1、計 算 機 控 制 系 統 的 電 氣 設 計微電子技術的發展不斷推進計算機技術的發展，計算機技術在人類社會發展中的作用越來越大。計算機的應用主要分為科學計算、信息處理與工業控制三個領域。計算機運行與計算速度的提高促進了科學計算的發展。在基礎科學研究、氣象分析、地質勘探、地震預測及軍事科學研究等都離不開科學計算。我國大型計算機開發研究在某些方面已接近世界領先水平，從而為我國科學技術的發展創造了良好的條件。計算機技術與通信技術相結合產生了信息技術，信息技術的發展又促進了人類社會文明與發展。在一個城市實現計算機聯網之后，在金融系統以及交通運輸、物業管理、教育培訓、電子商務等行業計算機網絡都發揮著非

2、常重要的作用。計算機控制是計算機技術又一個非常重要與廣泛的應用領域。指示與調節儀表在逐步實現數字化與智能化。常規工業控制系統也逐漸被計算機控制系統所代替。計算機控制系統在生產過程控制、電力、能源、交通及建筑智能化等行業中已得到廣泛應用。1 概述1.1 我國計算機控制系統的應用與發展概況我國計算機控制系統的應用開始于20世紀70年代，當時以引進國外產品為主。1980年國內開始研制與開發計算機控制有關產品與控制系統。當時主機還依賴進口，國內以各種工業控制接口板的開發與生產為主，國產的單板機開始應用于一些小型控制系統。由于進口工業計算機主機價格昂貴，一些項目只好用商業機作為主機，有些項目還用單板機作

3、為主機。由于硬件與軟件的水平都比較低，運行過程中出現了不少問題，造成了投資上的浪費。當時計算機控制技術在國外已經成熟，應用也比較普遍。上世紀80年代開始，隨著改革開放的發展與國力的增強，計算機控制系統及工業型控制計算機開始進入國內市場。我國計算機控制的硬件及軟件水平提高也很快，計算機控制的應用進入成熟階段。當時國外計算機控制系統已發展為集散型控制系統，國內還以集中式計算機控制為主，技術上落后于國外一個等級。從上世紀90年代開始，建筑物智能化的發展大大促進了我國計算機控制的應用與發展。集散型計算機控制系統開始進入我國市場，變電站綜合自動化在電力系統中也得到了普遍的應用，在生產過程中也可開始采用現

4、場總線控制系統。隨著單片機技術的發展，各種測控儀表也逐步實現智能化。隨著計算機技術、電子技術、通信技術及自動控制技術的發展，我國計算機控制系統的應用范圍越來越廣泛。生產過程控制、能源交通以及電力系統普遍采用了計算機控制，在建筑智能化工程中，樓宇自動化系統、消防自動控制也都采用了計算機控制。住宅智能化中智能化抄表系統與安防也采用了計算機采集與管理。1.2計算機控制系統的應用效果 測量精度高，數字顯示準確，歷史數據存盤后可進行報表打印。 事故報警容量大，顯示內容豐富，并可進行事故追憶。通過存盤后，可隨時打印。 軟件可完成各種復雜的算法，完成各種復雜的控制。 通過優化運行，提高產品生產效率與質量，有

5、效節約能源從而降低生產成本。 提高自動化水平，減少生產人員。 通過計算機網絡，實現現代化管理。1.3 我國計算機控制系統應用中存在的主要問題 20世紀90年代以前，我國中小型計算機控制系統自行開發的非定性產品比較多,產品硬件與軟件技術水平比較低，兼容性與可擴展性很差，給系統運行維護管理帶來許多困難，系統無法升級與擴展，造成很大浪費。 20世紀90年代改革開放以后，從國外引進的計算機控制系統較多，除了PLC可編程控制器之外，樓宇自動化系統、變配電站綜合自動化系統開始大量引進。也開始生產變配電站綜合自動化系統及樓宇自動化系統，國產變配電站綜合自動化系統的技術水平還是比較先進的。計算機控制系統是高新

6、技術產品，電氣設計人員要有一個熟悉過程，開始階段電氣設計中存在不少問題，對計算機控制系統的運行帶來一定影響。近年來計算機控制系統電氣設計水平也在逐步提高。 計算機控制系統運行以后，在運行管理上也有一些特殊的要求，管理體制要改變,人員技術水平要求也較高。開始階段運行管理方面的問題比較多，近幾年來也逐步在改善。1.4 計算機控制系統電氣設計的重要性計算機控制系統的電氣設計的任務主要是為計算機控制系統正常運行提供各種必要的條件，而不是進行計算機控制系統本身的硬件及軟件設計。電氣設計根據工藝要求選好計算機控制系統的類型，然后作好供電電源、現場控制、測量及信號設備、外部電纜及接地與電氣安全保護設計。計算

7、機控制系統的功能主要取決于其硬件與軟件的技術水平，能否保證可靠運行與電氣設計的水平與質量有很大的關系，各種干擾會從電源線，測量、信號、控制以及通訊線進入計算機控制系統，處理不好就會影響計算機控制系統的穩定運行，電氣安全保護設計不好，出現過電壓時還可能損壞計算機控制系統的硬件設備，接地處理不好會造成計算機控制系統測量數據不準，引起信號誤報警或控制誤動作以及通信中斷，由此可見計算機控制系統的電氣設計與施工質量是保證其正常運行的一個非常重要的條件。2 計算機控制系統的基礎知識2.1 計算機控制系統的工作原理 計算機的硬件計算機的硬件由大規模集成電路組成，集成電路分為邏輯電路與模擬電路兩大類，計算機芯

8、片主要由邏輯電路組成。計算機主要由中央處理單元（CPU）、存儲單元（RAM、EPROM）模擬量與數字量轉換單元（A/D）、數字量與模擬量轉換單元（D/A）、數字量接口（I/O）以及通信單元等組成。中央處理單元（CPU） 中央處理單元（CPU）又稱為微處理器，它是計算機的核心。按處理的字節的位數可分為4位，8位，16位，32位與64位。單片機開始為4位與8位，現在已發展到32位。微型機有16位與32位，現在以32位為主。中央處理單元（CPU）由算術邏輯單元（ALU）、通用寄存器陳列、指令寄存器及譯碼器、定時與控制單元、累加器、 暫存器、標志觸發器、數據總線緩沖器與鎖存器以及地址緩沖器等組成。算術

9、邏輯單元主要完成算術運算、邏輯運算及十進制調整。算術運算有加、減、乘、除，邏輯運算有或，與，異或等。運算過程中要完成二進制與十進制轉換以及十六進制與十進制轉換。運算結果的特征由標志觸發器來記憶。電子線路有截止（1），導通（0）與高阻抗（上下截止）三種狀態，導通與截止分別用1與0來表示，所以在計算機內部數據只能用二進制來表示，字節為8位就有8位二進制數，16位就有16位二進制數。實際數據通常用十進制表示，十進制數進入計算機就要進行十進制與二進制轉換。計算機內部數據被取出后就要進行二進制與十進制轉換。每四位二進制數組成一位十六進制數，四位十六進制數就由十六位二進制數組成。十六進制數分別用09及A、

10、B、C、D、E、F來表示，為了與十進制相區別，十六進制數加后綴H。數據超過幾K以后，用十進制表示要好多位，用二進制表示位數更多，用十六進制表示位數就相對減少很多，4位十六進制數就可以表示64K數據，所以程序編寫需要用十六進制數。通用寄存器陣列是在CPU內部有許多存儲二進制數的單元，8位為一個寄存單元，CPU運行程序時先把數據以二進制形式暫時存在寄存單元中再進行處理，處理結果一般放在內存中，這樣可少一級尋址，可以提高處理速度。不同型號CPU寄存單元數量不同。寄存單元越多，功能越強。寄存器陣列中還有兩個特殊的寄存單元，一個是堆棧指針單元，一個是程序計數器。寄存單元是CPU內部共用單元，在執行中斷服

11、務程序時，要把正在執行的程序中的數據保存在堆棧中（入棧），中斷程序結束返回原來程序時，要把保存在堆棧中的數取回來放在原來的寄存單元中（出棧），堆棧為先入后出，所以要用堆棧指針（單元）來進行出入棧管理。程序計數器（PC）存放正在執行程序的地址。它是一個16位計數單元，CPU在執行程序過程中首先以PC中的內容為地址，從內存程序區中取出一條指令，加譯碼后去執行，然后將程序計數器（PC）加一個數，執行的是單字節指令時加1，雙字節指令時加2。根據程序計數器（PC）中的內容，再執行下一條程序。定時與控制單元主要來完成定時控制以及根據控制要求，在不同時間自動發出各種控制信號。控制信號有復位信號（RESET）

12、、時鐘（）、等待（WAIT）、存儲器請求（MREQ）、I/O請求（TORQ）、讀（RD）、寫（WR）及中斷請求（INT）等。外部總線中央處理單元（CPU）雖然是計算機的核心，但它還必須與外部接口相配合才能形成一個完整的計算機。CPU通過外部總線與外圍芯片相連接形成外部接口，外圍芯片有存儲器、AI、DI、AO、DO及通信接口等，外部總線分為數據總線（DB）、地址總線（AB）與控制總線（CB）。數據總線（DB）是一個8位雙相傳輸總線，它可以將8位二進制數（D0D7）由CPU傳向CPU外部接口（寫數據），也可以將8位數據（D0D7）從外部接口讀到CPU內（讀數據），它由程序中執行的I/O輸入與輸出語

13、句來完成。地址總線（AB）是一個16位（A0A15）只能向外輸出的單向總線，它用來選通存儲器以及AI、DI、AO、DO四種I/O接口芯片的地址。控制總線（CB）包括復位（RESET）、時鐘（）、等待（WAIT）、存貯器請求（MREQ）、I/O請求（TORQ）、讀（RD）、寫（WR）、及中斷請求（INT）等，它們均為一根線。復位線（RESET）加一個低電位負脈沖（有些CPU加正脈沖）后，CPU便從頭開始執行程序，它用來控制上電后開始運行程序，它與外部自復位芯片配合，可以形成自復位電路，以保證程序受干擾死機后，再重新自動啟動。它是工業控制計算機非常重要的接口電路。時鐘（）是外部石英震蕩器的輸入端，

14、由石英震蕩器來產生外部時鐘，控制CPU的運行速度。根據CPU型號不同有8MHZ，12MHZ，16MHZ及20MHZ等多種。外部時鐘太高會影響CPU運行的穩定性，現在有些外部時鐘內部有時鐘電路，可自動將外部時鐘采集后成倍提高，并可保證CPU運行的穩定性。等待線（WAIT）低電平有效，它可以告訴CPU所尋址的存貯器或I/O芯片是否準備好數據，CPU在執行程序中可插入等待周期，以保證CPU可以與任何速度的存貯器或I/O芯片同步。存貯器請求（MREQ）為三態輸出，低電平有效。它接到存儲器芯片的選片端。CPU要操作該芯片時除了數據線（DB）、地址線（AB）、讀（RD）與寫（WR）有效之外，還需要由MRE

15、Q向該芯片選片端發低電平，便可對該芯片所有單元進行讀或寫操作。外設輸入輸出請求（IORQ）也是三態輸出，低電平有效。CPU執行外部設備接口輸入與輸出指令時，IORQ產生一個低電平脈沖選通外部設備接口芯片，以便對其進行讀與寫操作。中斷請求（INT）為輸入線，低電平有效。它為外部緊急事件提供一個中斷輸入端。當外部設備發生緊急事件時，馬上產生低電平，CPU便進入中斷服務程序對緊急事件進行處理，處理完之后便返回原來程序，繼續執行原來的程序。它是一個硬件輸入中斷源，程序中還有軟件中斷，它由編程人員來安排。存貯器單元計算機的程序（二進制代碼）與大量的數據都要放在存貯器單元中。存貯器單元的容量由地址線及控制

16、線來決定。一般16位地址線（A0A15）尋值范圍為64K。利用控制線可增加到128K或更高。程序編寫好之后，固化在存貯單元中，接通電源便開始執行，斷開電源程序不能丟失，所以固化程序的存貯單元稱為EPROM區，數據要隨時改寫，所以放在RAM區。EPROM與RAM通稱為內存器。EPROM中程序要修改，可以用紫外線進行擦除，有些芯片可以用電擦除。擦除一次整個芯片全部擦除，寫入（固化）程序時可以用編程器來寫。微型機用軟盤或光盤將程序安裝在硬盤中。對于斷電后需要保存的數據，可以利用帶掉電保護的電擦除EEPROM芯片。EEPROM芯片為串行讀寫速度比較慢，數據少時還可以采用。現在已經有了大容量的電擦除（F

17、lash）SARAM存貯器（簡稱閃存），采用并行直接讀寫，速度非常快、容量也大，微型機要保存歷史數據，一般用UPS不間斷電源供電，斷電后有足夠的時間將數據寫入硬盤或電子盤中。現在微電子技術發展很快，芯片的集成度越來越高。有些單片機已經將（Flash）SARAM存貯器、A/D、D/A及通信芯片（CAN）與自復位芯片設計在CPU芯片內。這樣計算機體積越來越小，成本下降，運行速度與可靠性大大提高。 外部接口電路計算機控制系統的現場各種信號都要與CPU連接起來，CPU才能進行控制。這些信號分為AI、DI、AO與DO四大類。模擬量輸入簡稱AI，常規控制為測量回路，它通過A/D轉換將直流模擬量信號轉換為二

18、進制數與CPU相連接。開關量輸入接口簡稱為DI，常規控制為信號回路，CPU讀I/O輸入后判其電位為1或0來判斷現場開關運行狀態是合還是分。模擬量輸出接口簡稱為AO，常規控制為比較給定回路，CPU可以輸出二進制數，由D/A轉換將二進制數轉換為直流電壓或電流信號然后去進行模擬量控制。開關量輸出簡稱為DO，常規控制為控制回路， CPU利用開關量輸出接口加隔離后驅動繼電器，然后對現場各種設備進行控制， 通信接口也是計算機外部電路的一種類型，屬于通信協議的物理層。計算機控制用的比較多的通信接口有RS-485以及CAN總線等，現在已經開始采用以態網。通信接口主要用于集散型與現場總線型計算機控制系統的內部聯

19、網。2.1.6工作過程計算機完成控制功能需要根據程序來進行。程序由編程人員根據具體控制要求來編寫。程序運行時，首先通過AI與DI接口采集到現場的測量與控制信號，然后經過與給定組比較，根據控制要求進行PID等調節，再經過DO與AO對現場進行控制。對有關數據與信號還要進行顯示及報表打印，歷史數據還需要存盤保存。人們把計算機稱為電腦，計算機中央處理器（CPU）通過執行根據人們大腦思維編寫的程序,來完成某些功能。計算機控制系統就象一個完整的人體，有一個大腦，兩只眼睛，一雙手和兩只腳。由模擬量輸入（AI）與開關量輸入（DI）兩只眼睛觀察到現場信號,經過CPU運行程序進行處理后，通過一雙手由模擬量輸出(A

20、O)與開關量輸出(DO)去控制現場設備, 同時通過鼠標、鍵盤、打印機、顯示器進行人機對話，如果需要聯網，就通過兩只腳走出去，由計算機通信網絡與外界進行聯絡。人體是由大腦通過神經系統來指揮工作，計算機控制系統是由電子線路（門電路即邏輯電路如與門、或門、非門、與非門、或非門，異或門，觸發器、鎖存器、驅動器等）識別0與1, 以二進制碼形式來進行工作。人的大腦通過視神觀察到外界物體, 計算機控制系統通過敏感元件，變送器與A/D轉換將電量與非電量的模擬量先變為統一的電模擬量（AI）,再變為二進制碼，并通過開關量輸入(DI)的高電位與低電位, 就可以觀察到現場的各種測量與控制信號信號。計算機控制系統采集到

21、現場信號后，由CPU通過運行按人的思維編寫的程序，進行邏輯與算術運算以及邏輯判斷，然后以二進制碼形式通過開關量輸出（DO）與模擬量輸出（AO）對現場設備進行控制,并通過顯示與打印軟件去指揮顯示器與打印機進行工作。需要聯網時，再通過計算機網絡，根據事先約定的通信規約，以串行碼的形式進行數據交換。2.2 計算機控制系統的基本組成計算機控制系統由供電電源設備、計算機、現場設備以及后備顯示、報警與控制操作臺等組成。供電電源設備包括抗干擾電源、穩壓電源及UPS不間斷電源。它根據需要進行配備，一般安裝在操作臺內，由計算機控制系統的制造廠家統一考慮，電氣設計一般可以不進行設計。計算機控制系統中所用的計算機有

22、：微型機、單板機與單片機等種類。微型機現在已發展到P與P，大中型工程有過程控制時都選用工業型微機（IPC），普通工程只需要監控時選用辦公用計算機也可以滿足使用要求。單板機現在很少用，它逐步被單片機所代替，PLC、數字儀表、數字控制器以及各種專用控制單元均選用單片機。現場設備包括測量、信號與控制三大類。測量設備包括傳感器與變送器。信號設備包括限位開關，轉換與控制開關，繼電器、接觸器以及斷路器的輔助接點。控制設備包括閥門與風閥的執行器，接觸器，磁力啟動器以及斷路器的操作機構。國外引進的計算機控制系統一般很少有后備顯示、報警與控制操作臺，國內生產的計算機控制系統一般都要再設計一個操縱臺將電源設備，重

23、要控制對象的后備顯示，報警與控制設備集中安裝在操作臺內，這樣可以方便系統的運行管理，算機控制系統檢修，或發生事故停止運行時，通過人工操作繼續運行。但是后備顯示，報警與控制的對象不能太多，只限于一些主要對象，否則不僅會降低系統運行的可靠性，同時也增加了投資與運行維護費用與工作量。2.3 計算機控制系統的種類及應用范圍集中式計算機控制系統集中式計算機控制系統是最早期的計算機控制系統，它實際是用一臺計算機及其擴展接口板代替了安裝在儀表盤內的各種顯示、記錄及調節儀表。外部測量、控制與信號設備以及控制電纜基本不變。集中式計算機控制系統在20世紀90年代中期以前應用的比較多，20世紀90年代中期以后逐步被

24、集散型計算機控制系統代替，現在已經很少采用。 集散型計算機控制系統（DCS）集散型計算機控制系統（DCS）是當前應用最廣泛的一種計算機控制系統。它利用計算機通信電纜將安裝于現場的各種數字化控制器（DDC）、PLC可編程控制器或現場控制站等連接到中央控制室計算機（工作站），形成一個計算機網絡。所有控制單元均分散安裝于控制設備附近，所以縮短了測量，信號與控制電纜，簡化了電氣設計，減少了施工與維護工作量，提高了系統的抗干擾能力。 現場總線計算機控制系統（FCS）現場總線計算機控制系統（FCS）是當前最先進的控制系統，它將現場設備和控制器及執行機構（包括DDC，PLC及I/O設備）匯集在一起。各種測量

25、設備與控制機構都帶有自己的中央處理器（CPU），它們之間傳輸的是串行數字碼，不再是05V或420mA模擬量信號，儀表也不再是傳統的數字化儀表，而是具有通信功能的單元組合式數字化儀表。它們的數字量傳輸直接接到現場總線上，使接在現場總線上的所有設備可以互相通信，同層間的相互通信能力大大增強。控制器的概念與傳統控制也不同，自動控制設在測量與控制設備以及執行機構內，高層次的控制規律和監控功能仍然放在主計算機內，供所有掛在現場總線上的設備使用。生產管理計算機同時掛在現場總線與以太網上，一方面負責下層（現場）生產管理，另一方面與上層調度計算機相連接并進行信息交換。現場總線是用于現場儀表與控制之間的一種全數

26、字化、雙向、多變量、多點、多站的通信系統。可靠性高，穩定性好，抗干擾能力強，通信速率高，工程綜合造價及維護成本低是現場總線的突出特點。現場總線計算機控制系統（FCS）在國外已經得到推廣，在國內剛開始引進，由于其造價昂貴，應用范圍受到一定限制。國家成立了現場總線技術委員會，負責現場總線控制技術的開發以及推廣與應用，國內一些單位也開始開發與生產現場總線計算機控制系統（FCS），但是目前在通信協議的統一上存在問題比較多，要普遍推廣與應用還要有一個過程。2.4計算機網絡技術（系統集成）計算機網絡技術發展很快，它應用于控制領域之后，可以達到資源共享，提高控制與管理水平。計算機網絡技術在計算機控制系統中的

27、應用稱為系統集成。它分為計算機控制系統或各種智能化控制器之間的系統內部集成以及系統外部各種計算機系統之間的系統集成。系統內部集成可以省去重復設置的測量、信號與控制等外部設備，從而簡化了設計以及施工與維護工作量。系統外部集成可以利用計算機網絡加強與提高管理水平。由于系統集成涉及到計算機通信協議，不同計算機控制系統生產廠商之間技術協調難度較大，在實際工程中要實現系統集成目前還存在不少問題。3 計算機控制系統的電氣設計與傳統儀表控制電氣設計的區別3.1 傳統儀表控制電氣設計傳統儀表控制電氣設計首先根據工藝專業提出的工藝要求及相關專業提供的技術條件選擇顯示、調節及記錄儀表，再選擇現場各種測量、信號及控

28、制設備，然后設計出控制原理圖。控制原理圖設計完成之后，再設計箱、屏、柜布置圖及施工接線。最后根據箱、屏、柜以及現場各種設備的位置，結合控制原理圖設計電纜平面圖。 傳統儀表控制電氣設計的技術水平主要體現在控制原理圖設計上。顯示、調節及記錄儀表選擇要合理，相關聯鎖及時間配合還要選擇中間繼電器與時間繼電器。因此傳統自動控制原理圖設計要求電氣設計人員要有一定的技術水平，工作量也比較大。 傳統儀表控制的現場調試需要電氣設計人員到現場進行配合，有時控制原理圖或箱、屏、柜施工接線圖出現問題就要在現場進行修改。PID等參數調整只能在調節儀表上來進行，調試以及日后運行維護工作量都很大。3.2 計算機自動控制電氣

29、設計計算機控制系統的控制、顯示、報警及記錄功能全部由計算機軟件與硬件來完成，因此它不需要再設計控制原理圖。這就大大減少了自動控制電氣設計的工作量。由于不再需要顯示、調節與記錄儀表，也就不在需要設計控制屏。需要強電后柜操作臺時，設計也比較簡單，而且計算機控制系統制造廠家都有相配套的操作臺可以直接選用。 計算機控制系統的計算機軟件與硬件設計都由計算機控制系統制造廠家來完成，電氣設計人員只負責審查是否能滿足工藝及相關專業的要求。計算機工業控制軟件一般都選用組態軟件，二次開發非常方便。 計算機控制系統與常規儀表控制的現場測量、信號與控制設備基本相同，有些計算機控制系統的測量接口已經設計有放大器可以直接

30、采集熱敏電阻或熱電偶信號，有些還可以通過交流采樣直接采集交流電流與電壓信號，可以省掉相關變送器，這樣設計更為簡單。 采用集散型計算機控制系統（DCS）之后，控制單元分散安裝到現場有關控制設備附近。因此外部電纜長度大大縮短，這也給電氣設計與施工帶來很大方便。計算機控制系統的控制功能全部由軟件來完成，不僅提高了自動控制的水平，也給現場調試帶來很的方便，各種參數需要修改時利用軟件就可完成，控制原理有問題也可以通過修改軟件來解決，現場調試工作量就可以大大減少。3.3 計算機控制與傳統儀表控制電氣設計的區別計算機控制與傳統儀表控制電氣設計的區別可以用下列表格表示。設計內容計算機控制傳統儀表控制工藝條件與

31、要求可滿足各種復雜的要求要求越復雜，設計就越復雜控制原理圖不需要設計，只統計點數并提出控制要求設計復雜，要有一定設計經驗與水平箱屏柜布置圖一般可以不設計根據原理圖進行設計箱屏柜接線圖一般可以不設計根據原理圖與布置圖進行設計外部電纜圖根據計算機控制單元外部端子圖進行設計根據原理圖及箱、屏、柜外部端子圖進行設計施工安裝與調試簡單、工作量小復雜、工作量大運行維護與管理簡單、方便工作量大 從表格中可以看出計算機控制由于不用再設計控制原理圖，只統計點數與提出控制要求；對于較為復雜的自動控制，設計工作量大大減少。控制要求完全由軟件來完成，不僅控制質量有保證，如果控制要求有變化，通過軟件來進行修改也比較方便

32、。 計算機控制系統可以取消或簡化箱屏柜，設計工作量也減少許多。計算機控制系統只要施工圖設計沒有大的問題，測量、信號與控制回路的數量不遺漏，電纜線路設計正確，自動控制出現問題，可以通過修改軟件來解決。施工安裝與調試也比較簡單，工作量也減少許多。運行維護與管理也比較方便。設計時要了解清楚所選用的計算機控制系統對干擾有那些要求，設計中提前采取措施。計算機控制系統質量越好，抗干擾能力越強。3.4 計算機控制系統電氣設計的主要內容計算機控制系統電氣設計的主要內容包括系統選型、供電電源設計、外部設備選型及控制與信號電路設計、外部電纜設計、電氣接地以及電氣安全與保護設計。系統選型是根據工程項目的具體工藝要求

33、，由電氣設計人員來選擇計算機控制系統，而不是由電氣設計人員來設計計算機控制系統的硬件及軟件。3.5 計算機控制系統電氣設計的設計方法：計算機控制系統電氣設計首先根據工藝要求編寫出控制技術條件。控制技術條件主要要求包括測量及控制精度，控制對象及范圍，控制聯鎖要求，事故報警功能，運行管理要求以及計算機控制系統對工作環境、供電電源、電氣接地與電氣安全等方面的一些特殊要求。控制技術條件編寫好之后，就可進行計算機控制系統的系統選型與外部設備的設計選型，統計DI、DO、AI、與AO點數，根據其分布位置繪制出點數表，最后再進行系統方框圖及外部電纜平面圖設計。3.6 計算機控制系統電氣設計的設計步驟：根據工藝

34、要求編寫控制技術條件，作為設計，甲方定貨及施工驗收的依據。 根據控制技術條件選擇計算機控制系統。 選擇現場設備，設計就地控制原理圖。 統計DI、DO、AI及AO點，繪制點數表，選擇現場控制站的數量。 繪制計算機控制系統方框圖。 進行外部電纜施工設計，外部電纜施工端子接線圖可由供貨廠家設計。 作出工程概算。 配合現場施工，參加現場調試與驗收。4計算機控制系統選型4.1對于已經有與計算機控制系統配套的計算機控制裝置，或專用控制器的設備，如柴油發電機組、冷凍機組、工業鍋爐等，應直接選用與計算機控制系統配套的計算機控制裝置，或專用控制器，并要求其提供計算機通信接口及通信協議，以便將來實現計算機聯網。4

35、.2 系統選型時應優先選用集散型計算機控制系統，對于變配電站、工業鍋爐、空調及樓宇自動化等，應選用定型的計算機控制系統。對于計算機控制系內部已經有配套的計算機控制裝置或專用控制器的設備可考慮系統集成方案。系統集成受通信規約的限制，電氣設計時一定要認真落實，否則應根據測控要求增加相應外部設備，將測控及信號點引到計算機控制系統的現場控制站。4.3 現場總線計算機控制系統（FCS）是當前世界上最先進的計算機控制系統，剛開始由國外引進，其價格比較高，一般用于大型生產過程控制，中小型生產過程控制一般還采用集散型計算機控制系統。國內一些單位也開始開發與生產現場總線計算機控制系統（FCS），普遍推廣應用還要

36、經過一段時間。5 計算機控制系統供電電源設計5.1供電電源電壓與容量計算機控制系統的供電電壓一般為交流AC220V，50HZ，執行機構的電壓為直流DC24V，有些執行機構的控制系統電源為交流AC24V，50HZ。執行機構的供電電源應由計算機控制系統提供。電氣設計時，應根據計算機控制系統的具體要求進行供電電源設計。計算機控制系統的用電容量都比較小，中央控制站一般由一臺或多臺微型計算機及配套的顯示器與打印機組成，其用電容量為幾個千瓦，現場控制站的用電容量一般為幾百瓦，單元控制器及執行機構用電容量一般為幾十瓦。5.2供電電源質量有關設計規范對計算機電源的供電質量都提出具體要求，電壓波動不大于額定電壓

37、的±10%，頻率變化不大于±1HZ，波形失真率不大于20%等（民用建筑電氣設計規范 JGJ/T16-92：523頁）。計算機控制系統本身的電源設計時已經考慮了供電電源波動與干擾等影響，其電源都采用開關電源，即先將交流（AC）220V電壓直接整流為直流電壓，再采用直流逆變電路變為高頻交流，然后經過高頻變壓器與整流電路，得到±5V，±12V等各種直流電源。開關電源一般在交流（AC）180V 230V電壓下都可以正常工作，對電網頻率變化要求也不高，所以供電電源能達到國家電網供電質量標準就可以保證計算機控制系統的正常運行。對供電電源有特殊要求時，計算機控制系統制

38、造廠家會在使用說明中進行說明，這一點應引起電氣設計者注意。一般計算機控制系統的生產質量越高，對供電電源的要求就越低，因為其本身電源設計水平比較高或者已經采取了抗干擾等措施。計算機控制系統的開關電源是一個非線形負載，它是電網諧波產生的根源之一，但由于開關電源的容量都不是很大，當其數量不太多時，產生的諧波對電網的危害就不會太大。5.3 供電電源可靠性計算機控制系統對電源的可靠性還是有一定要求的，工作電源中斷，計算機就無法運行，而且有時還會丟失一些數據，所以中央控制站一般都應成套配備UPS不間斷供電電源，其容量根據中央控制站的容量來確定，供電時間10分鐘到半小時就可以滿足要求。一般選用后備式就可以。

39、對于大型控制系統，特別是生產過程控制，應考慮大容量在線式UPS不間斷供電電源或大容量逆變電源。變配電站綜合自動化系統用于交流操作時必須設計不間斷供電電源。現場控制站供電電源的可靠性一般都與現場監控設備一起來考慮。5.4 供電電源設計 計算機控制系統的中央控制站一般由一路交流（AC）220V電源供電，并要求計算機控制系統制造廠家配套提供UPS不間斷電源，其容量及停電后供電時間根據計算機控制系統的要求來決定。有條件時可以從不同變壓器或變電所引兩路交流（AC）220V電源供電，由于已經有UPS不間斷供電電源，所以兩路供電電源只設計手動互投，可以不設計備用電源自動投切。 集散型計算機控制系統（DCS）

40、的現場控制站分散安裝于現場，其供電電源可由附近的動力配電箱單獨引一路交流（AC）220V電源供電，施工時應保證PE接地線的施工質量。 計算機控制系統應避免與電梯等頻繁啟動的用電設備共用一路供電電源。 大中型計算機房的供電電源應由變電所220/380V低壓配電柜單獨供電。設計時并根據計算機的要求，考慮是否需要穩壓、隔離、UPS不間斷供電電源或逆變電源等設備。6 計算機控制系統外部設備的電氣設計6.1外部測量回路的電氣設計 測量是計算機控制系統的重要組成部分，它通過模擬量輸入口（AI）進入計算機。有些計算機控制系統可以直接采集熱電阻信號，這樣設計時就可以省掉溫度變送器。 電力系統的計算機控制系統一

41、般通過交流采樣直接采集交流 （AC） 05A、0150V、或0420V信號，這樣就可以省掉電流、電壓、功率等電量變送器，對于沒有交流采樣功能的計算機控制系統，仍需要選用電流、電壓、功率、頻率、功率因數等電量變送器。有什么種類的電工儀表，就有相同種類的電量變送器，二者一次接線完全相同，電流回路串聯于電流互感器回路，電壓回路并聯于電壓測量母線上。 壓力、流量等參數需要由傳感器經過變送器將非電量轉換為直流（DC）電信號之后，再接到計算機控制系統的模擬量輸入口（AI）。 變送器輸出的直流（DC）電信號有05V，010V，010mA，420mA，15V與110V等。輸出為直流電壓信號的變送器價格便宜，但

42、抗干擾能力弱，信號傳輸距離近，用于一般參數的測量。輸出為直流電流信號的變送器價格貴，但抗干擾能力強，傳輸距離遠，用于重要參數的測量。15V，110V，420mA輸出可以自診斷變送器故障與外部接線斷線，設計時應優先選用。設計中選用的變送器直流輸出必須與計算機控制系統模擬量輸入（AI）相匹配。 測量精度與計算機控制系統模擬量輸入（AI）的A/D轉換位數有關。測量精度要求不高時，8位A/D就可以滿足要求，其測量范圍為0255，分辨為256分之一，假如測量室內溫度，測量范圍為050，測量分辨率為50除以255約為0.2。對于10位A/D轉換，其測量范圍為01023，分辨為1024分之一，對于12位A/

43、D轉換，其十進制數測量值范圍為04095，分辨為4096分之一。電氣設計時，應進行校核。計算機采集到模擬量輸入信號之后，通過A/D轉換將直流05V模擬量輸入電壓信號轉換為2進制數，計算機在通過軟件將2進制數轉換為10進制數，在顯示或打印實際測量值時，還要由軟件通過計算機進行倍率轉換，其轉換計算公式如下： A（K1-K2）÷（K3-K4）（X-K4）+K2式中：A：實測顯示值。K1：A/D轉換輸入最大值時的實際顯示值。K2：A/D轉換輸入最小值時的實際顯示值。對于-50100測量范圍，K1為100，K2為-50，對于0100測量范圍，K1為100，K2為0,對于4555Hz測量范圍,K

44、1為55,K2為45。K3：A/D轉換最大位數轉換為10進制后的數，8位A/D為256，10位A/D為1024，12位A/D為4096。K4：A/D轉換最小位數轉換為10進制數后的數，對05V，或010mA輸入，K4為0，對15V或420mA輸入，K4為K3的0.2倍。X：轉換為10進制數的實際測量值。6.2 外部控制回路的電氣設計計算機控制系統外部控制回路分為起停與連續控制兩種類型。起停控制由計算機控制系統的開關量輸出（DO）控制繼電器去進行，它主要有電動機、電動開關，斷路器以及電磁閥等的控制。連續控制的設備由計算機控制系統的模擬量輸出（AO）通過05V、010V、010mA或420mA模擬

45、量信號去進行控制。它主要有電動調節閥，可控硅以及變頻器等的調節控制。計算機控制系統的開關量輸出（DO）可提供一對繼電器常開接點或一對轉換接點。電氣設計時應將其接點通過就地手自動轉換開關接到控制回路中，并設計好就地控制的原理圖。如果需要計算機控制系統檢測手自動位置時，手自動轉換開關還應多選一對接點給計算機控制系統的開關量輸入（DI）接口。所有引到計算機控制系統的DO與DI點均應接到控制箱的外部接線端子上。電氣設計時還要對繼電器接點的電壓等級與容量進行校核。計算機控制系統的模擬量輸出（AO）的直流信號必須與被控對象的調節輸入相匹配，如果需要計算機控制系統反映調節對象的開度或轉速時，調節裝置應有反饋

46、信號（閥位或轉速反饋信號），并接到計算機控制系統的模擬量（AI）接口，二者信號必須相匹配。6.3 外部信號回路的電氣設計外部信號回路一般以常開或常閉干接點的形式接到計算機控制系統的開關量輸入（DI）接口。干接點為一組獨立的接點，一般取自斷路器與啟動設備的輔助觸點以及反映位置信號的限位開關等。選用干接點的原因是因為信號回的電壓大多數為計算機控制系統自己提供的直流12V或24V電壓。有些計算機系統可直接采集交流（AC）或直流（DC）220V電壓信號，這就給電氣設計帶來很大方便。電氣設計時應根據計算機控制系統的開關量輸入（DI）的技術條件進行設計。7 計算機控制系統的外部電纜設計7.1 測量回路電纜

47、設計 測量回路傳輸的是低電壓、小電流的弱電直流模擬量信號，線路的干擾會對測量參數造成一定影響，所以測量回路一定要選用屏蔽電纜，也可以用銅芯塑料線穿鋼管敷設。測量回路可以與直流開關量輸入（DI）或模擬量輸出（AO）共用一根屏蔽電纜或用銅芯塑料線穿在一根鋼管內敷設，但不能與交流信號共用一根電纜或用銅芯塑料線穿在一根鋼管內敷設。屏蔽電纜一般敷設于電纜溝與電纜橋架內，或埋地敷設。 屏蔽電纜的屏蔽層應可靠連接后一端接地，一般在計算機控制系統入口處集中后一點接地，對于TN-S或TN-C-S系統可以集中一點后接于PE線上，可以不再單獨接地。所選用鋼管也應可靠接地。有些資料提出應在兩端接地，分歧較大。通信電纜

48、的屏蔽層應兩端接地，電力裝置的繼電保護與自動裝置設計規范（GB50062-92）已經有明確規定。 變送器有三線制與兩線制兩種，其電源一般為直流24V，三線制有+24V，地線與信號線三根線，兩線制為+24V與地線兩根線，通過+24V電源線的電流變化來反應測量信號的變化。變送器的電源線，特別是地線不能共用，每個變送器單獨設計一組線，以免信號變化時相互產生影響。電量變送器的電源一般為交流（AC）220V，必須單獨敷設，所有變送器可以共用一組電源線，但輸出直流信號線不能共用，必須單獨引到計算機控制系統。7.2 控制回路電纜設計開關量輸出（DO）的控制回路電壓一般為交流（AC）220V，所以電氣設計時可

49、以與強點控制回路結合起來進行設計，但不能與弱電線路共用一根電纜或穿在同一根鋼管中敷設。 模擬量輸出（AO）控制回路傳輸的是直流低電壓、小電流弱電信號，設計時一定要選用屏蔽線或穿鋼管敷設。電氣設計時可以與模擬量輸入（AI）等弱電線路結合起來設計。7.3 信號回路電纜設計開關量輸入（DI）直流信號線可以與模擬量輸入（AI）與輸出（AO）結合起來選用屏蔽電纜或套鋼管敷設。信號線地線可以共用，n個信號可以用（n+1）芯電纜。開關量輸入(DI)交流信號必須單獨設計,也可以與交流開關量輸出(DO)結合起來進行設計，一般可以不選用屏蔽線。7.4 通信電纜設計 通信電纜傳輸的是高頻率數字信號,線路干擾會破壞計

50、算機通信的正常工作。電氣設計時應根據計算機控制系統的要求選用屏蔽雙絞線、計算機用屏蔽電纜或普通屏蔽電纜。計算機用屏蔽電纜有總屏,對屏以及對屏與總屏三種屏蔽方式。只有一路通信一般選用總屏方式，有多路通信時需要選對屏方式,對屏與總屏方式一般只用于工作環境干擾特別大的重要工程。 通信電纜在戶內一般選用屏蔽雙絞線。通信電纜需要在戶外敷設一般選用帶戶套與鎧裝的計算機用通信電纜。通信距離只有幾十米,通信速率不高時也可以選用普通屏蔽電纜。通信電纜的屏蔽層必須可靠接地, 。通信電纜的屏蔽層應兩端接地，電力裝置的繼電保護與自動裝置設計規范（GB50062-92）已經有明確規定。有些資料提出應在一端一點接地,分歧

51、比較大。有綜合布線系統的建筑物,計算機通信電纜可以選用布線系統中的線路作為通信線,但由于施工及調試配合等因素的影響,一般計算機控制系統制造廠家都希望單獨敷設通信電纜。8 計算機控制系統接地與電氣安全電氣設計8.1計算機控制系統接地電氣設計計算機控制系統地線種類計算機控制系統的地是指直流電源的地,地線是指其直流電源的地線。根據計算機控制系統所包括的直流電源種類,可分為計算機本身的直流電源地與地線(一般稱為系統地)，外部設備，包括擴展接口板，傳感器，變送器，繼電器及儀表與信號回路的直流電源地與地線(一般稱為現場地)，以及隔離型通信接口的直流電源地與地線(一般稱為通信地)。計算機中央處理器（CPU）

52、及外圍芯片以脈沖方式（數字量）進行信息交換，脈沖以直流電源地線作為參數電位，所以地線電位突變就會影響計算機的正常工作，計算機控制系統設備制造與電氣設計都應采取措施盡量減少地線電位的變化，從而保證計算機的正常工作。計算機控制系統接地方式計算機控制系統的接地方式可分為浮空地（不接地），單獨接地與聯合接地等。大中型計算機房一般應采用單獨接地，計算機控制系統一般采用聯合接地或浮空地，電氣設計時應根據計算機控制系統的具體要求及有關設計規范來進行接地系統的設計。有關設計規范有民用建筑電氣設計規范（JGT/T 16-92），建筑物防雷設計規范（GB50057-94），電子計算機房設計規范（GB50174-9

53、4），工業計算機監控系統抗干擾技術規范（CECS 81：96），工業企業通信接地設計規范（GB779-85）等。 系統地接地設計計算機控制系統的系統地一般不引出計算機，即浮空地形式運行，不需要考慮接地。有些計算機的系統地與計算機金屬外殼相連通，這時就需要進行保護接地，應選用絕緣銅芯線或電纜直接接到建筑物等電位體上，也可接到TN-S或TN-C-S接地系統的PE線上。需要單獨接地時，可以用絕緣銅芯線接到建筑物的接地裝置上，此時計算機金屬外殼應采取絕緣措施；距接地裝置較遠時可以單獨設置接地裝置，接地電阻應小于4歐姆，或按計算機控制系統要求進行設計。 現場地接地設計現場地必須接地，以取得一個統一的參考

54、電位。所以現場地地線必須用絕緣銅芯線或電纜，不能用屏蔽電纜的屏蔽層，鎧裝電纜的金屬層以及穿鋼管敷設的鋼管作為現場地的地線。現場地只能有一點接地。對于有等電位連接的建筑物，用絕緣銅芯線或電纜直接接到等電位聯接體上，沒有等電位連接的建筑物，現場地集中于一點后，再接到TN-S或TN-C-S接地系統的PE線上。但TN-S或TN-C-S系統施工時應保證PE線在引出后不能再與N線有任何連接。 有些外部設備的直流地與設備的金屬外殼相連通，這時就會形成多點接地，接地線上電位變化會對計算機控制系統的運行造成影響，這時要求等電位連接。否則現場設備的金屬外殼安裝時要采取絕緣措施，然后把現場地地線集中于一點后，接到保

55、護地線（PE）上進行保護接地。 通信地接地設計計算機通信一般用差動方式傳輸脈沖，所以抗干擾能力較強，通信電源的地線一般不單獨引出，它采用不接地，即浮空地方式運行。 電纜屏蔽層接地通信電纜的屏蔽層必須可靠接地, 。通信電纜的屏蔽層應兩端接地，電力裝置的繼電保護與自動裝置設計規范（GB50062-92）已經有明確規定。有些資料提出應在一端一點接地,分歧比較大。 供電電源接地設計計算機控制系統的電源一般為交流（AC）220V，50HZ，單相電源，只有大中型計算機房才用交流（AC）220/380V。50HZ，三相電源，采用TN-S或TN-C-S系統。計算機控制系統的外露導電部分應根據有關設計規范進行保護接地。美國電力研究所（EPRI）的電力電子應用中心（PAEC）在中性線（N）對地線（PE）的電位差是否影響計算機正常運行方面作過試驗。結果發現，在N線與PE線之間施加6V到4000V，從穩態到豪微秒暫態過電壓，計算機正常工作不會受影響，但對計算機網絡的通信與打印機等外部設備的工作有一定影響，這主要是由于各基準電位之間產生電位差的原因。8.2計算機控制系統電氣安全保護設計計算機控制系統中有關設備由半導體集成芯片與電子元器