工業(yè)控制與人工智能(基礎篇)

工業(yè)控制與人工智能(基礎篇)第一頁，共58頁。目錄一、常見的工控產(chǎn)品品牌、種類二、常見的工控產(chǎn)品規(guī)格、型號三、傳感器、儀表等現(xiàn)場設備的種類四、工控機的基本組成和選型五、PLC的基本構成和選型六、現(xiàn)代工業(yè)系統(tǒng)網(wǎng)絡類型七、變頻器的介紹工業(yè)控制與人工智能第二頁，共58頁。工控產(chǎn)品舉例（一）

工廠車間級工廠管理級工業(yè)以太網(wǎng)

工廠現(xiàn)場級視頻監(jiān)視智能儀表伺服電機溫濕度采集電磁閥門限位開關第三頁，共58頁。工控產(chǎn)品舉例（二）

筆記本電腦PROFIBUS以太網(wǎng)MPIS7-300S7-400S7-400S7-400管理計算機S7-300筆記本筆記本S7-200變頻器控制器傳感器分析儀第四頁，共58頁。工控產(chǎn)品概述機器能做的事就讓機器去做人類應當從事富有創(chuàng)造性的活動現(xiàn)代的工業(yè)控制產(chǎn)品的發(fā)展

與大規(guī)模集成電路的發(fā)展密切相連工控產(chǎn)品是科技水平的見證是軟件與硬件的完美結合傳感器、變送器、監(jiān)視器、分析儀

PLC、變頻器、軟啟動器、工控機

等硬件通過現(xiàn)場總線，依靠軟件的支持連成一體形成網(wǎng)絡

第五頁，共58頁。工控產(chǎn)品概述原則1：德國PLC性價比好，適用于大、中型系統(tǒng)原則2：日本PLC集成度高，適用于小型系統(tǒng)原則3：美國PLC可靠性高，適用于重要系統(tǒng)原則4：工控機方面研華比西門子的價格低20％左右，但質量不如西門子。原則5：研華模塊在模擬量方面性價比優(yōu)于PLC原則6：研華板卡適用于高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)原則7：任何工控產(chǎn)品的最終用途是提高生產(chǎn)

率，解放人力，使人工作得更輕松第六頁，共58頁。工控產(chǎn)品概述

工控產(chǎn)品常見主要品牌包括：施耐德、研華、西門子、GE、歐姆龍、三菱、昆侖通態(tài)、亞控科技。

應用領域：冶金、石油化工、電力、礦業(yè)、交通、環(huán)保、水處理、醫(yī)藥制造、食品加工、電子、半導體、包裝、印刷、電梯、機床、汽車制造、造紙、煙草、紡織、塑料。

第七頁，共58頁。工控產(chǎn)品概述工控產(chǎn)品種類包括以下幾方面：——傳感器、變送器——可編程控制器（PLC）

——分布式I/O——RTU（遠程終端裝置）——嵌入式設備

——工業(yè)控制計算機（工控機）

——觸摸屏——組態(tài)軟件——工業(yè)網(wǎng)絡、通訊設備——工業(yè)系統(tǒng)（DCS、FCS、PCS、透明工廠等）——現(xiàn)場儀器儀表第八頁，共58頁。工控產(chǎn)品發(fā)展史1958年9月12日在羅伯特·諾斯(Intel公司創(chuàng)始人)的領導下，集成電路誕生1975年比爾·蓋茨創(chuàng)辦Microsoft公司1978年6月8日Intel發(fā)布其16位微處理器8086，該處理器的時鐘頻率為10MHz，大約有300條指令，集成了29000個晶體管。1981年蘋果電腦公司開發(fā)出圖形用戶界面、圖標、菜單和定位設備(如鼠標)1981IBM公司推出了IBM-PC的個人計算機1981年IBM和微軟聯(lián)合開發(fā)DOS系統(tǒng)，由IBM銷售的叫PC-DOS，由Microsoft銷售的叫MS-DOS，直到DOS7.0止。第九頁，共58頁。工控產(chǎn)品發(fā)展史1982年基于TCP/IP協(xié)議的Internet初具規(guī)模1982年80286發(fā)布，時鐘頻率20MHz、16MB內存、270萬條指令、集成了13.4萬個晶體管1984年底Compaq開始開發(fā)IDE接口，能以更快的速度傳輸數(shù)據(jù)1985年Philips和SONY推出CD-ROM驅動器1985年80386DX推出。時鐘頻率達到33MHz、600萬條指令、集成了27.5萬

個晶體管1985年11月MicrosoftWindows發(fā)布1987年MicrosoftWindows2.0發(fā)布1989年歐洲物理粒子研究所的TimBerners-Lee創(chuàng)立WorldWideWeb雛形第十頁，共58頁。工控產(chǎn)品發(fā)展史1989年80486DX發(fā)布。最高時鐘頻率100MHz、集成了120萬個晶體管1989年11月SoundBlasterCard(聲卡)發(fā)布1990年5月22日:微軟發(fā)布Windows3.0，兼容MS-DOS模式1990年第一代MPC(多媒體個人電腦標準)發(fā)布1991年ISA標準發(fā)布1992年WindowsNT發(fā)布1993年2日Pentium發(fā)布，該處理器集成了300多萬個晶體管、早期版本的核心頻率為66MHz、每秒鐘執(zhí)行1億條指令1993年Internet開始商業(yè)化運行第十一頁，共58頁。工控產(chǎn)品發(fā)展史1995年8月23日純32位的多任務操作系統(tǒng)Windows95發(fā)布1997年Intel發(fā)布PentiumMMXCPU，處理器的游戲和多媒體功能得到增強1998年2月Intel發(fā)布333MHzPentiumⅡ處理器1998年6月25日Microsoft發(fā)布Windows98

1999年7月PentiumⅢ發(fā)布，時鐘頻率在450MHz以上，2800萬個晶體管2000年Microsoft發(fā)布Windows2000

2001年8月Intel發(fā)布主頻高達2GHz的P4處理器

現(xiàn)在流行的操作系統(tǒng)是Windowsxp，主流CPU芯片是主頻高達2.8GHz的P4處理器

第十二頁，共58頁。工控產(chǎn)品名詞解釋

DCS：是分散控制系統(tǒng)（DistributedControlSystem），國內一般習慣成為集散控制系統(tǒng)，它是由過程控制級和過程監(jiān)控級組成的以通訊網(wǎng)絡為紐帶的多級計算機系統(tǒng)，綜合了計算機（Computer）、通訊（Communication）、顯示CRT）、控制（Control）等4C技術；

基本思想是分散控制、集中操作、分級管理、配置靈活、組態(tài)方便。第十三頁，共58頁。工控產(chǎn)品名詞解釋OPC：用于過程控制領域的OLE（對象連接和嵌入）是硬件、軟件供應商間建立的完整規(guī)則Ethernet：工業(yè)以太網(wǎng)RS232：標準串口串行通訊協(xié)議FCS：基于現(xiàn)場總線技術的控制系統(tǒng)（FieldbusControlSystem）

第十四頁，共58頁。工控產(chǎn)品名詞解釋現(xiàn)場設備：指現(xiàn)場級檢測及執(zhí)行設備，如傳感器、變送器、開關設備、驅動器、執(zhí)行機構、指示及顯示設備、人機操作接口等。通信協(xié)議：在數(shù)據(jù)格式、同步方式、傳送速度、糾錯方式以及控制字符等方面通信雙方的約定。TCP/IP：TransmissionControlProtocol/InternetProtocol傳輸控制/網(wǎng)際協(xié)議第十五頁，共58頁。工控產(chǎn)品名詞解釋基于PLC的控制系統(tǒng)：指以PLC、遠程I/O及PLC網(wǎng)絡為基礎的分布式控制系統(tǒng)?？刂破鳎含F(xiàn)場總線中的一個主站節(jié)點。至少具備總線通信與管理、邏輯執(zhí)行等功能。EIB：全集成自動化與樓宇自動化的網(wǎng)關第十六頁，共58頁。工控產(chǎn)品名詞解釋As-I：As-interface的簡寫，專為傳感器執(zhí)行級開發(fā)的現(xiàn)場總線，保持“即插即用”功能。ERP：企業(yè)資源規(guī)劃MES：制造執(zhí)行系統(tǒng)電氣網(wǎng)絡：由工業(yè)級屏蔽雙絞線（RS485）或專用于防爆危險區(qū)的雙絞線（符合IEC1158-2）與現(xiàn)場設備組成的網(wǎng)絡。第十七頁，共58頁。工控產(chǎn)品名詞解釋FTP：開放的標準，多客戶服務器，集成在所有Web中，主要用于傳送文件，基于TCP/IP，客戶/服務器結構。SDK：SoftwareDevelopmentKit，開放的編程接口和軟件開發(fā)工具包第十八頁，共58頁。工控機構成－CPUCPU是計算機的運算和控制中心，其作用類似人的大腦。不同的CPU其內部結構不完全相同，一個典型的CPU由運算器、寄存器和控制器組成。3個部分相互協(xié)調便可以進行分析、判斷和計算，并控制計算機各部分協(xié)調工作。

第十九頁，共58頁。工控產(chǎn)品簡介－PLC第二十頁，共58頁。工控產(chǎn)品簡介－PLCS7-400第二十一頁，共58頁。工控產(chǎn)品簡介－PLC第二十二頁，共58頁。工控產(chǎn)品簡介－PLC可編程控制器PLC(ProgrammableLogicController)與CAD、機器人技術一起被譽為當代工業(yè)自動化的三大支柱.

PLC是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境應用而設計的，它采用一種可編程的存儲器，用于其內部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)與算術操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控化子各種類型的機械或生產(chǎn)過程。

可編程控制器及其有關的外部設備，都按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一個整體、易于擴充其功能的原則設計。

第二十三頁，共58頁。工控產(chǎn)品簡介－PLC按構成形式分為：整體式、模塊式、疊裝式按輸入/輸出的容量分為：小型（256點以下）、中型（256～1024點）、大型（1024點以上）PLC的IO點實際上是說PLC的輸入輸出端子的數(shù)量，輸入端用IN表示，輸出端用OUT表示，合在一起就是IO，IO點數(shù)是PLC的一個重要參數(shù)。第二十四頁，共58頁。工控產(chǎn)品簡介－PLC按功能強弱分為：低檔機：具有邏輯運算、順序控制、計時、計數(shù)等功能，有一定的算術運算、數(shù)據(jù)處理和傳送的功能；中檔機：除低檔機功能外，還具有較強的模擬量輸入輸出、算術運算、數(shù)據(jù)傳送功能；高檔機：除中檔機功能外，還具有帶符號運算、矩陣運算功能，具有模擬量調節(jié)、強大的聯(lián)網(wǎng)通訊功能，能進行智能控制、遠程控制、大規(guī)模控制，可構成分布式控制系統(tǒng)，實現(xiàn)工廠自動化管理

第二十五頁，共58頁。工控產(chǎn)品簡介－PLC邏輯控制：取代傳統(tǒng)的繼電器控制裝置，如機床電氣控制、各種電機控制；運動控制：使用專用運動控制模塊，可對直線運動或圓周運動的位置、速度和加速度進行控制，實現(xiàn)單軸、雙軸和多軸位置控制，如金屬切削機床、金屬成型機械、電梯等；第二十六頁，共58頁。工控產(chǎn)品簡介－PLC閉環(huán)控制：標準控制結構具有P（比例）、PI（比例、積分）、PD（比例、微分）及PID（比例、積分、微分）等控制功能，可對溫度、壓力、流量等連續(xù)變化的模擬量進行控制；數(shù)據(jù)處理：通過數(shù)據(jù)采集、分析和處理等操作，將結果與儲存在存儲器中的參考值進行比較，也可通過通訊傳送到智能裝置。用于造紙、冶金、食品加工中的一些大型控制系統(tǒng)。第二十七頁，共58頁。梯形圖：

傳統(tǒng)的電器控制系統(tǒng)電路圖的基礎上演變而來，在形式上類似于電器控制電路，由觸點、線圈和用方框表示的功能塊組成。是PLC的主要編程語言，有時也稱作電路或程序。如圖1-1所示觸點1、2接通時，有一個假想的“概念電流”或“能流”(PowerFlow)從左向右流動，這一方向與執(zhí)行用戶程序時的邏輯運算的順序是一致的。能流只能從左向右流動。利用能流這一概念，可以幫助我們更好地理解和分析梯形圖。圖1中存在的能流有(1,2)、(1，5，4)、(3，4)和(3，5，2)，為此可以將圖1轉化為圖2。

第二十八頁，共58頁。繼電器控制

20世紀20年代起，人們把各種繼電器、定時器、接觸器及其觸點按照一定的邏輯關系連接在一起組成控制系統(tǒng)，控制各種機械設備，這是傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)。

缺點：可靠性差、排除故障困難；靈活性差，總體成本較高

在美國的汽車行業(yè)，隨著生產(chǎn)的發(fā)展，車型更新周期要求越來越短，而繼電器控制裝置需要重新設計、布線，嚴重阻礙了更新周期。美國通用公司1969年公開招標，要求用新的控制裝置代替繼電器控制裝置，提出10條指標。第二十九頁，共58頁。繼電器控制

20世紀20年代起，人們把各種繼電器、定時器、接觸器及其觸點按照一定的邏輯關系連接在一起組成控制系統(tǒng)，控制各種機械設備，這是傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)。

缺點：可靠性差、排除故障困難；靈活性差，總體成本較高

在美國的汽車行業(yè)，隨著生產(chǎn)的發(fā)展，車型更新周期要求越來越短，而繼電器控制裝置需要重新設計、布線，嚴重阻礙了更新周期。美國通用公司1969年公開招標，要求用新的控制裝置代替繼電器控制裝置，提出10條指標。第三十頁，共58頁。PLC－基本功能PLC的基本功能

1、多種控制功能

2、數(shù)據(jù)采集、存儲和處理功能

3、通信聯(lián)網(wǎng)功能

4、輸入/輸出接口調理功能

5、人機界面功能

6、編程、調試功能

第三十一頁，共58頁。PLC簡介－控制功能1、邏輯控制：能代替繼電器進行開關量的控制

2、定時控制：提供若干個電子定時器，用戶可自行設定為接通延時、關斷延時河定時脈沖等方式。

3、計數(shù)控制：用脈沖控制可實現(xiàn)加、減計數(shù)模式，可連接碼盤進行位置檢測。

4、順序控制：在前道工序完成之后，就轉入下一道工序，使PLC做為多部步進控制器使用第三十二頁，共58頁。PLC簡介－數(shù)據(jù)功能1、基本算術：加、減、乘、除

2、擴展運算：平方根、三角函數(shù)、浮點運算

3、比較：大于、小于和等于

4、數(shù)據(jù)處理：選擇、組織、規(guī)格化和先入先出

5、模擬數(shù)據(jù)處理：PID、積分和濾波第三十三頁，共58頁。PLC簡介－通信功能1、遠程I/O控制2、多臺PLC間彼此聯(lián)網(wǎng)、通訊3、PLC與外部器件實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換4、計算機與PLC實現(xiàn)分布式通訊控制西門子公司的PROFIBUS；AB公司的DeviceNet；摩托羅拉公司的LonWorks；Intel公司的CANopen；羅斯蒙特公司的HART；以及CC-Link、Modbus、EthernetTCP/IP、AS-interface、INTERBUS等通訊協(xié)議列舉：第三十四頁，共58頁。PLC簡介－接口功能1、具有A/D轉換功能

2、具有D/A轉換功能

3、具有溫度測量接口

4、稱重模塊

5、步進電機定位模塊

6、閉環(huán)控制模塊

第三十五頁，共58頁。PLC簡介－人機界面功能1、操作界面的文字顯示2、單機的CRT顯示和鍵盤操作3、使用通訊處理器、工業(yè)計算機的集中操作和監(jiān)視系統(tǒng)

4、工業(yè)系統(tǒng)運行中的重要信息顯示

5、上層管理崗位的監(jiān)控－DCS系統(tǒng)第三十六頁，共58頁。PLC簡介－編程功能1、通過手持編程器編程

2、通過計算機串口編程

3、通過計算機上專用通訊卡編程4、通過存儲卡下載編程5、可實現(xiàn)在線調試、模擬調試

6、可將調試結果和程序打印出來

第三十七頁，共58頁。工控產(chǎn)品簡介－網(wǎng)絡7應用層（ApplicationLayer）6表示層（PresentationLayer）5會話層（SessionLayer）4運輸層（TransportLayer）3網(wǎng)絡層（NetworkLayer）2數(shù)據(jù)鏈路層（DataLinkLayer）1物理層（PhysicalLayer）國際標準化組織（ISO）提供開放系統(tǒng)互連參考模型（OSI），共分七層接口物理特性兩系統(tǒng)間網(wǎng)絡開辟路徑協(xié)議兩系統(tǒng)間物理連接通訊特性系統(tǒng)間移動信息協(xié)調系統(tǒng)間信息交換始終數(shù)據(jù)格式轉換第三十八頁，共58頁。工控產(chǎn)品簡介－網(wǎng)絡工業(yè)局域網(wǎng)一般有3種網(wǎng)絡拓撲關系（網(wǎng)絡中各個模塊之間的結構關系）：

星形網(wǎng)絡

環(huán)形網(wǎng)絡第三十九頁，共58頁。工控產(chǎn)品簡介－網(wǎng)絡工業(yè)局域網(wǎng)一般有3種網(wǎng)絡拓撲關系（網(wǎng)絡中各個模塊之間的結構關系）：總線形網(wǎng)絡總線形結構簡單、易于擴充、設備安裝、修改費用低、可靠性高、靈活性好、可連接多種類型的結點、網(wǎng)絡響應速度快，特別適用于工業(yè)。第四十頁，共58頁。工控產(chǎn)品簡介－網(wǎng)絡通訊協(xié)議：在網(wǎng)絡系統(tǒng)中，為確保數(shù)據(jù)通信雙方能夠正確而自動地進行通訊，針對通信過程中的問題（數(shù)字設備型號、通信線路類型、連接方式、同步方式、通信方式等不同）制定了一整套約定第四十一頁，共58頁。工控產(chǎn)品簡介－網(wǎng)絡現(xiàn)場總線：連接智能現(xiàn)場設備和自動化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結構的通信網(wǎng)絡。基于現(xiàn)場總線的系統(tǒng)是以單個分散的、數(shù)字化、智能化的測量和控制設備作為網(wǎng)絡的節(jié)點，用總線相連，實現(xiàn)信息的相互交換，使得不同網(wǎng)絡、不同現(xiàn)場設備之間實現(xiàn)信息共享。第四十二頁，共58頁。工控產(chǎn)品簡介－網(wǎng)絡傳輸介質：同軸電纜、雙絞線、光纖、無線媒體MODBUS協(xié)議的特點：1、是一種主從網(wǎng)絡，允許一個主機和一個或多個從機通訊，以完成編程、數(shù)據(jù)傳送、程序上/下傳，及其主機操作。第四十三頁，共58頁。工控產(chǎn)品簡介－網(wǎng)絡2、采用命令/應當方式，每一種命令報文都對應著一種應答報文，命令報文由主站發(fā)出，從站發(fā)出應答報文，每個從站都有唯一的地址。3、采用ASCII（美國標準信息交換碼）和RTU（遠程終端裝置）這兩種傳輸模式。RTU的格式是8個數(shù)據(jù)位、1個停止位，沒有奇偶校驗位第四十四頁，共58頁。工控產(chǎn)品簡介－研華模塊

插入式數(shù)據(jù)采集與控制卡信號調理模塊－ADAM-3000遠程I/O模塊－ADAM-4000分布式I/O模塊－ADAM-5000基于Web的智能I/O模塊－ADAM-6000

PC-104模塊通用網(wǎng)絡控制器－UNO-2000基于PC的工業(yè)控制器－MIC-2000第四十五頁，共58頁。工控產(chǎn)品簡介－變頻器交流變頻調速是集電力電子技術、微電子技術和控制技術于一體的高科技產(chǎn)品。它是將標準的交流電轉換為電壓和頻率都可變化的交流電，來實現(xiàn)對交流感應電機的變速驅動。第四十六頁，共58頁。工控產(chǎn)品簡介－變頻器變頻器實際就是可變速度驅動器（VSD）EMC：

即是“電磁兼容性”，在電磁環(huán)境中裝置良好的工作能力，且本身不能產(chǎn)生在此工作環(huán)境中工作的其他裝置所不能接受的電磁干擾。第四十七頁，共58頁。工控產(chǎn)品簡介－變頻器電動機非直接啟動的需要：

鼠籠電機直接啟動電流倍數(shù)為額定電流的4～7倍，啟動周期內影響整個系統(tǒng)負荷的正常供電，導致啟動延遲或失敗。第四十八頁，共58頁。工控產(chǎn)品簡介－變頻器傳統(tǒng)直接起動方式：星－三角；一次側串電阻；自耦降壓星－三角：

起動電流峰值限制在1.8～2.6ln，過程不可控，輸出功率低，不能拖動重載一次側串電阻：起動電流峰值為4.5ln，過程不可控，適用于各種負載，但設備笨重。第四十九頁，共58頁。工控產(chǎn)品簡介－變頻器星－三角：啟動時先將電機繞組接成星形，使每相繞組上的供電電壓為相電壓，待電機轉速升高到一定值后，再將電機繞組的接線方式改為三角形，使每相繞組的供電電壓為線電壓，完成電機啟動。從而減小啟動時的電流，減少對電網(wǎng)的沖擊。第五十頁，共58頁。工控產(chǎn)品簡介－變頻器星－三角：啟動時先將電機繞組接成星形，使每相繞組上的供電電壓為相電壓，待電