工业控制与人工智能(基础篇)

工业控制与人工智能(基础篇)第一页，共58页。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、变频器的介绍工业控制与人工智能第二页，共58页。工控产品举例（一）

工厂车间级工厂管理级工业以太网

工厂现场级视频监视智能仪表伺服电机温湿度采集电磁阀门限位开关第三页，共58页。工控产品举例（二）

笔记本电脑PROFIBUS以太网MPIS7-300S7-400S7-400S7-400管理计算机S7-300笔记本笔记本S7-200变频器控制器传感器分析仪第四页，共58页。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

第五页，共58页。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，使人工作得更轻松第六页，共58页。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。

第七页，共58页。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）——现场仪器仪表第八页，共58页。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)1981IBM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。第九页，共58页。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，能以更快的速度传输数据1985年Philips和SONY推出CD-ROM驱动器1985年80386DX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MicrosoftWindows发布1987年MicrosoftWindows2.0发布1989年欧洲物理粒子研究所的TimBerners-Lee创立WorldWideWeb雏形第十页，共58页。工控产品发展史1989年80486DX发布。最高时钟频率100MHz、集成了120万个晶体管1989年11月SoundBlasterCard(声卡)发布1990年5月22日:微软发布Windows3.0，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WindowsNT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开始商业化运行第十一页，共58页。工控产品发展史1995年8月23日纯32位的多任务操作系统Windows95发布1997年Intel发布PentiumMMXCPU，处理器的游戏和多媒体功能得到增强1998年2月Intel发布333MHzPentiumⅡ处理器1998年6月25日Microsoft发布Windows98

1999年7月PentiumⅢ发布，时钟频率在450MHz以上，2800万个晶体管2000年Microsoft发布Windows2000

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Windowsxp，主流CPU芯片是主频高达2.8GHz的P4处理器

第十二页，共58页。工控产品名词解释

DCS：是分散控制系统（DistributedControlSystem），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（Communication）、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。第十三页，共58页。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（FieldbusControlSystem）

第十四页，共58页。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的约定。TCP/IP：TransmissionControlProtocol/InternetProtocol传输控制/网际协议第十五页，共58页。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第十六页，共58页。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IEC1158-2）与现场设备组成的网络。第十七页，共58页。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：SoftwareDevelopmentKit，开放的编程接口和软件开发工具包第十八页，共58页。工控机构成－CPUCPU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。

第十九页，共58页。工控产品简介－PLC第二十页，共58页。工控产品简介－PLCS7-400第二十一页，共58页。工控产品简介－PLC第二十二页，共58页。工控产品简介－PLC可编程控制器PLC(ProgrammableLogicController)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。

第二十三页，共58页。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（256～1024点）、大型（1024点以上）PLC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。第二十四页，共58页。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

第二十五页，共58页。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；第二十六页，共58页。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。第二十七页，共58页。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。

第二十八页，共58页。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，要求用新的控制装置代替继电器控制装置，提出10条指标。第二十九页，共58页。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，要求用新的控制装置代替继电器控制装置，提出10条指标。第三十页，共58页。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

第三十一页，共58页。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第三十二页，共58页。PLC简介－数据功能1、基本算术：加、减、乘、除

2、扩展运算：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、积分和滤波第三十三页，共58页。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、EthernetTCP/IP、AS-interface、INTERBUS等通讯协议列举：第三十四页，共58页。PLC简介－接口功能1、具有A/D转换功能

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

第三十五页，共58页。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系统第三十六页，共58页。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

第三十七页，共58页。工控产品简介－网络7应用层（ApplicationLayer）6表示层（PresentationLayer）5会话层（SessionLayer）4运输层（TransportLayer）3网络层（NetworkLayer）2数据链路层（DataLinkLayer）1物理层（PhysicalLayer）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第三十八页，共58页。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

环形网络第三十九页，共58页。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）：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。第四十页，共58页。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）制定了一整套约定第四十一页，共58页。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。第四十二页，共58页。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。第四十三页，共58页。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，没有奇偶校验位第四十四页，共58页。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第四十五页，共58页。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。第四十六页，共58页。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。第四十七页，共58页。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数为额定电流的4～7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。第四十八页，共58页。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1.8～2.6ln，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。第四十九页，共58页。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。第五十页，共58页。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