任务。DCS系统可以是两级的，三级的甚至是多级的。在给排水系统中应用时、一般不超过三级。随着测控技术的发展，DCS系统不仅可以实现生产过程的测量和控制，而且可以实现在线优化、生产过程的实时调度、计划和统计等，是一种集测、控、管为一体的综合系统。这种综合系统不仅用于局部的优化控制，而且能对生产过程中各种耦合和相互作用以及所有复杂的反馈加以识别和控制，从而达到系统总体优化的目的。虽 然 DCS控制系统有较高的可靠性和强大的功能，但是目前所介绍的儿种计算机控制系统相比，其系统价格也高。在一般中、小

15、型给排水项目中、当经济条件不允许时，可采用其他计算机控制系统模式。但为提高控制技术水平，缩小与发达国家的技术差距，在一些有经济条件的大型给排水项目中，可以选用D C S 系统。典型DCS系统组成见图(5)小结：随着技术的不断发展，上述计算机控制系统的分类已不再是非常严格。很多界于类别之间的产品正在问世。如界于P L C和 DCS之间的P C S (过程控制系统)就是一例。甚至还出现了包容性的计算机控制系统，如全集成自动化(T I A)系统等。当我们进行所谓类别选择时，往往只是一种模糊的选择。为了设计的科学合理，应对当今世界上最重要的计算机控制系统制造商和他们的产品有一个非常深入的了解，只有这样

16、，才能根据工程经济与技术条件，做出最恰当的计算机控制系统类型的选择。3、算机测控系统设计步骤和方法3.1编写计算机测控系统功能说明书在进行某一项目的计算机测控系统设计时、必须首先了解测控对象及其对测控系统的要求。所以，在进行其他工作之前，应以该项目工艺人员工艺人员为主，电气、仪表、自控人员参加，共同编制该项目计算机测控系统功能要求说明书。该说明书应详细列举生产过程对计算机测控系统的功能要求，它是进行该项目计算机测控系统设计的重要依据。这个说明书的主要内容应包括：(1)工艺情况简介(含工艺流程)。(2)工艺设备布置。(3)需测控的工艺、电气、参数一览表。（4）中控室及现场操作点数量和位置。（5）

17、控 制 方 式（手动、自动等）（6）控 制 要 求（如逻辑控制的逻辑框图、PID控制回路构成参数和指标、优化控制的系统模型等）。（7）各类图表的数量、内容及形式说明。（8）所有可能出现的故障、故障类别和处理说明。（9）CRT图型画面数量、内容和要求说明。（10）电气设备传动性能和接口形式说明。（11）电气设备连锁关系图表等。功能要求说明书对项目的计算机测控系统设计是至关重要的文件之一，所以在编制时应求全面、准确、详细。3.2确定计算机测控系统组态及系统结构设计3.2.1 确定计算机测控系统站点分布原则计算机测控系统是一种面向过程的控制系统。所以在组态和结构设计时，应把出发点放在现场I/O点的分

18、布上，根据现场I/O点的分布情况决定计算机测控系统站点设置的数量和位置。即在工艺设备布置图上把地理位置上相对集中的I/O点划成一个区域。对一般的水厂、污水处理厂，这种区域一般在48个之间。这些区域都可以暂时考虑设置计算机测控系统的站点。计算机测控系统一般都具有下述三个特点：（1）站点所含I/O点在地理位置上相对集中，这样可以节省大量信号电缆、减小因电缆过长而带来的干扰问题。（2）尽量使在工艺上联系密切的I/O点集中在同一站点上，使计算机测控系统的各站点能相互独立的运行，当某通道或站点出现故障时，不影响其他站点的工作，从而提高整个计算机测控系统的可靠性。（3）针对给排水行业的实际情况，计算机测控

19、系统每一站点的I/O的数量宜控制在500点以内。以防止过大的I/O量使某一站点负荷过大而降低整个系统的反应速度和可靠性。前面划定的区域中，凡是符合上述三个特点的，均可以确定设置计算机测控系统的站点，负责该区域的检测和控制工作。在地表水源水厂，一般情况下计算机测控系统站点的布置位置是(1)取水泵房。(2)反应沉淀池和加药间。(3)滤池和加氯间。(4)送水泵房和变配电间。在地下水源水厂，取水部分计算机测控系统的站点设置视井群数量和井间距离而定，厂内部分与地表水源水厂类似。在污水处理厂，计算机测控系统的站点布置为：(1)污水预处理部分(格栅间、污水提升泵房、沉砂池和初沉池o(2)生物污水处理部分(鼓

20、风机房、曝气池、二沉池等)。(3)污水处理部分(污泥泵房、污泥浓缩池或污泥消化池、污泥脱水间)。(4)尾水处理部分(接触消毒池、加药间等)(5)回水处理部分。在完成了计算机测控系统站点布置后，可初步选择计算机测控系统的类型。目前，在给水行业使用较为普遍有PLC和微机两类计算机测控系统。一般来说，前者适用于所有类型的水厂和污水处理厂，但造价较高。后者仅适用于中、小型水厂和污水处理厂，造价相对较低。以下介绍PLC类型和微机类型计算机测控系统在组态时应注意的一些问题。3.2.2 PLC系统组态及结构确定PLC系统因其系统规模和特点不同有多种结构形式。最主要的结构形式有整体型非总线结构和总线型组件结构

21、两大类。大、中型PLC一般为总线组件结构形式。而微型及小型PLC则多采用非总线型整体结构。不管哪种类型的P L C,其基本结构均为CPU和机架以及电源。I/O模板则根据实际需要来进行配置。在整体结构的PLC中，其本身包括了一些固定配置的I/O点。在组件型PLC中，可以根据实际情况，选择一些I/O模板安装在CPU所在的机架上。在这两种形式中都可能存在I/O的数量不能满足实际需要的情况，这时可以使用扩展I/O方式来增加I/O点数。一般PLC扩 展I/O方法有两种，即本地I/O方式和远程I/O方式系统(见图)本地和远程I/O系统在本地I/O方式中，安装CPU的机架与扩展I/O机架之间采用并行总线方式

22、通讯。由于是并行总线，所以通讯速率高、响应快。缺点是通讯电缆芯数较多，CPU机架与扩展I/O机架之间的距离不宜过长等。适于设备相对集中的场合。在远程I/O方式中，安装CPU的机架与扩展I/O机架之间采用串行总线方式通讯。只需一根通讯电缆，但通讯速率要低一些，一般还需特殊的远程I/O驱动模块和接受模块。但机架和机架之间的距离还可以较远。适用于设备较为分散的场合。远 程I/O的选择应遵循如下两点原则：(1)远 程I/O所涉及的I/O点数不应过多，在2030点左右为宜。如超过这个数量，则应考虑增设计算机测控系统站点。(2)远 程I/O 一定要在距离上体现“远 二 否 则 增 加 远 程I/O的硬件软

23、机费用高于敷设电缆的费用则没有太大意义。另外，当整个工程还有二、三期工程需要不断扩建时，使用远程I/O较为方便。远程I/O是这种情况下比较好的选择之一。在确定了 PLC各站点的结构后，接下来的工作是如何将各个计算机站点联系起来形成一个PLC控制系统。也就是如何组成计算机网络的问题。在计算机领域，网络的概念是指一组资源服务于一个共同的目标，相互连接形成的硬件和软件结构。PLC计算机控制系统一般采用同族网络的形式，即网络中的资源都是同一制造商的产品。如德国西门子公司的L 1网和H1网，耀 A-B公司的DATE HIGHWAY网等。网络的重要特征是：(1)网络的拓扑结构。(2)网络的通讯协议。一些

24、大 的PLC制造商在提供自己同族网络产品的同时、也提供能使自己的产品接口到例如ETHERNET(以太网)等标准网络的产品或者提供与这些标准网络等效的产品。在给水排水行业的计算机测控系统设计中，星形网络和总线形网络使用得比较多。而其他形式的网络如环形网络、树形网络等则使用得少一些。在一般情况下，总线形网络是我们的首选网络形式，也是给排水行业中主要采用的网络。3.2.3微机测控系统的确定微机测控系统比较繁杂，分专用和通用两类。专用型中又有STD总线系列、MULTI总线系列、VME总线系列等多种产品。在计算机测控系统结构设计之前，应做出初步选型。在本章的如下部分中，微机测控系统均以专用型中最常用的S

25、TD总线微机测控系统为例。其他微机系列大同小异，可以参照进行。STD总线是面向工业控制的标准化总线。它既可以自成系统，也可以方便地作为其他计算机测控系统的前端机，具有宽广的应用范围。STD总线采用高度模块化的单功能小板结构，用它构造系统非常方便、灵活。其组态大致可以分为：(1)独立工作模式:所谓独立工作模式是指采用基本配置(CPU+键盘+显示)加上面向现场的工业用I/O模板。系统可以采用各种I/O接口板。对于小型控制系统，只需要CPU板上的存储器即可。若系统较大，则可使用存储器扩展板。1)独立工作模式1:这种系统的特点是人机接口采用简单的小键盘和LED数码显示，类 似TP801单板机。也可以采

26、用触摸键和液晶显示器。甚至是更为简单的儿个指示灯和儿个操作键。其支持软件是监控程序，甚至是上电后直接进入用户程序。独立工作模式系统见图 独立工作模式1系统2)独立工作模式2：见图独立工作模式2将前述模式1中的键盘/显示板改用单色或彩色图形显示/键盘控制 板(MDA/CGA/EGA/VGA)外接相应的单色或彩色监视器，也可以采用RS-232c接口板外接智能式C R T,即构成模式2系统。3)独立工作模式3：在 模 式2系统中增加磁盘控制器接口板和驱动器，即构成模式3系统。该系统可运行微机的标准操作系统(2)作为其他计算机的前端控制机：采 用STD总线的工业控制机可以很方便地作为其他小型、微型计算

27、机，特别是工业PC机的前端控制机。见图 上下位微型机系统STD系统作为前端控制机，其 中PC机担负寻优计算以及管理和调度任务。它把最佳工艺参数设置给STD系统，而STD系统则完成实时在线控制，并把采集的数据和执行结果回送给上位机。（3）构成分布式组合：利 用STD控制机可以方便地进行各种分布式系统的组合。系统中各计算机之间采用高、低档工业局域网络，如 ETHERNET、ARCNET、BITBUS FIELD-BUS 或 RS-422/485 总线进行通讯，也可以用RS-232C以及MODEM或无线数传设备构成星形网络。系统中的各个STD分站可以根据情况选择I/O模板。典 型STD控制机组合式分

28、布计算机测控系统见图总线形 星形3.3选定操作站类型在3 2 1所介绍的站点设置中的站点有两种类型：（1）可供操作和监视的站点。（2）不能操作和监视的站点：不能操作和监视的站点中不设置监视器、键盘和打印机。它就是一个黑匣子，仅是一个I/O站点。人们只能通过中央控制单元监测和控制它。可供操作和监视的站点相比，它增加了“人机”接口功能。有时称可供操作和监视的站点为操作站系统。操作站系统充分利用了数字技术的优势，特别是多媒体技术的应用使其与传统的模拟屏装置和工业电视装置相比具有较明显的优势。操作站系统主要功能有：1）实时操作。2）实时监视。3）信息存储与报告。操作站系统可分为：1）本地操作站：它作为

29、多级控制的一部分在本地进行管理和监视。2）中央操作站：工厂自动控制系统一般为多级控制系统。全厂的信息通过网络通信联系起来。这些信息通常需要集中起来供管理部门和维修部门使用。中央操作站就是为此而设计的。它的主要任务除提供丰富的“人机”接口外，还有操作间的协调、生产决策指导、系统综合维护等。对有些计算机控制系统，中央操作站还是软件编制、下载、调试的有力工具。对一般水厂、污水处理厂而言，控制系统的中央操作站是必不可少的。大量运行经验表明水处理工艺中各现场站点应尽量采用“不能操作和监视的站点”，即现场站点不配置外设从而减少网络的切入点,并可节省大量的控制电缆，将各种权限统一归口到中央操作站以免发生误操

30、作，提高系统的安全稳定性，并有利于实现现场无人值班，充分发挥计算机测控系统的效能。3.4冗余与热备冗余与热备系统的使用，可以提高系统的可靠性。冗余是指在线全套备份或部分部件备份，当一套系统发生故障时，自动切换到备份的另一套系统上，从而提高系统的可靠性。上述的部分部件备份至包括CPU部分的备份。冗余有一个独立的装置，称为冗余处理单元。它作为两个CPU 的同步器。在检测到故障时，冗余处理器可快速将系统从主CPU切换到备份CPUo另一种提高系统可靠性的方法为热备。主 CPU和备份CPU同时工作，当主CPU发生故障时，备份CPU收不到主CPU的同步信号,这时备份CPU会代替主CPU工作直至重新收到主C

31、PU的同步信号。这种系统较冗余系统简单，造价也低。但快速切换能力较差。大多数计算机测控系统出现故障并不是因为计算机系统本身的原因，而是由于与计算机相连的传感器或执行机构的故障而造成的。仅靠计算机系统的冗余和热备份并不能解决所有的问题。给排水行业中各被控参数变化比较缓慢，当计算机测控系统故障时，有足够的时间切换至手动状态，对生产的影响有限。所以在水处理行业很少使用冗余设备和技术。部分热备系统的使用在水处理行业比较普遍，例如中央操作站一般都有一套热备。冗余与热备系统的组态示意见图冗余与热备系统的组态示意(a)为冗余系统(b)为热备系统4计算机测控系统硬件设计步骤和方法计算机测控系统的系统设计确定了

32、目标系统的系统框架。而计算机测控系统的硬件设计则是对已确定的系统框架的具体化和细化。目的是提出构成计算机测控系统的硬件设备配置和清单，兼供定货之用。在计算机测控系统系统设计中，已经对目标系统拟采用的计算机系统类型、生产厂商等做出初步选择。在进行硬件设计之前应对此做出确认，确认的基本原则是：(1)使用场合和环境是否满足要求。(2)功能是否满足要求。(3)费用是否满足要求。确认后即可开始计算机测控系统的硬件设计。4.1 输入/输出(I/O)表及输入输出(I/O)模块选择4.1.1 输入/输出(I/O)表制作输入/输出表是进行计算机测控系统设计一个重要的基础资料。它对所有将纳入计算机系统的输入/输出

33、(I/O)量进行统计，并对各I/O量的含义和电气接口特性等进行说明。不仅在硬件设计时将用到它，在进行软件设计时也要用到它。根据I/O表提供的I/O点数正确选择模块种类和数量，是计算机测控系统硬件设计的关键。常用的输入/输出(I/O)量的种类有以下几种：(1)开关量输入(DI)。(2)开关量输出(DO)。(3)模拟量输入(AI)o(4)模拟量输出(AO)。(5)脉冲量输入(PI)。(6)通讯。(7)其他。为避免重复和遗漏，输入/输出(I/O)表的制作最好以计算机测控系统站点为单位，对站点所辖的每台设备进行I/O设置分析。对设备I/O设置分析的原则是：(1)保证计算机测控系统对该设备的可控性。当“

34、功能要求说明书”要求计算机测控系统对该设备进行控制时，计算机测控系统应根据设备的电气驱动特点配置相应的开关量输出或模拟量输出点。根据反馈原理，计算机测控系统还应设置相应的开关量输入点、模拟量输入点或其他种类的输入点以便对控制动作进行确认。（2）保证计算机测控系统对该设备的可观测性。当“功能要求说明书”要求计算机测控系统对该设备的运行状态进行监视时，应配置相应的信号输入点。（3）所有信号输入/输出点的电气接口特性均应与设备的电气接口特性相一致。4.1.2输入/输出（I/O）模块种类选择（1）输入模块选择：输入模块一般分为数字量和模拟量两种。前者又可分为直流输入、交流输入、及脉冲输入；后者又可分为

35、电压型和电流型输入等。交流数字量输入模块优先选用AC110V或AC220V输入模块，它不需要特殊的电压变换装置，较易与功率放大器件的电压等级相匹配，它通过模块内的隔离变压器或变直流后经光电耦合器来保证与外部电路相隔离。各路输入信号之间一般不设隔离。直流数字量输入模块主要用于外部电缆线路较短，且容易引起电磁感应的场合。计算机内部与外部电路采用光电耦合器进行隔离。DC12-48V主要用在微型继电器、数字开关、接近开关、限位开关等器件上。中断输入模块用硬件检测输入信号的状态变化，并立即向CPU发出中断请求。它的优点是既可以减少软机的负担，又可以提高系统快速响应的性能。脉冲输入模块内设有脉冲计数器，对

36、外部的输入脉冲进行计数,然后送往CPU。它又可分为单向、双 向（加法）计数两种。使用时,不得超过规定的最大脉冲频率。有的具有预设定计数器功能，即由CPU给定设定值，当计数值等于设定值时，向CPU发中断信号。有的具有采样计数器的功能，如对脉冲进行周期采样等。模拟量输入模块通过内藏的A/D变换器可以将现场的电压、电流、温度、压力等控制量输入计算机，这种模块内的A/D变换时间大约在几ms之间。在要求快速响应的场合，可选用A/D变换时间短的模块。变换后的二进制数分8位、10位、12位不等，有的带符号位，可根据系统所需的精度来选择不同的A/D变换位数。常用的模拟量输入模块规格见表种类 规 格额定值12位

37、 A/D变换范围输入阻抗变换速度电压型+10V-204820471MQ50 aS/点模拟量输入0 10V0-40951M。50 4S/点15V0-40951MC504S/点电流型0 20mA0-4095240c504S/点4 20mA0-4095300c50 aS/点(2)输出模块选择：输出模块可分为交流数字量输出、直流数字量输出、模拟量电压输出、模拟量电流输出、继电器输出及定时输出等几种。继电器输出模块通过继电器接点和线圈实现计算机与外部电路隔离，这种模块可交、直流两用。它不会产生漏电现象，但模块内的继电器有寿命问题。交流数字量输出模块是一种多采用双向晶闸管的无触点输出模块。通过隔离变压器或

38、光电耦合器与外部电路隔离，同继电器输出模块相比，它具有相应速度快、寿命长等优点。通常，输出电流可达2A左右，因而可省掉中间继电器，直接驱动交流接触器或电磁阀线圈，但需要严格限制启动电流及漏电流。直流数字量输出模块，是一种采用晶体管或晶闸管的无触点输出模块，采用光电耦合器与外部电路隔离，同样具有动作速度快、寿命长等优点。模拟量输出模块可以输出供过程控制或仪表用的电压、电流。它把CPU内部运算的数字量经D/A变换成模拟量向外部输出。它同模拟量输入模块一样，D/A变换的时间有快、有慢。常用的模拟量输出模块见表种类规格（3）输入/输出模块选择时的注意事项:额定值12位 A/D变换范围输入阻抗变换速度电

39、压型-1 0-+10V-20482047IkQ0.8 S/点模拟量输入0 10V0-4095Ike0.8 4 S/点15V0-4095IkQ0.8 fi S/点电流型0 20mA0-40950.5kQ0.8 4 S/点4 20mA0-40950.5kC0.8“S/点1）数字量输入/输出模块的电压等级可根据现场设备与模块之间的距离来选择。当外部线路较长时，可以选用AC或DC220/110V模块；当外部线路较短、且控制设备相对集中时，可选用DC24V、DC48V模块。2）交流数字量输入/输出模块的交流电源宜采用带屏蔽层的隔离变压器供电。直流数字量输入/输出模块所需的直流电源可以采用全波整流方法获取

40、。脉冲输入模块及模拟量输入/输出模块宜采用直流稳压电源供电。当从电位器取模拟量输入信号时，要使用电压波动小的电源，否则A/D变换的数值难于稳定。3）继电器输出模块内的继电器存在寿命问题。一般来讲，流过继电器接点的电流越小，寿命越长，因此在选择继电器输出模块时要有余地，不要使负载电流太接近其额定电流。当使用它驱动感性负载时，其开闭频率不宜太高，另外，感性负载在短路时产生电弧，可在负载两端并联阻容吸收装置以增加接点寿命。4）数字量输入/输出模块所允许的同时接通点随温度变化而变化。对于数字量输出模块来说，任何时候同时接通点数的电流累计值应小于公共端所允许通过的电流值，且输出模块每一点的电流额定值必须

41、大于负载电流的额定值。5）一般情况下，5V、12V、24V属于低电平，其传输距离不宜太远，如5V最远不超过10m。距离越远，相应要求的模块电压等级应越高。6）选择数字量输入模块时，应考虑其门槛电平的大小，门槛电平值越大，抗干扰能力越强，传输的距离也就越远。7）对于开闭频繁、电感性、低功率因数的负载，宜选用晶体管或晶闸管元件的数字量输出模块；对于开闭不频繁的电阻性负载，宜选用继电器输出模块。8）对于带变压器的灯负载，应注意其启动电流的大小，一般此类负载的启动电流为额定电流的10倍左右。因此，使用数字量输出模块驱动此类负载时，负载电流应小于或等于输出模块额定电流的40%o9）交流感性负载，如交流接

42、触器、交流电磁阀等，在接通瞬间会产生冲击电流，在断开瞬间会产生过电压。选择时要使输出模块所允许的冲击电流大于实际产生的冲击电流。为保护晶闸管或晶体管的输出模块不受损坏，可在感性负载的两端并联阻容吸收装置。4.2中央处理单元（CPU）选择中央处理单元（CPU）是计算机的核心部件。对它的选择从根本上决定了计算机的性能。从系统角度选择CPU应考虑的主要技术指标有：（1）CPU的速度：CPU的速度可以用它执行一条二进制的语句所需要的时间来衡量。在给排水行业，这个数据一般在纳秒（ns）级即可。（2）CPU的容量：这里所说的容量有三个含义：1）内存的容量。2）定时、计数器的数量。3）可驱动的各种I/O点的

43、数量。对于内存容量，可以根据如下经验公式测算：M=K1K2（DI+DO）*C1+AI*C2+AO*C3+P式中M-内存容量（字节）；K1-备用系数，一般取Kl=1.251.40；K2-编程人员熟练系数，一般取K2=0.851.15；DI-开关量输入点数；DO-开关量输出点数；AI-模拟量输入回路数；C1-开关量输入/输出内存占有率，一般 取Cl=10;C2-模拟量输入内存占有率，一般取C2=100120;C3-模拟量输出内存占有率，一般取C3=200250;P-通讯接口占有率，在有通讯接口的情况下，根据其通讯数据的大小决定。下表给出了中、小型PLC I/O点数与内存容量的一般关系。中、小 型P

44、LC I/O点数与内存容量的一般关系I/O 点数内存容量I/O 点数内存容量128点以下1K 以下256-512 点48K128d256 点14K512点以上8K 以上定时、计数器的数量在满足实际需要的情况下，留15%20%的余量。可驱动I/O点的数量在I/O总量的基础上增加20%30%的余量即可。(3)CPU的精度：CPU的精度用CPU数据总线宽度来衡量。现有的计算机测控系统单机中CPU有8位、16位、32位、64位等。数据位越多，精度越高，价格也越高。在给排水工程当中，对CPU精度的考虑主要是由CPU组成的计算机测控系统在功能上能，满足要求，在价格上应较为合理。不必追求更宽的总线宽度。(4

45、)CPU的网络功能：当计算机测控系统以网络的形式出现时,对其中单台计算机CPU的选择还应考虑它是否满足组网功能。特别是当CPU与通讯接口集成在一块板上时，更应注意这一点。4.3机架和电源选择现代工业控制领域的计算机测控系统，不管是何种类型，其结构多为小板组合形式。机架的主要功能是安放CPU模板、存储器模板、各种I/O模板等。通过机架背后的母线，将各模板连接起来形成一个完整的计算机系统。机架的槽位是固定的，每一个机架槽位可以安装一块模板。对于较大型的系统，所包含的模板数大于机架槽位数时，可以使用扩展机架。扩展机架中只能安放I/O模板。有的扩展机架使用主机架提供的电源，有的自带电源，主机架与扩展机

46、架之间采用专用电缆或扩展模块连接。只一个扩展机架不够时，可以使用若干个扩展机架，但数量有限制的，具体最大可扩展机架数可查阅相应产品样本。计算机测控系统的电源提供系统正常工作所需的电能。电源的输入电压一般应选择220V ACo输出电压一般包括5V DC和24V DC两种。5V DC的输出电压波动范围应小于+2%-1%。24V DC的输出电压波动范围应小于5%。电源的输出电流可以参照下式计算：A=K（ZAi,i=1,2,3,4,5）相加。式 中A-电源输出最小值（A）；K-备用系数，取 值1.31.5；Ai-系统中该级别电压的单个模板输入电流（A）。要求所选电源的额定输出电流值应大于Ao电源的形式

47、一般有单元式和模块式两种。单元式电源独立安装，通过插件与总线相连。模块式电源则象其它模块一样插在机架上，可根据实际情况作出适当的选择。4.4外围设备选择4.4.1 操作员接口选择操作员接口是一个装置，它由键盘和面板两部分组成。键盘用于输入操作员的命令，面板则对定时器数据、计数器数据、整数数据、I/O地址和内容进行监视。操作员接口的类型比较多，从简单的按钮、信号灯形式到复杂的交互式显示终端都有。综合起来，其类型和特点见表操作员接口类型和特点类型特点使用场合按钮、信号灯简单、造价低全开关量输入/输出系统文本液晶、轻触功能键较直观以开关量输入/输出为主的系统图形液晶、轻触功能键直观、方便、造价高较复

48、杂的系统彩色、单色CRT、可组态键盘非常直观、方便、造价高复杂的控制和管理系统如中央操作站轻触屏非常直观、操作简便、造价高复杂的控制和管理系统如中央操作站对一般的控制系统，如需配置操作员接口，则应优先考虑使用中、低档的接口类型。而选择高档操作员接口则应慎重考虑性能、价格比的问题。4.4.2编程装置选择编程装置是计算机测控系统软件编制、调试和维护的必要工具。一个好的编程装置能够使软件开发、维护更为快捷和方便。从而缩短开发周期和维护时间，提高系统的经济效益和可靠性。编程装置一般分为专用编程器和通用编程器两种。(1)专用编程装置主要用来对某一特定的计算机测控系统进行执行程序的建立和修改。也可以用来对

49、该系统进行故障诊断。一般是手持液晶显示的形式，易于携带，但功能有一定限制。一般用于中、小规模的计算机测控系统。在较大规模的计算机测控系统中也可以配备这种编程器作为专用的维护工具。(2)通用编程装置：通用编程装置是基于个人计算机的编程装置。其硬、软件基础就是个人计算机和个人计算机的操作系统。大多数情况下，通过个人计算机的通讯接口即可实现与计算机测控系统的连接。在某些特殊的情况下，则要求在个人计算机上配专用的通讯卡来实现与计算机测控系统的连接。这种装置的优点是用一套个人计算机能够进行不同的软件开发工作，这是专用编程装置无法比拟的。在计算机高度普及的今天，这种装置的优越性更为明显。以通用编程装置取代

50、专用编程装置是编程器发展的趋势。5计算机测控系统软件设计计算机测控系统软件包括系统软件和应用软件两大部分。系统软件是指操作系统、编译系统等系统工具软件和一些可供调用的公用程序模块。它一般由计算机测控系统制造商提供。应用软件则是与某一目标系统相对应的、能实现其全部工艺要求的程序集。这里所说的计算机测控系统软件设计，指的就是应用软件的设计。计算机测控系统应用软件设计包括功能设计、结构设计、程序设计等三个部分。功能设计：包括软件系统要求的前提条件、软件的适用范围、具体功能、输入/输出数据种类和形式、软件的性能指标、软件运行过程中处理事件的基本方式等。结构设计：是用分割法将功能设计中所描述的系统功能分