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机电一体化系统与设计,第一章 机电一体化概论 第二章 精密机械技术 第三章 工业控制计算机 第四章 基于单片机的控制器 第五章 可编程序控制器 第六章 传感器与计算机接口 第七章 动力驱动及其计算机控制 第八章 机电一体化系统设计方法与实例,第三章 工业控制计算机,概述 工业控制计算机的组成及特点 工业控制计算机的主板 工业控制计算机的接口 工业组态软件 基于工控机的控制系统应用,第三章 工业控制计算机,概述 机电一体化对控制系统的基本要求 机电一体化控制系统的类型、特点与选用 工业控制计算机的组成及特点 工业控制计算机的主板 工业控制计算机的接口 工业组态软件 基于工控机的控制系统应用,控制器 (IPC/PLC/MCU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,机电一体化对控制系统的基本要求,机电一体化对控制系统的基本要求,机电一体化对控制系统的基本要求 为了使控制量(一般是机电一体化系统中的各种被控制机械参量)按预定的规律变化，机电一体化对控制系统的基本要求有： 稳定性 快速性 精确性 在机电一体化控制系统设计中，控制系统与被控制对象同在设计范畴之内，两者应有机结合,第三章 工业控制计算机,概述 机电一体化对控制系统的基本要求 机电一体化控制系统的类型、特点与选用 工业控制计算机的组成及特点 工业控制计算机的主板 工业控制计算机的接口 工业组态软件 基于工控机的控制系统应用,机电一体化控制系统的类型、特点,机电一体化控制系统的类型 基于PC的控制系统 工业控制计算机+工业IO接口板 特点 基于MCU的控制系统 单片机、嵌入式处理器、数字信号处理器(DSP) 特点 基于PLC的控制系统 顺序控制 特点 其他控制系统 数控系统(NCS)、集散控制系统(DCS)、现场总线系统(FCS),机电一体化控制系统的比较、选用,第三章 工业控制计算机,概述 工业控制计算机的组成及特点 工业控制计算机的概念及特点 工业控制计算机的组成 工业控制计算机的总线结构 基于工业控制计算机的机电一体化系统 工业控制计算机的主板 工业控制计算机的接口 工业组态软件 基于工控机的控制系统应用,工业控制计算机的概念及特点,概念 简称工控机(IPC，Industrial Personal Computer)，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。 使用环境 特点 高可靠性 实时性 维护方便性 可扩充性 与普通计算机系统软、硬件兼容性 发展,第三章 工业控制计算机,概述 工业控制计算机的组成及特点 工业控制计算机的概念及特点 工业控制计算机的组成 工业控制计算机的总线结构 基于工业控制计算机的机电一体化系统 工业控制计算机的主板 工业控制计算机的接口 工业组态软件 基于工控机的控制系统应用,工业控制计算机的组成,硬件,主机(底板、主板、内存、总线等),工业I/O(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),工业控制计算机的组成,工业控制计算机的组成,工控机机箱(4U),机箱前端,机箱后端,工业控制计算机的组成,前端盖打开,机箱俯视,双正压风扇,工业控制计算机的组成,无源底板(8 ISA + 7 PCI),主板(支持P IV系列CPU),工业电源： 功率：300 W 输入：100 240 VAC, 60 50 Hz, 10 A 输出：+5V、-5V、+3.3V、+12V、-12V,第三章 工业控制计算机,概述 工业控制计算机的组成及特点 工业控制计算机的概念及特点 工业控制计算机的组成 工业控制计算机的总线结构 基于工业控制计算机的机电一体化系统 工业控制计算机的主板 工业控制计算机的接口 工业组态软件 基于工控机的控制系统应用,工业控制计算机的总线结构,STD总线 ISA总线 PCI总线 其他总线 VME总线 Compact PCI总线/PXI PC-104总线，PC-104+总线 STD32 EISA AT96 CAN等各种现场总线,工业控制计算机的总线结构,无源底板(8 ISA + 7 PCI),ISA总线,PCI总线,ISA总线+PCI总线,第三章 工业控制计算机,概述 工业控制计算机的组成及特点 工业控制计算机的概念及特点 工业控制计算机的组成 工业控制计算机的总线结构 基于工业控制计算机的机电一体化系统 工业控制计算机的主板 工业控制计算机的接口 工业组态软件 基于工控机的控制系统应用,基于工业控制计算机的机电一体化系统,主 机 (工控 机或 普通 计算 机),输入通道,输出通道,被 控 对 象 (压力 、速 度等 机械 参数),第三章 工业控制计算机,概述 工业控制计算机的组成及特点 工业控制计算机的主板 工业控制计算机的接口 工业组态软件 基于工控机的控制系统应用,工业控制计算机的主板,全长主板(PCI),鼠标+键盘,显示器,网口,CPU座,内存卡座,Advantech PCE-5124： LGA 775/Intel Core 2 FSB 1333/1066/800 MHz DDR2 667/800 SDRAM PCI Express x16 2 Gigabit Ethernet 6 COM Ports 6 SATA2,硬盘(SATA2),工业控制计算机的主板,半长主板(Advantech PCI-7020),第三章 工业控制计算机,概述 工业控制计算机的组成及特点 工业控制计算机的主板 工业控制计算机的接口 工业组态软件 基于工控机的控制系统应用,工业控制计算机的接口,模拟量输入/输出(AI/AO) 数字量输入/输出(DI/DO) 计数/定时(Counter/Timer) 多功能(AI、AO、DI、DO、 Counter、Timer) 运动控制(Motion) 通信(Communication) 其他,模拟量输入/输出(AI/AO),模拟量输入(Advantech PCI-1713),Advantech PCI-1713： 32单端/16差分模拟量输入 12位A/D分辨率 采样速率可达100KS/s 板载4096 FIFO缓冲器 2,500VDC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,PCI-1713 + PCL-10137 + ADAM-3937,模拟量输入/输出(AI/AO),模拟量输入(Advantech PCI-1720),Advantech PCI-1720： 4路12 位D/A 输出通道 多种输出范围 2500 VDC隔离保护 系统重启后保持输出设置和输出值,数字量输入/输出(DI/DO),数字量输入/出(Advantech PCI-1756),Advantech PCI-1756： 32 DI/32 DO 540V输入允许 2,500VDC隔离保护 输入/输出可编程设置 数值锁定功能,PCI-1756 + PCL-10250 + ADAM-3951,计数/定时(Counter/Timer),计数/定时(Advantech PCI-1780),Advantech PCI-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,PCI-1780 + PCL-10168 + ADAM-3968,多功能(AI、AO、DI、DO、 Counter、Timer),多功能数据采集卡(Advantech PCI-1716),Advantech PCI-1716： 16单端/8差分AD，16位AD分辨率 2路模拟量输出，12位分辨率 16 DI / 16 DO(TTL) 3 Counter/Timer 板载1K FIFO 250 KS/s 采样率 PCI总线数据传输 自动校准功能,运动控制(Motion),运动控制卡(Advantech PCI-1240),Advantech PCI-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,通信(Communication),CAN通信接口卡(Advantech PCI-1680),Advantech PCI-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1 Mbps 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,通信(Communication),RS-232/422/485通信卡 (Advantech PCI-1612A),Advantech PCI-1612A： 兼容PCI总线2.1规格 通信速率可达921.6Kbps 4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,其他,USB多功能模块 (Advantech USB-4716),Advantech USB-4716： 支持USB 2.0 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/s 8路DI, 8路DO, 2路AO和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,其他,分布式I/O模块 (Advantech ADAM-4117),Advantech ADAM-4117： 8路差分AD通道 高抗噪性：1kV浪涌保护电压输入，3KV EFT及8KV ESD保护 宽电源输入范围：+10 +48VDC 易于监测状态的LED指示灯 支持2000VDC HI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/60Hz,相关网站,研华科技：,第三章 工业控制计算机,概述 工业控制计算机的组成及特点 工业控制计算机的主板 工业控制计算机的接口 工业组态软件 工业组态软件介绍 工业组态软件在不同行业中的应用 工业组态软件的应用举例 基于工控机的控制系统应用,工业组态软件介绍,对工业监控软件的新要求： 界面友好，操作方便，图形丰富形象，实时性好，开发周期短，便于更改、扩充、升级等。 利用高级编程语言开发大规模监控软件的缺点： 费时、费力、开发周期长，通用性差，可说是事倍功半。 专业软件商的介入： 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。 组态一词的来源： Configuration HMI(Human and Machine Interface，人机界面) MMI(Man and Machine Interface ，人机界面) SCADA(Supervisory Control and Data Acquisition，监视控制和数据采集软件) 组态软件的功能扩展： 扩展到企业信息管理系统，管理和控制一体化，远程诊断和维护以及在互联网上的一系列的数据整合， 版本也有通用版、网络版和嵌入版等等。,工业组态软件的功能,组态软件一般都能完成以下几个功能： 实时数据采集(数字量、模拟量) 动态显示数据(文本、曲线、图、表等方式) 数据的实时运算处理(内置数字处理+脚本支持) 过程控制(脚本实现控制策略，流程控制) 历史数据记录 报警功能 网络通信功能(TCP/IP、Modem) 开放式结构(可扩充性，允许二次开发),工业组态软件的结构,组态软件一般都由两部分组成： 系统开发环境(或称组态环境)：用户在组态环境中完成动画设计、设备连接、编写控制流程、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，一般在办公室就可完成。 系统运行环境：将目标应用程序(用户的组态结果)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。一般在现场使用。 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。,工业组态软件的结构,类似于编程,类似于 解释运行,工业组态软件的厂商目录(部分),国外 Wonderware公司的Intouch（美国，） Intellution iFIX组态软件（美国，） SIEMENS WinCC过程监控软件（德国，） TRACE MODE组态软件（俄罗斯，） LTC公司的LabTech（美国，） National Instrument公司的LabView（日本，） 国内 研华的Genie组态软件（台湾，） 凌华的ADLINK 威控工业组态软件（台湾，） 研祥的易控组态EasyCon（深圳，） 昆仑通态MCGS全中文工控组态软件（北京，） 亚控组态王（北京，） 浙大中自SunyTech 组态软件（浙江，） 中泰WinCtrl、Doneed组态软件（北京，） 三维科技ForceControl组态软件（黑龙江，） 金佳诺科技开发有限公司世纪星组态软件（北京，）,第三章 工业控制计算机,概述 工业控制计算机的组成及特点 工业控制计算机的主板 工业控制计算机的接口 工业组态软件 工业组态软件介绍 工业组态软件在不同行业中的应用 工业组态软件的应用举例 基于工控机的控制系统应用,工业组态软件在不同行业中的应用,使用方便，用户无须具备计算机编程的知识使用。 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MCGS Sample)。,第三章 工业控制计算机,概述 工业控制计算机的组成及特点 工业控制计算机的主板 工业控制计算机的接口 工业组态软件 工业组态软件介绍 工业组态软件在不同行业中的应用 工业组态软件的应用举例 MCGS组态软件介绍 MCGS组态软件实现一个简单的水位控制 基于工控机的控制系统应用,MCGS全中文工控组态软件介绍,MCGS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。 MCGS(Monitor and Control General System) 基于Windows平台。 MCGS能够完成现场数据采集、实时和历史数据处理、报警和安全机制、流程控制、动画显示、趋势曲线和报表输出以及企业监控网络等功能。 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。,MCGS组态软件的整体结构,MCGS组态软件： MCGS组态环境：用户在MCGS组态环境中完成动画设计、设备连接、编写控制流程、编制打印报表等组态工作，生成组态结果数据库。 MCGS运行环境：运行组态结果数据库，实现现场设备与过程控制。,类似于编程,类似于 解释运行,MCGS组态环境的五大组成部分,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,MCGS组态软件的工作方式,MCGS如何与设备进行通讯 MCGS通过设备驱动程序与外部设备进行数据交换。包括数据采集和发送设备指令。每个驱动程序独占一个线程，达到互不干扰的目的。 MCGS如何产生动画效果 MCGS为每一种基本图形元素定义了不同的动画属性，如：一个长方形的动画属性有可见度，大小变化，水平移动等，每一种动画属性都会产生一定的动画效果。所谓动画属性，实际上是反映图形大小、颜色、位置、可见度、闪烁性等状态的特征参数。 如何对工程运行流程实施有效控制 MCGS开辟了专用的“运行策略”窗口，建立用户运行策略。,用MCGS组态软件组建新工程的一般过程,工 程 项 目 系 统 分 析,工 程 立 项 搭 建 框 架,设 计 菜 单 基 本 体 系,制 作 动 画 显 示 画 面,编 写 控 制 流 程 程 序,完 善 菜 单 按 钮 功 能,编 写 程 序 调 试 工 程,连 接 设 备 驱 动 程 序,工 程 完 工 综 合 测 试,MCGS组态软件实现一个简单的水位控制,工程简介 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,工程简介,工程简介： 通过一个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。 水位控制系统相关数据： 二个模拟数据（输入通道、模拟量）： 水箱水位（最大值10米）（水位传感器数据采集卡驱动程序） 水罐水位（最大值6米） 三个开关数据（输入/输出通道，数字量）： 水泵（开关I/O卡驱动程序） 调节阀 出水阀,MCGS组态软件实现一个简单的水位控制,工程简介 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,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：路径中不要包含空格， 错误：C:Documents and SettingsAdministrator桌面水位控制系统.mcg 正确：d:水位控制系统水位控制系统.mcg,MCGS组态软件实现一个简单的水位控制,工程简介 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,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！,MCGS组态软件实现一个简单的水位控制,工程简介 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,定义数据对象,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,定义数据对象,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” 添加开关型变量“水泵”、“调节阀”、“出水阀” 练习,MCGS组态软件实现一个简单的水位控制,工程简介 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,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（流动块）的设置 将水位控制窗口设置为启动窗口并运行(主控窗口) 用滑动输入器构件手动控制水箱、水罐中的水位 与“水箱水位”对应的滑块 与“水罐水位”对应的滑块 用旋转仪表构件显示水箱、水罐中的水位 与“水箱水位”对应的旋转仪表构件(+90度-90度) 与“水罐水位”对应的旋转仪表构件(+90度-90度) 用文字构件显示水箱、水罐中的水位 文字构件显示输出 练习,MCGS组态软件实现一个简单的水位控制,工程简介 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,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 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 与实际设备连接 从设备工具箱中添加“数据采集卡研华PCL-812PG” 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,MCGS组态软件实现一个简单的水位控制,工程简介 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,流程控制,流程 若“水箱”的水位不足9米时，就要把 “水泵”打开 否则 “水泵”关闭 若“水罐”的水位不足1米时，就要 关闭“出水阀” 否则 开启“调节阀” 若“水箱”的水位大于1米，同时“水罐”的水位小于6米，就要 开启“调节阀” 否则 关闭“调节阀”,演示 IF 水箱水位1 and 水罐水位6 THEN 调节阀=1 ELSE 调节阀=0 ENDIF,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！,MCGS组态软件实现一个简单的水位控制,工程简介 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,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,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=9 or 水箱水位=5 or 水罐水位=9 or 水箱水位=5 or 水罐水位=1 THEN !PlaySound(“C:WINDOWSMEDIAnotify.wav“ ,2) ENDIF 练习,报警显示,演示 报警数据浏览 添加用户策略 “运行策略”“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”。 修改报警上下限值 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,应修改前面的报警条件表达式！,MCGS组态软件实现一个简单的水位控制,工程简介 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,报表输出,演示 新添用户窗口“数据显示” 添加文字标签“水位控制系统数据显示”、“实时数据”、“历史数据”。 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； 在第一列中输入显示对象名称(“水箱水位”、“水罐水位”、“水泵”、“调节阀”、“出水阀”)； 在第二列中设置模拟量的显示格式(前两行中输入“2|0”)； 在第二列中单击右键进行数据连接； 添加数据显示菜单（添加“数据显示”菜单，菜单操作为“打开用户窗口”） 练习,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； 在第一行中输入显示对象名称(“采集时