控制系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)方法

　　摘要：在我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展、國(guó)家積極提倡努力建設(shè)創(chuàng)新型社會(huì)的今天，研究控制系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)的共性方法，尋找一種具有普遍意義的模式和方法具有重要的現(xiàn)實(shí)意義而且迫在眉睫。隨著計(jì)算機(jī)和電子技術(shù)的飛速發(fā)展以及各行業(yè)控制系統(tǒng)日趨規(guī)?；托畔⒒詣?dòng)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求也不斷提高，相應(yīng)的人力資源成本也日趨增加。由于任何一個(gè)控制系統(tǒng)因具體工藝細(xì)節(jié)要求的不同而不同。因此，幾乎沒(méi)有完全相同的兩個(gè)系統(tǒng)（除完全拷貝的）?？刂葡到y(tǒng)集成者往往憑借個(gè)人經(jīng)驗(yàn)來(lái)完成控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，所以在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中存在大量的重復(fù)的人力資源成本。
　　關(guān)鍵詞：控制系統(tǒng) 總體設(shè)計(jì) 功能設(shè)計(jì) 軟件 硬件 控制器
　　中圖分類(lèi)號(hào)：TN2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791(2011)10(b)-0000-00
　　
　　在控制系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)中，常采用的是化繁為簡(jiǎn)的方法，或稱(chēng)目標(biāo)變換法，即將主目標(biāo)分解成若干個(gè)從屬目標(biāo)，通過(guò)從屬目標(biāo)的一一實(shí)現(xiàn)繼而達(dá)到主目標(biāo)，這是一種合理、規(guī)范而科學(xué)的框架模型。分析各類(lèi)自動(dòng)化控制系統(tǒng)，不論其工藝對(duì)象是石油、化工、電力還是機(jī)械等，也不論其主控制器是采用DCS、PLC、FCS還是嵌人式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等，工程設(shè)計(jì)的一般步驟：分析工藝要求進(jìn)行總體設(shè)計(jì)——確定具體監(jiān)控對(duì)象完整I/O清冊(cè)——分析對(duì)象特點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)功能設(shè)計(jì)——功能實(shí)現(xiàn)和測(cè)試——FAT——現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試——SAT 。各從屬目標(biāo)也可進(jìn)一步分解，直至各從屬目標(biāo)變得簡(jiǎn)單明了，進(jìn)而根據(jù)時(shí)間變量和人力變量的具體情況進(jìn)行分配，從而既能保證主目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，又能使資源成本最低。前三個(gè)步驟是自動(dòng)化控制系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容，也是本文r6oLcbrwx7YIYZpKgC1AUiUsTDvUZc1iwsq44qB9UvM=的重點(diǎn)。限于篇幅，F(xiàn)AT、SAT和現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試不在本文所述范圍。
　　
　　1 分析工藝要求進(jìn)行總體設(shè)計(jì)
　　每一個(gè)工程項(xiàng)目，由于行業(yè)、工藝、使用地點(diǎn)和用戶(hù)目標(biāo)等的不同，其控制系統(tǒng)必定也不盡相同，總體設(shè)計(jì)就要從上述幾方面仔細(xì)研究項(xiàng)目的技術(shù)規(guī)范書(shū)或控制要求、工藝流程圖以及相關(guān)行業(yè)和國(guó)家規(guī)范等，避免設(shè)計(jì)一開(kāi)始就偏離目標(biāo)。從方法論角度分析，總體設(shè)計(jì)可以細(xì)分為總體架構(gòu)設(shè)計(jì)和總體功能設(shè)計(jì)。一個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)工程能否順利實(shí)施，工程初期的控制系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)和總體功能設(shè)計(jì)相當(dāng)重要。前者保證了整個(gè)系統(tǒng)的完整性和各子系統(tǒng)間連接的正確性；后者保證了系統(tǒng)投運(yùn)后能滿(mǎn)足合同預(yù)定的目標(biāo)。如果一個(gè)系統(tǒng)的總體架構(gòu)存在問(wèn)題，輕者將導(dǎo)致投運(yùn)期間修改或增補(bǔ)硬件和軟件，造成人力物力浪費(fèi)；重者將導(dǎo)致各子系統(tǒng)間無(wú)法聯(lián)通且難以修改和彌補(bǔ)，造成工程的重大缺陷。而一個(gè)系統(tǒng)如果在初期缺乏總體功能設(shè)計(jì)，則系統(tǒng)缺乏方向指引，必將使工程實(shí)施多走彎路，甚至造成無(wú)法彌補(bǔ)的缺陷。 總體架構(gòu)設(shè)計(jì)的方法可以劃分為以下3個(gè)步驟：① 劃分子系統(tǒng)并確定各自的合理形式。根據(jù)工藝要求，確定哪些子系統(tǒng)是工藝上相對(duì)獨(dú)立的，哪些是物理位置上相對(duì)獨(dú)立但工藝上與其他設(shè)備有密切聯(lián)系的。前者一般設(shè)計(jì)為帶控制器的獨(dú)立系統(tǒng)，使其與其他同類(lèi)子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換最少；后者設(shè)計(jì)為遠(yuǎn)程I/O站，方便與其他設(shè)備的工藝聯(lián)鎖。這一步的結(jié)果是使得所有子系統(tǒng)都被初步歸類(lèi)。② 明確步驟①的結(jié)果是否符合控制要求和用戶(hù)習(xí)慣要求。若沖突則與用戶(hù)溝通協(xié)商，特別是原則性沖突必須告知用戶(hù)，以達(dá)成一致意見(jiàn)而完成子系統(tǒng)的最終劃分。③ 根據(jù)最終子系統(tǒng)劃分，確定它們間合理的連接方式和數(shù)量。根據(jù)上述步驟①中的原則，新增站應(yīng)設(shè)置為原系統(tǒng)的一個(gè)遠(yuǎn)程I/O站，而不是一個(gè)帶獨(dú)立控制器的系統(tǒng)。新增站設(shè)置為原系統(tǒng)的一個(gè)遠(yuǎn)程I/O站時(shí)，只需在原程序中進(jìn)行少量修改，反之增加一個(gè)帶獨(dú)立控制器的系統(tǒng)則需另外進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)通信并修改接口處的邏輯，這不僅增加了編程難度，還降低了系統(tǒng)可靠性，新增站的造價(jià)也高了許多。
　　
　　2 建立完整的I/O清冊(cè)
　　 一個(gè)完整的、正確的I/O清冊(cè)是平行高效地開(kāi)展軟硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，也是保證系統(tǒng)達(dá)到預(yù)期功能的前提。因此，總體設(shè)計(jì)完成后，在開(kāi)展軟硬件功能細(xì)化設(shè)計(jì)之前，必須對(duì)每一個(gè)子系統(tǒng)的監(jiān)控對(duì)象做一個(gè)細(xì)致的分析歸類(lèi)和統(tǒng)計(jì)，做到不遺漏、不重復(fù)和設(shè)置的I/O點(diǎn)能滿(mǎn)足預(yù)期的設(shè)備功能要求，建立完整的I/O清冊(cè)可以分為4個(gè)目標(biāo)或步驟來(lái)完成：①列出所有被監(jiān)控對(duì)象的清單；②根據(jù)監(jiān)控對(duì)象的控制要求和工藝特點(diǎn)進(jìn)行歸類(lèi)，確定每一類(lèi)對(duì)象必須設(shè)置的I/O種類(lèi)和點(diǎn)數(shù)；③根據(jù)①②列出系統(tǒng)所有監(jiān)控對(duì)象的I/O清單；④根據(jù)總體設(shè)計(jì)中子系統(tǒng)的劃分為I/O清單中的每一點(diǎn)分配一個(gè)I/O地址，以形成I/O清冊(cè)。其中第2個(gè)目標(biāo)的完成需要設(shè)計(jì)人員具備一定的工程經(jīng)驗(yàn)，并一定要核對(duì)與設(shè)備上的接口是否相適應(yīng)。從控制角度分析各類(lèi)工藝可以發(fā)現(xiàn)，一個(gè)工程項(xiàng)目中需控制的設(shè)備種類(lèi)其實(shí)并不多，大致可分為通用類(lèi)、行業(yè)／工藝專(zhuān)用類(lèi)和特殊類(lèi)3種。通用類(lèi)指電機(jī)類(lèi)、閥類(lèi)、調(diào)節(jié)控制類(lèi)和儀表檢測(cè)類(lèi)等，這類(lèi)設(shè)備占了工藝設(shè)備的絕大多數(shù)，而且隨著標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范的推進(jìn)，這部分設(shè)備的功能和接口趨于定型。電機(jī)類(lèi)的運(yùn)行和停止信號(hào)往往是從一個(gè)繼電器出來(lái)的一對(duì)相反觸點(diǎn)，故取一個(gè)信號(hào)就足夠；氣動(dòng)閥門(mén)需由電磁閥控制，其DO是針對(duì)電磁閥的，DI是從氣動(dòng)閥本體上裝的位置傳感器的出的，從成本和安裝方便考慮，一般把一個(gè)工藝主設(shè)備的幾個(gè)電磁閥放在一個(gè)電磁閥箱中，并增加一個(gè)手自動(dòng)開(kāi)關(guān)DI；汽缸式蝶閥/球閥需配雙電控電磁閥，但很多地方可以用單電控的2位五通電磁閥代替，此時(shí)DO為1點(diǎn)；氣動(dòng)隔膜閥需配單電控的2位三通以上電磁閥，常閉閥輸出用“開(kāi)”信號(hào)，反之用“關(guān)”信號(hào)。
　　 通過(guò)把建立完整的I/O清冊(cè)的目標(biāo)劃分為4個(gè)簡(jiǎn)單清晰的從屬目標(biāo)，使這項(xiàng)工作的難度降到最低，也使難度高的和工作量大的工作區(qū)分開(kāi)來(lái)以交給不同的人員完成，從而即保證了質(zhì)量，又降低了人力資源成本。
　　
　　3 控制系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)
　　功能設(shè)計(jì)是控制系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)的主體內(nèi)容，采用何種方式方法不僅會(huì)極大地影響人力資源成本，當(dāng)系統(tǒng)規(guī)模擴(kuò)大時(shí)還直接關(guān)系到能否保質(zhì)保量地完成工程設(shè)計(jì)的總體目標(biāo)。合理的功能設(shè)計(jì)應(yīng)該使系統(tǒng)具備良好的可靠性、可擴(kuò)展性和易維護(hù)性?？刂葡到y(tǒng)的功能設(shè)計(jì)從大類(lèi)上可分為硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，其中軟件設(shè)計(jì)又可分為控制器功能設(shè)計(jì)和人機(jī)接口功能設(shè)計(jì)。
　　3.1 硬件設(shè)計(jì)
　　硬件設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是根據(jù)I/O清冊(cè)及總體設(shè)計(jì)要求完成圖紙的設(shè)計(jì)與輸出并進(jìn)行設(shè)備采購(gòu)、成套及測(cè)試。由于圖紙是設(shè)備采購(gòu)和成套的依據(jù)，且必須由設(shè)計(jì)人員完成。因此，它是硬件設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容。在工程設(shè)計(jì)中研究硬件設(shè)計(jì)的方法和步驟就是要研究圖紙?jiān)O(shè)計(jì)的方法和步驟，以便提高設(shè)計(jì)的效率和質(zhì)量。圖紙?jiān)O(shè)計(jì)可分為如下4個(gè)步驟：①按照控制范圍確定圖冊(cè)目錄。如01冊(cè)為設(shè)計(jì)說(shuō)明、02冊(cè)為機(jī)柜／操作臺(tái)／箱的布置圖、03冊(cè)為端子出線圖、04冊(cè)為盤(pán)面和內(nèi)部接線圖、05冊(cè)為就地儀表安裝示意圖和單元接線圖、06冊(cè)為操作使用說(shuō)明等等。②制定圖框樣式、圖紙內(nèi)容和圖號(hào)編制規(guī)則，確定每一張圖的圖號(hào)。如PLC系統(tǒng)可規(guī)定一塊模塊對(duì)應(yīng)一張端子出線圖和一張內(nèi)部接線圖；同一內(nèi)容一張圖紙放不下可用分圖號(hào)，如XXX-2011-1/2-2/2；實(shí)在無(wú)法確定張數(shù)的內(nèi)容可采用適量空白頁(yè)等。③完成電源分配等非典型內(nèi)容的圖紙，同時(shí)為每一典型內(nèi)容設(shè)計(jì)出相應(yīng)圖紙模板。④根據(jù)相關(guān)資料分配多人完成所有圖紙。另外，圖紙?jiān)O(shè)計(jì)中需注意以下幾方面：各部分間的連接方式正確、可靠；各等級(jí)電源的分配正確、可靠；布置和接線符合相關(guān)規(guī)范；使用的合理性和方便性，以及一些特殊操作和監(jiān)視要求。工程項(xiàng)目的圖紙量隨控制系統(tǒng)的橫向規(guī)模和供貨范圍的縱向深度的加大而急劇增加，但實(shí)際每一層面的圖紙模板增加并不多。
　　
　　3.2 軟件設(shè)計(jì)
　　軟件設(shè)計(jì)分為控制器功能設(shè)計(jì)和人機(jī)接口功能設(shè)計(jì)。軟件設(shè)計(jì)是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心，其好壞直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的質(zhì)量；軟件設(shè)計(jì)是一項(xiàng)細(xì)致的工程，占據(jù)了控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的大部分時(shí)間；軟件設(shè)計(jì)又是一個(gè)有機(jī)的整體，控制器采集來(lái)的數(shù)據(jù)和對(duì)設(shè)備的控制結(jié)果需要在上位機(jī)上顯示，操作員對(duì)設(shè)備的操作既需要有上位機(jī)的操作接口，又需要控制器中有相應(yīng)功能。因此，它們之間有大量的數(shù)據(jù)需要交換和功能聯(lián)系。
　　3.2.1 控制器功能設(shè)計(jì)
　　控制器通常被稱(chēng)為下位機(jī)，是相對(duì)人機(jī)接口操作站而言的，它可以是DCS、PLC、工控機(jī)等，作用是通過(guò)組態(tài)編程完成預(yù)期的控制功能及與其他子系統(tǒng)的通信功能?？刂破鞴δ茉O(shè)計(jì)分為硬件組態(tài)和軟件編制。前者是總體及子系統(tǒng)的硬件架構(gòu)體現(xiàn)，后者則是整個(gè)控制系統(tǒng)功能的體現(xiàn)。因此，程序設(shè)計(jì)是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心，其好壞直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的質(zhì)量。一般而言，一個(gè)控制器內(nèi)的程序設(shè)計(jì)由一個(gè)人完成，甚至整個(gè)系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)由一個(gè)人完成，這樣的安排存在很大的弊端。首先，當(dāng)系統(tǒng)規(guī)模較大時(shí)，這部分工作量很大，它將成為整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的瓶頸；其次，編程人員的個(gè)人專(zhuān)業(yè)水平和工作態(tài)度往往決定了系統(tǒng)的質(zhì)量；最后，控制系統(tǒng)工程從設(shè)計(jì)開(kāi)始到出廠交付到現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試完成往往間隔時(shí)間較長(zhǎng)，期間人員流動(dòng)必將對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生極大不利影響。因此，如何用方法論的思想化解這一環(huán)節(jié)顯得十分有意義。程序設(shè)計(jì)從功能角度可以分為4部分內(nèi)容：信號(hào)處理，包括I/O信號(hào)內(nèi)存映像值到程序內(nèi)部所用值的處理、報(bào)警信號(hào)處理等；單一設(shè)備的控制；工藝要求的控制，包括邏輯控制、順序控制、過(guò)程控制；通信。信號(hào)處理和單一設(shè)備的控制反映了信號(hào)和設(shè)備的特性，數(shù)量雖多但類(lèi)型不多。因此，可以從通用性的角度設(shè)計(jì)成標(biāo)準(zhǔn)功能塊，經(jīng)過(guò)充分測(cè)試后編制使用說(shuō)明并放人功能塊軟件庫(kù)，供各控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)使用。
　　3.2.2 人機(jī)接口功能設(shè)計(jì)
　　人機(jī)接口從硬件上分為操作員站、工程師站和就地觸摸屏等，通常統(tǒng)稱(chēng)為上位機(jī)；從功能上分為監(jiān)視功能、操作功能和管理功能；從設(shè)計(jì)角度分為靜態(tài)畫(huà)面、動(dòng)態(tài)鏈接和數(shù)據(jù)處理應(yīng)用。 靜態(tài)畫(huà)面設(shè)計(jì)對(duì)設(shè)計(jì)人員要求不高，重點(diǎn)注意顏色和設(shè)備形狀的表示需符合規(guī)范，畫(huà)面風(fēng)格和劃分符合用戶(hù)要求。靜態(tài)主畫(huà)面主要指工藝主畫(huà)面，在畫(huà)面基本因素確認(rèn)后可按工藝流程圖進(jìn)行設(shè)計(jì)；靜態(tài)子畫(huà)面指為滿(mǎn)足操作要求而需在主畫(huà)面上彈出的畫(huà)面，其設(shè)計(jì)需按設(shè)備清單和程序設(shè)計(jì)中對(duì)每類(lèi)對(duì)象／子系統(tǒng)的控制要求進(jìn)行分析歸類(lèi)并制成相應(yīng)模板。 動(dòng)態(tài)鏈接的作用是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的監(jiān)視功能和操作控制功能，它的主要工作是進(jìn)行數(shù)據(jù)生成和數(shù)據(jù)與畫(huà)面設(shè)備的動(dòng)態(tài)鏈接。人機(jī)接口的數(shù)據(jù)主要是和控制器通信的I/O點(diǎn)，所以需根據(jù)程序設(shè)計(jì)中分配的點(diǎn)的地址以及所在控制器的地址，按監(jiān)控軟件數(shù)據(jù)庫(kù)和畫(huà)面模板的格式要求制成數(shù)據(jù)庫(kù)文件進(jìn)行導(dǎo)入和鏈接，從而完成監(jiān)視和控制功能。
　　
　　4 結(jié)語(yǔ) 未經(jīng)規(guī)范的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法偏重經(jīng)驗(yàn)，雖然在工程項(xiàng)目較小時(shí)或許具有快捷簡(jiǎn)便的優(yōu)點(diǎn)，但不利于項(xiàng)目的擴(kuò)展、修改和維護(hù)，對(duì)于規(guī)模較大的項(xiàng)目或在工程技術(shù)人員發(fā)生崗位變動(dòng)時(shí)更是捉襟見(jiàn)肘。本文從方法論的角度構(gòu)建的控制系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)方法，追求的是一種能夠百分百達(dá)成目標(biāo)的、能夠被復(fù)制和可操作的高效模式。相比較傳統(tǒng)做法，此方法論更加符合系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)這個(gè)應(yīng)用科學(xué)領(lǐng)域所追求的高效、規(guī)范的精神，有助于開(kāi)展團(tuán)隊(duì)合作，保證大型控制系統(tǒng)或復(fù)雜控制系統(tǒng)的質(zhì)量，推進(jìn)工程管理的效率和水平。