第2章　控制系統工程規劃

2.1　控制系統設計的基本原則與步驟

控制系統是一種應用于工程實際的技術，控制系統設計的水平及合理性將直接影響控制系統、設備運行的可靠性。如何根據不同的控制要求，設計出技術先進、運行穩定、性能可靠、安全實用、操作簡單、調試方便、維護容易的控制系統，是控制系統設計規劃的重要內容。

控制系統設計主要分為系統規劃、硬件設計、軟件設計等基本的步驟，每一部分的設計都有不同的要求。系統設計要與國際先進技術標準接軌，采用國家或國際的設計標準，電氣技術要求、電路圖形符號、文字代號原則上均執行DIN標準，并與IEC、ANSI、BS標準保持廣泛的一致性。

2.1.1　控制系統設計的基本原則

任何一種控制系統都是為了實現生產設備或生產過程的控制要求和工藝需要，從而提高生產效率和產品質量。因此，在設計控制系統時，應遵循以下基本原則。

（1）最大限度地滿足控制要求。充分發揮控制計算機的功能，最大限度地滿足被控對象的控制要求，是設計中最重要的一條原則。設計人員要深入現場進行調查研究，收集資料。同時要注意和現場工程管理和技術人員及操作人員緊密配合，共同解決重點問題和疑難問題。

（2）力求簡單、經濟、實用與維修方便。在滿足控制要求的前提下，一方面要注意不斷地擴大工程的效益；另一方面也要注意不斷地降低工程的成本。不宜盲目追求新型自動化和高指標。

（3）保證系統的安全可靠。保證控制系統能夠長期安全、可靠、穩定運行，是設計控制系統的重要原則。

（4）適應發展的需要。考慮到生產的發展和工藝的改進，在選擇控制主機的類型、型號、I/O點數和存儲器容量等內容時，應適當留有裕量，以利于控制系統的調整和擴充。

2.1.2　控制系統的設計要求

2.1.2.1　滿足控制要求

控制系統是為了滿足被控制對象（設備、生產機械、生產工藝等）的各項控制要求，使其達到設計規定的性能指標，而采用的一種現代化的控制方法與手段。系統設計必須確保能實現對象的全部動作，滿足對象的各項技術要求。

在系統設計前，設計人員必須深入生產現場，研究生產過程的工藝；研究被控對象的機械、氣動、液壓工作原理的方法，充分了解設備、生產機械需要實現的動作和應具備的功能；掌握各工藝參數之間的關系以及設備中各種執行元件的性能與參數，以便有的放矢地開展設計工作。

在此基礎上，設計人員應首先進行控制系統的規劃，確定系統的總體方案和控制系統的類型，明確為了實現不同控制要求，在系統中所采取的措施，并選定主要的組成部件。

總體方案設計完成后，設計人員應會同工藝、機械、電氣等設計人員、操作者、用戶、供應商等，對總體方案設計進行評審，并取得項目有關部門與技術人員、操作者的認可。在充分聽取各方面意見的基礎上，設計者決定是否需要對總體設計方案進行修改。當方案有重大更改時，在修改方案完成后，還需再次進行總體方案的評審。

2.1.2.2　確保安全可靠性

在系統總體方案確定后的具體技術設計階段，設計人員必須首先考慮系統的安全性與可靠性，確保控制系統能夠長時間安全、穩定、可靠地工作。

控制系統的安全性包括確保操作人員人身安全與設備安全兩大方面。

控制系統的設計必須符合各種相關安全標準（如CE標準）的規定。在設計中充分考慮各種安全防護措施，如安全電路、安全防護等。而且對于涉及人身安全的部件，必須在控制系統設計時進行嚴格的動作“互鎖”，嚴防發生危及操作者安全的事故。

設備安全是控制系統設計人員必須考慮的問題。尤其要重視設備運行過程中出現部件故障或其他原因的緊急停機情況，控制系統的動作必須迅速、可靠、安全。

控制系統設計中，必須采用符合EN標準要求的安全電路；應考慮到控制主機本身發生故障的可能性；安全電路必須利用電磁動作元件組成，并且滿足“強制執行”條件。

控制系統運行的穩定性與可靠性是系統設計成敗的關鍵。控制系統的動作不可靠，不僅會導致設備的運行故障，影響生產的質量和生產效率，而且可能引發安全事故。

在保證安全性要求的前提下，簡化系統結構，簡化操作、簡化線路、簡化程序不僅可以降低成本，而且也是提高系統可靠性的重要措施。嚴格按照控制系統的設計規范與要求進行設計，按照控制系統的安裝要求進行安裝，規范的布線與施工，對用戶程序進行多方檢查與試驗，采取正確的抗干擾措施等，都是提高系統可靠性的重要手段。

2.1.2.3　簡化系統結構

在能夠安全滿足控制對象的各項控制要求，確保系統安全性、可靠性，不影響系統自動化程度與功能的前提下，系統的設計應盡可能簡單、實用。簡化系統結構不僅僅是降低生產制造成本的需要，而且也是提高系統可靠性的重要措施。

簡化系統包括簡化操作、簡化線路、簡化程序等方面。

系統設計應具有良好的操作性能，為操作者提供友好的界面，盡可能為操作、使用提供便利。設計不但要考慮人機工程學，而且應盡可能減少不必要的控制按鈕等操作元件的數量（有關安全的除外），簡化操作過程。設備的操作過程應簡潔、明了、方便、容易。

系統控制線路的設計必須簡單、可靠，應盡可能減少不必要的控制器件與連線。簡單、實用的控制線路不僅可以降低生產制造成本，更重要的是它可以提高系統工作的可靠性，方便使用與維修。

控制系統用戶程序要盡量簡化，使用的指令應簡潔、明了，要杜絕人為地使程序復雜化，有意為他人理解程序增加困難的現象。

2.1.3　控制系統設計的一般步驟

控制系統設計可分為系統規劃、硬件設計、軟件設計、系統調試以及技術文件的編制五個階段。控制系統的設計、調試流程如圖2.1所示。

2.1.3.1　系統規劃

系統規劃為設計的第一步，內容包括確定控制系統方案與總體設計兩部分。確定控制系統方案時，應首先明確控制對象所需要實現的動作與功能、生產工藝要求與設備的現場布置情況；在此基礎上確定系統的技術實現手段，選擇系統的總體結構形式與組成部件。

系統規劃的具體內容包括：明確控制要求、確定系統類型、明確硬件配置；選擇控制主機型號，確定I/O模塊的數量與規格，選擇特殊功能模塊；選擇人機界面、檢測儀表、執行儀表等；選擇系統軟件和組態軟件。

2.1.3.2　硬件設計

硬件設計是在系統規劃與總體設計完成后的技術設計。在這一階段，設計人員需要根據總體方案完成控制原理圖、連接圖、元件布置圖、接線圖等基本圖樣的設計工作。

在此基礎上，應匯編完整的儀表電器元件目錄與配套件清單，提供給采購供應部門購買相關的組成部件。同時，根據控制系統的安裝要求與用戶的環境條件，結合所設計的控制原理圖、連接圖、布置圖，完成用于安裝以上電器元件的控制柜、操作臺等部件的設計。

設計完成后，將全部圖樣與外購元器件、標準件等匯編成統一的基本件、外購件、標準件明細表（目錄），提供給生產、供應部門組織生產與采購。

2.1.3.3　軟件設計

控制系統的軟件設計主要是編制用戶程序、特殊功能模塊控制軟件、確定CPU模塊以及功能模塊的設定參數（如需要）等。它可以與系統電器儀表元件安裝柜、操縱臺的制作、元器件的采購同步進行。

軟件設計應根據所確定的總體方案與已經完成的電氣控制原理圖，按照原理圖所確定的I/O地址，編寫實現控制要求與功能的用戶程序。為了方便調試、維修，通常需要在軟件設計階段同時編寫出程序說明書、I/O地址表、注釋表等輔助文件。

在程序設計完成后，一般應通過控制系統編程軟件所具備的診斷功能對程序進行基本的檢查，排除程序中的電路與語法錯誤。在有條件時，應通過必要的模擬與仿真手段，對程序進行模擬與仿真試驗。對于初次使用的伺服驅動器、變頻器、檢測儀表、執行儀表等部件，可以通過檢查與運行的方法，事先進行離線調整與測試，以縮短現場調試的周期。

2.1.3.4　現場調試

控制系統的現場調試是檢查、優化控制系統硬件、軟件設計，提高控制系統可靠性的重要步驟。為了防止調試過程中可能出現的問題，確保調試工作的順利進行，現場調試應在完成控制系統的安裝、接線、用戶程序編制后，按照調試前的檢查、硬件調試、軟件調試、空運行試驗、可靠性試驗、實際運行試驗等規定的步驟進行。

在調試階段，一切均應以滿足控制要求，確保系統安全、可靠運行為最高準則，它是檢驗硬件、軟件設計正確的唯一標準，任何影響系統安全性與可靠性的設計，都必須予以修改，決不可以遺留事故隱患，以免導致嚴重后果。

2.1.3.5　編制技術文件

在設備安全、可靠運行得到確認后，設計人員可以著手進行系統技術文件的編制工作，如修改控制原理圖、接線圖等；編寫設備操作、使用說明書，備份控制系統用戶程序；記錄調整、設定參數，等等。

文件的編寫應正確、全面，必須保證圖紙與實物一致，控制原理圖、用戶程序、設定參數必須為調試完成后的最終版本。

文件的編寫應規范、系統，盡可能為設備使用者以及今后的維修工作提供方便。

2.1.4　控制主機總體設計

選擇控制計算機，主要是確定控制計算機的生產廠家與型號。對于分布式系統、遠程I/O系統，還需要考慮網絡化通信的要求。

確定控制計算機生產廠家，主要應考慮設備使用等的要求、設計使用等的習慣、熟悉程度、配套產品的一致性以及編程器等附加設備的通用性、技術服務等方面的因素。從控制計算機本身的可靠性考慮，原則上只要是國外大公司生產的產品，都不應存在此問題。

一般來說，對于初次使用控制計算機的用戶或者是用于控制獨立設備（單機控制）的場合，采用小型的控制計算機產品（如S7-200），相對來說性能價格比較高，入門也較容易。對于系統規模較大、網絡通信功能要求高、開放性好的控制計算機系統，遠程控制系統，選用歐美生產的控制計算機，可以為網絡通信功能的發揮提供一定的便利。當然，產品的技術支持與服務、價格等因素也是選擇控制主機時所必須考慮的問題。

在控制計算機生產廠家確定后，控制計算機的型號主要決定于控制系統的技術要求前提下，必須考慮生產成本。從技術的角度考慮，以下指標是選擇控制計算機型號時應引起注意的問題。

2.1.4.1　CPU性能

控制計算機的CPU性能主要涉及處理器的“位數”、運算速度、用戶存儲器的容量、編程能力（指令的功能、內部繼電器、定時器、計數器、寄存器、內存的數量等）、軟件開發能力、通信能力等方面。在使用特殊功能模塊、特殊外部設備或是需要網絡連接的場合，應考慮到CPU的功能與以上要求相適應。

此外，在滿足控制要求的前提下，CPU的價格也是需要設計人員考慮的問題之一，選擇的控制計算機既要滿足系統的功能要求，同時也應該充分利用其功能，避免不必要的浪費。

2.1.4.2　I/O點數

控制計算機的輸入/輸出點數是控制主機的基本參數之一。I/O點數的確定，應以上述的I/O點匯總表為依據。在正常情況下，控制計算機的I/O點可以適當留有余量，但同時也必須考慮生產制造成本。對于以下情況，應適當考慮增加一定的I/O余量：

（1）控制對象的部分要求不明確，存在要求改變可能；

（2）I/O點統計不完整，設計階段或者現場調試時增加I/O點；

（3）控制主機擴展較困難，但控制系統存在變動可能性；

（4）使用環境條件相對較差，控制主機工作負荷較重；

（5）維修服務不方便，配件供應周期較長。

I/O點（包括程序存儲器容量）的余量選擇無規定的要求，更沒有固定的計算公式，一般情況下要求10％～20％的余量，但有時會超出這個范圍，應該根據實際情況進行才能做到科學與合理。

2.1.4.3　功能模塊的配套

選擇控制計算機時應考慮到功能模塊配套的可能性。選用功能模塊涉及硬件與軟件兩個方面。在硬件上，首先應保證功能模塊可以方便地與控制計算機進行連接，控制計算機應有連接、安裝位置的相關接口、連接電線等附件。在軟件上，控制計算機應有對應的控制功能，可以方便地對功能模塊進行編程。

2.1.4.4　通信能力

對于分布式控制系統、遠程I/O控制系統，控制計算機的通信功能是必須考慮的問題。而對于集中控制系統或單機控制系統，既要考慮到用戶現有外部調試設備等的正常使用，還應考慮到用戶管理水平的提高與技術發展的可能性。增強通信功能，既是信息技術發展的基本要求，也是當前控制計算機的技術發展方向之一。因此，在選擇控制計算機通信能力方面，應有一定的超前意識，保留系統的發展空間。

2.1.4.5　確定模塊

在控制計算機基本型號、規格確定后，可以逐一根據控制要求，確定控制計算機各組成部分的基本規格與參數，選擇組成模塊的型號。確定模塊型號時，應考慮如下因素。

（1）方便性。一般來說，作為控制計算機，滿足控制要求的模塊規格往往有多種，選樣時應以簡化線路設計、方便使用、盡可能減少外部控制器件為原則。

對于輸入模塊，應優先選擇能與外部檢測元件直接連接的輸入形式，避免使用接口轉換電路。

對于輸出模塊，應優先選擇能直接驅動負載的輸出模塊，盡量少使用中間器件等。這樣，不僅可以簡化線路設計、方便使用，還可以在一定程度上降低生產制造成本，提高系統可靠性。

（2）通用性。選用模塊時，需要考慮到控制計算機各組成模塊的統一與通用，避免模塊種類過多。這樣不僅有利于采購，減少備品、備件，為安裝、施工提供方便，同時控制計算機以增加系統組成部件的互換性，為設計、調試、維修提供幫助。

當產品系列提供或需要構成生產線的，還應考慮到不同設備間各組成模塊的一致性，以方便組織生產、調試、維修。

（3）兼容性。選擇控制計算機各組成模塊時，應考慮采購、安裝、服務的便利，以及設計、調試、維修等的因素，組成控制系統的各主要部件生產廠家不宜過多。

通過批量訂貨，不僅可以降低生產制造成本，更重要的是同一生產廠家提供的部件，相互兼容性好，技術要求統一，可以為系統設計及技術服務、維修等提供方便。

2.1.5　工業防爆危險區的防爆等級

工業生產過程中，一些環境會存在不同程度的危險性。危險區域的含義是對該地區實際存在危險可能性的量度。由此規定其適用的防爆形式。在一些特種行業對儀器儀表、執行機構、控制設備等具有一定的防爆要求和阻燃性要求。國際電工委員會和歐美國家也對某些電子產品規定了防爆標準，分為6個等級。

Zone 0　連續或長期存在爆炸性氣體。

Zone 1　可能出現爆炸性氣體環境（<1000小時/年）。

Zone 2　極偶然出現爆炸性氣體環境，并且為短時間存在（<10小時/年）。

Zone 20　連續或長期存在爆炸性粉塵。

Zone 21　可能出現爆炸性粉塵環境（<1000小時/年）。

Zone 22　極偶然出現爆炸性粉塵環境，并且為短時間存在（<10小時/年）。

中國劃分的有效區域與上述相同。

爆炸性氣體環境的分區是采取電氣防爆措施的前提。對于具有潛在爆炸危險性的環境，劃分危險區域主要考慮的因素有：

①存在爆炸性氣體的可能性；

②爆炸性氣體的釋放量；

③爆炸性氣體的特征（如氣體的密度等）；

④環境條件（主要是通風，還包括氣壓、溫度、濕度等）；

⑤遠離釋放源的距離。

在工業生產過程中，儀表設備必須根據危險區域的等級選擇不低于該等級的防爆設備。防爆方法對危險場所的適應性如表2.1所示。