2.4　下位控制軟件的設計規劃

2.4.1　下位控制軟件的基本規劃

在對控制軟件系統進行設計開發前，必須要進行合理的規劃。過程控制的軟件系統設計有很多規劃方法，圖2.4按項目內容給出了過程控制軟件設計規劃的基本方法。基本的規劃步驟為：

（1）將復雜的控制系統細分為多個任務，可以根據過程參數的相互作用關系，將控制系統劃分為多個任務區域；

（2）對各任務區域進行描述，提出各參數之間的相互作用關系；

（3）確定各個任務區域的安全要求，逐條列出安全條件和安全指標；

（4）列出操作員面板需要操作、顯示和控制的參數，為上位監控和下位控制提供參數變量；

（5）創建組態編程的圖表，為控制系統的組態編程提供指導。

2.4.2　將過程劃分為任務和區域

控制過程包含大量的單個任務，通過在過程內識別相關任務組，然后將這些組分成更小的任務，這種方法也可以定義最為復雜的過程。下面以工業混料控制過程實例來說明如何將過程劃分為一些功能區域和單個任務。定義要控制的過程后，將項目分成相關的組或區域。圖2.5為工業混料過程控制流程圖以及組和區域的劃分方法。由圖中可見，整個工業混料控制過程分為4個不同的區域。配料A區包含設備為配料進料泵、入口閥、進料閥、流量計；配料B區包含設備為配料進料泵、入口閥、進料閥、流量計；混料罐區包含攪拌機、罐液位開關；排料區包含排料閥。

2.4.3　單個功能區域的描述

在過程內描述每個區域和任務時，不僅需要定義每個區域的操作，還需要定義控制該區域的不同元件。這些元件包括：①每個任務的電氣、機械和邏輯輸入或輸出；②單個任務之間的互鎖和相互關系。

上述工業混料控制過程實例使用泵、電機和閥。需要準確描述識別操作期間所要求的操作特性和互鎖類型。下面提供了描述工業混料控制過程中所使用設備的實例。描述完成后，也可以使用它來訂購需要的設備。

（1）配料A/B進料泵的描述。

①進料泵將配料A和B傳送到混料罐。進料流速為400gal/min，進料泵額定值為轉速1200r/min、功率為100kW。

②通過混料罐附近的操作員站控制泵（啟動/停止）。計數啟動次數以用于保護。可通過一個按鈕將計數器和顯示器復位。

③要操作泵，必須滿足以下條件：a.混料罐不滿；b.混料罐的排料閥閉合；c.沒有激活緊急斷電。

④如果滿足以下條件，泵將關閉：a.啟動泵電機7s后，流量計指示無流量；b.流量計指示停止流動。

（2）配料A/B入口和進料閥的描述。

①配料A和B的入口閥和進料閥可允許或防止配料流入混料罐中。閥有一個具有彈簧復位的螺線管。要求：a.激活螺線管時，打開閥；b.取消激活螺線管時，關閉閥。

②由用戶程序控制入口閥和進料閥。

③要激活閥，必須滿足下列條件：進料泵已經運行1s以上。

④如果滿足下列條件，泵將關閉：流量計指示無流量。

（3）攪拌電機的描述

①攪拌電機在混料罐中混合配料A和配料B。電機的額定轉速為1200r/min的額定功率為100kW。

②通過混料罐附近操作員站控制攪拌電機（啟動/停止）。計數啟動次數以用于保護。可通過一個按鈕將計數器和顯示器復位。

③要操作泵，必須滿足以下條件：a.罐液位開關沒有指示“罐液位低于最小值”；b.混料罐的排料閥閉合；c.沒有激活緊急斷電。

④如果滿足下列條件，泵將關閉：流量計在電動機啟動后10s內，不指示已經到達額定速度。

（4）排料閥

①排料閥允許將混料物（通常為重力進料）排放到過程中的下一個階段。閥具有一個彈簧復位的螺線管。要求：a.激活閥時，打開出口閥；b.取消激活螺旋管時，閉合出口閥。

②通過操作員站控制出口閥（打開/關閉）。

③可在下列條件下打開排料閥：a.攪拌電機關閉；b.罐液位開關沒有指示“空罐”；c.沒有激活緊急斷電。

④如果滿足以下條件，泵將關閉：罐液位開關指示“罐空”。

（5）罐液位開關。混料罐中的液位開關指示罐中的液位，用于互鎖進料和攪拌電機。

2.4.4　列出儀表I/O和創建I/O圖

（1）儀表I/O圖。寫完要控制的每個設備的物理描述后，需繪制每個設備或任務區域的輸入和輸出圖（圖2.6）。這些圖與要編程的邏輯塊相一致。

（2）電機I/O圖。見圖2.7。在工業混料過程的實例中使用兩個進料泵和一個攪拌機，每個電機都由其自身的“電機塊”控制，該塊對所有三個設備都相同，該塊要求6個輸入：兩個輸入用于啟動或停止電機，一個輸入用于復位維護顯示器，一個輸入用于電機響應信號（電機運行/停止），一個輸入用于時間，在該時間內必須接收響應信號，一個輸入用于測量時間的計時器。邏輯塊還要求四個輸出：兩個輸出指示電機的操作狀態，一個輸出指示故障，另一個輸出用于指示應該開發維護電機。需要輸入/輸出來激活電機。它用于控制電機，但同時可在“電機塊”的程序中進行編輯和修改。

（3）控制閥I/O圖。見圖2.8。每個閥都由其自身的“閥塊”控制，該塊對于所使用的所有閥都相同。邏輯塊有兩個輸入：一個輸入用于打開閥，一個輸入用于關閉閥。它還有兩個輸出：一個輸出用于指示閥打開，另一個輸出用于指示閥閉合。閥塊有一個輸入/輸出，用于激活閥。它用于控制閥，但同時也可在“閥塊”的程序中進行編輯和修改。

2.4.5　建立安全要求

根據法律要求和人身健康及安全政策，確定需要哪些附加元件，以確保過程安全，在描述中，還應該包括安全元件對過程區域的所有影響。

（1）定義安全要求。查找要求硬件電路滿足安全要求的設備類型，通過定義，這些安全電路可獨立于控制計算機進行操作（雖然安全電路通常提供I/O接口，允許用戶程序協調操作）。

通常，可以組態矩陣式，在其自身的緊急斷電范圍內連接每個執行器，該矩陣式是安全電路的電路圖基礎。按如下執行來設計安全機制。

①確定單個自動化任務之間的邏輯和機械/電氣互鎖。

②設計電路，允許在緊急情況下手動操作屬于該過程的設備。

③為確保操作過程安全，需建立更多安全要求。

（2）創建安全電路。

工業混料過程實例使用下列邏輯電路作為安全電路。

①緊急斷電開關切斷下列設備電源，與控制計算機無關。

a.配料A的進料泵；b.配料B的進料泵；c.攪拌器電機；d.閥。

②緊急斷電開關位于操作員站上。

③控制器的一個輸入指示緊急斷電開關的狀態。

2.4.6　描述所要求的操作界面顯示和控制

每個過程都要求有一個操作員界面，允許人員進行干預。部分設計規范包括操作員控制臺設計。在本例所述的工業混料過程中，可由操作員控制臺上的按鈕啟動或停止每個設備。如圖2.9所示，該操作員控制臺包括顯示操作狀態的指示燈，控制臺還包括顯示燈，用于指示經過一定啟動次數后要求維護的設備，以及緊急斷電開關，通過開關可立即終止過程，控制臺還有一個復位按鈕，用于三臺電機的維護顯示。通過該按鈕，可以關閉指示應該維護電機的維護指示燈，并將相應的計數器復位到0。

2.4.7　創建組態圖

將涉及要求文檔化后，必須決定項目所要求的控制設備類型。通過確定希望使用哪些模塊，還可以確定控制主機的結構，創建一個確定下列各項的組態圖：①CPU型號；②I/O模塊的編號和類型；③組態物理輸入和輸出。圖2.10介紹工業混料過程的控制軟件組態圖。