智能制造基础与应用（第2版）教案 第四章 智能控制技术基础

教案(首页)山东劳动职业技术学院授课日期班次课时课题第四章智能控制技术基础教学时数4【教学目标】1、掌握智能控制技术的定义及发展历史和现状；2、掌握常见几种智能控制技术的原理及应用。【重点难点】自动测控系统原理及应用PLC控制的基本原理与简单应用变频调速控制技术的原理与应用。【教具、参考书】《智能制造基础与应用》机械工业出版社王芳、赵中宁主编【教学过程】教案纸山东劳动职业技术学院第3页第一节智能控制概述智能控制的定义什么是智能控制？简单的说，就是“聪明的控制”、“灵巧的控制”。如自适应控制、自寻优控制、自学习控制等。智能控制是一门交叉学科，是人工智能和自动控制相结合的新技术。智能控制的发展过程智能控制的主要方法专家系统和专家控制模糊控制神经元网络控制学习控制智能控制系统的构成原理其典型的原理结构可由六部分组成：执行器、传感器、感知信息处理、规划与控制、认知、通讯交互接口，智能控制系统结构图如图4-2所示。智能控制系统特点如下：传感技术传感器概述1.定义：能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。通常由敏感元件和转换元件组成。2.组成：（1）敏感元件：直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。

（2）转换元件：以敏感元件的输出为输入，把输入转换成电路参数。

（3）接口电路：上述电路参数接入接口电路，便可转换成电量输出。分类：（1）物理传感器利用某些变换元件的物理性质以及某些功能材料的特殊物理性能制成的传感器，它又可以分为物性型传感器和结构型传感器。例如，热电偶制成的温度传感器。例如，石油天然气地震勘探中的检波器，属于磁电式传感器。

（2）化学传感器利用敏感材料与物质间的电化学反应原理，把无机和有机化学成分、浓度等转换成电信号的传感器。例如，气体传感器、湿度传感器等。

（3）生物传感器利用材料的生物效应构成的传感器。例如，酶传感器、微生物传感器、组织传感器、免疫传感器等。自动测控系统（1）开环系统闭环系统二、各种传感器

（1）温度传感器：温度是表征物体冷热程度的物理量。温度不能直接测量，而是借助于某种物体的某种物理参数随温度冷热不同而明显变化的特性进行间接测量。进行间接温度测量使用的温度传感器，通常是由感温元件部分和温度显示部分组成。（2）力传感器及霍尔传感器力的测量需要通过力传感器间接完成，力传感器是将各种力学量转换为电信号的器件。弹性敏感元件把力或压力转换成了应变或位移，然后再由传感器将应变或位移转换成电信号。（3）光电传感器

光照射于某一物体上，使电子从这些物体表面逸出的现象称为外光电效应，也称光电发射。逸出来的电子称为光电子。在光线作用下，物体产生一定方向电动势的现象称为光生伏打效应。具有该效应的材料有硅、硒、氧化亚铜、硫化镉、砷化镓等。常用光电器件有光电管、光电倍增管、光敏电阻、光敏二极管、光敏晶体管、光电池及光耦合器件等。（4）位置传感器常用的有：位置光栅、磁栅、码盘式传感器（5）智能传感器第三节可编程控制技术一、智能控制器1.智能控制器的类型和特点（1）基于PC的控制系统工业控制计算机加工业I/O接口板（2）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）（3）基于PLC的控制系统顺序控制（4）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等。2.主要流程PLC定义：是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作指令，并通过数字式或模拟式的输入与输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC的基本结构PLC工作原理循环扫描的工作方式一个扫描周期中与用户有关的三阶段西门子S7-1200PLC硬件介绍S7-1200PLC是西门子公司推出的一款新型PLC，主要面向简单而高精度的自动化任务，定位于低端的离散自动化系统和独立自动化系统使用的小型控制模块。S7-1200的硬件结构S7-1200由CPU、信号板、信号模块、通信模块、存储卡、电源模块等部分组成。2.TIA博途使用入门与硬件组态（1）TIA博途简介TIA博途是西门子自动化的全新工程设计软件平台。SIMATICSTEP7Basic是西门子公司开发的高集成度工程组态系统，SIMATICWinccBasic是面向任务的HMI智能组态软件。TIAPortal可用来帮助创建自动化系统，关键的组态步骤为：创建项目→配置硬件→联网设备→对PLC编程→组态可视化→加载组态数据→使用在线和诊断功能。（2）项目试图的结构（3）创建新项目与硬件组态（4）参数设置五、程序设计基础1.S7-1200的编程语言2.用户程序结构S7编程采用块（BLOCK）的概念，即将程序分解为独立的、自成体系的各个部件，块类似子程序的功能，但类型更多功能更强大。在工业控制中，程序往往是非常庞大和复杂的，采用块的概念便于大规模程序的设计和理解，可以设计标准化的块程序进行重复调用，程序结构清晰明了，修改方便，调试简单。采用块结构显著地增加了PLC程序的组织透明性、可理解性和易维护性。用户块包括组织块、功能块、功能和数据块。系统存储区4.基本数据类型5.寻址6..编程方法六、指令系统S7-1200的指令从功能上大致可分为三类：基本指令、扩展指令和全局库指令。基本指令包括位逻辑指令、定时器、计数器、比较指令、数学指令、移动指令、转换指令、程序控制指令、逻辑运算指令以及移位和循环移位指令等。扩展指令包括日期和时间指令、字符串和字符指令、序控制指令、通信指令、中断指令、PID控制指令、运动控制指令、脉冲指令等。全局库指令有USS协议库指令、Modbus协议库指令等。限于篇幅我们只简单介绍位逻辑指令和定时器、计数器指令。用STEP7Basic生成用户程序完成程序的调试1.用STEP7Basic对电气控制系统设计的步骤2.用STEP7Basic生成用户程序的方法第四节、变频调速控制技术一、通用变频器基本组成1、变频器的分类从结构上变频器可分为直接变频和间接变频。直接变频器将工频交流电一次变换为可控电压、频率的交流电，没有中间直流环节，也称为交－交变频器。交—交变频器连续可调的频率范围较窄，主要用于大容量、低速场合。2.变频器的结构

通用变频器的变化环节大多采用交—直—交变频变压方式。交—直—交变频器是先把工频交流电通过整流器变成直流电，然后再把直流电逆变成频率和电压连续可调的交流电。它由主电路、控制电路、输入输出接线端子和操作面板组成。通用变频器的控制电路框图如图4-74所示，主要由主控板、键盘与显示板、电源板与驱动板、外接控制电路等构成。二、变频器的主要功能通用变频器的主要功能除了保证自身的基本控制功能外，其他大多数功能则是根据变频器传动系统的需要而设计的。其主要功能见表4-8所示三、变频器的认识、拆装与接线1.变频器的组成部件2.熟悉面板显示及各按键功能3.通用变频器的铭牌4．变频器的接线5、变频器的拆装四、变频器的基本功能操作1.参数设定方法及功能单元操作2.基本功能操作3.参数设定方法按[MODE]键改变监示显示，使显示器显示为“参数设定模式”。按键改变参数号，使参数号为79。按[SET]键显示参数。按键更改参数，将参数改为1。按住[SET]键1.5s,写入设定。如果此时显示器交替显示参数号Pr.79和参数1，则表示参数设定成功。否则设定失败，须重新设定。设置步骤如图4-91所示。五、PLC与变频器的连接PLC与变频器的连接常用3种连接方法。1.利用PLC的模拟量输出模块控制变频器2.PLC通过RS—485通信接口控制变频器3.利用PLC的开关量输入、输出模块控制变频器第五节工业人机界面工业人机界面(IndustrialHuman-machineInterface或简称IndustrialHMI)是一种带微处理器的智能终端，是智能控制系统中的人机交互设备。一般用于工业场合，连接可编程序控制器（PLC）、变频器、直流调速器、仪表等工业控制设备，利用显示屏显示，通过输入单元（如触摸屏、键盘、鼠标等）写入工作参数或输入操作命令，实现人和机器之间的信息交互，包括文字或图形显示以及输入等功能。一、人机界面（HMI）产品的组成及工作原理人机界面产品由硬件和软件两部分组成，硬件部分包括处理器、显示单元、输入单元、通讯接口、数据存贮单元等，其中处理器的性能决定了HMI产品的性能高低，是HMI的核心单元。根据HMI的产品等级不同，处理器可分别选用8位、16位、32位的处理器。HMI软件一般分为两部分，即运行于HMI硬件中的系统软件和运行于PC机Windows操作系统下的画面组态软件（如JB－HMI画面组态软件）。使用者都必须先使用HMI的画面组态软件制作“工程文件”，再通过PC机和HMI产品的串行通讯口，把编制好的“工程文件”下载到HMI的处理器中运行。3.人机界面产品的基本功能（1）设备工作状态显示，如指示灯、按钮、文字、图形、曲线等；（2）数据、文字输入操作，打印输出；（3）生产配方存储，设备生产数据记录；（4）简单的逻辑和数值运算；（5）可连接多种工业控制设备组网。二、工业人机界面的分类根据功能的不同，工业人机界面习惯上被分为文本显示器、触摸屏人机界面和平板电脑三大类三、人机界面产品的基本功能及选型指标1.基本功能：（1）设备工作状态显示，如指示灯、按钮、文字、图形、曲线等；（2）数据、文字输入操作，打印输出；（3）生产配方存储，设备生产数据记录；（4）简单的逻辑和数值运算；（5）可连接多种工业控制设备组网。2.选型指标：（1）显示屏尺寸及色彩，分辨率；（2）HMI的处理器速度性能；（3）输入方式：触摸屏或薄膜键盘；（4）画面存贮容量，注意厂商标注的容量单位是字节（byte）、还是位（bit）；（5）通讯口种类及数量，是否支持打印功能。四、人机界面组态软件的设计1.界面风格的设计2．系统界面布局分析3．打开界面的结构体系4．文字的应用5.色彩的选择6.图形和图标的使用五、人机界面的使用方法（1）明确监控任务要求，选择适合的HMI产品；（2）在PC机上用画面组态软件编辑“工程文件”；（3）测试并保存已编辑好的“工程文件”；（4）PC机连接HMI硬件，下载“工程文件”到HMI中；（5）连接HMI和工业控制器（如PLC、仪表等），实现人机交互。六、三菱F940GOT触摸屏1．三菱F940GOT的性能2.触摸屏的基本操作模式和主要功能3.触摸屏的基本工作模式及与计算机、PLC的连接4.绘制用户画面软件GT—Designer2简介和使用第六节组态监控技术一、组态监控软件概述1.组态监控软件定义：组态监控软件译自英文SCADA,即SupervisoryControlandDataAcquisition（数据采集与监视控制）。它是指一些数据采集与过程控制的专用软件。它们处在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式，为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。工业计算机控制系统通常可以分为设备层、控制层、监控层、管理层四个层次结构，如图4-124所示1.组态（Configuration）为模块化任意组合2.常用功能：组态软件通常有以下几方面的功能

（1）强大的界面显示组态功能。

（2）良好的开放性。

(3)丰富的功能模块。

（4）强大的数据库。

（5）可编程的命令语言。

（6）周密的系统安全防范。

（7）仿真功能.3.组态软件的使用例如：现场有一个仪表数据需要在微机上显示出来，硬件已连接，将现场温度仪表信号连接至工控机的示意图如图4-125所示在组态软件中只要做三步简单的操作：第一步建立一个过程连接到仪表数据的PLC；第二步定义一个变量到该过程连接；第三步建立一个显示域显示该连接的变量数据。存盘后进入运行系统，就会在工控机屏幕上看到仪表数据看到。4.当前的组态软件二、力控组态软件1.力控组态软件的结构2.系统要求3.使用组态软件的一般步骤⑴将开发的工业控制项目中所有I/O点的参数收集齐全，并填写表格。⑵搞清楚所使用的I/O设备的生产商、种类、型号，使用的通讯接口类型、采用的通讯协议，以便在定义I/O设备时做出准确选择设备包括PLC、板卡、模块、智能仪表等等。⑶将所有I/O点的I/O标识收集齐全，并填写表格，I/O标识是唯一地确定一个I/O点的关键字，组态软件通过向I/O设备发出I/O标识来请求其对应的数据。在大多数情况下I/O标识是I/O点的地址或位号名称。⑷根据工艺过程绘制、设计画面结构和画面草图。⑸按照第1步统计出的表格，建立实时数据库，正确组态各种变量参数。⑹根据第1步和第3步的统计结果，在实时数据库中建立实时数据库变量与I/O点的一一对应关系，即定义数据连接。⑺根据第4步的画面结构和画面草图，组态每一幅静态的操作画面（主要是绘图）。⑻将操作画面中的图形对象与实时数据库变量建立动画连接关系，