工业控制与人工智能(基础篇).ppt

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1、工业控制与人工智能,目录,一、常见的工控产品品牌、种类,二、常见的工控产品规格、型号,三、传感器、仪表等现场设备的种类,四、工控机的基本组成和选型,五、PLC的基本构成和选型,六、现代工业系统网络类型,七、变频器的介绍,工控产品举例（一）,工厂车间级,工厂管理级,工业以太网,工厂现场级,工控产品举例（二）,PROFIBUS,MPI,S7-300,S7-200,变频器,控制器,传感器,分析仪,工控产品概述,机器能做的事就让机器去做 人类应当从事富有创造性的活动,现代的工业控制产品的发展 与大规模集成电路的发展密切相连,工控产品是科技水平的见证 是软件与硬件的完美结合,传感器、变送器、监视器、分析

2、仪 PLC、变频器、软启动器、工控机 等硬件通过现场总线，依靠软件 的支持连成一体形成网络,工控产品概述,原则1：德国PLC性价比好，适用于大、中型系统,原则2：日本PLC集成度高，适用于小型系统,原则3：美国PLC可靠性高，适用于重要系统,原则4：工控机方面研华比西门子的价格低20 左右，但质量不如西门子。,原则5：研华模块在模拟量方面性价比优于PLC,原则6：研华板卡适用于高速数据采集系统,原则7：任何工控产品的最终用途是提高生产 率，解放人力，使人工作得更轻松,工控产品概述,工控产品常见主要品牌包括：施耐 德、研华、西门子、GE、欧姆龙、三菱、昆仑通态、亚控科技。,应用领域：冶金、石油化

3、工、电力、矿业、交通、环保、水处理、医药制造、食品加工、电子、半导体、包装、印刷、电梯、机床、汽车制造、造纸、烟草、纺织、塑料。,工控产品概述,工控产品种类包括以下几方面：,传感器、变送器,可编程控制器（PLC）,分布式I/O,RTU（远程终端装置）,嵌入式设备,工业控制计算机（工控机）,触摸屏,组态软件,工业网络、通讯设备,工业系统（DCS、FCS、PCS、透明工厂等）,现场仪器仪表,工控产品发展史,1958 年9 月12 日在罗伯特诺斯(Intel 公司创始人)的领导下，集成电路诞生,1975 年比尔盖茨创办Microsoft 公司,1978 年6 月8 日Intel 发布其16 位微处理

4、器8086，该处理器的时钟频率为10MHz，大约有300 条指令，集成了29000 个晶体管。,1981年苹果电脑公司开发出图形用户界面、图标、菜单和定位设备(如鼠标),1981 IBM 公司推出了IBM-PC的个人计算机,1981年IBM和微软联合开发DOS系统，由IBM销售的叫PC-DOS，由Microsoft 销售的叫MS-DOS，直到DOS7.0止。,工控产品发展史,1982年基于TCP/IP 协议的Internet 初具规模,1982年80286 发布，时钟频率20MHz、16MB 内存、270 万条指令、集成了13.4 万个晶体管,1984年底Compaq 开始开发IDE 接口，能

5、以更快的速度传输数据,1985年Philips 和SONY推出CD-ROM 驱动器,1985年80386 DX 推出。时钟频率达到33MHz、600万条指令、集成了27.5万 个晶体管,1985年11月Microsoft Windows 发布,1987年Microsoft Windows 2.0 发布,1989年欧洲物理粒子研究所的Tim Berners-Lee 创立World Wide Web 雏形,工控产品发展史,1989年80486 DX 发布。最高时钟频率100MHz、集成了120 万个晶体管,1989年11月Sound Blaster Card(声卡)发布,1990年5月22日:微软

6、发布Windows 3.0，兼容MS-DOS 模式,1990年第一代MPC(多媒体个人电脑标准)发布,1991年ISA 标准发布,1992年Windows NT 发布,1993年2日Pentium 发布，该处理器集成了300 多万个晶体管、早期版本的核心频率为66MHz、每秒钟执行1 亿条指令,1993年Internet 开始商业化运行,工控产品发展史,1995年8月23日纯32 位的多任务操作系统Windows 95 发布,1997年Intel 发布Pentium MMX CPU，处理器的游戏和多媒体功能得到增强,1998年2月Intel 发布333MHz Pentium 处理器,1998年

7、6月25日Microsoft 发布Windows 98,1999年7月Pentium 发布，时钟频率在450MHz 以上，2800万个晶体管,2000年Microsoft 发布Windows 2000,2001年8月Intel 发布主频高达2GHz 的P4 处理器,现在流行的操作系统是Windows xp，主流CPU芯片是主频高达2.8GHz 的P4 处理器,工控产品名词解释,DCS：是分散控制系统（Distributed Control System），国内一般习惯成为集散控制系统，它是由过程控制级和过程监控级组成的以通讯网络为纽带的多级计算机系统，综合了计算机（Computer）、通讯（C

8、ommunication）、显示CRT）、控制（Control）等4C技术；基本思想是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活、组态方便。,工控产品名词解释,OPC：用于过程控制领域的OLE（对象连接和嵌入）是硬件、软件供应商间建立的完整规则,Ethernet：工业以太网,RS232：标准串口串行通讯协议,FCS：基于现场总线技术的控制系统（Fieldbus Control System）,工控产品名词解释,现场设备：指现场级检测及执行设备，如传感器、变送器、开关设备、驱动器、执行机构、指示及显示设备、人机操作接口等。,通信协议：在数据格式、同步方式、传送速度、纠错方式以及控制字符等方面通信双方

9、的约定。,TCP/IP：Transmission Control Protocol/Internet Protocol 传输控制/网际协议,工控产品名词解释,基于PLC的控制系统：指以PLC、远程I/O及PLC网络为基础的分布式控制系统。,控制器：现场总线中的一个主站节点。至少具备总线通信与管理、逻辑执行等功能。,EIB：全集成自动化与楼宇自动化的网关,工控产品名词解释,As-I：As-interface的简写，专为传感器执行级开发的现场总线，保持“即插即用”功能。,ERP：企业资源规划,MES：制造执行系统,电气网络：由工业级屏蔽双绞线（RS485）或专用于防爆危险区的双绞线（符合IEC11

10、58-2）与现场设备组成的网络。,工控产品名词解释,FTP：开放的标准，多客户服务器，集成在所有Web中，主要用于传送文件，基于TCP/IP，客户/服务器结构。,SDK：Software Development Kit，开放的编程接口和软件开发工具包,工控机构成CPU,CPU 是计算机的运算和控制中心，其作用类似人的大脑。不同的CPU 其内部结构不完全相同，一个典型的CPU 由运算器、寄存器和控制器组成。3 个部分相互协调便可以进行分析、判断和计算，并控制计算机各部分协调工作。,工控产品简介PLC,工控产品简介PLC,S7-400,工控产品简介PLC,工控产品简介PLC,可编程控制器 PLC(

11、Programmable Logic Controller)与CAD、机器人技术一起被誉为当代工业自动化的三大支柱.,PLC是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的，它采用一种可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控化子各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关的外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。,工控产品简介PLC,按构成形式分为：整体式、模块式、叠装式按输入/输出的容量分为：小型（256点以下）、中型（2561024点）、大型（1024点以上）P

12、LC的IO点实际上是说PLC的输入输出端子的数量，输入端用IN表示，输出端用OUT表示，合在一起就是IO，IO点数是PLC的一个重要参数。,工控产品简介PLC,按功能强弱分为：低档机：具有逻辑运算、顺序控制、计时、计数等功能，有一定的算术运算、数据处理和传送的功能；中档机：除低档机功能外，还具有较强的模拟量输入输 出、算术运算、数据传送功能；高档机：除中档机功能外，还具有带符号运算、矩阵运算 功能，具有模拟量调节、强大的联网通讯功能，能进行智能控制、远程控制、大规模控制，可构 成分布式控制系统，实现工厂自动化管理,工控产品简介PLC,逻辑控制：取代传统的继电器控制装置，如机床电气控 制、各种电

13、机控制；运动控制：使用专用运动控制模块，可对直线运动或圆周 运动的位置、速度和加速度进行控制，实现单 轴、双轴和多轴位置控制，如金属切削机床、金属成型机械、电梯等；,工控产品简介PLC,闭环控制：标准控制结构具有P（比例）、PI（比例、积 分）、PD（比例、微分）及PID（比例、积 分、微分）等控制功能，可对温度、压力、流 量等连续变化的模拟量进行控制；数据处理：通过数据采集、分析和处理等操作，将结果与 储存在存储器中的参考值进行比较，也可通过 通讯传送到智能装置。用于造纸、冶金、食品 加工中的一些大型控制系统。,梯形图：传统的电器控制系统电路图的基础上演变而来，在形式上类似于电器控制电路，由

14、触点、线圈和用方框 表示的功能块组成。是PLC的主要编程语言，有时也称作电路或程序。如图1-1所示触点1、2接通时，有一个假想的“概念电流”或“能流”(PowerFlow)从左向右流动，这一方向与执行用户程序时的逻辑运算的顺序是一致的。能流只能从左向右流动。利用能流这一概念，可以帮助我们更好地理解和分析梯形图。图1中存在的能流有(1,2)、(1，5，4)、(3，4)和(3，5，2)，为此可以将图1转化为图2。,继电器控制,20世纪20年代起，人们把各种继电器、定时器、接触 器及其触点按照一定的逻辑关系连接在一起组成控制系 统，控制各种机械设备，这是传统的继电器控制系统。,缺点：可靠性差、排除故

15、障困难；灵活性差，总体成本较高,在美国的汽车行业，随着生产的发展，车型更新周期要求越来越短，而继电器控制装置需要重新设计、布线，严重阻碍了更新周期。美国通用公司1969年公开招标，要求用新的控制装置代替继电器控制装置，提出10条指标。,继电器控制,20世纪20年代起，人们把各种继电器、定时器、接触 器及其触点按照一定的逻辑关系连接在一起组成控制系 统，控制各种机械设备，这是传统的继电器控制系统。,缺点：可靠性差、排除故障困难；灵活性差，总体成本较高,在美国的汽车行业，随着生产的发展，车型更新周期要求越来越短，而继电器控制装置需要重新设计、布线，严重阻碍了更新周期。美国通用公司1969年公开招标

16、，要求用新的控制装置代替继电器控制装置，提出10条指标。,PLC基本功能,PLC的基本功能,1、多种控制功能,2、数据采集、存储和处理功能,3、通信联网功能,4、输入/输出接口调理功能,5、人机界面功能,6、编程、调试功能,PLC简介控制功能,1、逻辑控制：能代替继电器进行开关量的控制,2、定时控制：提供若干个电子定时器，用户 可自行设定为接通延时、关断延时河定时 脉冲等方式。,3、计数控制：用脉冲控制可实现加、减计数模 式，可连接码盘进行位置检测。,4、顺序控制：在前道工序完成之后，就转入下 一道工序，使PLC做为多部步进控制器使用,PLC简介数据功能,1、基本算术：加、减、乘、除,2、扩展

17、运算：平方根、三角函数、浮点运算,3、比较：大于、小于和等于,4、数据处理：选择、组织、规格化和先入先出,5、模拟数据处理：PID、积分和滤波,PLC简介通信功能,1、远程I/O控制,2、多台PLC间彼此联网、通讯,3、PLC与外部器件实现数据交换,4、计算机与PLC实现分布式通讯控制,西门子公司的PROFIBUS；AB公司的DeviceNet；摩托罗拉公司的LonWorks；Intel公司的CANopen；罗斯蒙特公司的HART；以及CC-Link、Modbus、Ethernet TCP/IP、AS-interface、INTERBUS等,通讯协议列举：,PLC简介接口功能,1、具有A/D转

18、换功能,2、具有D/A转换功能,3、具有温度测量接口,4、称重模块,5、步进电机定位模块,6、闭环控制模块,PLC简介人机界面功能,1、操作界面的文字显示,2、单机的CRT显示和键盘操作,3、使用通讯处理器、工业计算机的集中操作 和监视系统,4、工业系统运行中的重要信息显示,5、上层管理岗位的监控DCS系统,PLC简介编程功能,1、通过手持编程器编程,2、通过计算机串口编程,3、通过计算机上专用通讯卡编程,4、通过存储卡下载编程,5、可实现在线调试、模拟调试,6、可将调试结果和程序打印出来,工控产品简介网络,7 应用层（Application Layer）,6 表示层（Presentation

19、 Layer）,5 会话层（Session Layer）,4 运输层（Transport Layer）,3 网络层（Network Layer）,2 数据链路层（Data Link Layer）,1 物理层（Physical Layer）,国际标准化组织（ISO）提供开放系统互连参考模型（OSI），共分七层,接口物理特性,两系统间网络开辟路径协议,两系统间物理连接通讯特性,系统间移动信息,协调系统间信息交换始终,数据格式转换,工控产品简介网络,工业局域网一般有3种网络拓扑关系（网络中各个模块之间的结构关系）：星形网络 环形网络,工控产品简介网络,工业局域网一般有3种网络拓扑关系（网络中各个模块

20、之间的结构关系）：总线形网络总线形结构简单、易于扩充、设备安装、修改费用低、可靠性高、灵活性好、可连接多种类型的结点、网络响应速度快，特别适用于工业。,工控产品简介网络,通讯协议：在网络系统中，为确保数据通信双方能够正确而自动地进行通讯，针对通信过程中的问题（数字设备型号、通信线路类型、连接方式、同步方式、通信方式等不同）制定了一整套约定,工控产品简介网络,现场总线：连接智能现场设备和自动化系统的数 字式、双向传输、多分支结构的通信 网络。基于现场总线的系统是以单个分散的、数字化、智能化的测量和控制设备作为网络的节点，用总线相连，实现信息的相互交换，使得不同网络、不同现场设备之间实现信息共享。

21、,工控产品简介网络,传输介质：同轴电缆、双绞线、光纤、无线媒体MODBUS协议的特点：1、是一种主从网络，允许一个主机和一个或多个 从机通讯，以完成编程、数据传送、程序上/下传，及其主机操作。,工控产品简介网络,2、采用命令/应当方式，每一种命令报文都对应着一种应答报文，命令报文由主站发出，从站发 出应答报文，每个从站都有唯一的地址。3、采用ASCII（美国标准信息交换码）和RTU（远程终端装置）这两种传输模式。RTU的格 式是8个数据位、1个停止位，没有奇偶校验位,工控产品简介研华模块,插入式数据采集与控制卡,信 号 调理 模块ADAM-3000,远 程 I/O 模 块ADAM-4000,分

22、布式 I/O 模块ADAM-5000,基于Web的智能I/O模块ADAM-6000,PC-104模块,通用网络控制器UNO-2000,基于PC的工业控制器MIC-2000,工控产品简介变频器,交流变频调速是集电力电子技术、微电子技术和控制技术于一体的高科技产品。它是将标准的交流电转换为电压和频率都可变化的交流电，来实现对交流感应电机的变速驱动。,工控产品简介变频器,变频器实际就是可变速度驱动器（VSD）,EMC：即是“电磁兼容性”，在电磁环境中装置良好的工作能力，且本身不能产生在此工作环境中工作的其他装置所不能接受的电磁干扰。,工控产品简介变频器,电动机非直接启动的需要：鼠笼电机直接启动电流倍

23、数为额定电流的47倍，启动周期内影响整个系统负荷的正常供电，导致启动延迟或失败。,工控产品简介变频器,传统直接起动方式：星三角；一次侧串 电阻；自耦降压,星三角：起动电流峰值限制在1.82.6 ln，过程不可控，输出功率低，不能拖动重载一次侧串电阻：起动电流峰值为4.5ln，过程不可控，适用于各种负载，但设备笨重。,工控产品简介变频器,星三角：启动时先将电机绕组接成星形，使每相绕组上的供电电压为相电压，待电机转速升高到一定值后，再将电机绕组的接线方式改为三角形，使每相绕组的供电电压为线电压，完成电机启动。从而减小启动时的电流，减少对电网的冲击。,工控产品简介变频器,星三角：启动时先将电机绕组接

24、成星形，使每相绕组上的供电电压为相电压，待电机转速升高到一定值后，再将电机绕组的接线方式改为三角形，使每相绕组的供电电压为线电压，完成电机启动。从而减小启动时的电流，减少对电网的冲击。,工控产品简介变频器,自耦降压：起动电流峰值限制在1.74 ln，过程有一定可调性但不可控，不能拖动重负载，设备笨重、繁琐,工控产品简介变频器,电机是否采用星三角是根据电站功率确定的，一般电机功率达到电站总功率的10%-25%时候需要星三角启动。即采用100KW发电机组，10KW-25KW时候需要星三角启动，10KW以下可以直接启动，25KW以上就需要变频启动了。,工控产品简介变频器,交流变频调速器的主要调速对象

25、是交流感应电机，变频调速时，输出电压和输出频率的变化遵循变频变压的原则，也就是VVVF基本原则。电机学理论中关于三相感应电机的转速为：n=,工控产品简介变频器,交流变频调速器的主要调速对象是交流感应电机，变频调速时，输出电压和输出频率的变化遵循变频变压的原则，也就是VVVF基本原则。电机学理论中关于三相感应电机的转速为：n=,自耦降压：起动电流峰值限制在1.74ln，过程有一定可调性但不可控，不能拖动重负载，设备笨重、繁琐,工控产品简介变频器,输入滤波部分：用于吸收浪涌电压和高频电网 噪声,交流直流变换,直流交流变换：变频器将直流电变为 频率、电压可变的交流电,制动电阻和制动单元,控制电路部分：包括输入输出端子、通 讯接口和操作面板等,变频器构成,工控产品简介变频器,进线电抗器：用于主电源过压保护、降低输出电流谐波干扰及限制线电流等,输出滤波器：限制电动机端电压上升、降低出口接触器回路开断产生的干扰，降低电动机的漏电电流,输出电抗器：标准电机电缆长度大于100米，回路限制电动机侧过电压,特别注意,变频器其它选件,1、谐波污染程度随装置功率的增加而增大,2、电磁干扰程度随装置功率的增加而减小。,