摘要：在我國經濟快速發(fā)展、國家積極提倡努力建設創(chuàng)新型社會的今天，研究控制系統(tǒng)工程設計的共性方法，尋找一種具有普遍意義的模式和方法具有重要的現實意義而且迫在眉睫。隨著計算機和電子技術的飛速發(fā)展以及各行業(yè)控制系統(tǒng)日趨規(guī)?；托畔⒒?，自動化控制系統(tǒng)的設計要求也不斷提高，相應的人力資源成本也日趨增加。由于任何一個控制系統(tǒng)因具體工藝細節(jié)要求的不同而不同。因此，幾乎沒有完全相同的兩個系統(tǒng)（除完全拷貝的）?？刂葡到y(tǒng)集成者往往憑借個人經驗來完成控制系統(tǒng)設計，所以在系統(tǒng)設計過程中存在大量的重復的人力資源成本。
　　關鍵詞：控制系統(tǒng) 總體設計 功能設計 軟件 硬件 控制器
　　中圖分類號：TN2 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791(2011)10(b)-0000-00
　　
　　在控制系統(tǒng)工程設計中，常采用的是化繁為簡的方法，或稱目標變換法，即將主目標分解成若干個從屬目標，通過從屬目標的一一實現繼而達到主目標，這是一種合理、規(guī)范而科學的框架模型。分析各類自動化控制系統(tǒng)，不論其工藝對象是石油、化工、電力還是機械等，也不論其主控制器是采用DCS、PLC、FCS還是嵌人式計算機系統(tǒng)等，工程設計的一般步驟：分析工藝要求進行總體設計——確定具體監(jiān)控對象完整I/O清冊——分析對象特點進行詳細功能設計——功能實現和測試——FAT——現場安裝調試——SAT 。各從屬目標也可進一步分解，直至各從屬目標變得簡單明了，進而根據時間變量和人力變量的具體情況進行分配，從而既能保證主目標的實現，又能使資源成本最低。前三個步驟是自動化控制系統(tǒng)工程設計的主要內容，也是本文r6oLcbrwx7YIYZpKgC1AUiUsTDvUZc1iwsq44qB9UvM=的重點。限于篇幅，FAT、SAT和現場安裝調試不在本文所述范圍。
　　
　　1 分析工藝要求進行總體設計
　　每一個工程項目，由于行業(yè)、工藝、使用地點和用戶目標等的不同，其控制系統(tǒng)必定也不盡相同，總體設計就要從上述幾方面仔細研究項目的技術規(guī)范書或控制要求、工藝流程圖以及相關行業(yè)和國家規(guī)范等，避免設計一開始就偏離目標。從方法論角度分析，總體設計可以細分為總體架構設計和總體功能設計。一個自動化系統(tǒng)工程能否順利實施，工程初期的控制系統(tǒng)架構設計和總體功能設計相當重要。前者保證了整個系統(tǒng)的完整性和各子系統(tǒng)間連接的正確性；后者保證了系統(tǒng)投運后能滿足合同預定的目標。如果一個系統(tǒng)的總體架構存在問題，輕者將導致投運期間修改或增補硬件和軟件，造成人力物力浪費；重者將導致各子系統(tǒng)間無法聯通且難以修改和彌補，造成工程的重大缺陷。而一個系統(tǒng)如果在初期缺乏總體功能設計，則系統(tǒng)缺乏方向指引，必將使工程實施多走彎路，甚至造成無法彌補的缺陷。 總體架構設計的方法可以劃分為以下3個步驟：① 劃分子系統(tǒng)并確定各自的合理形式。根據工藝要求，確定哪些子系統(tǒng)是工藝上相對獨立的，哪些是物理位置上相對獨立但工藝上與其他設備有密切聯系的。前者一般設計為帶控制器的獨立系統(tǒng)，使其與其他同類子系統(tǒng)的數據交換最少；后者設計為遠程I/O站，方便與其他設備的工藝聯鎖。這一步的結果是使得所有子系統(tǒng)都被初步歸類。② 明確步驟①的結果是否符合控制要求和用戶習慣要求。若沖突則與用戶溝通協商，特別是原則性沖突必須告知用戶，以達成一致意見而完成子系統(tǒng)的最終劃分。③ 根據最終子系統(tǒng)劃分，確定它們間合理的連接方式和數量。根據上述步驟①中的原則，新增站應設置為原系統(tǒng)的一個遠程I/O站，而不是一個帶獨立控制器的系統(tǒng)。新增站設置為原系統(tǒng)的一個遠程I/O站時，只需在原程序中進行少量修改，反之增加一個帶獨立控制器的系統(tǒng)則需另外進行大量的數據通信并修改接口處的邏輯，這不僅增加了編程難度，還降低了系統(tǒng)可靠性，新增站的造價也高了許多。
　　
　　2 建立完整的I/O清冊
　　 一個完整的、正確的I/O清冊是平行高效地開展軟硬件設計的基礎，也是保證系統(tǒng)達到預期功能的前提。因此，總體設計完成后，在開展軟硬件功能細化設計之前，必須對每一個子系統(tǒng)的監(jiān)控對象做一個細致的分析歸類和統(tǒng)計，做到不遺漏、不重復和設置的I/O點能滿足預期的設備功能要求，建立完整的I/O清冊可以分為4個目標或步驟來完成：①列出所有被監(jiān)控對象的清單；②根據監(jiān)控對象的控制要求和工藝特點進行歸類，確定每一類對象必須設置的I/O種類和點數；③根據①②列出系統(tǒng)所有監(jiān)控對象的I/O清單；④根據總體設計中子系統(tǒng)的劃分為I/O清單中的每一點分配一個I/O地址，以形成I/O清冊。其中第2個目標的完成需要設計人員具備一定的工程經驗，并一定要核對與設備上的接口是否相適應。從控制角度分析各類工藝可以發(fā)現，一個工程項目中需控制的設備種類其實并不多，大致可分為通用類、行業(yè)／工藝專用類和特殊類3種。通用類指電機類、閥類、調節(jié)控制類和儀表檢測類等，這類設備占了工藝設備的絕大多數，而且隨著標準與規(guī)范的推進，這部分設備的功能和接口趨于定型。電機類的運行和停止信號往往是從一個繼電器出來的一對相反觸點，故取一個信號就足夠；氣動閥門需由電磁閥控制，其DO是針對電磁閥的，DI是從氣動閥本體上裝的位置傳感器的出的，從成本和安裝方便考慮，一般把一個工藝主設備的幾個電磁閥放在一個電磁閥箱中，并增加一個手自動開關DI；汽缸式蝶閥/球閥需配雙電控電磁閥，但很多地方可以用單電控的2位五通電磁閥代替，此時DO為1點；氣動隔膜閥需配單電控的2位三通以上電磁閥，常閉閥輸出用“開”信號，反之用“關”信號。
　　 通過把建立完整的I/O清冊的目標劃分為4個簡單清晰的從屬目標，使這項工作的難度降到最低，也使難度高的和工作量大的工作區(qū)分開來以交給不同的人員完成，從而即保證了質量，又降低了人力資源成本。
　　
　　3 控制系統(tǒng)的功能設計
　　功能設計是控制系統(tǒng)工程設計的主體內容，采用何種方式方法不僅會極大地影響人力資源成本，當系統(tǒng)規(guī)模擴大時還直接關系到能否保質保量地完成工程設計的總體目標。合理的功能設計應該使系統(tǒng)具備良好的可靠性、可擴展性和易維護性?？刂葡到y(tǒng)的功能設計從大類上可分為硬件設計和軟件設計，其中軟件設計又可分為控制器功能設計和人機接口功能設計。
　　3.1 硬件設計
　　硬件設計的主要任務是根據I/O清冊及總體設計要求完成圖紙的設計與輸出并進行設備采購、成套及測試。由于圖紙是設備采購和成套的依據，且必須由設計人員完成。因此，它是硬件設計的主要內容。在工程設計中研究硬件設計的方法和步驟就是要研究圖紙設計的方法和步驟，以便提高設計的效率和質量。圖紙設計可分為如下4個步驟：①按照控制范圍確定圖冊目錄。如01冊為設計說明、02冊為機柜／操作臺／箱的布置圖、03冊為端子出線圖、04冊為盤面和內部接線圖、05冊為就地儀表安裝示意圖和單元接線圖、06冊為操作使用說明等等。②制定圖框樣式、圖紙內容和圖號編制規(guī)則，確定每一張圖的圖號。如PLC系統(tǒng)可規(guī)定一塊模塊對應一張端子出線圖和一張內部接線圖；同一內容一張圖紙放不下可用分圖號，如XXX-2011-1/2-2/2；實在無法確定張數的內容可采用適量空白頁等。③完成電源分配等非典型內容的圖紙，同時為每一典型內容設計出相應圖紙模板。④根據相關資料分配多人完成所有圖紙。另外，圖紙設計中需注意以下幾方面：各部分間的連接方式正確、可靠；各等級電源的分配正確、可靠；布置和接線符合相關規(guī)范；使用的合理性和方便性，以及一些特殊操作和監(jiān)視要求。工程項目的圖紙量隨控制系統(tǒng)的橫向規(guī)模和供貨范圍的縱向深度的加大而急劇增加，但實際每一層面的圖紙模板增加并不多。
　　
　　3.2 軟件設計
　　軟件設計分為控制器功能設計和人機接口功能設計。軟件設計是控制系統(tǒng)設計的核心，其好壞直接影響到整個系統(tǒng)的質量；軟件設計是一項細致的工程，占據了控制系統(tǒng)設計的大部分時間；軟件設計又是一個有機的整體，控制器采集來的數據和對設備的控制結果需要在上位機上顯示，操作員對設備的操作既需要有上位機的操作接口，又需要控制器中有相應功能。因此，它們之間有大量的數據需要交換和功能聯系。
　　3.2.1 控制器功能設計
　　控制器通常被稱為下位機，是相對人機接口操作站而言的，它可以是DCS、PLC、工控機等，作用是通過組態(tài)編程完成預期的控制功能及與其他子系統(tǒng)的通信功能?？刂破鞴δ茉O計分為硬件組態(tài)和軟件編制。前者是總體及子系統(tǒng)的硬件架構體現，后者則是整個控制系統(tǒng)功能的體現。因此，程序設計是控制系統(tǒng)設計的核心，其好壞直接影響到整個系統(tǒng)的質量。一般而言，一個控制器內的程序設計由一個人完成，甚至整個系統(tǒng)的程序設計由一個人完成，這樣的安排存在很大的弊端。首先，當系統(tǒng)規(guī)模較大時，這部分工作量很大，它將成為整個系統(tǒng)設計的瓶頸；其次，編程人員的個人專業(yè)水平和工作態(tài)度往往決定了系統(tǒng)的質量；最后，控制系統(tǒng)工程從設計開始到出廠交付到現場調試完成往往間隔時間較長，期間人員流動必將對系統(tǒng)產生極大不利影響。因此，如何用方法論的思想化解這一環(huán)節(jié)顯得十分有意義。程序設計從功能角度可以分為4部分內容：信號處理，包括I/O信號內存映像值到程序內部所用值的處理、報警信號處理等；單一設備的控制；工藝要求的控制，包括邏輯控制、順序控制、過程控制；通信。信號處理和單一設備的控制反映了信號和設備的特性，數量雖多但類型不多。因此，可以從通用性的角度設計成標準功能塊，經過充分測試后編制使用說明并放人功能塊軟件庫，供各控制系統(tǒng)設計時使用。
　　3.2.2 人機接口功能設計
　　人機接口從硬件上分為操作員站、工程師站和就地觸摸屏等，通常統(tǒng)稱為上位機；從功能上分為監(jiān)視功能、操作功能和管理功能；從設計角度分為靜態(tài)畫面、動態(tài)鏈接和數據處理應用。 靜態(tài)畫面設計對設計人員要求不高，重點注意顏色和設備形狀的表示需符合規(guī)范，畫面風格和劃分符合用戶要求。靜態(tài)主畫面主要指工藝主畫面，在畫面基本因素確認后可按工藝流程圖進行設計；靜態(tài)子畫面指為滿足操作要求而需在主畫面上彈出的畫面，其設計需按設備清單和程序設計中對每類對象／子系統(tǒng)的控制要求進行分析歸類并制成相應模板。 動態(tài)鏈接的作用是實現系統(tǒng)的監(jiān)視功能和操作控制功能，它的主要工作是進行數據生成和數據與畫面設備的動態(tài)鏈接。人機接口的數據主要是和控制器通信的I/O點，所以需根據程序設計中分配的點的地址以及所在控制器的地址，按監(jiān)控軟件數據庫和畫面模板的格式要求制成數據庫文件進行導入和鏈接，從而完成監(jiān)視和控制功能。
　　
　　4 結語 未經規(guī)范的傳統(tǒng)設計方法偏重經驗，雖然在工程項目較小時或許具有快捷簡便的優(yōu)點，但不利于項目的擴展、修改和維護，對于規(guī)模較大的項目或在工程技術人員發(fā)生崗位變動時更是捉襟見肘。本文從方法論的角度構建的控制系統(tǒng)工程設計方法，追求的是一種能夠百分百達成目標的、能夠被復制和可操作的高效模式。相比較傳統(tǒng)做法，此方法論更加符合系統(tǒng)工程設計這個應用科學領域所追求的高效、規(guī)范的精神，有助于開展團隊合作，保證大型控制系統(tǒng)或復雜控制系統(tǒng)的質量，推進工程管理的效率和水平。