第3章工业控制计算机

工业控制计算机浙江工业大学机电系统及生产过程自动化主讲：赵章风浙江工业大学机械工程学院电话：88320136电子邮箱：i12fly@163.com控制器(IPC/MCU/PLC等)输入接口输出接口驱动执行机构(电机、电磁阀等)被控对象(各种机械参数)传感检测装置(各类传感器等)反馈量被控量设定值＋—机电一体化系统的组成概述3.1一工业控制计算机—硬件3.2工业控制计算机—软件3.3机总结课时：4课时3.4基于工控机的控制系统第3章工业控制计算机3.1概述3.1.1机电一体化控制系统的类型及特点基于PC的控制系统基于MCU的控制系统基于PLC的控制系统其他类型控制系统一、基于PC的控制系统工业控制软件工业控制计算机工业过程接口检测与驱动工业现场3.1概述具有完善的工业过程接口，AI/O、DI/O、…运算能力强，能实现复杂的控制算法(现有的多种智能控制算法大多可以在计算机控制系统中实现)人机交互方便、画面丰富与普通PC的兼容性好(软硬件均具有兼容性)支持高级语言编程，更有功能强大的工业控制软件(工业组态软件)可选用易实现管理与控制一体化3.1概述优点：可靠性及环境适应性一般成本较高3.1概述缺点：应用较为广泛，是一种开放式、通用性较强的控制系统适合于规模复杂、运算量大、控制算法复杂的场合应用：二、基于MCU的控制系统3.1概述MCU：MicroControlUnit可定制，成本低，性价比高体积小，功耗小，可嵌入系统中实时性好3.1概述优点：交互性较差、运算能力不强抗干扰/环境适应性一般缺点：通常应用于功能要求不太复杂、成本低或结构上要求嵌入的场合可作为计算机控制系统的下级或前端处理部分，与计算机控制系统一起构成更加复杂的控制系统3.1概述应用：注意：SCM/MCU/MPU/DSP/ARM的区别三、基于PLC的控制系统3.1概述可编程序控制器(ProgrammableController)，简称PLC，是一种基于计算机技术的，模仿继电器逻辑控制原理而发展起来的工业环境下的数字运算电子控制系统。三、基于PLC的控制系统3.1概述成本低，性价比高可靠性高，抗干扰能力强，适应恶劣的工业环境模块化结构，功能齐全，适应性强使用梯形图等图形化编程语言，编程简单安装、维护方便，对使用及维护人员要求较低3.1概述优点：广泛应用于功能要求不高，工作环境恶劣的场合，特别是顺序过程控制可作为计算机控制系统的下级，与计算机控制系统一起构成计算机集散控制系统/分布式控制系统3.1概述应用：交互性一般、运算能力一般缺点：四、其他类型控制系统3.1概述NCS(NumericalControlSystem)DCS(DistributedControlSystem)FCS(FieldbusControlSystem)因系统而异，一般用于专用场合3.1概述特点/应用：3.1概述3.1.2机电一体化控制系统的比较与选型比较项目基于PC的控制系统基于MCU的控制系统基于PLC的控制系统其他类型控制系统组成计算机主机+工业过程接口卡定制/开发电路板（非标准化）基本单元(CPU单元)

+扩展单元(模块)按要求进行选择功能可组成简单到复杂的各类控制系统简单的处理功能和控制功能逻辑控制为主，也可组成模拟量控制系统专用控制速度快快一般各系统不同可靠性一般差好好环境适应性一般差好好通信功能多种接口，如串口、并口、USB、网口可通过外围元件自行扩展串口，通过通信模块扩展USB或网口各系统不同软件开发用高级语言开发或选用工业组态软件汇编或高级语言自行开发以梯形图为主，也支持高级语言专用语言或支持高级语言人机界面好较差一般（可选配触摸屏）一般应用场合一般现场控制或较大规模控制智能仪表、简单控制一般规模现场控制专用场合开发周期一般较长短一般3.1概述3.1.3工业控制计算机的组成及特点工业控制计算机：简称工控机(IPC，IndustrialPersonalComputer)，主要用于工业过程测量、控制、数据采集等工作。以工控机为核心的测量和控制系统，处理来自工业系统的输入信号，再根据控制要求将处理结果输出到执行机构，去控制生产过程，同时对生产进行监督和管理。一、概念3.1概述二、组成硬件主机(底板、主板、内存、总线等)工业I/O接口(数据I/O、通信接口等)外设(打印、存储、交互设备等)系统软件(实时和非实时操作系统)工具软件(辅助开发软件等)软件工控机应用软件(面向生产过程的应用程序)3.1概述三、工业环境高温/高湿/多粉尘强振动/高电磁干扰/电压波动大要求不间断连续作业3.1概述四、工控机为适应工业环境的特殊设计全钢机箱/防振卡条/空气过滤网/双正压风扇3.1概述四、工控机为适应工业环境的特殊设计采用多插槽无源底板结构：支持ISA/PCI等多种总线采用多功能插板式结构：快速更换/扩充性好/数量多/接口丰富无源底板(8ISA+7PCI)主板(支持PIV系列CPU)3.1概述四、工控机为适应工业环境的特殊设计无源底板(8ISA+7PCI)ISA总线PCI总线ISA总线+PCI总线3.1概述四、工控机为适应工业环境的特殊设计抗干扰专用电源，具有防浪涌、过压过流保护功能和良好的电磁兼容性宽范围电压输入/多种规格电压输出工业电源功率：300W输入：100~240VAC,60~50Hz,10A输出：+5V、-5V、+3.3V、+12V、-12V3.1.3参考资料及网站参考资料1．研华工控机选型手册2．研华IO板卡选型手册3．研华运动控制卡选型手册4．MCGS组态软件(MCGS通用版V6.2)5．MCGS参考手册6．MCGS初级教程7．MCGS高级教程8．下载地址(百度云盘)：http:///s/1kTBWPDl

(密码：2y9a)参考网站1．研华科技：http://2．昆仑通态：http://3.1概述概述3.1一工业控制计算机—硬件3.2工业控制计算机—软件3.3机总结3.4基于工控机的控制系统第3章工业控制计算机3.2工业控制计算机—硬件3.2.1主板鼠标+键盘显示器网口CPU座内存卡座硬盘(SATA2)全长主板(AdvantechPCI-5124)Advantech

PCI-5124：LGA775/Intel®Core™2FSB1333/1066/800MHzDDR2667/800SDRAM2GigabitEthernet6COMPorts6SATA2半长主板(AdvantechPCI-7020)3.2工业控制计算机—硬件3.2.2工业过程接口板卡模拟量输入/输出卡(AI/AO)数字量输入/输出卡(DI/DO)计数/定时卡(C/T，Counter/Timer)多功能卡(AI、AO、DI、DO、Counter、Timer)运动控制卡(Motion)通信卡(Communication)其他接口卡(Other)3.2工业控制计算机—硬件一、模拟量输入卡(AI)模拟量输入卡(AdvantechPCI-1713)AdvantechPCI-1713：32单端/16差分模拟量输入12位AD分辨率采样速率可达100KS/s板载4096FIFO缓冲器2500VDC隔离保护每个输入通道的增益可编程支持软件、内部定时器触发或外部触发采样模式3.2工业控制计算机—硬件一、模拟量输入卡(AI)PCI-1713+PCL-10137+ADAM-39373.2工业控制计算机—硬件二、模拟量输出卡(AO)模拟量输出卡(AdvantechPCI-1720)AdvantechPCI-1720：4路12位DA输出通道多种输出范围2500VDC隔离保护系统重启后保持输出设置和输出值3.2工业控制计算机—硬件三、数字量输入/输出卡(DI/DO)数字量输入/出卡(AdvantechPCI-1756)AdvantechPCI-1756：32DI/32DO5～40V输入允许2500VDC隔离保护输入/输出可编程设置数值锁定功能3.2工业控制计算机—硬件四、计数/定时卡(Counter/Timer)计数/定时卡(AdvantechPCI-1780)AdvantechPCI-1780：8位可编程时钟源8路DI和8路DO(TTL)最大20MHz输入频率可选多个计数器时钟源计数器输出可编程计数器门控功能3.2工业控制计算机—硬件五、多功能卡(AI/O、DI/O、Counter/Timer)多功能数据采集卡(AdvantechPCI-1716)AdvantechPCI-1716：16单端/8差分AD，16位AD分辨率2路DA，12位DA分辨率16DI/16DO(TTL)3Counter/Timer板载1KFIFO250KS/s采样率PCI总线数据传输自动校准功能3.2工业控制计算机—硬件六、运动控制卡(Motion)运动控制卡(AdvantechPCI-1240)AdvantechPCI-1240：2/3轴线性插补功能2轴圆弧插补功能手轮和慢进功能独立4轴伺服/步进电机控制连续插补功能3.2工业控制计算机—硬件七、通信卡(Communication)CAN通信接口卡(AdvantechPCI-1680)AdvantechPCI-1680：符合PCI总线2.2规格2个独立的CAN网络高传输速率可达1Mbps每端口设有转输/接收状态LED指示灯直接内存映射功能实现对CAN控制器的快速访问3.2工业控制计算机—硬件七、通信卡(Communication)RS-232/422/485通信卡(AdvantechPCI-1612A)AdvantechPCI-1612A：兼容PCI总线2.1规格通信速率可达921.6Kbps4个RS-232/422/485端口I/O地址由PCI即插即用功能自动分配可选过压保护提高系统性能的中断状态寄存器3.2工业控制计算机—硬件八、其他(Other)USB多功能模块(AdvantechUSB-4716)AdvantechUSB-4716：支持USB2.0便携设计/总线供电16路模拟输入通道16位分辨率模拟输入采样速率高达200kS/s8路DI/8路DO/2路AO/1路32位计数器带有接线端子/适合DIN导轨安装锁紧式USB电缆用于紧固式连接3.2工业控制计算机—硬件八、其他(Other)分布式I/O模块(AdvantechADAM-4117)AdvantechADAM-4117：8路差分AD通道高抗噪性：1kV浪涌保护电压输入，3KVEFT及8KVESD保护宽电源输入范围：+10~+48VDC易于监测状态的LED指示灯支持2000VDCHI共模电压支持单极性和双极性输入支持+/-15V输入范围支持滤波器自动调谐或滤波器输出50Hz/60Hz3.2工业控制计算机—硬件各种I/O板卡(安插在工控机主板上)驱动程序(安装在工控机操作系统内)控制软件(安装在工控机操作系统内)输入信号(来自于传感器等)输出信号(输出到电机驱动器等)3.2工业控制计算机—硬件更多尽在研华科技：概述3.1一工业控制计算机—硬件3.2工业控制计算机—软件3.3机总结3.4基于工控机的控制系统第3章工业控制计算机3.3工业控制计算机—软件3.3.1工业组态软件简介一、工业组态软件的发展工业控制系统的发展对工业控制软件提出新要求：界面友好，操作方便，图形丰富形象实时性好，通用性好开发周期短，便于更改、扩充、升级利用高级编程语言开发大型工业控制软件的缺点：开发周期长，成本高，通用性差，可以说是事倍功半专业软件开发商的介入：推出了适合工业控制的软件包，这些工控软件包就是所谓的组态软件3.3工业控制计算机—软件组态一词的来源：ConfigurationHMI(HumanandMachineInterface，人机界面)MMI(ManandMachineInterface，人机界面)SCADA(SupervisoryControlandDataAcquisition，监视控制和数据采集软件)组态软件的发展：与企业信息管理系统融合，实现管理和控制一体化利用互联网进行远程诊断和维护版本分通用版、网络版和嵌入版等3.3工业控制计算机—软件二、工业组态软件的一般功能实时数据采集(数字量、模拟量)动态数据显示(文本、曲线、图、表等方式)实时数据处理(内置数字处理+脚本支持)过程/流程控制(利用脚本编写控制策略实现)历史数据记录与查询多种报警功能(故障/超限报警等)通信功能(TCP/IP、RS422/485等)具有开放式结构(可扩充，允许二次开发)3.3工业控制计算机—软件三、工业组态软件的结构系统开发环境(或称组态环境)：在组态环境中可以完成动画设计、设备连接、编写控制策略、编制打印报表等全部组态工作，组态结果保存在实时数据库中。由工程设计人员离线完成。系统运行环境：将保存在实时数据库中的组态结果装入计算机内存并投入实时运行，完成对生产设备及过程的控制。现场使用，自动运行，与工程设计人员无关。系统开发环境和系统运行环境之间的联系纽带是实时数据库。3.3工业控制计算机—软件3.3工业控制计算机—软件四、工业组态软件的厂商目录(部分)Wonderware的Intouch(美国，)Intellution的iFIX(美国，)Siemens的WinCC（德国，）TRACEMODE组态软件（俄罗斯，）LTC公司的LabTech（美国，）NationalInstrument的LabView（美国，）3.3工业控制计算机—软件四、工业组态软件的厂商目录(部分)研华的Genie(台湾，)凌华的ADLINK威控Ⅱ(台湾，)研祥的EasyCon(深圳，)昆仑通态的MCGS(北京，)亚控的组态王(北京，)浙大中自的SunyTech(浙江，)中泰的WinCtrl、Doneed(北京，)三维科技的ForceControl(黑龙江，)金佳诺的世纪星组态(北京，)3.3工业控制计算机—软件五、工业组态软件的应用使用方便，工程设计人员无须具备计算机编程知识便可使用。操作简便、可视性好、可维护性强、高性能、高可靠性，已成功应用于石油化工、钢铁行业、电力系统、水处理、环境监测、机械制造、交通运输、能源原材料、农业自动化、航空航天等领域，经过各种现场的长期实际运行，系统稳定可靠。查看不同应用(参考MCGSSample)。3.3工业控制计算机—软件3.3.2工业组态软件的应用举例一、MCGS组态软件介绍MCGS(MonitorandControlGeneralSystem)组态软件由北京昆仑通态自动化软件科技有限公司()出品。分通用版、网络版和嵌入版。当前最高版本是V6.2，可在公司网站上下载到30分钟学习版和相关学习资料。3.3工业控制计算机—软件二、MCGS的组态环境菜单设计设置工程属性设定存盘结构添加工程设备连接设备变量注册设备驱动创建动画显示设置报警窗口人机交互界面定义数据变量定义中间变量编写控制流程使用功能构件主控窗口设备窗口实时数据库运行策略用户窗口MCGS组态环境3.3工业控制计算机—软件三、MCGS实现一个简单的水位控制系统通过一个简单的水位控制系统的组态过程，介绍如何使用MCGS组态软件。本样例涉及到动画制作、控制流程的编写、模拟设备的连接、报警输出、报表曲线显示与打印等多项组态操作。3.3工业控制计算机—软件水箱磁浮子液位传感器磁浮子液位传感器调节阀(电磁阀)出水阀(电磁阀)交流接触器水泵工控机PCI1716+PCL10168+ADAM3968水灌3.3工业控制计算机—软件两个模拟数据(输入通道、模拟量—AI)水箱水位(最大值10米)(水位传感器AI卡驱动程序组态软件)水罐水位(最大值6米)三个开关数据(输入/输出通道、数字量—DI/DO)水泵(电磁开关DI/O卡驱动程序组态软件)调节阀出水阀3.3工业控制计算机—软件四、MCGS实现一个简单的水位控制系统工程建立流程画面定义数据对象动画连接设备连接流程控制报警显示报表输出显示曲线安全机制3.3工业控制计算机—软件1、工程建立演示新建一个工程并另存为“水位控制系统”练习注意：工程存取路径中不要包含空格，错误：C:\DocumentsandSettings\Administrator\桌面\水位控制系统.mcg正确：d:\水位控制系统\水位控制系统.mcg3.3工业控制计算机—软件2、流程画面演示新建一个用户窗口“水位控制”在窗口的基本属性中设定窗口名称、窗口标题、窗口背景、窗口位置等属性。对“水位控制”窗口进行动画组态添加文本“水位控制系统演示工程”水箱---选取“储藏罐”中的罐17水罐---选取“储藏罐”中的罐53调节阀---选取“阀”中的阀58出水阀---选取“阀”中的阀43泵---选取“泵”中的泵38添加流动块（块的颜色为蓝色、填充色为灰色、边界色为黑色）添加各设备的文字标签练习请与此编号保持一致！3.3工业控制计算机—软件3、定义数据对象(变量)变量名称类型注释水泵开关型控制水泵“启动”、“停止”的变量调节阀开关型控制调节阀“打开”、“关闭”的变量出水阀开关型控制出水阀“打开”、“关闭”的变量水箱水位数值型水箱的水位高度，用来控制水箱水位的变化水罐水位数值型水罐的水位高度，用来控制水罐水位的变化水位组组对象用于历史数据、历史曲线、报表输出等功能构件水箱水位上限数值型用来在运行环境下设定水箱的上限报警值水箱水位下限数值型用来在运行环境下设定水箱的下限报警值水罐水位上限数值型用来在运行环境下设定水罐的上限报警值水罐水位下限数值型用来在运行环境下设定水罐的下限报警值变量的作用：1.屏幕上的图符(左桥)变量(右桥)实际设备，起到一个桥梁的作用；2.参与编程，例如：中间变量，设备变量3.3工业控制计算机—软件3、定义数据对象(变量)演示添加数值型变量“水箱水位”、“水罐水位”添加组对象“水位组”—相当于数组添加开关型变量“水泵”、“调节阀”、“出水阀”练习3.3工业控制计算机—软件4、动画连接演示将变量“水箱水位”、“水罐水位”与水箱、水罐进行连接将变量“泵”、“调节阀”、“出水阀”与泵、调节阀、出水阀进行连接水流(用流动块表示)的设置将水位控制窗口设置为启动窗口并运行用滑动输入器构件手动控制水箱、水罐中的水位[验证关联]用旋转仪表构件显示水箱、水罐中的水位用文字构件显示水箱、水罐中的水位(文字输出)练习3.3工业控制计算机—软件5、设备连接演示添加模拟设备，用模拟设备进行调试在设备的内部属性中将通道1(与水箱水位对应，模拟量)的最大值设为10，曲线类型设为正弦在设备的内部属性中将通道2(与水罐水位对应，模拟量)的最大值设为6，曲线类型设为三角波添加实际设备，与实际设备进行连接从设备工具箱中添加“数据采集卡—研华PCI-1716”设置基本属性，并进行通道连接两个模拟量输入（水箱水位对应AD0，水罐水位对应AD1）三个开关量输入输出（水泵对应DI0、DO0，调节阀对应DI1、DO1，出水阀对应DI2、DO2）练习3.3工业控制计算机—软件6、流程控制流程若“水箱”的水位不足9米时，就要打开“水泵”否则关闭“水泵”若“水罐”的水位不足1米时，就要关闭“出水阀”否则打开“出水阀”若“水箱”的水位大于1米，同时“水罐”的水位小于6米，就要打开“调节阀”否则关闭“调节阀”演示IF

水箱水位<9THEN

水泵=1ELSE

水泵=0ENDIFIF

水罐水位<1THEN

出水阀=0ELSE

出水阀=1ENDIFIF

水箱水位>1and

水罐水位<6THEN

调节阀=1ELSE

调节阀=0ENDIF练习在循环策略中实现控制流程（运行策略—循环策略—策略属性中循环时间改为200ms，新增策略行，添加脚本程序）大小写无关，但一定要为半角符号或字符，不能是全角！！3.3工业控制计算机—软件7、报警显示演示定义报警(在实时数据库中，对相关变量进行定义)选中“允许进行报警处理”设定“上限报警”(9/5米)和报警注释(水箱/罐的水已达上限值)设定“下限报警”(1/1米)和报警注释(水箱/罐没水了)；在存盘属性中，选中“自动保存产生的报警信息”。将水位组设置成自动存盘，时间为5s。文本(列表)报警显示添加报警显示构件，与水位组连接，并将最大显示记录设置为6练习3.3工业控制计算机—软件7、报警显示演示动画(指示灯)报警显示添加水箱/水罐水位报警灯(指示灯1/3)水箱水位报警动画设置(填充颜色：水箱水位>=9or水箱水位<=1)水罐水位报警动画设置(填充颜色：水罐水位>=5or水罐水位<=1)声音报警（在循环策略中继续添加）IF水箱水位>=9or水箱水位<=1THEN!PlaySound("C:\WINDOWS\MEDIA\ding.wav",2)ENDIFIF水罐水位>=5or水罐水位<=1THEN!PlaySound("C:\WINDOWS\MEDIA\notify.wav",2)ENDIF练习3.3工业控制计算机—软件7、报警显示演示报警数据浏览(调用策略实现)添加用户策略新建策略：“新建策略”→“选择策略的类型”[用户策略]，策略名称(“报警数据”)，注释(“水箱、水罐的报警数据”)；策略组态：添加新的策略行→在策略工具箱中选择“报警信息浏览”→设置数据源为“水位组”。添加显示菜单主控窗口→新增菜单项→改名为“报警数据”→在“菜单操作”中选中“执行运行策略块”→选中“报警数据”。练习3.3工业控制计算机—软件7、报警显示演示修改报警上下限值(程序与用户的交互)增加四个变量：水箱水位上限、水箱水位下限、水罐水位上限、水罐水位下限，其初值分别为9，1，5，1。在用户窗口中创建四个“输入框”与四个变量对应，在“循环策略”中继续添加处理程序：!SetAlmValue(水箱水位,水箱水位上限,3)!SetAlmValue(水箱水位,水箱水位下限,2)!SetAlmValue(水罐水位,水罐水位上限,3)!SetAlmValue(水罐水位,水罐水位下限,2)练习还应修改前面的报警条件表达式！！水箱水位>=9or水箱水位<=1↓

水箱水位>=水箱水位上限or水箱水位<=水箱水位下限3.3工业控制计算机—软件8、报表输出演示新添用户窗口“数据显示”添加数据显示菜单、水位控制菜单，分别用于打开数据显示和水位控制窗口在数据显示窗口中添加文字标签“水位控制系统数据显示”、“实时数据”、“历史数据”练习3.3工业控制计算机—软件8、报表输出演示实时报表(用自由表格构件实现)添加自由表格构件，5行2列；添加表头：在第1列中输入对象名称(“水箱水位”、“水罐水位”、“水泵”、“调节阀”、“出水阀”)；第2列中设置模拟量的显示格式(前两行中输入“2|0”)；第2列中单击右键进行数据连接；练习3.3工业控制计算机—软件8、报表输出演示历史报表(用历史表格构件实现)添加历史表格构件，5行3列第1行中输入对象名称(“采集时间”、“水箱水位”、“水罐水位”)数据连接先连接：选中第1行以下的所有单元格→单击右键进行连接再合并：