工業控制計算機浙江工業大學機電系統及生產過程自動化主講：趙章風浙江工業大學機械工程學院電話：88320136電子郵箱：i12fly@163.com控制器(IPC/MCU/PLC等)輸入接口輸出接口驅動執行機構(電機、電磁閥等)被控對象(各種機械參數)傳感檢測裝置(各類傳感器等)反饋量被控量設定值＋—機電一體化系統的組成概述3.1一工業控制計算機—硬件3.2工業控制計算機—軟件3.3機總結課時：4課時3.4基于工控機的控制系統第3章工業控制計算機3.1概述3.1.1機電一體化控制系統的類型及特點基于PC的控制系統基于MCU的控制系統基于PLC的控制系統其他類型控制系統一、基于PC的控制系統工業控制軟件工業控制計算機工業過程接口檢測與驅動工業現場3.1概述具有完善的工業過程接口，AI/O、DI/O、…運算能力強，能實現復雜的控制算法(現有的多種智能控制算法大多可以在計算機控制系統中實現)人機交互方便、畫面豐富與普通PC的兼容性好(軟硬件均具有兼容性)支持高級語言編程，更有功能強大的工業控制軟件(工業組態軟件)可選用易實現管理與控制一體化3.1概述優點：可靠性及環境適應性一般成本較高3.1概述缺點：應用較為廣泛，是一種開放式、通用性較強的控制系統適合于規模復雜、運算量大、控制算法復雜的場合應用：二、基于MCU的控制系統3.1概述MCU：MicroControlUnit可定制，成本低，性價比高體積小，功耗小，可嵌入系統中實時性好3.1概述優點：交互性較差、運算能力不強抗干擾/環境適應性一般缺點：通常應用于功能要求不太復雜、成本低或結構上要求嵌入的場合可作為計算機控制系統的下級或前端處理部分，與計算機控制系統一起構成更加復雜的控制系統3.1概述應用：注意：SCM/MCU/MPU/DSP/ARM的區別三、基于PLC的控制系統3.1概述可編程序控制器(ProgrammableController)，簡稱PLC，是一種基于計算機技術的，模仿繼電器邏輯控制原理而發展起來的工業環境下的數字運算電子控制系統。三、基于PLC的控制系統3.1概述成本低，性價比高可靠性高，抗干擾能力強，適應惡劣的工業環境模塊化結構，功能齊全，適應性強使用梯形圖等圖形化編程語言，編程簡單安裝、維護方便，對使用及維護人員要求較低3.1概述優點：廣泛應用于功能要求不高，工作環境惡劣的場合，特別是順序過程控制可作為計算機控制系統的下級，與計算機控制系統一起構成計算機集散控制系統/分布式控制系統3.1概述應用：交互性一般、運算能力一般缺點：四、其他類型控制系統3.1概述NCS(NumericalControlSystem)DCS(DistributedControlSystem)FCS(FieldbusControlSystem)因系統而異，一般用于專用場合3.1概述特點/應用：3.1概述3.1.2機電一體化控制系統的比較與選型比較項目基于PC的控制系統基于MCU的控制系統基于PLC的控制系統其他類型控制系統組成計算機主機+工業過程接口卡定制/開發電路板（非標準化）基本單元(CPU單元)

+擴展單元(模塊)按要求進行選擇功能可組成簡單到復雜的各類控制系統簡單的處理功能和控制功能邏輯控制為主，也可組成模擬量控制系統專用控制速度快快一般各系統不同可靠性一般差好好環境適應性一般差好好通信功能多種接口，如串口、并口、USB、網口可通過外圍元件自行擴展串口，通過通信模塊擴展USB或網口各系統不同軟件開發用高級語言開發或選用工業組態軟件匯編或高級語言自行開發以梯形圖為主，也支持高級語言專用語言或支持高級語言人機界面好較差一般（可選配觸摸屏）一般應用場合一般現場控制或較大規模控制智能儀表、簡單控制一般規模現場控制專用場合開發周期一般較長短一般3.1概述3.1.3工業控制計算機的組成及特點工業控制計算機：簡稱工控機(IPC，IndustrialPersonalComputer)，主要用于工業過程測量、控制、數據采集等工作。以工控機為核心的測量和控制系統，處理來自工業系統的輸入信號，再根據控制要求將處理結果輸出到執行機構，去控制生產過程，同時對生產進行監督和管理。一、概念3.1概述二、組成硬件主機(底板、主板、內存、總線等)工業I/O接口(數據I/O、通信接口等)外設(打印、存儲、交互設備等)系統軟件(實時和非實時操作系統)工具軟件(輔助開發軟件等)軟件工控機應用軟件(面向生產過程的應用程序)3.1概述三、工業環境高溫/高濕/多粉塵強振動/高電磁干擾/電壓波動大要求不間斷連續作業3.1概述四、工控機為適應工業環境的特殊設計全鋼機箱/防振卡條/空氣過濾網/雙正壓風扇3.1概述四、工控機為適應工業環境的特殊設計采用多插槽無源底板結構：支持ISA/PCI等多種總線采用多功能插板式結構：快速更換/擴充性好/數量多/接口豐富無源底板(8ISA+7PCI)主板(支持PIV系列CPU)3.1概述四、工控機為適應工業環境的特殊設計無源底板(8ISA+7PCI)ISA總線PCI總線ISA總線+PCI總線3.1概述四、工控機為適應工業環境的特殊設計抗干擾專用電源，具有防浪涌、過壓過流保護功能和良好的電磁兼容性寬范圍電壓輸入/多種規格電壓輸出工業電源功率：300W輸入：100~240VAC,60~50Hz,10A輸出：+5V、-5V、+3.3V、+12V、-12V3.1.3參考資料及網站參考資料1．研華工控機選型手冊2．研華IO板卡選型手冊3．研華運動控制卡選型手冊4．MCGS組態軟件(MCGS通用版V6.2)5．MCGS參考手冊6．MCGS初級教程7．MCGS高級教程8．下載地址(百度云盤)：http:///s/1kTBWPDl

(密碼：2y9a)參考網站1．研華科技：http://2．昆侖通態：http://3.1概述概述3.1一工業控制計算機—硬件3.2工業控制計算機—軟件3.3機總結3.4基于工控機的控制系統第3章工業控制計算機3.2工業控制計算機—硬件3.2.1主板鼠標+鍵盤顯示器網口CPU座內存卡座硬盤(SATA2)全長主板(AdvantechPCI-5124)Advantech

PCI-5124：LGA775/Intel?Core?2FSB1333/1066/800MHzDDR2667/800SDRAM2GigabitEthernet6COMPorts6SATA2半長主板(AdvantechPCI-7020)3.2工業控制計算機—硬件3.2.2工業過程接口板卡模擬量輸入/輸出卡(AI/AO)數字量輸入/輸出卡(DI/DO)計數/定時卡(C/T，Counter/Timer)多功能卡(AI、AO、DI、DO、Counter、Timer)運動控制卡(Motion)通信卡(Communication)其他接口卡(Other)3.2工業控制計算機—硬件一、模擬量輸入卡(AI)模擬量輸入卡(AdvantechPCI-1713)AdvantechPCI-1713：32單端/16差分模擬量輸入12位AD分辨率采樣速率可達100KS/s板載4096FIFO緩沖器2500VDC隔離保護每個輸入通道的增益可編程支持軟件、內部定時器觸發或外部觸發采樣模式3.2工業控制計算機—硬件一、模擬量輸入卡(AI)PCI-1713+PCL-10137+ADAM-39373.2工業控制計算機—硬件二、模擬量輸出卡(AO)模擬量輸出卡(AdvantechPCI-1720)AdvantechPCI-1720：4路12位DA輸出通道多種輸出范圍2500VDC隔離保護系統重啟后保持輸出設置和輸出值3.2工業控制計算機—硬件三、數字量輸入/輸出卡(DI/DO)數字量輸入/出卡(AdvantechPCI-1756)AdvantechPCI-1756：32DI/32DO5～40V輸入允許2500VDC隔離保護輸入/輸出可編程設置數值鎖定功能3.2工業控制計算機—硬件四、計數/定時卡(Counter/Timer)計數/定時卡(AdvantechPCI-1780)AdvantechPCI-1780：8位可編程時鐘源8路DI和8路DO(TTL)最大20MHz輸入頻率可選多個計數器時鐘源計數器輸出可編程計數器門控功能3.2工業控制計算機—硬件五、多功能卡(AI/O、DI/O、Counter/Timer)多功能數據采集卡(AdvantechPCI-1716)AdvantechPCI-1716：16單端/8差分AD，16位AD分辨率2路DA，12位DA分辨率16DI/16DO(TTL)3Counter/Timer板載1KFIFO250KS/s采樣率PCI總線數據傳輸自動校準功能3.2工業控制計算機—硬件六、運動控制卡(Motion)運動控制卡(AdvantechPCI-1240)AdvantechPCI-1240：2/3軸線性插補功能2軸圓弧插補功能手輪和慢進功能獨立4軸伺服/步進電機控制連續插補功能3.2工業控制計算機—硬件七、通信卡(Communication)CAN通信接口卡(AdvantechPCI-1680)AdvantechPCI-1680：符合PCI總線2.2規格2個獨立的CAN網絡高傳輸速率可達1Mbps每端口設有轉輸/接收狀態LED指示燈直接內存映射功能實現對CAN控制器的快速訪問3.2工業控制計算機—硬件七、通信卡(Communication)RS-232/422/485通信卡(AdvantechPCI-1612A)AdvantechPCI-1612A：兼容PCI總線2.1規格通信速率可達921.6Kbps4個RS-232/422/485端口I/O地址由PCI即插即用功能自動分配可選過壓保護提高系統性能的中斷狀態寄存器3.2工業控制計算機—硬件八、其他(Other)USB多功能模塊(AdvantechUSB-4716)AdvantechUSB-4716：支持USB2.0便攜設計/總線供電16路模擬輸入通道16位分辨率模擬輸入采樣速率高達200kS/s8路DI/8路DO/2路AO/1路32位計數器帶有接線端子/適合DIN導軌安裝鎖緊式USB電纜用于緊固式連接3.2工業控制計算機—硬件八、其他(Other)分布式I/O模塊(AdvantechADAM-4117)AdvantechADAM-4117：8路差分AD通道高抗噪性：1kV浪涌保護電壓輸入，3KVEFT及8KVESD保護寬電源輸入范圍：+10~+48VDC易于監測狀態的LED指示燈支持2000VDCHI共模電壓支持單極性和雙極性輸入支持+/-15V輸入范圍支持濾波器自動調諧或濾波器輸出50Hz/60Hz3.2工業控制計算機—硬件各種I/O板卡(安插在工控機主板上)驅動程序(安裝在工控機操作系統內)控制軟件(安裝在工控機操作系統內)輸入信號(來自于傳感器等)輸出信號(輸出到電機驅動器等)3.2工業控制計算機—硬件更多盡在研華科技：概述3.1一工業控制計算機—硬件3.2工業控制計算機—軟件3.3機總結3.4基于工控機的控制系統第3章工業控制計算機3.3工業控制計算機—軟件3.3.1工業組態軟件簡介一、工業組態軟件的發展工業控制系統的發展對工業控制軟件提出新要求：界面友好，操作方便，圖形豐富形象實時性好，通用性好開發周期短，便于更改、擴充、升級利用高級編程語言開發大型工業控制軟件的缺點：開發周期長，成本高，通用性差，可以說是事倍功半專業軟件開發商的介入：推出了適合工業控制的軟件包，這些工控軟件包就是所謂的組態軟件3.3工業控制計算機—軟件組態一詞的來源：ConfigurationHMI(HumanandMachineInterface，人機界面)MMI(ManandMachineInterface，人機界面)SCADA(SupervisoryControlandDataAcquisition，監視控制和數據采集軟件)組態軟件的發展：與企業信息管理系統融合，實現管理和控制一體化利用互聯網進行遠程診斷和維護版本分通用版、網絡版和嵌入版等3.3工業控制計算機—軟件二、工業組態軟件的一般功能實時數據采集(數字量、模擬量)動態數據顯示(文本、曲線、圖、表等方式)實時數據處理(內置數字處理+腳本支持)過程/流程控制(利用腳本編寫控制策略實現)歷史數據記錄與查詢多種報警功能(故障/超限報警等)通信功能(TCP/IP、RS422/485等)具有開放式結構(可擴充，允許二次開發)3.3工業控制計算機—軟件三、工業組態軟件的結構系統開發環境(或稱組態環境)：在組態環境中可以完成動畫設計、設備連接、編寫控制策略、編制打印報表等全部組態工作，組態結果保存在實時數據庫中。由工程設計人員離線完成。系統運行環境：將保存在實時數據庫中的組態結果裝入計算機內存并投入實時運行，完成對生產設備及過程的控制。現場使用，自動運行，與工程設計人員無關。系統開發環境和系統運行環境之間的聯系紐帶是實時數據庫。3.3工業控制計算機—軟件3.3工業控制計算機—軟件四、工業組態軟件的廠商目錄(部分)Wonderware的Intouch(美國，)Intellution的iFIX(美國，)Siemens的WinCC（德國，）TRACEMODE組態軟件（俄羅斯，）LTC公司的LabTech（美國，）NationalInstrument的LabView（美國，）3.3工業控制計算機—軟件四、工業組態軟件的廠商目錄(部分)研華的Genie(臺灣，)凌華的ADLINK威控Ⅱ(臺灣，)研祥的EasyCon(深圳，)昆侖通態的MCGS(北京，)亞控的組態王(北京，)浙大中自的SunyTech(浙江，)中泰的WinCtrl、Doneed(北京，)三維科技的ForceControl(黑龍江，)金佳諾的世紀星組態(北京，)3.3工業控制計算機—軟件五、工業組態軟件的應用使用方便，工程設計人員無須具備計算機編程知識便可使用。操作簡便、可視性好、可維護性強、高性能、高可靠性，已成功應用于石油化工、鋼鐵行業、電力系統、水處理、環境監測、機械制造、交通運輸、能源原材料、農業自動化、航空航天等領域，經過各種現場的長期實際運行，系統穩定可靠。查看不同應用(參考MCGSSample)。3.3工業控制計算機—軟件3.3.2工業組態軟件的應用舉例一、MCGS組態軟件介紹MCGS(MonitorandControlGeneralSystem)組態軟件由北京昆侖通態自動化軟件科技有限公司()出品。分通用版、網絡版和嵌入版。當前最高版本是V6.2，可在公司網站上下載到30分鐘學習版和相關學習資料。3.3工業控制計算機—軟件二、MCGS的組態環境菜單設計設置工程屬性設定存盤結構添加工程設備連接設備變量注冊設備驅動創建動畫顯示設置報警窗口人機交互界面定義數據變量定義中間變量編寫控制流程使用功能構件主控窗口設備窗口實時數據庫運行策略用戶窗口MCGS組態環境3.3工業控制計算機—軟件三、MCGS實現一個簡單的水位控制系統通過一個簡單的水位控制系統的組態過程，介紹如何使用MCGS組態軟件。本樣例涉及到動畫制作、控制流程的編寫、模擬設備的連接、報警輸出、報表曲線顯示與打印等多項組態操作。3.3工業控制計算機—軟件水箱磁浮子液位傳感器磁浮子液位傳感器調節閥(電磁閥)出水閥(電磁閥)交流接觸器水泵工控機PCI1716+PCL10168+ADAM3968水灌3.3工業控制計算機—軟件兩個模擬數據(輸入通道、模擬量—AI)水箱水位(最大值10米)(水位傳感器AI卡驅動程序組態軟件)水罐水位(最大值6米)三個開關數據(輸入/輸出通道、數字量—DI/DO)水泵(電磁開關DI/O卡驅動程序組態軟件)調節閥出水閥3.3工業控制計算機—軟件四、MCGS實現一個簡單的水位控制系統工程建立流程畫面定義數據對象動畫連接設備連接流程控制報警顯示報表輸出顯示曲線安全機制3.3工業控制計算機—軟件1、工程建立演示新建一個工程并另存為“水位控制系統”練習注意：工程存取路徑中不要包含空格，錯誤：C:\DocumentsandSettings\Administrator\桌面\水位控制系統.mcg正確：d:\水位控制系統\水位控制系統.mcg3.3工業控制計算機—軟件2、流程畫面演示新建一個用戶窗口“水位控制”在窗口的基本屬性中設定窗口名稱、窗口標題、窗口背景、窗口位置等屬性。對“水位控制”窗口進行動畫組態添加文本“水位控制系統演示工程”水箱---選取“儲藏罐”中的罐17水罐---選取“儲藏罐”中的罐53調節閥---選取“閥”中的閥58出水閥---選取“閥”中的閥43泵---選取“泵”中的泵38添加流動塊（塊的顏色為藍色、填充色為灰色、邊界色為黑色）添加各設備的文字標簽練習請與此編號保持一致！3.3工業控制計算機—軟件3、定義數據對象(變量)變量名稱類型注釋水泵開關型控制水泵“啟動”、“停止”的變量調節閥開關型控制調節閥“打開”、“關閉”的變量出水閥開關型控制出水閥“打開”、“關閉”的變量水箱水位數值型水箱的水位高度，用來控制水箱水位的變化水罐水位數值型水罐的水位高度，用來控制水罐水位的變化水位組組對象用于歷史數據、歷史曲線、報表輸出等功能構件水箱水位上限數值型用來在運行環境下設定水箱的上限報警值水箱水位下限數值型用來在運行環境下設定水箱的下限報警值水罐水位上限數值型用來在運行環境下設定水罐的上限報警值水罐水位下限數值型用來在運行環境下設定水罐的下限報警值變量的作用：1.屏幕上的圖符(左橋)變量(右橋)實際設備，起到一個橋梁的作用；2.參與編程，例如：中間變量，設備變量3.3工業控制計算機—軟件3、定義數據對象(變量)演示添加數值型變量“水箱水位”、“水罐水位”添加組對象“水位組”—相當于數組添加開關型變量“水泵”、“調節閥”、“出水閥”練習3.3工業控制計算機—軟件4、動畫連接演示將變量“水箱水位”、“水罐水位”與水箱、水罐進行連接將變量“泵”、“調節閥”、“出水閥”與泵、調節閥、出水閥進行連接水流(用流動塊表示)的設置將水位控制窗口設置為啟動窗口并運行用滑動輸入器構件手動控制水箱、水罐中的水位[驗證關聯]用旋轉儀表構件顯示水箱、水罐中的水位用文字構件顯示水箱、水罐中的水位(文字輸出)練習3.3工業控制計算機—軟件5、設備連接演示添加模擬設備，用模擬設備進行調試在設備的內部屬性中將通道1(與水箱水位對應，模擬量)的最大值設為10，曲線類型設為正弦在設備的內部屬性中將通道2(與水罐水位對應，模擬量)的最大值設為6，曲線類型設為三角波添加實際設備，與實際設備進行連接從設備工具箱中添加“數據采集卡—研華PCI-1716”設置基本屬性，并進行通道連接兩個模擬量輸入（水箱水位對應AD0，水罐水位對應AD1）三個開關量輸入輸出（水泵對應DI0、DO0，調節閥對應DI1、DO1，出水閥對應DI2、DO2）練習3.3工業控制計算機—軟件6、流程控制流程若“水箱”的水位不足9米時，就要打開“水泵”否則關閉“水泵”若“水罐”的水位不足1米時，就要關閉“出水閥”否則打開“出水閥”若“水箱”的水位大于1米，同時“水罐”的水位小于6米，就要打開“調節閥”否則關閉“調節閥”演示IF

水箱水位<9THEN

水泵=1ELSE

水泵=0ENDIFIF

水罐水位<1THEN

出水閥=0ELSE

出水閥=1ENDIFIF

水箱水位>1and

水罐水位<6THEN

調節閥=1ELSE

調節閥=0ENDIF練習在循環策略中實現控制流程（運行策略—循環策略—策略屬性中循環時間改為200ms，新增策略行，添加腳本程序）大小寫無關，但一定要為半角符號或字符，不能是全角！！3.3工業控制計算機—軟件7、報警顯示演示定義報警(在實時數據庫中，對相關變量進行定義)選中“允許進行報警處理”設定“上限報警”(9/5米)和報警注釋(水箱/罐的水已達上限值)設定“下限報警”(1/1米)和報警注釋(水箱/罐沒水了)；在存盤屬性中，選中“自動保存產生的報警信息”。將水位組設置成自動存盤，時間為5s。文本(列表)報警顯示添加報警顯示構件，與水位組連接，并將最大顯示記錄設置為6練習3.3工業控制計算機—軟件7、報警顯示演示動畫(指示燈)報警顯示添加水箱/水罐水位報警燈(指示燈1/3)水箱水位報警動畫設置(填充顏色：水箱水位>=9or水箱水位<=1)水罐水位報警動畫設置(填充顏色：水罐水位>=5or水罐水位<=1)聲音報警（在循環策略中繼續添加）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練習3.3工業控制計算機—軟件7、報警顯示演示報警數據瀏覽(調用策略實現)添加用戶策略新建策略：“新建策略”→“選擇策略的類型”[用戶策略]，策略名稱(“報警數據”)，注釋(“水箱、水罐的報警數據”)；策略組態：添加新的策略行→在策略工具箱中選擇“報警信息瀏覽”→設置數據源為“水位組”。添加顯示菜單主控窗口→新增菜單項→改名為“報警數據”→在“菜單操作”中選中“執行運行策略塊”→選中“報警數據”。練習3.3工業控制計算機—軟件7、報警顯示演示修改報警上下限值(程序與用戶的交互)增加四個變量：水箱水位上限、水箱水位下限、水罐水位上限、水罐水位下限，其初值分別為9，1，5，1。在用戶窗口中創建四個“輸入框”與四個變量對應，在“循環策略”中繼續添加處理程序：!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)練習還應修改前面的報警條件表達式！！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工業控制計算機—軟件8、報表輸出演示新添用戶窗口“數據顯示”添加數據顯示菜單、水位控制菜單，分別用于打開數據顯示和水位控制窗口在數據顯示窗口中添加文字標簽“水位控制系統數據顯示”、“實時數據”、“歷史數據”練習3.3工業控制計算機—軟件8、報表輸出演示實時報表(用自由表格構件實現)添加自由表格構件，5行2列；添加表頭：在第1列中輸入對象名稱(“水箱水位”、“水罐水位”、“水泵”、“調節閥”、“出水閥”)；第2列中設置模擬量的顯示格式(前兩行中輸入“2|0”)；第2列中單擊右鍵進行數據連接；練習3.3工業控制計算機—軟件8、報表輸出演示歷史報表(用歷史表格構件實現)添加歷史表格構件，5行3列第1行中輸入對象名稱(“采集時間”、“水箱水位”、“水罐水位”)數據連接先連接：選中第1行以下的所有單元格→單擊右鍵進行連接再合并：