物联网控制技术-第2章物联网控制器课件

第2章物联网控制器教材：王万良，物联网控制技术，高等教育出版社，20162控制器是物联网控制系统的核心。本章从物联网应用角度介绍物联网控制系统中常用的控制器的基本内容，主要介绍可编程控制器、集散控制系统。由于单片机、嵌入式控制器已有专门课程介绍，本章就不再介绍。第2章物联网控制器3第2章物联网控制器2.1物联网控制器概述2.2PLC及其功能与特点2.3PLC的组成与工作原理2.4PLC的编程语言2.5PLC应用举例2.6集散控制系统2.7集散控制系统的组态42.1物联网控制器概述在物联网系统中，控制器作为智能控制终端，与传感器、无线网络、RFID等新型技术相互结合进行信息的交换和通信，从而实现对物体的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理并实现物与物、物与人、物品与网络的连接方便了对物体的识别、管理和控制。根据物联网系统的规模可以选择不同的控制器。常用的有单片机、可编程控制器、工业PC、集散控制系统、嵌入式控制器等。可编程逻辑控制器(PLC)是专为在工业环境下使用而设计的一种数字运算操作电子装置，带有存储器、可以编制程序的控制器，已成为代替继电器实现逻辑控制的主流控制技术，是物联网中工业控制应用的核心部分。52.2PLC及其功能与特点

可编程逻辑控制器(programmablelogiccontroller，PLC)又称可编程控制器，是一种有效的工业控制装置，它已经从单一的开关量控制发展到具有顺序控制、模拟量控制、连续PID控制等多种功能；从小型整体结构发展到大中型模块结构；从独立的单台运行发展到数台连成PLC网络。62.2.1PLC的功能

PLC的基本功能包括：①多种控制功能（包括逻辑、定时、计数、顺序控制等）。②输入／输出接口功能（包括开关量输入输出，模拟量输入输出）。③数据存储与处理功能（包括辅助继电器，状态继电器，延时继电器，锁存继电器，主控继电器，定时器，计数器，移位寄存器，鼓形控制器，跳转和强制I/O等，其指令系统日趋丰富，不仅具有逻辑运算、算术运算等基本功能，而且能以双倍精度或浮点形式完成代数运算和矩阵运算）。④通信联网功能（包括通信联网、成组数据传送等）。⑤其他扩展功能（包括PID闭环回路控制、排序查表、中断控制及特殊功能函数运算、多级制机制、智能I/0、过程监视、远程I/O、多处理器和高速数据处理能力等）。72.2.2PLC的特点

PLC在工业界得到越来越多的应用，具有以下特点：（1）多功能

控制、输入／输出接口、数据存储与处理、通信联网、多种扩展（2）应用灵活

积木硬件结构和模块化的软件设计，适应大小不同、功能繁复的控制要求，适应各种工艺流程变化较多的场合。安装和现场接线简单，逻辑、控制功能是通过软件完成，整个设计、生产、调试周期，研制费相对较少。（3）操作维修方便，稳定可靠具有耐热、防潮、抗振等性能，平均无故障时间可达4万-5万小时（4）模块智能化、通信网络化PLC专用I/O模块的智能化以及通信过程的网络化使得PLC从继电器控制系统的替代物迅速转变为能够测试、质量管理、过程控制和其他领域中应用的多用途控制器。2.3PLC的组成与工作原理PLC一般具有两种结构形式：整体式单元结构和模块化结构。图2.1PLC的两种结构2.3PLC的组成与工作原理PLC系统的硬件结构框图如图2.2所示。图2.2PLC系统的硬件结构框图2.3PLC的组成与工作原理各模块的主要功能：CPU模块：PLC的核心部件，逻辑判断、数值计算、数据处理、控制命令等扩展存储器模块：增大系统的存储容量编程器：编制、编辑、调试、控制用户程序的设备电源模块：电源模块将交流电源转换成PLC所需要的直流电源I/O模块：I/O模块包括数字UO模块和模拟1/0模块两类智能接口模块：在PLC的统一管理下完成某些独立的特定功能网络通信接口模块：这是为PLC之间、PLC与各种计算机之间、PLC与各种智能设备之间提供的通信接口系统1/0总线接口模块：实现各插槽间的元器件连接2.3.2PLC的工作原理PLC采用了巡回扫描的工作方式PLC系统工作过程如图2.3所示11图2.3PLC系统工作过程2.3.2PLC的工作原理输入扫描阶段：在一个工作周期开始时，控制器首先以扫描方式顺序读入所有输入端的信号状态，并存入输入状态寄存器。CPU的扫描周期小于所有输入信号电平保持时间的最小值执行扫描阶段：PLC按照用户程序在存储器中的存放地址，从头至尾顺序扫描执行整个用户程序。整个执行扫描阶段并不直接访问1/0模板，只与输入输出映像区或其他内部数据区打交道、交换数据。输出扫描阶段：将输出映像区中的所有输出状态转存到输出锁存器中，并驱动继电器的输出线圈；形成PLC的实际输出122.4.1梯形图语言例2.1画出实现如下控制过程的梯形图：当开关l和2均闭合、开关3不切断时，红灯亮；开关4和5任一个闭合时，绿灯亮。13图2.4例2.1电路图相应电路如图2.4所示。采用PLC来实现的过程为：先读入开关X1-X5的触点信息，然后对XI-X3的状态进行逻辑运算。若逻辑条件满足，Y1线圈接通；对X4、X5状态进行逻辑运算，若条件满足，则Y2线圈接通。若Y1线圈接通，则外触点Y1接通，外电路形成回路，红灯亮；若Y2线圈接通，则外触点Y2接通外电路形成回路，绿灯亮。采用梯形图来绘制PLC工作过程，就可得图2.5所示的梯形图程序。图2.5例2.1图梯形图2.4.2指令表语言PLC的命令语句：操作码+操作数。14

三菱公司PLC的命令语句GE公司PLC的命令语句注释序号操作码操作数操作码操作数000LDX1STRX1逻辑行开始，取输入X1（动合接电）001ANDX2ANDX2串联接点X2（结合接点）002ANIX3ANDNOTX3串联接点X3（动断接点）003OUTY1OUTY1输出Y1，本逻辑行结束004LDX4STRX4逻辑行开始，取输入X4（动合接点）005ORX5ORX5并联接点X5（动合接点）006OUTY2OUTY2输出Y2，本逻辑行结束表2.1实现图2.4所示电路功能的程序2.4.3SFC语言15图2.6为一个小车运动的示意图，画出其用SFC实现时对应的状态转移图，写出其对应的程序指令表。图2.6小车运动示意图小车的工作过程如下：(l)启动按钮SB后，小车前进。(2)当小车到右限位开关X01I时，后退。(3)当小车到左限位开关X013时，停止，定时器T0开始计时。(4)定时器计时10s后，小车前进。(5)当小车运行到右限位开关X012时后退，运行到达左限位X013后，回到初态，继续进入下一个循环。2.4.3SFC语言16采用SFC语言描述，则其状态转移过程为：(l)S0为初始状态，当启动按钮后，状态从S0向S20转移，小车前进Y021动作。(2)当右限位开关X011接通时，状态S20向S21转移，前进输出Y021切断，后退输出Y023接通。(3)当左限位开关X013接通时．状态S21向S22转移，启动定时器T0。(4)5s后，定时器T0的触点动作，转至状态S23，小车前进Y021动作。(5)当右限位开关X012接通时，状态S23向S24转移，前进输出Y021切断，后退输出Y023接通。到达左限位X013接通，状态返回S0，又进入下一个循环。由于小车的前进及后退都是由同一电机的不同方向转动求带动的，因此加上联锁后，得到该系统相对应的状态转移图，如图2.7所示。图2.7小车自动控制的状态图2.5PLC应用举例17一般可编程控制器的选用需要从以下几个方面来考虑：输入输出模块及其点数的选择：(1)开关量输入模块(2)开关量输出模块(3)模拟量输入(A/D)模块(4)模拟量输出(D/A)模块存储器类型及其容量选择：一般使用CMOSRAM存储器，并且有后备电池，以便关机时保存存储信息2.5PLC应用举例18PLC实现控制传送机将大小球分类后分别传送的系统某分类传送系统如图2.8所示图2.8分类传送系统1．控制要求分析2.5PLC应用举例19

传送机自动从混合容器内将小铁球取出并运送到小球容器内，将大铁球取出运送到大球容器内。操作人员可以通过控制台上的启动按钮和停止按钮控制系统。一旦系统启动后，全部操作均由PLC控制自动完成。传送机处于水平位置的左限位（限位开关LS1）时，恰好位于混合容器的正上方。行程开关LS4位于小球容器的正上方时，右限位开关LS5位于大球容器的正上方。系统工艺过程如下：

①在左限位X1处，传送机的手臂下降20s在此期间，如果该手臂碰到大球，则运行不到下限位X2;若传送机的手臂下降，达到下限位X2，则手臂端的电磁铁到混合容器底的距离就小于大球直径。

②给电磁铁通电，电磁铁可吸住在其下面的球。根据这时手臂是否到达下限，便可知电磁铁吸到的是否为小球。

③5s后，电磁铁吸住球，机械臂上升，到达上限位（限位开关LS3）。传送机向右行。若吸住的是小球，则传送机在右限位X4停住。若吸住的是大球，则传送机在右限位X5停住。

传送机到达右限位后，其机械臂下降，到下限位（X6或X7）后，电磁铁断电，将所吸住的球放入相应的容器内。

机械臂上升，到上限位X3后，传送机左行。传送车回到左限位X1(此时系统已回到初始状态)。2.5PLC应用举例202.PLC规模的估算和机型的选择输入输出PLC输入现场信号意义PLC输出功能00000X11系统启动按钮0020电磁铁通电Y000001X12系统停止按钮0021机械臂下降Y100002LS1(X1)传动机到左限位0022机械臂上升Y200003LS2(X2)机械臂到下限位0023传动机右移Y300004LS3(X3)机械臂到上限位0024传动机左移Y400005LS4(X4)传动机到右限位X4（小球容器上方）0025初始状态Y700006LS5(X5)传动机到右限位X5（大球容器上方）

00007LS6(X6)机械臂到下限位X6

00008LS7(X7)机械臂到下限位X7

表2.2系统输入输出信号分配表

(1)PLC规模的估算

①I/O类型及点数的估算

系统输入输出信号的编号分配见表2.2

根据前面的工艺控制要求以及系统输入输出信号分配表，初步估算本系统取开关量输入8点，开关量输出6点，共16点。不需要智能I/O模块。②存储器容量的估算

本例以I/O总点数的10—15倍估算，16x（10~15）字≈250字。根据以上估算，对本例选用1KB的存储器为宜。2.5PLC应用举例21(2)PLC机型的选取

从以上分析以及本系统的工艺流程可见，本系统属于一个较小的控制系统，其I/O点数较少，可以采用微型或小型的PLC来实现控制。可以根据选用的具体PLC型号，使用其所带的软件编程环境（如梯形图、步进顺控图设计等）来编制相应的控制程序。2.5PLC应用举例223．对应分类传送系统的顺序功能图

根据控制工艺的要求，画出该系统对应的顺序功能图如图2.9所示。图2.9顺序功能图图2.9中，根据球的大小选择程序流，小球时(X2=ON)，左侧流程有效；大球时，右侧流程有效。汇合状态S25可由S24、S34中任意一个满足转移条件来驱动。2.6集散控制系统23随着生产规模的日益扩大，功能需求的增加，信息往来的频繁，使得原来孤立的控制单元渐渐连成一体，促使采用分散控制和集中管理设计思想的分布式计算机控制系统——集散控制系统得以出现，其相应产品的应用范围已经遍及工业控制领域的各个行业。集散控制系统目前已经成为工业生产过程自动控制装置的主流。

自动化是工业化生产的必然趋势，除此之外，信息化和网络化也成为工业界发展不可逆转的趋势。集散控制系统是分散控制和管理集中的计算机网络系统，并在工业自动化领域得到广泛应用。2.6.1集散控制系统概述24集散型计算机控制系统又称为分散型综合控制系统(totaldistributedcontrolsystems，简称集散系统DCS)，它是以微处理器为基础的用于过程控制的工程化的分布式计算机控制系统。

图2.10为集散系统组成的简图。图2.10集散系统简图图中的过程控制单元以微处理机为基础，具有几十种或上百种运算功能；可以独立地对回路进行各种复杂控制。它们按地理位置分散于现场，分别独立地控制一个或数个回路。各控制单元的信息通过通信系统集中到中央操作站中，实现对全系统的综合管理。2.6.2集散控制系统的基本结构25集散控制系统的本质是：采用分散控制和集