在控制系统工程设计中, 常采用的是化繁为简的方法, 或称目标变换法, 即将主目标分解成若干个从属目标, 通过从属目标的一一实现继而达到主目标, 这是一种合理、规范而科学的框架模型。分析各类自动化控制系统, 不论其工艺对象是石油、化工、电力还是机械等, 也不论其主控制器是采用DCS、PLC、FCS还是嵌人式计算机系统等, 工程设计的一般步骤:分析工艺要求进行总体设计—确定具体监控对象完整I/O清册—分析对象特点进行详细功能设计—功能实现和测试—FAT—现场安装调试—SAT。各从属目标也可进一步分解, 直至各从属目标变得简单明了, 进而根据时间变量和人力变量的具体情况进行分配, 从而既能保证主目标的实现, 又能使资源成本最低。前三个步骤是自动化控制系统工程设计的主要内容, 也是本文的重点。限于篇幅, FAT、SAT和现场安装调试不在本文所述范围。
每一个工程项目, 由于行业、工艺、使用地点和用户目标等的不同, 其控制系统必定也不尽相同, 总体设计就要从上述几方面仔细研究项目的技术规范书或控制要求、工艺流程图以及相关行业和国家规范等, 避免设计一开始就偏离目标。从方法论角度分析, 总体设计可以细分为总体架构设计和总体功能设计。一个自动化系统工程能否顺利实施, 工程初期的控制系统架构设计和总体功能设计相当重要。前者保证了整个系统的完整性和各子系统间连接的正确性;后者保证了系统投运后能满足合同预定的目标。如果一个系统的总体架构存在问题, 轻者将导致投运期间修改或增补硬件和软件, 造成人力物力浪费;重者将导致各子系统间无法联通且难以修改和弥补, 造成工程的重大缺陷。而一个系统如果在初期缺乏总体功能设计, 则系统缺乏方向指引, 必将使工程实施多走弯路, 甚至造成无法弥补的缺陷。总体架构设计的方法可以划分为以下3个步骤: (1) 划分子系统并确定各自的合理形式。根据工艺要求, 确定哪些子系统是工艺上相对独立的, 哪些是物理位置上相对独立但工艺上与其他设备有密切联系的。前者一般设计为带控制器的独立系统, 使其与其他同类子系统的数据交换最少;后者设计为远程I/O站, 方便与其他设备的工艺联锁。这一步的结果是使得所有子系统都被初步归类。 (2) 明确步骤 (1) 的结果是否符合控制要求和用户习惯要求。若冲突则与用户沟通协商, 特别是原则性冲突必须告知用户, 以达成一致意见而完成子系统的最终划分。 (3) 根据最终子系统划分, 确定它们间合理的连接方式和数量。根据上述步骤 (1) 中的原则, 新增站应设置为原系统的一个远程I/O站, 而不是一个带独立控制器的系统。新增站设置为原系统的一个远程I/O站时, 只需在原程序中进行少量修改, 反之增加一个带独立控制器的系统则需另外进行大量的数据通信并修改接口处的逻辑, 这不仅增加了编程难度, 还降低了系统可靠性, 新增站的造价也高了许多。
一个完整的、正确的I/O清册是平行高效地开展软硬件设计的基础, 也是保证系统达到预期功能的前提。因此, 总体设计完成后, 在开展软硬件功能细化设计之前, 必须对每一个子系统的监控对象做一个细致的分析归类和统计, 做到不遗漏、不重复和设置的I/O点能满足预期的设备功能要求, 建立完整的I/O清册可以分为4个目标或步骤来完成: (1) 列出所有被监控对象的清单。 (2) 根据监控对象的控制要求和工艺特点进行归类, 确定每一类对象必须设置的I/O种类和点数。 (3) 根据 (1) 、 (2) 列出系统所有监控对象的I/O清单。 (4) 根据总体设计中子系统的划分为I/O清单中的每一点分配一个I/O地址, 以形成I/O清册。其中第2个目标的完成需要设计人员具备一定的工程经验, 并一定要核对与设备上的接口是否相适应。从控制角度分析各类工艺可以发现, 一个工程项目中需控制的设备种类其实并不多, 大致可分为通用类、行业/工艺专用类和特殊类3种。通用类指电机类、阀类、调节控制类和仪表检测类等, 这类设备占了工艺设备的绝大多数, 而且随着标准与规范的推进, 这部分设备的功能和接口趋于定型。电机类的运行和停止信号往往是从一个继电器出来的一对相反触点, 故取一个信号就足够;气动阀门需由电磁阀控制, 其DO是针对电磁阀的, DI是从气动阀本体上装的位置传感器的出的, 从成本和安装方便考虑, 一般把一个工艺主设备的几个电磁阀放在一个电磁阀箱中, 并增加一个手自动开关DI;汽缸式蝶阀/球阀需配双电控电磁阀, 但很多地方可以用单电控的2位五通电磁阀代替, 此时DO为1点;气动隔膜阀需配单电控的2位三通以上电磁阀, 常闭阀输出用“开”信号, 反之用“关”信号。
通过把建立完整的I/O清册的目标划分为4个简单清晰的从属目标, 使这项工作的难度降到最低, 也使难度高的和工作量大的工作区分开来以交给不同的人员完成, 从而即保证了质量, 又降低了人力资源成本。
功能设计是控制系统工程设计的主体内容, 采用何种方式方法不仅会极大地影响人力资源成本, 当系统规模扩大时还直接关系到能否保质保量地完成工程设计的总体目标。合理的功能设计应该使系统具备良好的可靠性、可扩展性和易维护性。控制系统的功能设计从大类上可分为硬件设计和软件设计, 其中软件设计又可分为控制器功能设计和人机接口功能设计。
硬件设计的主要任务是根据I/O清册及总体设计要求完成图纸的设计与输出并进行设备采购、成套及测试。由于图纸是设备采购和成套的依据, 且必须由设计人员完成。因此, 它是硬件设计的主要内容。在工程设计中研究硬件设计的方法和步骤就是要研究图纸设计的方法和步骤, 以便提高设计的效率和质量。图纸设计可分为如下4个步骤: (1) 按照控制范围确定图册目录。如01册为设计说明、02册为机柜/操作台/箱的布置图、03册为端子出线图、04册为盘面和内部接线图、05册为就地仪表安装示意图和单元接线图、06册为操作使用说明等等。 (2) 制定图框样式、图纸内容和图号编制规则, 确定每一张图的图号。如PLC系统可规定一块模块对应一张端子出线图和一张内部接线图;同一内容一张图纸放不下可用分图号, 如X X X-2 0 1 1-1/2-2/2;实在无法确定张数的内容可采用适量空白页等。 (3) 完成电源分配等非典型内容的图纸, 同时为每一典型内容设计出相应图纸模板。 (4) 根据相关资料分配多人完成所有图纸。另外, 图纸设计中需注意以下几方面:各部分间的连接方式正确、可靠;各等级电源的分配正确、可靠;布置和接线符合相关规范;使用的合理性和方便性, 以及一些特殊操作和监视要求。工程项目的图纸量随控制系统的横向规模和供货范围的纵向深度的加大而急剧增加, 但实际每一层面的图纸模板增加并不多。
软件设计分为控制器功能设计和人机接口功能设计。软件设计是控制系统设计的核心, 其好坏直接影响到整个系统的质量;软件设计是一项细致的工程, 占据了控制系统设计的大部分时间;软件设计又是一个有机的整体, 控制器采集来的数据和对设备的控制结果需要在上位机上显示, 操作员对设备的操作既需要有上位机的操作接口, 又需要控制器中有相应功能。因此, 它们之间有大量的数据需要交换和功能联系。
控制器通常被称为下位机, 是相对人机接口操作站而言的, 它可以是DCS、PLC、工控机等, 作用是通过组态编程完成预期的控制功能及与其他子系统的通信功能。控制器功能设计分为硬件组态和软件编制。前者是总体及子系统的硬件架构体现, 后者则是整个控制系统功能的体现。因此, 程序设计是控制系统设计的核心, 其好坏直接影响到整个系统的质量。一般而言, 一个控制器内的程序设计由一个人完成, 甚至整个系统的程序设计由一个人完成, 这样的安排存在很大的弊端。首先, 当系统规模较大时, 这部分工作量很大, 它将成为整个系统设计的瓶颈;其次, 编程人员的个人专业水平和工作态度往往决定了系统的质量;最后, 控制系统工程从设计开始到出厂交付到现场调试完成往往间隔时间较长, 期间人员流动必将对系统产生极大不利影响。因此, 如何用方法论的思想化解这一环节显得十分有意义。程序设计从功能角度可以分为4部分内容:信号处理, 包括I/O信号内存映像值到程序内部所用值的处理、报警信号处理等;单一设备的控制;工艺要求的控制, 包括逻辑控制、顺序控制、过程控制;通信。信号处理和单一设备的控制反映了信号和设备的特性, 数量虽多但类型不多。因此, 可以从通用性的角度设计成标准功能块, 经过充分测试后编制使用说明并放人功能块软件库, 供各控制系统设计时使用。
人机接口从硬件上分为操作员站、工程师站和就地触摸屏等, 通常统称为上位机;从功能上分为监视功能、操作功能和管理功能;从设计角度分为静态画面、动态链接和数据处理应用。静态画面设计对设计人员要求不高, 重点注意颜色和设备形状的表示需符合规范, 画面风格和划分符合用户要求。静态主画面主要指工艺主画面, 在画面基本因素确认后可按工艺流程图进行设计;静态子画面指为满足操作要求而需在主画面上弹出的画面, 其设计需按设备清单和程序设计中对每类对象/子系统的控制要求进行分析归类并制成相应模板。动态链接的作用是实现系统的监视功能和操作控制功能, 它的主要工作是进行数据生成和数据与画面设备的动态链接。人机接口的数据主要是和控制器通信的I/O点, 所以需根据程序设计中分配的点的地址以及所在控制器的地址, 按监控软件数据库和画面模板的格式要求制成数据库文件进行导入和链接, 从而完成监视和控制功能。
未经规范的传统设计方法偏重经验, 虽然在工程项目较小时或许具有快捷简便的优点, 但不利于项目的扩展、修改和维护, 对于规模较大的项目或在工程技术人员发生岗位变动时更是捉襟见肘。本文从方法论的角度构建的控制系统工程设计方法, 追求的是一种能够百分百达成目标的、能够被复制和可操作的高效模式。相比较传统做法, 此方法论更加符合系统工程设计这个应用科学领域所追求的高效、规范的精神, 有助于开展团队合作, 保证大型控制系统或复杂控制系统的质量, 推进工程管理的效率和水平。
摘要：在我国经济快速发展、国家积极提倡努力建设创新型社会的今天, 研究控制系统工程设计的共性方法, 寻找一种具有普遍意义的模式和方法具有重要的现实意义而且迫在眉睫。随着计算机和电子技术的飞速发展以及各行业控制系统日趋规模化和信息化, 自动化控制系统的设计要求也不断提高, 相应的人力资源成本也日趋增加。由于任何一个控制系统因具体工艺细节要求的不同而不同。因此, 几乎没有完全相同的两个系统 (除完全拷贝的) 。控制系统集成者往往凭借个人经验来完成控制系统设计, 所以在系统设计过程中存在大量的重复的人力资源成本。
关键词：控制系统,总体设计,功能设计,软件,硬件,控制器
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