计算机测控测控系统设计
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流信号输出/数字信号输出、传感器屏蔽、信号隔离、稳压
共模干扰/共态干扰/同相干扰
信号端对零点为参考点的共有干扰电压，直流/交流 选择隔离技术，消除共模干扰回路：数字与模拟地的隔离 模拟量差分输入：数据采集卡中介绍 稳压电源
抗干扰设计
长线传输的干扰：信号滞后、畸变衰减、丢失
双绞线，屏蔽线
内部电子电路：耦合感应、辐射感应、波反射、多点接地的电位差、 发热
外部传入：电压波动、电动设备启停、高压设备肤色、通信电磁、 电缆共模
环境：温湿度、雷电
干扰信号种类（性质）
随机干扰：突发性，无规律 周期干扰：交流电
抗干扰设计
接地技术
安全接地：大地，金属外壳接地
保护接地、保护接零（接地电阻要求）
软件：工艺流程/工作过程图、程序流程图、模块化程序 开发平台确定
其他环节
系统实施
元器件制作、购买、安装； 软件安装、子系统连接
系统测试/调试
元部件安装正确、特性检查测试 整机调试、修改 抗干扰能力 考机：连续不停机运行
系统运行
人员培训、操作规程
抗干扰设计
干扰：有用信号之外的噪声，影响系统 干扰源：
工艺流程描述Fra Baidu bibliotek
流程型：确定控制算法→带控制点的工艺控制流程图
功能描述：系统的总体功能效果
可分解，描述子系统功能 硬件软件功能的分配协调 特殊功能→特殊设备
结构描述
开环、闭环 控制方式：直接数字控制、计算机控制、集散控制、
总线控制 如：分布控制→层次结构（主机、节点、设备）→结
构图 控制结构形式：
工作接地：零基准电位
浮地方式：无接地，大电阻系统可用 直接接地：小电阻系统
屏蔽接地：
工作按电流频率：低频1点、高频多点
交流地与直流第分开 模拟地与数字地分开
模拟地为电压地，数字地为电位地
抗干扰设计
屏蔽技术
针对电磁辐射和感应 电场屏蔽：一直电路间分布电容耦合
低电阻尽速材料的屏蔽层或外罩，内外店里线分开 盒形较优，全封闭、有窗孔/间隙
经济效益高
满足技术性能指标前提，降低成本；性价比高 提高产品质量与产量，减低能耗、污染，改善劳动条件
开发周期短
关键元部件或软件，尽量使用成熟技术
设计与实施步骤
包括：可行性研究、初步设计/总体设计、详细设计、系 统实施、系统测试/调试、系统运行 可行性研究
技术水平合理，经济效益明显（经济能力、投入与产出比较） 技术可行性：应用现状、对比案例、采用技术 效益分析：
详细设计
详尽的流程→设计具体化→用户/操作手册 硬件选择
传感器、变送器、执行器、I/O通道装置 测量：信号量程范围、精度、环境与安装要求 控制：方案比较→型号、厂家、参数、控制方式
电气原理图、元器件选型、电路板制作 系统的软件与硬件设计
大型系统：集成，选择成熟产品/部件，适应性修改 小型系统：自主开发
上位机+IO板卡/一体化工作站 单层结构：上位机+总线（485/CAN）+IO模块 多层复合结构
控制算法
分别单回路：关系简单、 关联不紧密（耦合度低）
多变量控制 简单控制：PID 复杂、干扰大
IO变量总体描述：表格
硬件总体设计
系统结构与类型
数据采集系统（DAS）、直接数字控制系统（DDC）、计算机控制 （SCC）、分散控制系统（DCS）、工业控制网络
生产工艺对控制的基本要求/基本操作 控制目的：过程稳定/工艺优化 控制难点：大滞后、严重非线性、大随机干扰
测控对象：
I/O数量和类型：测与控 被控参量关系、被控对象数学模型
形成：调研报告、初步方案 总体设计报告：设计任务说明、系统控制方案、系统组成的原理框图
总体方案设计
总体设计技术报告
设计方法：结构化→软件结构框图，逐级细化
系统总体方案报告
硬件+软件 内容：
系统主要功能、技术指标、原理性框图及文字说明 控制策略与算法 系统硬件结构与配置 主要软件平台、软件结构及功能、软件结构框图 方案比较与选择：电动、气动、液压等形式 抗干扰措施与可靠性设计 机柜/机箱结构 经费与进度计划的安排 对现场条件的要求
电源干扰
来源：电网、大负荷电器、短路、雷电 芯片电源与地线之间接0.01-0.1μF电解电容和无极性电容 大功率器件和逻辑器件电源分开 不间断电源和稳压
抗干扰设计
软件抗干扰措施
数字滤波 软件算法实现，通用性好 惯性滤波、限幅滤波、中位值滤波、算术平均值滤波、滑动平均值滤波、卡
尔曼滤波、复合滤波
分析因素：经济效益、管理要求、人员素质、运行成本 社会效益：针对大投资项目
形成：可行性分析报告
总体方案/初步设计
决定系统的成本、性能、设计与开发周期 调研任务
调查确定系统规模：对象
测控范围（地理分布）：一台设备、工段、车间、企业
了解工艺流程/工作过程：图形文字描述 确定系统任务/目标
数字信号抗干扰
输入：重复采集、数据校验 输出：数据锁存、重复输出、编码方式
构成方式
PLC、总线控制器、单片机、计算机 一般：总线式工控机优先，模块化、标准化、开放结构 小型：单片机优先，成本低
现场设备选择： 人机联系方式 机柜/机箱 抗干扰措施
软件总体设计
软件平台：应用平台→操作系统、支持技术 软件结构：BS、CS 任务分解
数学模型、控制策略和控制算法
电磁屏蔽：接地，密封无间隙 磁屏蔽：低频磁场，高导磁材料
隔离技术
分隔干扰源与敏感电路 分离信号与控制电路：光电隔离、继电器隔离
抗干扰设计
干扰信号抑制
串模干扰/常态干扰/正相干扰
干扰电压和信号电压串联叠加于负载或者放大电路的输入端 主要来源：电源、长线传输分布电感/电容、传感器固有噪声 方法：滤波电路、合适的AD转换、调制解调、前置放大（提高信噪比）、采用电
设计原则
满足工艺要求（性能指标）
不低于生产工艺要求 设计成本与实现的可行性
可靠性高
规定条件和时间内完成规定功能 安全性、抗干扰、稳定
操作性能好
人机界面、操作方便 易维护：容易查找故障、有诊断、热插拔、误操作的兼容与限制
实时性强
对内部、外部事件的及时响应
通用性好
对不同设备、对象要求，便于扩充、修改
共模干扰/共态干扰/同相干扰
信号端对零点为参考点的共有干扰电压，直流/交流 选择隔离技术，消除共模干扰回路：数字与模拟地的隔离 模拟量差分输入：数据采集卡中介绍 稳压电源
抗干扰设计
长线传输的干扰：信号滞后、畸变衰减、丢失
双绞线，屏蔽线
内部电子电路：耦合感应、辐射感应、波反射、多点接地的电位差、 发热
外部传入：电压波动、电动设备启停、高压设备肤色、通信电磁、 电缆共模
环境：温湿度、雷电
干扰信号种类（性质）
随机干扰：突发性，无规律 周期干扰：交流电
抗干扰设计
接地技术
安全接地：大地，金属外壳接地
保护接地、保护接零（接地电阻要求）
软件：工艺流程/工作过程图、程序流程图、模块化程序 开发平台确定
其他环节
系统实施
元器件制作、购买、安装； 软件安装、子系统连接
系统测试/调试
元部件安装正确、特性检查测试 整机调试、修改 抗干扰能力 考机：连续不停机运行
系统运行
人员培训、操作规程
抗干扰设计
干扰：有用信号之外的噪声，影响系统 干扰源：
工艺流程描述Fra Baidu bibliotek
流程型：确定控制算法→带控制点的工艺控制流程图
功能描述：系统的总体功能效果
可分解，描述子系统功能 硬件软件功能的分配协调 特殊功能→特殊设备
结构描述
开环、闭环 控制方式：直接数字控制、计算机控制、集散控制、
总线控制 如：分布控制→层次结构（主机、节点、设备）→结
构图 控制结构形式：
工作接地：零基准电位
浮地方式：无接地，大电阻系统可用 直接接地：小电阻系统
屏蔽接地：
工作按电流频率：低频1点、高频多点
交流地与直流第分开 模拟地与数字地分开
模拟地为电压地，数字地为电位地
抗干扰设计
屏蔽技术
针对电磁辐射和感应 电场屏蔽：一直电路间分布电容耦合
低电阻尽速材料的屏蔽层或外罩，内外店里线分开 盒形较优，全封闭、有窗孔/间隙
经济效益高
满足技术性能指标前提，降低成本；性价比高 提高产品质量与产量，减低能耗、污染，改善劳动条件
开发周期短
关键元部件或软件，尽量使用成熟技术
设计与实施步骤
包括：可行性研究、初步设计/总体设计、详细设计、系 统实施、系统测试/调试、系统运行 可行性研究
技术水平合理，经济效益明显（经济能力、投入与产出比较） 技术可行性：应用现状、对比案例、采用技术 效益分析：
详细设计
详尽的流程→设计具体化→用户/操作手册 硬件选择
传感器、变送器、执行器、I/O通道装置 测量：信号量程范围、精度、环境与安装要求 控制：方案比较→型号、厂家、参数、控制方式
电气原理图、元器件选型、电路板制作 系统的软件与硬件设计
大型系统：集成，选择成熟产品/部件，适应性修改 小型系统：自主开发
上位机+IO板卡/一体化工作站 单层结构：上位机+总线（485/CAN）+IO模块 多层复合结构
控制算法
分别单回路：关系简单、 关联不紧密（耦合度低）
多变量控制 简单控制：PID 复杂、干扰大
IO变量总体描述：表格
硬件总体设计
系统结构与类型
数据采集系统（DAS）、直接数字控制系统（DDC）、计算机控制 （SCC）、分散控制系统（DCS）、工业控制网络
生产工艺对控制的基本要求/基本操作 控制目的：过程稳定/工艺优化 控制难点：大滞后、严重非线性、大随机干扰
测控对象：
I/O数量和类型：测与控 被控参量关系、被控对象数学模型
形成：调研报告、初步方案 总体设计报告：设计任务说明、系统控制方案、系统组成的原理框图
总体方案设计
总体设计技术报告
设计方法：结构化→软件结构框图，逐级细化
系统总体方案报告
硬件+软件 内容：
系统主要功能、技术指标、原理性框图及文字说明 控制策略与算法 系统硬件结构与配置 主要软件平台、软件结构及功能、软件结构框图 方案比较与选择：电动、气动、液压等形式 抗干扰措施与可靠性设计 机柜/机箱结构 经费与进度计划的安排 对现场条件的要求
电源干扰
来源：电网、大负荷电器、短路、雷电 芯片电源与地线之间接0.01-0.1μF电解电容和无极性电容 大功率器件和逻辑器件电源分开 不间断电源和稳压
抗干扰设计
软件抗干扰措施
数字滤波 软件算法实现，通用性好 惯性滤波、限幅滤波、中位值滤波、算术平均值滤波、滑动平均值滤波、卡
尔曼滤波、复合滤波
分析因素：经济效益、管理要求、人员素质、运行成本 社会效益：针对大投资项目
形成：可行性分析报告
总体方案/初步设计
决定系统的成本、性能、设计与开发周期 调研任务
调查确定系统规模：对象
测控范围（地理分布）：一台设备、工段、车间、企业
了解工艺流程/工作过程：图形文字描述 确定系统任务/目标
数字信号抗干扰
输入：重复采集、数据校验 输出：数据锁存、重复输出、编码方式
构成方式
PLC、总线控制器、单片机、计算机 一般：总线式工控机优先，模块化、标准化、开放结构 小型：单片机优先，成本低
现场设备选择： 人机联系方式 机柜/机箱 抗干扰措施
软件总体设计
软件平台：应用平台→操作系统、支持技术 软件结构：BS、CS 任务分解
数学模型、控制策略和控制算法
电磁屏蔽：接地，密封无间隙 磁屏蔽：低频磁场，高导磁材料
隔离技术
分隔干扰源与敏感电路 分离信号与控制电路：光电隔离、继电器隔离
抗干扰设计
干扰信号抑制
串模干扰/常态干扰/正相干扰
干扰电压和信号电压串联叠加于负载或者放大电路的输入端 主要来源：电源、长线传输分布电感/电容、传感器固有噪声 方法：滤波电路、合适的AD转换、调制解调、前置放大（提高信噪比）、采用电
设计原则
满足工艺要求（性能指标）
不低于生产工艺要求 设计成本与实现的可行性
可靠性高
规定条件和时间内完成规定功能 安全性、抗干扰、稳定
操作性能好
人机界面、操作方便 易维护：容易查找故障、有诊断、热插拔、误操作的兼容与限制
实时性强
对内部、外部事件的及时响应
通用性好
对不同设备、对象要求，便于扩充、修改