6.5.2.1 工业控制系统的规范化设计

1.系统的功能规范

首先要明确用户的要求，确立系统的功能规范，系统的功能规范定义了系统与外部设备的接口关系。

1）对系统的功能进行描述。在系统的功能描述中，一般应包括如下内容：

①模拟量信号输入的总路数、信号的等级（如电压、电流信号的等级）、信号的类别和信号的性质等；

②开关量输入的总通道数，其中有多少路是电平型输入，多少路是触点型输入，及需要采取隔离措施的通道数目；

③脉冲量输入的通道数、信号频率范围等；

④中断型开关量的点数，对中断响应的时间处理限定等；

⑤模拟量输出的总路数，每路信号输出的种类（电流输出或电压输出），输出信号的等级和驱动能力要求等；

⑥开关量输出的路数，输出驱动的特点等。

将以上各类信号的每点名称、信号类别、单位、量程、处理要求等列成表格形式。

2）明确系统所要完成的控制功能。

3）系统管理的功能要求。

4）报警功能要明确对各种越限信号的处理功能。

5）打印功能要明确系统所应完成的各种打印功能。

6）明确系统所应显示的内容及显示格式。

7）确定系统同其他系统之间的数据交换格式、通信方式等。

8）系统的冗余考虑（包括主机和板级的冗余）。

9）系统的电源情况。

2.系统的性能规范

（1）采样速率 一般计算机的采集通道数多在8～16路范围内，处理方式多为分时控制扫描方式，采样速度降低。因此，必须根据具体信号变化周期确定部件的采样速率。紧急事故信号的处理必须采用实时中断技术。

（2）信号的隔离方法 工业控制系统的应用环境相对都比较恶劣，应对各类信号进行隔离处理，还需根据实际情况来决定采取何种隔离措施。常见的隔离方法有变压器隔离、专用隔离部件、光隔离等。不同的方法导致不同的效果和成本，因此要统筹考虑各种因素。

（3）信号处理准确度 包括模拟输入处理准确度和模拟输出信号处理准确度。信号处理准确度与A-D、D-A转换器的位数和性能有关，如12位的转换器造成的误差是1/2¹²即1/4096或0.000244，而16位的转换器的误差为0.000152。位数越多，准确度越高，同时成本增加。输入信号处理准确度与A-D转换前的信号调理电路有很大的关系，包括放大、滤波、隔离等电路。对于输出信号准确度，误差也存在D-A转换后的信号放大或电压、电流的转换部分。此外，信号处理准确度与处理器的字节长度和算法也有一定的关系。

因此，在确定信号处理准确度时，主要应根据实际应用来确定准确度指标。一般选用12位的A-D、D-A转换板和一般的调理电路，对于准确度要求较高的场合，应选择16位的A-D、D-A转换板，同时放大、滤波、隔离等调理电路也要相应地特殊设计，包括线路布局、部件的相对位置等都要从提高准确度的角度来精心考虑。对于配套的信号传感器，其本身的准确度也要考虑。只有各部分的准确度提高，整个系统的准确度才能提高。

（4）对输出信号的要求

1）输出信号的形式：主要有模拟量信号输出和开关量信号输出。这些信号需记录作为设计依据。

2）信号的实时性要求：紧急事故处理时的输出信号都有较高的实时响应要求，宜采用实时中断响应输出方式。

3.对系统的其他要求

（1）对环境要求

1）系统的温度指标：主要指工作温度上、下极限指标；

2）系统的湿度指标：一般列出工作湿度环境指标；

3）系统的抗振动、抗冲击、防尘、防电磁干扰的指标；

4）系统电源电压、电源频率的允许波动范围；(www.daowen.com)

5）系统的接口方式、电磁兼容性指标。

（2）对系统的体系结构要求

1）系统的物理结构：包括机架结构、走线方式、机箱尺寸、外机柜的尺寸；

2）系统的控制体系：上下位机的关系，各自的分工，故障发生时的切换、处理方式；

3）系统的通信方式：明确各站点间的最大通信距离、数据传输的速率要求和最大的节点数量，进而明确选用何种通信方式和何种拓扑结构；

4）与其他系统的连接方式及相应要求。

（3）系统的可靠性 是指产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力。

（4）系统的可维护性 包括系统扩充、修改、升级的能力。

6.5.2.2 系统的总体设计

对系统的各项功能进行认真分析，制定实现这些具体功能的技术实现方案。工控系统的总体方案，通常应包括如下内容：

1）任务委托单位，对经费、时间、系统指标的要求。

2）根据上述约束条件，为了实现系统目标/功能，在允许的经费、时间条件下，根据当今的技术水平和工艺水平，打算采取的主要技术方法和技术途径。

①技术途径：是指自己承担全部设计加工任务，包括板级产品的设计与加工和配套应用软件的开发，只限于功能较少的专用小系统的开发，软、硬件的设计加工量都应该不是很大。常采用选购市场上成熟的原始设备制造厂商（OEM）产品，包括用接口板级产品来构成系统硬件，购买系统软件后，自行开发应用软件，或者购买合适的组态软件，自己只根据需要开发一部分配套的应用软件。

②主要技术方法：是指为实现系统功能目标准备采用的可行的技术手段，包括高性能硬件部件、板级接口产品、合适的软件算法等。工业计算机系统应采用较成熟的、经过运行试验证明其可靠、有效的技术手段和方法。

3）子系统和主要功能块的划分

针对系统的功能规范和要求，确立系统的体系结构，进行主要功能的划分，设计并确定各系统的相应功能技术指标和确定各分系统之间的接口关系。

①系统的体系结构：可用结构框图的方式表示，主要要标明系统各部分的组成结构、各部分之间的接口方式、系统与外部设备的接口及数据交换规定等。在总体设计时，标明系统是由哪几个分系统所组成，各分系统间的接口关系，以及系统与外部设备的接口关系等。总体设计要解决各个功能模块如何合理划分、各个分系统如何有机协调，以使系统集成后能发挥较好的效果。

②系统的综合与检查：对各分系统进行综合性分析，检查各模块的功能合成后能否达到系统功能规范的总体要求，重新仔细地审核系统的体系结构、功能划分是否合理。系统的总体方案反映了整个系统的综合情况，要从正确性、可行性、先进性和经济性等角度来评价系统的总体方案。总体方案通过之后，才可为各分系统的设计开发提供一个指导性的方案。

6.5.2.3 工业控制系统的设计方法

随着系统规模的增大和复杂性的增加，现在已越来越强调规范化的设计。

1.规范化设计

当系统规模和复杂程度不断提高时，必须依靠一系列的规范化技术文件来协调内外关系，保证多人参与的开发项目能顺利进行。

（1）设计文件的规范化 设计文件的规范化不仅是指硬件开发的设计结果是一系列的电气和机械图样，而且也指软件设计中的一系列规范说明书。

（2）标准化设计 开放式系统结构已成为国际上新产品设计的主流。不同公司的产品都按国际标准进行设计生产，使不同系统的产品能互连或兼容。因此，系统在设计时，就要采用相应标准化的结构，如总线标准、通信接口协议、标准系统软件，使设计出来的系统能符合相关的国际标准。规范化的技术文件是规范化设计结束后的产品。

计算机控制系统的硬件设计逐步趋向部件化、系统化，硬件设计工作量有所减少，而软件系统的设计工作不断加大，系统的复杂性不断提高。因此，规范化、标准化设计重点已经在软件设计方面。

关于文件的具体描述方式，一般采用文字描述、表格图等方式，主要是根据系统的特点和不同要求来选择合适的描述方式。

2.结构化设计

结构化设计是与规范化设计相对应的。规范化设计保证了结构化设计的顺利进行，而采用结构化设计后可促使系统进一步规范化、标准化。

（1）硬件结构化设计 硬件结构化模式已被普遍采用。PC采集系统采用PC总线标准，将CPU板、图形显示板、存储板和各种I/O接口板连接起来，由CPU完成信号控制功能，由图形卡完成显示功能，由存储板完成数据的存储和读写，与外界的数据交换由相应的I/O接口板完成，由于一台主机箱内的槽口数目有限，如果板卡数目较多，则可选用专用的端子箱。

（2）软件的结构化设计 软件体系划分为各个独立的功能模块，每个模块间相互独立而又互有联系。将一个复杂的软件系统分解成多层结构，每一层由一个或多个模块组成，上层的模块通过调用下层的功能模块实现其功能，如此逐层分解，直至最底层的最小独立模块为止。

将这些不同模块的具体设计与实现交给不同的人员来承担，模块的具体设计者只要完成说明书规定的功能和接口规范，而不需要考虑其他部分的设计，有利于开发效率的提高。