2.4　下位控制软件的设计规划

2.4.1　下位控制软件的基本规划

在对控制软件系统进行设计开发前，必须要进行合理的规划。过程控制的软件系统设计有很多规划方法，图2.4按项目内容给出了过程控制软件设计规划的基本方法。基本的规划步骤为：

（1）将复杂的控制系统细分为多个任务，可以根据过程参数的相互作用关系，将控制系统划分为多个任务区域；

（2）对各任务区域进行描述，提出各参数之间的相互作用关系；

（3）确定各个任务区域的安全要求，逐条列出安全条件和安全指标；

（4）列出操作员面板需要操作、显示和控制的参数，为上位监控和下位控制提供参数变量；

（5）创建组态编程的图表，为控制系统的组态编程提供指导。

2.4.2　将过程划分为任务和区域

控制过程包含大量的单个任务，通过在过程内识别相关任务组，然后将这些组分成更小的任务，这种方法也可以定义最为复杂的过程。下面以工业混料控制过程实例来说明如何将过程划分为一些功能区域和单个任务。定义要控制的过程后，将项目分成相关的组或区域。图2.5为工业混料过程控制流程图以及组和区域的划分方法。由图中可见，整个工业混料控制过程分为4个不同的区域。配料A区包含设备为配料进料泵、入口阀、进料阀、流量计；配料B区包含设备为配料进料泵、入口阀、进料阀、流量计；混料罐区包含搅拌机、罐液位开关；排料区包含排料阀。

2.4.3　单个功能区域的描述

在过程内描述每个区域和任务时，不仅需要定义每个区域的操作，还需要定义控制该区域的不同元件。这些元件包括：①每个任务的电气、机械和逻辑输入或输出；②单个任务之间的互锁和相互关系。

上述工业混料控制过程实例使用泵、电机和阀。需要准确描述识别操作期间所要求的操作特性和互锁类型。下面提供了描述工业混料控制过程中所使用设备的实例。描述完成后，也可以使用它来订购需要的设备。

（1）配料A/B进料泵的描述。

①进料泵将配料A和B传送到混料罐。进料流速为400gal/min，进料泵额定值为转速1200r/min、功率为100kW。

②通过混料罐附近的操作员站控制泵（启动/停止）。计数启动次数以用于保护。可通过一个按钮将计数器和显示器复位。

③要操作泵，必须满足以下条件：a.混料罐不满；b.混料罐的排料阀闭合；c.没有激活紧急断电。

④如果满足以下条件，泵将关闭：a.启动泵电机7s后，流量计指示无流量；b.流量计指示停止流动。

（2）配料A/B入口和进料阀的描述。

①配料A和B的入口阀和进料阀可允许或防止配料流入混料罐中。阀有一个具有弹簧复位的螺线管。要求：a.激活螺线管时，打开阀；b.取消激活螺线管时，关闭阀。

②由用户程序控制入口阀和进料阀。

③要激活阀，必须满足下列条件：进料泵已经运行1s以上。

④如果满足下列条件，泵将关闭：流量计指示无流量。

（3）搅拌电机的描述

①搅拌电机在混料罐中混合配料A和配料B。电机的额定转速为1200r/min的额定功率为100kW。

②通过混料罐附近操作员站控制搅拌电机（启动/停止）。计数启动次数以用于保护。可通过一个按钮将计数器和显示器复位。

③要操作泵，必须满足以下条件：a.罐液位开关没有指示“罐液位低于最小值”；b.混料罐的排料阀闭合；c.没有激活紧急断电。

④如果满足下列条件，泵将关闭：流量计在电动机启动后10s内，不指示已经到达额定速度。

（4）排料阀

①排料阀允许将混料物（通常为重力进料）排放到过程中的下一个阶段。阀具有一个弹簧复位的螺线管。要求：a.激活阀时，打开出口阀；b.取消激活螺旋管时，闭合出口阀。

②通过操作员站控制出口阀（打开/关闭）。

③可在下列条件下打开排料阀：a.搅拌电机关闭；b.罐液位开关没有指示“空罐”；c.没有激活紧急断电。

④如果满足以下条件，泵将关闭：罐液位开关指示“罐空”。

（5）罐液位开关。混料罐中的液位开关指示罐中的液位，用于互锁进料和搅拌电机。

2.4.4　列出仪表I/O和创建I/O图

（1）仪表I/O图。写完要控制的每个设备的物理描述后，需绘制每个设备或任务区域的输入和输出图（图2.6）。这些图与要编程的逻辑块相一致。

（2）电机I/O图。见图2.7。在工业混料过程的实例中使用两个进料泵和一个搅拌机，每个电机都由其自身的“电机块”控制，该块对所有三个设备都相同，该块要求6个输入：两个输入用于启动或停止电机，一个输入用于复位维护显示器，一个输入用于电机响应信号（电机运行/停止），一个输入用于时间，在该时间内必须接收响应信号，一个输入用于测量时间的计时器。逻辑块还要求四个输出：两个输出指示电机的操作状态，一个输出指示故障，另一个输出用于指示应该开发维护电机。需要输入/输出来激活电机。它用于控制电机，但同时可在“电机块”的程序中进行编辑和修改。

（3）控制阀I/O图。见图2.8。每个阀都由其自身的“阀块”控制，该块对于所使用的所有阀都相同。逻辑块有两个输入：一个输入用于打开阀，一个输入用于关闭阀。它还有两个输出：一个输出用于指示阀打开，另一个输出用于指示阀闭合。阀块有一个输入/输出，用于激活阀。它用于控制阀，但同时也可在“阀块”的程序中进行编辑和修改。

2.4.5　建立安全要求

根据法律要求和人身健康及安全政策，确定需要哪些附加元件，以确保过程安全，在描述中，还应该包括安全元件对过程区域的所有影响。

（1）定义安全要求。查找要求硬件电路满足安全要求的设备类型，通过定义，这些安全电路可独立于控制计算机进行操作（虽然安全电路通常提供I/O接口，允许用户程序协调操作）。

通常，可以组态矩阵式，在其自身的紧急断电范围内连接每个执行器，该矩阵式是安全电路的电路图基础。按如下执行来设计安全机制。

①确定单个自动化任务之间的逻辑和机械/电气互锁。

②设计电路，允许在紧急情况下手动操作属于该过程的设备。

③为确保操作过程安全，需建立更多安全要求。

（2）创建安全电路。

工业混料过程实例使用下列逻辑电路作为安全电路。

①紧急断电开关切断下列设备电源，与控制计算机无关。

a.配料A的进料泵；b.配料B的进料泵；c.搅拌器电机；d.阀。

②紧急断电开关位于操作员站上。

③控制器的一个输入指示紧急断电开关的状态。

2.4.6　描述所要求的操作界面显示和控制

每个过程都要求有一个操作员界面，允许人员进行干预。部分设计规范包括操作员控制台设计。在本例所述的工业混料过程中，可由操作员控制台上的按钮启动或停止每个设备。如图2.9所示，该操作员控制台包括显示操作状态的指示灯，控制台还包括显示灯，用于指示经过一定启动次数后要求维护的设备，以及紧急断电开关，通过开关可立即终止过程，控制台还有一个复位按钮，用于三台电机的维护显示。通过该按钮，可以关闭指示应该维护电机的维护指示灯，并将相应的计数器复位到0。

2.4.7　创建组态图

将涉及要求文档化后，必须决定项目所要求的控制设备类型。通过确定希望使用哪些模块，还可以确定控制主机的结构，创建一个确定下列各项的组态图：①CPU型号；②I/O模块的编号和类型；③组态物理输入和输出。图2.10介绍工业混料过程的控制软件组态图。