【文章內(nèi)容簡介】 232C、 RS48 RS422通信接口。 洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 2. 以下以單片機(jī)、 ARM、 DSP 為例說明計(jì)算機(jī)選型原則。 機(jī)型選擇的準(zhǔn)則是，字長適宜，速度較快，指令豐富和中斷功能強(qiáng)。 計(jì)算 機(jī)的字長應(yīng)符合兩個(gè)要求，一是要符合精度要求，二是要與數(shù)據(jù)總線的線數(shù)相適配。字長長則處理數(shù)值的范圍寬、精度也高，但要求的存儲(chǔ)空間就會(huì)增加，因此應(yīng)該根據(jù)設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)精度要求來確定字長，不宜一味追求字長長的微型機(jī)。目前在控制系統(tǒng)中常用的有 8 位計(jì)算機(jī)和 16位計(jì)算機(jī)， 8 位計(jì)算機(jī)通常用于具有較復(fù)雜數(shù)據(jù)運(yùn)算及處理的控制系統(tǒng)，16 位計(jì)算機(jī)則主要用于數(shù)據(jù)處理十分復(fù)雜的場合和實(shí)時(shí)性要求很高的系統(tǒng)。鑒于目前大部分可用作計(jì)算機(jī)外圍芯片的 TTL、 HMOS、 CMOS 集成電路都以 8 位總線設(shè)計(jì)，為了方便與其適配，字長為 8 位的計(jì)算機(jī)無疑應(yīng)是首先考慮的選擇機(jī)型。 計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度，主要根據(jù)實(shí)時(shí)控制的要求來選擇。一般來說，計(jì)算機(jī)的時(shí)鐘速率（即 CPU 的時(shí)鐘頻率）越高， CPU 執(zhí)行指令的速度也就越快，所以應(yīng)該選擇時(shí)鐘頻率較高的計(jì)算機(jī)或微處理器。 控制回路 控制回路需要解決的問題是確定回路數(shù)和對輸出控制信號(hào)的要求。 確定控制回路首先確定是開環(huán)控制還是閉環(huán)控制，閉環(huán)控制應(yīng)畫出控制的原理框圖。圖 22 是一個(gè)示例。 控 制 器執(zhí) 行 器控 制 對 象測 量 變 送+E U YD / AUA / D生 產(chǎn) 現(xiàn) 場計(jì) 算 機(jī) 圖 22 閉環(huán)控制框圖 根據(jù)控制對象選擇相應(yīng)的執(zhí)行器， 例如控制對象是電機(jī)，又需要調(diào)速，則根據(jù)電機(jī)的功率選擇對應(yīng)的變頻器；如果對定位精度有較高的要求，應(yīng)該使用伺服電機(jī)和伺服控制器，目前市場上伺服電機(jī)和控制器都是成套出售的，主要廠商有西門子、施耐德、三菱電機(jī)、松下電工、 ABB、發(fā)那科、洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 20 臺(tái)達(dá)等。 輸出控制信號(hào)的形式是根據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的要求確定的。常用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)有電動(dòng)的、氣動(dòng)的和液動(dòng)的幾大類，電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)直接由控制電信號(hào)驅(qū)動(dòng)，如交直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)和各種電磁開關(guān)型器件（如繼電器、接觸器、電磁閥等），氣動(dòng)或液動(dòng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)由控制電信號(hào)經(jīng)電／氣或電／液轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)壓力的壓縮 空氣或壓力油去驅(qū)動(dòng)。不同的執(zhí)行器對輸出控制信號(hào)會(huì)提出不同的要求（如模擬量、數(shù)字量、開關(guān)量還是脈沖量，電平高低，負(fù)載大小，是否隔離等等）。總體設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該根據(jù)這些要求來配置系統(tǒng)的輸出接口。 PLC 的開關(guān)量輸出通常有兩種形式：集電極開路輸出和繼電器輸出 。集電極開路輸出因驅(qū)動(dòng)電流有限，通常 用于驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管、 LED 顯示器、繼電器等 ，主要特點(diǎn)是動(dòng)作速度快 。 對于這種類型的輸出如果要控制電機(jī)等大功率負(fù)載，需要外 接 繼電器（通常為 24V 的）作為中間繼電器，再帶接觸器 （交流 220V 輸入） 去控制電機(jī)。 對于動(dòng)作速度要求不快 的場合 ，一般情況下選用繼電器輸出的開關(guān)量輸出模塊（或 PLC 自帶繼電器輸出），這種輸出不能用于驅(qū)動(dòng)變化較快的開關(guān)量。即便是帶電機(jī)這樣的設(shè)備，也不能直接帶接觸器去控制電機(jī)，而應(yīng)該外接繼電器（通常為 24V 的）作為中間繼電器，再帶接觸器（交流 220V輸入）去控制電機(jī)。 主要原因： （ 1） PLC 的繼電器輸出通常都是 8 路輸出，一個(gè)公共端，對于每一路輸出 觸點(diǎn)容量為 2A/每點(diǎn)，但是 8 點(diǎn)的最大容量為 8A/8 點(diǎn)，也就是說只有在 4 點(diǎn)以下同時(shí)輸出時(shí)才能保證觸點(diǎn)容量為 2A/每點(diǎn)， 4 點(diǎn)以上同時(shí)輸出時(shí)不能保證正常工作。 （ 2） 外部接的設(shè)備種類繁 雜，有繼電器、接觸器、電磁閥、變頻器等，各個(gè)設(shè)備的輸入信號(hào)要求不同，有的盡管要求是觸點(diǎn)，但是觸點(diǎn)通的電有的是交流 220V，有的是 DC24V，因?yàn)?PLC 是 8 路輸出一個(gè)公共端，這樣就會(huì)將 AC220V 零線與 DC24V 的地短接，造成不可預(yù)計(jì)的后果。 檢測元件 檢測元件就是傳感器，又稱“一次測量元件”。它是把控制對象的原始洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 21 狀態(tài)的非電參數(shù)轉(zhuǎn)化成電量的重要設(shè)備，其轉(zhuǎn)換精度影響到整個(gè)控制系統(tǒng)的精度。 選擇傳感器時(shí)應(yīng) 也可以 采用數(shù)字化傳感器， 采用通信方式 直接向計(jì)算機(jī)提供數(shù)字信號(hào)，減少了 A/D 轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié) ，進(jìn)而減少布線 。 在有多個(gè)輸入通道的情況下，各通道傳感器的輸出滿標(biāo)值應(yīng)盡量一致，并能兼容于系統(tǒng)的輸入量程，以避免增加條件化裝置，減少軟硬件調(diào)整措施。 采樣周期 采樣周期按香農(nóng)定理來確定，由于實(shí)際上按香農(nóng)采樣定理來確定一個(gè)控制系統(tǒng)的采樣周期十分困難，一般實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)都按經(jīng)驗(yàn)來確定系統(tǒng)的采樣周期。采樣周期的確定需要設(shè)計(jì)人員統(tǒng)籌考慮，周期取大會(huì)使系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)品質(zhì)變差，而取小了則會(huì)受到 CPU 運(yùn)算速度、控制程序運(yùn)行時(shí)間和執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作響應(yīng)速度的限制。 僅有檢測回路 時(shí)要考慮計(jì)算機(jī)的檢測速度，包括模擬量通道速度和計(jì)算機(jī) 計(jì)算的時(shí)間，通道速度又稱通過率， 轉(zhuǎn)換時(shí)間＝ A／ D＋采保＋多路開關(guān)＋可編程放大等。 對于控制回路，還要考慮控制輸出時(shí)間和執(zhí)行器的執(zhí)行時(shí)間。 下面是采樣周期的選取原則： ①采樣周期 T 的選取必須要滿足香農(nóng)定理 1T 2fmax? ② 采樣周期 T 必須大于系統(tǒng)采樣時(shí)間、數(shù)據(jù)處理時(shí)間和控制輸出時(shí)間的總和。 ③ 采樣周期 T 必須大于執(zhí)行器執(zhí)行時(shí)間。 ④ 對于純滯后的系統(tǒng)，采樣周期 T 應(yīng)盡量接近或等于系統(tǒng)滯后時(shí)間的整數(shù)倍。 ⑤ 采樣周期 T 應(yīng)盡量小于控制對象擾動(dòng)信號(hào)周期。 控制算法 在確定控制算法之前，首先要確定控制策略，即使用串級控制、史密洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 22 斯預(yù)估、前饋控制以及比值控制。 確定控制算法是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)的一個(gè)重要內(nèi)容。 用計(jì)算機(jī)控制一個(gè)生產(chǎn)過程時(shí)，必須先根據(jù)被控制過程的特性選擇一種控制規(guī)律，這種規(guī)律反映控制器輸入的系統(tǒng)反饋量和輸出控制量的變化關(guān)系，用以描述這一關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式稱為控制算法，將這種算法編寫成的計(jì)算機(jī)程序則成為實(shí)現(xiàn)這一控制規(guī)律的控制程序，利用計(jì)算機(jī)實(shí)施控制時(shí)，實(shí)際上是計(jì)算機(jī)在不斷反復(fù)執(zhí)行上述控制程序，通過它輸出的控制量作用于執(zhí)行機(jī)構(gòu)，達(dá)到對生產(chǎn)過程控制的目的，所以 控制規(guī)律或控制算法是計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制運(yùn)算和處理的依據(jù)。 字長的選擇 本節(jié)也可以包含在控制回路的選型中。 字長的選擇包括 A/D 轉(zhuǎn)換器字長的選擇、 D/A 轉(zhuǎn)換器字長的選擇以及算術(shù)邏輯部件的選擇。一般情況下， A/D 的字長由系統(tǒng)的測量精度決定，A/D 的轉(zhuǎn)換誤差應(yīng)小于測量精度的 1/2。如要求測量精度為 1?，考慮到A/D 采樣的誤碼 (1LSB)及精度為 ?1/2LSB，采用 8 位以上的 A/D 較為合適。D/A 轉(zhuǎn)換的字長一般取 A/D 的字長減去兩位。算術(shù)邏輯部件的字長取 A/D字長加上 4 位。 操作規(guī)范 操作規(guī) 范是計(jì)算機(jī) 控制 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)人機(jī)對話的規(guī)定形式，是系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的主要依據(jù)。操作規(guī)范的使用者是用戶（操作人員），所以制訂操作規(guī)范時(shí)必須充分尊重用戶的職業(yè)習(xí)慣，力求方便易學(xué)。操作規(guī)范應(yīng)該越詳盡越好，一旦制定，不要輕易變動(dòng)，否則將會(huì)造成軟件設(shè)計(jì)的重大反工。操作規(guī)范需要明確規(guī)定的主要內(nèi)容是： （ 1）計(jì)算機(jī) 控制 系統(tǒng)開機(jī)運(yùn)行時(shí)的操作步驟； （ 2）用鍵盤輸入信息和修改參數(shù)的方法； （ 3）顯示的內(nèi)容、格式、時(shí)間及其含義； （ 4）打印制表的內(nèi)容、格式和時(shí)間； （ 5）報(bào)警值的確定和報(bào)警形式； 洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 23 （ 6）發(fā)生故障時(shí)的應(yīng)急處理辦法 。 電源 、 隔離 變壓器 選型 控制系統(tǒng)中常用的電源有： DC/DC 電源、開關(guān)電源、穩(wěn)壓電源 以及PLC 電源等。 由于工業(yè)現(xiàn)場運(yùn)行的大功率設(shè)備極多，特別是大感性負(fù)載的啟動(dòng)和停止會(huì)造成電網(wǎng)的嚴(yán)重污染，使得電網(wǎng)電壓大幅度漲落 (浪涌 )，工業(yè)電網(wǎng)電壓的欠壓或過壓常常達(dá)到 15％以上。這就對工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的電源的可靠性和抗擾性提出了極高的要求。 PLC 電源選型應(yīng)首先選擇各種模塊，根據(jù)各模塊耗電量的總和加上一定的裕量選擇 PLC 電源。 目前，控制用直流電源主要設(shè)計(jì)成如下兩種形式：普通直流電源和高抗擾性開關(guān)電源。普通直流電源是直 接用市電先經(jīng)交流穩(wěn)壓，降壓后再進(jìn)行整流、直流穩(wěn)壓輸出而成，結(jié)構(gòu)簡單，造價(jià)低，適用于電網(wǎng)電壓波動(dòng)小，要求容量小，電源種類少的場合。容量較大、電源種類較多的情況下，一般采用高抗擾性的開關(guān)電源。這種電源采用 20MHz 的脈寬調(diào)制技術(shù)，首先將市網(wǎng) 220V 交流電壓經(jīng)降壓、整流產(chǎn)生一定幅值的直流電壓，然后調(diào)制成 20MHz 的交流電壓，再經(jīng)降壓、整流、濾波和穩(wěn)壓后輸出。這種電源輸入范圍廣 (120V~260V)，抗擾性強(qiáng)，效率高，工業(yè)上使用很廣。 開關(guān)電源選型要根據(jù)使用其供電的各種模塊、電路、按鈕、開關(guān)、傳感器、繼電器等用電總 和加上一定的裕量選擇。要有計(jì)算過程。 用于生產(chǎn)過程控制的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，為了防止電源串入干擾，一般都宜與照明、動(dòng)力供電線