《工业控制计算机》课件

工业控制计算机工业控制计算机是专门为工业环境设计的计算机系统，它们具有高可靠性、实时性、抗干扰性和抗恶劣环境能力。课程导言课程目标介绍工业控制计算机的基本原理、架构和应用。掌握工业控制计算机硬件、软件和网络方面的知识。课程内容从工业控制计算机的概述开始，涵盖硬件组成、软件架构、工业网络技术，以及工业控制系统的典型应用案例。学习方法结合课堂讲解、案例分析和实验实践，加深对工业控制计算机的理解和应用能力。工业控制计算机概述自动化生产工业控制计算机是现代工业自动化系统的核心，负责实时监控和控制生产过程，提高效率和质量。数据采集和分析工业控制计算机收集来自传感器和仪表的数据，并进行分析，为生产决策提供支持。机器控制和协调工业控制计算机协调机器人的动作，优化生产流程，提高生产效率。系统集成和管理工业控制计算机集成各种硬件和软件，构建完整的控制系统，实现自动化生产。工业计算机硬件组成中央处理器处理控制指令和数据。影响工业控制系统的性能、可靠性和实时响应。内存临时存储程序和数据。影响系统运行速度和数据处理效率。输入/输出接口连接传感器、执行器和其他设备。支持数据采集、控制信号输出和系统扩展。现场总线连接工业控制系统不同设备，实现数据传输和控制信号传递。中央处理器功能工业控制计算机的核心部件。执行控制程序，处理数据，并控制系统运行。类型常用的处理器包括ARM、X86架构。工业控制计算机需要高性能、高可靠性CPU。内存1随机存取存储器(RAM)RAM用于存储正在运行的程序和数据，是工业控制计算机的核心组件之一。2只读存储器(ROM)ROM存储引导程序和固件，在系统启动时加载并执行。3闪存(FlashMemory)闪存可以像RAM一样写入和读取，但即使在断电后也能保存数据。4缓存缓存存储最近访问的程序和数据，以提高程序的执行速度。输入/输出接口输入接口接收来自传感器、仪表等设备的信号，并将这些信号转换为工业控制计算机可识别的数字信号。输入接口通常包含信号隔离、放大、滤波等功能，以确保信号的可靠性和稳定性。输出接口将工业控制计算机的数字信号转换为控制设备可识别的信号，用于控制电机、阀门、执行器等设备。输出接口通常包含信号放大、驱动等功能，以确保控制指令的准确性和可靠性。现场总线11.数据传输现场总线用于工业自动化系统中不同设备之间的数据传输，实现实时数据交换。22.减少布线现场总线可以简化布线，减少电缆数量和成本，提高系统可靠性和可维护性。33.集中控制现场总线支持集中控制，实现对多个设备的统一管理和监控。44.提高效率现场总线提高了数据传输速度和精度，提高了系统效率和生产力。通信接口串行通信串行通信接口，例如RS-232和RS-485，用于连接工业设备，如PLC和传感器。以太网通信工业以太网提供高速数据传输，用于连接工业计算机和其他设备，如PLC和HMI。无线通信无线通信接口，例如Wi-Fi和蓝牙，用于远程监控和数据传输。其他接口其他接口，例如USB和CAN总线，用于连接特定类型的设备，例如存储设备和汽车。人机界面人机界面（HMI）是工业控制系统的重要组成部分，为操作人员提供与控制系统交互的途径。HMI通常采用触摸屏、键盘、鼠标等输入设备，以及显示器、指示灯等输出设备，方便操作人员监控和控制工业设备。工业软件概述工业软件工业软件是指专门用于工业领域控制、管理、仿真和分析的软件。它是连接硬件和人类的桥梁，帮助企业提高效率、降低成本和提升产品质量。自动化软件自动化软件涵盖了生产过程的各个环节，例如，生产计划、物料管理、设备控制和质量监控。数据分析软件数据分析软件用于收集、分析和展示工业生产中的大量数据，为决策提供依据，提高生产效率和产品质量。实时操作系统实时性实时操作系统需要在严格的时间限制内响应事件。确定性任务执行时间是可预测的，不会出现随机延迟。多任务处理实时操作系统可以同时运行多个任务。资源管理实时操作系统有效地管理内存、CPU和其他硬件资源。过程控制软件数据采集过程控制软件从工业仪表和传感器收集实时数据，并将数据转换为可理解的格式。过程控制根据预设的控制算法和策略，软件对过程变量进行控制，确保生产过程稳定运行。报警与记录监控过程变量，识别异常情况，及时发出报警，并将过程数据进行记录和存档。优化与分析通过数据分析，识别生产过程中的瓶颈和问题，优化控制参数，提高生产效率。组态软件图形化配置组态软件使用图形界面，便于用户直观地配置和管理控制系统。应用程序开发组态软件可以开发应用程序，实现特定控制功能和数据处理。数据可视化组态软件提供数据可视化工具，方便用户监控和分析系统运行状态。数据管理组态软件具备数据存储、管理和分析功能，用于记录和分析系统运行数据。工业以太网工业以太网是专门针对工业环境设计的网络技术。它将以太网的标准与工业控制系统的特殊要求相结合，以满足工业环境的可靠性、实时性、安全性等要求。工业以太网拥有更高的可靠性和安全性，可以保证设备数据传输的稳定性和可靠性。它还支持高速率数据传输，可以满足工业控制系统对实时性的需求。工业以太网拓扑总线型拓扑设备串联连接，数据依次传递，成本较低，但可靠性较差。星型拓扑所有设备连接到中心交换机，可靠性较高，但成本较高。环型拓扑设备形成闭环，数据双向传递，可靠性较高，但安装和维护较为复杂。树型拓扑类似于树状结构，分层管理，适用于大型网络，易于扩展和维护。工业以太网协议TCP/IP协议TCP/IP协议是互联网的基础协议，工业以太网也采用TCP/IP协议进行数据传输，确保不同设备之间的数据互通。UDP协议UDP协议是一种无连接的协议，主要用于实时性要求高的应用，例如工业控制系统中的实时数据传输。Profinet协议Profinet协议是西门子公司推出的工业以太网协议，它支持多种通信模式，包括实时数据传输、配置和诊断。EtherNet/IP协议EtherNet/IP协议是由RockwellAutomation推出的工业以太网协议，它支持多种应用，例如自动化控制、数据采集和设备管理。工业控制网络安全11.网络入侵检测工业控制系统易受网络攻击，需要实时监控网络流量，识别恶意攻击行为。22.数据加密保护对敏感数据进行加密，防止数据泄露，确保控制系统数据安全。33.访问控制严格控制对控制系统的访问权限，防止未经授权的访问操作。44.漏洞修复及时更新软件和系统补丁，修复安全漏洞，提高系统安全性。工业仪表和传感器工业仪表测量和显示过程参数，例如温度、压力、流量和液位。提供人机交互界面，方便操作人员监控和控制过程。工业传感器将物理量转换为电信号，例如温度传感器、压力传感器、流量传感器等。提供工业控制系统所需的实时数据，确保生产过程的稳定运行。信号调理电路信号放大信号调理电路可以放大微弱的信号，使其能够被工业控制计算机识别和处理。放大后的信号能够增强其抗干扰能力，提高测量精度。信号滤波滤波器能够去除信号中的噪声和干扰，确保信号的清晰度和准确性。常用的滤波器类型包括低通滤波器、高通滤波器和带通滤波器。信号转换将传感器输出的模拟信号转换为数字信号，以便工业控制计算机能够进行处理和分析。常见的信号转换方式包括模数转换(ADC)和数模转换(DAC)。信号隔离隔离电路可以防止信号之间的干扰，确保信号传输的可靠性。隔离电路通常采用光电耦合器或变压器来实现信号隔离。模拟量输入/输出模拟量输入模拟量输入将物理量转换为电信号，例如温度、压力、流量等。模拟量输出模拟量输出将电信号转换为物理量，例如控制阀门、电机速度等。数据采集模拟量输入通常用于数据采集系统，获取真实环境信息。过程控制模拟量输出用于控制工业过程，例如调节温度、压力等。数字量输入/输出数字量输入数字量输入用于接收来自外部设备的数字信号，例如开关、传感器等。这些信号通常以高电平或低电平表示。数字量输出数字量输出用于向外部设备发送数字信号，例如控制继电器、电机等。这些信号通常以高电平或低电平表示。脉冲量输入/输出脉冲编码器将机械转动转换成数字信号，用于测量速度、位置等。脉冲计数器统计脉冲信号，用于计数、定时、控制。脉冲输出模块产生脉冲信号，用于控制电机速度、位置等。工业现场总线11.数据传输工业现场总线负责在控制器和现场设备之间传输数据。22.实时性现场总线需要确保数据的快速传输和准确的接收。33.可靠性总线系统应具备抗干扰能力，确保可靠的数据通信。44.互操作性工业现场总线标准化，支持不同厂商设备互联互通。Profibus11.概述Profibus是一种广泛应用于过程控制和自动化领域的现场总线，用于连接传感器、执行器和控制设备。22.协议类型Profibus主要分为两种协议：ProfibusDP用于连接设备，ProfibusFMS用于实现网络通信和控制功能。33.应用场景Profibus在各种工业环境中得到广泛应用，包括汽车制造、化工、食品加工和电力等领域。44.特点Profibus具有高可靠性、低成本和易于安装等特点，是工业控制系统中常用的通信协议。FoundationFieldbus概述FoundationFieldbus是一种基于现场总线的数字通信协议，它提供了一种标准化的方式，用于连接工业控制系统中的传感器、执行器和控制器。该协议支持多种通信模式，包括点对点、广播和多播，以及多种数据类型，例如数字、模拟和字符数据。优势FoundationFieldbus提供了许多优势，包括更高的可靠性、更好的可扩展性和更低的成本。与传统模拟信号系统相比，FoundationFieldbus提供更高的精度、更快的响应速度和更低的维护成本。DeviceNetDeviceNet网络DeviceNet是一种基于CAN总线技术的工业现场总线，用于连接各种自动化设备。应用广泛DeviceNet广泛应用于各种自动化系统，例如机器控制、包装系统、过程控制和机器人控制。连接多种设备DeviceNet可以连接各种设备，例如传感器、执行器、驱动器和人机界面。拓扑结构灵活DeviceNet支持多种拓扑结构，包括总线型、星型和树型。EtherCAT实时以太网协议EtherCAT是一种实时以太网协议，用于工业自动化应用。高带宽和低延迟EtherCAT提供高带宽和低延迟，适用于实时控制和数据采集。循环时间确定EtherCAT具有循环时间确定性，确保数据按预期时间传输。工业控制应用案例工业控制计算机广泛应用于各种领域，例如制造业、能源、交通等，有效提高生产效率、安全性、可靠性。例如，在汽车制造中，工业控制计算机控制生产线上的机器人，进行焊接、喷漆、组装等操作，实现自动化生产。智能制造发展趋势人工智能人工智能在工业控制中的应用将更