第2章　控制系统工程规划

2.1　控制系统设计的基本原则与步骤

控制系统是一种应用于工程实际的技术，控制系统设计的水平及合理性将直接影响控制系统、设备运行的可靠性。如何根据不同的控制要求，设计出技术先进、运行稳定、性能可靠、安全实用、操作简单、调试方便、维护容易的控制系统，是控制系统设计规划的重要内容。

控制系统设计主要分为系统规划、硬件设计、软件设计等基本的步骤，每一部分的设计都有不同的要求。系统设计要与国际先进技术标准接轨，采用国家或国际的设计标准，电气技术要求、电路图形符号、文字代号原则上均执行DIN标准，并与IEC、ANSI、BS标准保持广泛的一致性。

2.1.1　控制系统设计的基本原则

任何一种控制系统都是为了实现生产设备或生产过程的控制要求和工艺需要，从而提高生产效率和产品质量。因此，在设计控制系统时，应遵循以下基本原则。

（1）最大限度地满足控制要求。充分发挥控制计算机的功能，最大限度地满足被控对象的控制要求，是设计中最重要的一条原则。设计人员要深入现场进行调查研究，收集资料。同时要注意和现场工程管理和技术人员及操作人员紧密配合，共同解决重点问题和疑难问题。

（2）力求简单、经济、实用与维修方便。在满足控制要求的前提下，一方面要注意不断地扩大工程的效益；另一方面也要注意不断地降低工程的成本。不宜盲目追求新型自动化和高指标。

（3）保证系统的安全可靠。保证控制系统能够长期安全、可靠、稳定运行，是设计控制系统的重要原则。

（4）适应发展的需要。考虑到生产的发展和工艺的改进，在选择控制主机的类型、型号、I/O点数和存储器容量等内容时，应适当留有裕量，以利于控制系统的调整和扩充。

2.1.2　控制系统的设计要求

2.1.2.1　满足控制要求

控制系统是为了满足被控制对象（设备、生产机械、生产工艺等）的各项控制要求，使其达到设计规定的性能指标，而采用的一种现代化的控制方法与手段。系统设计必须确保能实现对象的全部动作，满足对象的各项技术要求。

在系统设计前，设计人员必须深入生产现场，研究生产过程的工艺；研究被控对象的机械、气动、液压工作原理的方法，充分了解设备、生产机械需要实现的动作和应具备的功能；掌握各工艺参数之间的关系以及设备中各种执行元件的性能与参数，以便有的放矢地开展设计工作。

在此基础上，设计人员应首先进行控制系统的规划，确定系统的总体方案和控制系统的类型，明确为了实现不同控制要求，在系统中所采取的措施，并选定主要的组成部件。

总体方案设计完成后，设计人员应会同工艺、机械、电气等设计人员、操作者、用户、供应商等，对总体方案设计进行评审，并取得项目有关部门与技术人员、操作者的认可。在充分听取各方面意见的基础上，设计者决定是否需要对总体设计方案进行修改。当方案有重大更改时，在修改方案完成后，还需再次进行总体方案的评审。

2.1.2.2　确保安全可靠性

在系统总体方案确定后的具体技术设计阶段，设计人员必须首先考虑系统的安全性与可靠性，确保控制系统能够长时间安全、稳定、可靠地工作。

控制系统的安全性包括确保操作人员人身安全与设备安全两大方面。

控制系统的设计必须符合各种相关安全标准（如CE标准）的规定。在设计中充分考虑各种安全防护措施，如安全电路、安全防护等。而且对于涉及人身安全的部件，必须在控制系统设计时进行严格的动作“互锁”，严防发生危及操作者安全的事故。

设备安全是控制系统设计人员必须考虑的问题。尤其要重视设备运行过程中出现部件故障或其他原因的紧急停机情况，控制系统的动作必须迅速、可靠、安全。

控制系统设计中，必须采用符合EN标准要求的安全电路；应考虑到控制主机本身发生故障的可能性；安全电路必须利用电磁动作元件组成，并且满足“强制执行”条件。

控制系统运行的稳定性与可靠性是系统设计成败的关键。控制系统的动作不可靠，不仅会导致设备的运行故障，影响生产的质量和生产效率，而且可能引发安全事故。

在保证安全性要求的前提下，简化系统结构，简化操作、简化线路、简化程序不仅可以降低成本，而且也是提高系统可靠性的重要措施。严格按照控制系统的设计规范与要求进行设计，按照控制系统的安装要求进行安装，规范的布线与施工，对用户程序进行多方检查与试验，采取正确的抗干扰措施等，都是提高系统可靠性的重要手段。

2.1.2.3　简化系统结构

在能够安全满足控制对象的各项控制要求，确保系统安全性、可靠性，不影响系统自动化程度与功能的前提下，系统的设计应尽可能简单、实用。简化系统结构不仅仅是降低生产制造成本的需要，而且也是提高系统可靠性的重要措施。

简化系统包括简化操作、简化线路、简化程序等方面。

系统设计应具有良好的操作性能，为操作者提供友好的界面，尽可能为操作、使用提供便利。设计不但要考虑人机工程学，而且应尽可能减少不必要的控制按钮等操作元件的数量（有关安全的除外），简化操作过程。设备的操作过程应简洁、明了、方便、容易。

系统控制线路的设计必须简单、可靠，应尽可能减少不必要的控制器件与连线。简单、实用的控制线路不仅可以降低生产制造成本，更重要的是它可以提高系统工作的可靠性，方便使用与维修。

控制系统用户程序要尽量简化，使用的指令应简洁、明了，要杜绝人为地使程序复杂化，有意为他人理解程序增加困难的现象。

2.1.3　控制系统设计的一般步骤

控制系统设计可分为系统规划、硬件设计、软件设计、系统调试以及技术文件的编制五个阶段。控制系统的设计、调试流程如图2.1所示。

2.1.3.1　系统规划

系统规划为设计的第一步，内容包括确定控制系统方案与总体设计两部分。确定控制系统方案时，应首先明确控制对象所需要实现的动作与功能、生产工艺要求与设备的现场布置情况；在此基础上确定系统的技术实现手段，选择系统的总体结构形式与组成部件。

系统规划的具体内容包括：明确控制要求、确定系统类型、明确硬件配置；选择控制主机型号，确定I/O模块的数量与规格，选择特殊功能模块；选择人机界面、检测仪表、执行仪表等；选择系统软件和组态软件。

2.1.3.2　硬件设计

硬件设计是在系统规划与总体设计完成后的技术设计。在这一阶段，设计人员需要根据总体方案完成控制原理图、连接图、元件布置图、接线图等基本图样的设计工作。

在此基础上，应汇编完整的仪表电器元件目录与配套件清单，提供给采购供应部门购买相关的组成部件。同时，根据控制系统的安装要求与用户的环境条件，结合所设计的控制原理图、连接图、布置图，完成用于安装以上电器元件的控制柜、操作台等部件的设计。

设计完成后，将全部图样与外购元器件、标准件等汇编成统一的基本件、外购件、标准件明细表（目录），提供给生产、供应部门组织生产与采购。

2.1.3.3　软件设计

控制系统的软件设计主要是编制用户程序、特殊功能模块控制软件、确定CPU模块以及功能模块的设定参数（如需要）等。它可以与系统电器仪表元件安装柜、操纵台的制作、元器件的采购同步进行。

软件设计应根据所确定的总体方案与已经完成的电气控制原理图，按照原理图所确定的I/O地址，编写实现控制要求与功能的用户程序。为了方便调试、维修，通常需要在软件设计阶段同时编写出程序说明书、I/O地址表、注释表等辅助文件。

在程序设计完成后，一般应通过控制系统编程软件所具备的诊断功能对程序进行基本的检查，排除程序中的电路与语法错误。在有条件时，应通过必要的模拟与仿真手段，对程序进行模拟与仿真试验。对于初次使用的伺服驱动器、变频器、检测仪表、执行仪表等部件，可以通过检查与运行的方法，事先进行离线调整与测试，以缩短现场调试的周期。

2.1.3.4　现场调试

控制系统的现场调试是检查、优化控制系统硬件、软件设计，提高控制系统可靠性的重要步骤。为了防止调试过程中可能出现的问题，确保调试工作的顺利进行，现场调试应在完成控制系统的安装、接线、用户程序编制后，按照调试前的检查、硬件调试、软件调试、空运行试验、可靠性试验、实际运行试验等规定的步骤进行。

在调试阶段，一切均应以满足控制要求，确保系统安全、可靠运行为最高准则，它是检验硬件、软件设计正确的唯一标准，任何影响系统安全性与可靠性的设计，都必须予以修改，决不可以遗留事故隐患，以免导致严重后果。

2.1.3.5　编制技术文件

在设备安全、可靠运行得到确认后，设计人员可以着手进行系统技术文件的编制工作，如修改控制原理图、接线图等；编写设备操作、使用说明书，备份控制系统用户程序；记录调整、设定参数，等等。

文件的编写应正确、全面，必须保证图纸与实物一致，控制原理图、用户程序、设定参数必须为调试完成后的最终版本。

文件的编写应规范、系统，尽可能为设备使用者以及今后的维修工作提供方便。

2.1.4　控制主机总体设计

选择控制计算机，主要是确定控制计算机的生产厂家与型号。对于分布式系统、远程I/O系统，还需要考虑网络化通信的要求。

确定控制计算机生产厂家，主要应考虑设备使用等的要求、设计使用等的习惯、熟悉程度、配套产品的一致性以及编程器等附加设备的通用性、技术服务等方面的因素。从控制计算机本身的可靠性考虑，原则上只要是国外大公司生产的产品，都不应存在此问题。

一般来说，对于初次使用控制计算机的用户或者是用于控制独立设备（单机控制）的场合，采用小型的控制计算机产品（如S7-200），相对来说性能价格比较高，入门也较容易。对于系统规模较大、网络通信功能要求高、开放性好的控制计算机系统，远程控制系统，选用欧美生产的控制计算机，可以为网络通信功能的发挥提供一定的便利。当然，产品的技术支持与服务、价格等因素也是选择控制主机时所必须考虑的问题。

在控制计算机生产厂家确定后，控制计算机的型号主要决定于控制系统的技术要求前提下，必须考虑生产成本。从技术的角度考虑，以下指标是选择控制计算机型号时应引起注意的问题。

2.1.4.1　CPU性能

控制计算机的CPU性能主要涉及处理器的“位数”、运算速度、用户存储器的容量、编程能力（指令的功能、内部继电器、定时器、计数器、寄存器、内存的数量等）、软件开发能力、通信能力等方面。在使用特殊功能模块、特殊外部设备或是需要网络连接的场合，应考虑到CPU的功能与以上要求相适应。

此外，在满足控制要求的前提下，CPU的价格也是需要设计人员考虑的问题之一，选择的控制计算机既要满足系统的功能要求，同时也应该充分利用其功能，避免不必要的浪费。

2.1.4.2　I/O点数

控制计算机的输入/输出点数是控制主机的基本参数之一。I/O点数的确定，应以上述的I/O点汇总表为依据。在正常情况下，控制计算机的I/O点可以适当留有余量，但同时也必须考虑生产制造成本。对于以下情况，应适当考虑增加一定的I/O余量：

（1）控制对象的部分要求不明确，存在要求改变可能；

（2）I/O点统计不完整，设计阶段或者现场调试时增加I/O点；

（3）控制主机扩展较困难，但控制系统存在变动可能性；

（4）使用环境条件相对较差，控制主机工作负荷较重；

（5）维修服务不方便，配件供应周期较长。

I/O点（包括程序存储器容量）的余量选择无规定的要求，更没有固定的计算公式，一般情况下要求10％～20％的余量，但有时会超出这个范围，应该根据实际情况进行才能做到科学与合理。

2.1.4.3　功能模块的配套

选择控制计算机时应考虑到功能模块配套的可能性。选用功能模块涉及硬件与软件两个方面。在硬件上，首先应保证功能模块可以方便地与控制计算机进行连接，控制计算机应有连接、安装位置的相关接口、连接电线等附件。在软件上，控制计算机应有对应的控制功能，可以方便地对功能模块进行编程。

2.1.4.4　通信能力

对于分布式控制系统、远程I/O控制系统，控制计算机的通信功能是必须考虑的问题。而对于集中控制系统或单机控制系统，既要考虑到用户现有外部调试设备等的正常使用，还应考虑到用户管理水平的提高与技术发展的可能性。增强通信功能，既是信息技术发展的基本要求，也是当前控制计算机的技术发展方向之一。因此，在选择控制计算机通信能力方面，应有一定的超前意识，保留系统的发展空间。

2.1.4.5　确定模块

在控制计算机基本型号、规格确定后，可以逐一根据控制要求，确定控制计算机各组成部分的基本规格与参数，选择组成模块的型号。确定模块型号时，应考虑如下因素。

（1）方便性。一般来说，作为控制计算机，满足控制要求的模块规格往往有多种，选样时应以简化线路设计、方便使用、尽可能减少外部控制器件为原则。

对于输入模块，应优先选择能与外部检测元件直接连接的输入形式，避免使用接口转换电路。

对于输出模块，应优先选择能直接驱动负载的输出模块，尽量少使用中间器件等。这样，不仅可以简化线路设计、方便使用，还可以在一定程度上降低生产制造成本，提高系统可靠性。

（2）通用性。选用模块时，需要考虑到控制计算机各组成模块的统一与通用，避免模块种类过多。这样不仅有利于采购，减少备品、备件，为安装、施工提供方便，同时控制计算机以增加系统组成部件的互换性，为设计、调试、维修提供帮助。

当产品系列提供或需要构成生产线的，还应考虑到不同设备间各组成模块的一致性，以方便组织生产、调试、维修。

（3）兼容性。选择控制计算机各组成模块时，应考虑采购、安装、服务的便利，以及设计、调试、维修等的因素，组成控制系统的各主要部件生产厂家不宜过多。

通过批量订货，不仅可以降低生产制造成本，更重要的是同一生产厂家提供的部件，相互兼容性好，技术要求统一，可以为系统设计及技术服务、维修等提供方便。

2.1.5　工业防爆危险区的防爆等级

工业生产过程中，一些环境会存在不同程度的危险性。危险区域的含义是对该地区实际存在危险可能性的量度。由此规定其适用的防爆形式。在一些特种行业对仪器仪表、执行机构、控制设备等具有一定的防爆要求和阻燃性要求。国际电工委员会和欧美国家也对某些电子产品规定了防爆标准，分为6个等级。

Zone 0　连续或长期存在爆炸性气体。

Zone 1　可能出现爆炸性气体环境（<1000小时/年）。

Zone 2　极偶然出现爆炸性气体环境，并且为短时间存在（<10小时/年）。

Zone 20　连续或长期存在爆炸性粉尘。

Zone 21　可能出现爆炸性粉尘环境（<1000小时/年）。

Zone 22　极偶然出现爆炸性粉尘环境，并且为短时间存在（<10小时/年）。

中国划分的有效区域与上述相同。

爆炸性气体环境的分区是采取电气防爆措施的前提。对于具有潜在爆炸危险性的环境，划分危险区域主要考虑的因素有：

①存在爆炸性气体的可能性；

②爆炸性气体的释放量；

③爆炸性气体的特征（如气体的密度等）；

④环境条件（主要是通风，还包括气压、温度、湿度等）；

⑤远离释放源的距离。

在工业生产过程中，仪表设备必须根据危险区域的等级选择不低于该等级的防爆设备。防爆方法对危险场所的适应性如表2.1所示。