4.2智能控制系统设计

4.2智能控制系统设计服务教育成就未来北京新大陆时代教育科技有限公司4.2.1工业网络4.2.2数据采集系统4.2.3工业机器人系统4.2.4PLC控制系统4.2.5视觉系统4.2智能控制系统设计工业网络是指安装在工业生产环境中的一种全数字化、双向、多站的通信系统。它可以在各种类型的工厂中使用，包括离散制造、连续制造和混合制造等。4.2.1工业网络工业网络可以连接各种设备，包括传感器、执行器、控制器和其他设备，以实现实时监控、数据采集、远程控制等功能。4.2.1工业网络工业网络还支持多种协议和标准，例如Modbus、Profinet、EtherNet/IP等，以确保不同设备之间的兼容性和互操作性。4.2.1工业网络1、Modbus协议Modbus是一种在OSI模型第7层上的应用层报文传输协议。它是一种客户机/服务器模式的通信协议，用于连接至不同类型总线或网络的设备之间的通信。4.2.1工业网络1、Modbus协议Modbus协议可以有效地进行设备间的数据传输，从而实现工业生产过程中的数据采集和监控等任务。4.2.1工业网络1、Modbus协议自1979年工业串行链路的事实标准出现以来，Modbus协议使得成千上万的自动化设备得以实现通信。目前，对于简单而美观的Modbus结构的支持仍在不断增加。互联网组织已经使得在TCP/IP栈上保留系统端口502可以访问Modbus。4.2.1工业网络1、Modbus协议

Modbus是一个请求/应答协议，它规定了通过功能码提供服务的方式。Modbus功能码是Modbus请求/应答PDU（协议数据单元）的组成部分。本文件旨在描述在Modbus事务处理框架内使用的功能码。4.2.1工业网络4.2.1工业网络Modbus通信线2、Profinet协议Profinet是Profinet国际组织推出的一种基于工业以太网技术的自动化总线标准。4.2.1工业网络2、Profinet协议作为一项战略性的技术创新，Profinet为自动化通信领域提供了一个完整的网络解决方案，包括实时以太网、运动控制、分布式自动化、故障安全和网络安全等当前自动化领域的热点话题。4.2.1工业网络2、Profinet协议

而且，作为跨供应商的技术，Profinet可以完全兼容工业以太网和现有的现场总线技术，保护现有投资。4.2.1工业网络Profinet架构搭建及网络拓扑形式2、Profinet协议Profinet是适用于不同需求的完整解决方案，其功能包括8个主要的模块，依次为实时通信、分布式现场设备、运动控制、分布式自动化、网络安装、IT标准和信息安全、故障安全和过程自动化。4.2.1工业网络3、EtherNet/IP协议EtherNet/IP是一种经过深入研究和开发，由控制网国际有限公司（ControlNetInternational）的技术工作组与ODVA（开放式DeviceNet供应商协会）于20世纪90年代合作设计的现代化标准协议。4.2.1工业网络3、EtherNet/IP协议EtherNet/IP是一种通信协议，它建立在通用工业协议（CommonIndustrialProtocol，简称CIP）的基础上。4.2.1工业网络3、EtherNet/IP协议CIP是一种由ODVA组织支持的开放工业协议，被广泛应用于诸如DeviceNet、ControlNet以及EtherNet/IP等串行通信协议中。4.2.1工业网络3、EtherNet/IP协议

美国工控设备制造商Rockwell/Allen-Bradley已将EtherNet/IP进行标准化，而其他厂商如Omron也已在其设备上实现对EtherNet/IP的支持。4.2.1工业网络3、EtherNet/IP协议EtherNet/IP已经变得越来越受欢迎，特别是在美国。尽管EtherNet/IP相较于Modbus具有更为现代化的特点，但仍存在协议级别的安全问题。4.2.1工业网络3、EtherNet/IP协议EtherNet/IP通常通过TCP/UDP端口44818进行通信。此外，EtherNet/IP还使用另一个TCP/UDP端口，即2222端口。4.2.1工业网络3、EtherNet/IP协议

这是为了实现EtherNet/IP的隐式和显示两种消息传递方式。显式消息被称为客户端/服务器消息，而隐式消息通常被称为I/O消息。4.2.1工业网络3、EtherNet/IP协议

通过使用不同的端口，EtherNet/IP能够有效地处理不同类型的消息传递方式，以满足工业自动化应用的需求。4.2.1工业网络4.2.1工业网络EtherNet/IP分组结构图4.2.1工业网络4.2.2数据采集系统4.2.3工业机器人系统4.2.4PLC控制系统4.2.5视觉系统4.2智能控制系统设计“数据采集”这个术语涵盖了众多的测量应用领域，这些应用都需要某种形式的特征描述、监控或调控。4.2.2数据采集系统数据采集系统无论其应用的具体领域是什么，所有数据采集系统的基本功能均在于对物理参数（如温度、压力、流量等）进行测量，或者根据接收到的数据来触发特定的动作（例如发出音频警报、打开灯光等）。4.2.2数据采集系统4.2.2数据采集系统数据采集系统功能方框图测量硬件包括模数（A/D）转换器、数字输入和计数器。1、模数（A/D）转换器在数据采集系统中，A/D转换器作为核心组件，其主要职责是将从变送器处获取的直流电压转换成数字数据。测得的电压可能与特定的温度、压力、流量或速度对应。4.2.2数据采集系统尽管模数（A/D）转换技术存在多种不同的类型，但总体上可以将其分为两类：积分和非积分。4.2.2数据采集系统模数转换技术积分非积分积分技术测量在指定时间间隔内的输入值的平均值，这种方法能够有效地抑制许多噪声源。4.2.2数据采集系统积分测量仪而非积分技术则是在极短的时间间隔内对输入信号（加上噪声）的瞬时值进行采样。4.2.2数据采集系统2、数字输入某些数据采集系统配备了数字输入卡，该卡通过检测数字比特码型来判断外部设备是否启动。4.2.2数据采集系统4通道数字输入卡2、数字输入数字输入卡通常包含8个、16个或32个通道，可用于同时监测多个外部器件。例如，数字输入卡可以与操作面板相连接，以确定面板上各种开关的位置。4.2.2数据采集系统3、计数器计数器卡可用于对数字脉冲的数量（总计）、持续时间（脉冲宽度）或频率（速率）进行计算。一些数据采集系统中的计数器卡还具备对来自外部器件的事件进行计数的功能。4.2.2数据采集系统计数器卡控制硬件包括模拟输出、数字输出和控制开关。1、模拟输出某些数据采集系统包含了数模（D/A）转换器，其功能与A/D转换器相反。4.2.2数据采集系统D/A转换器解析来自控制硬件的命令，并输出相应的数字电压或电流。该输出将保持在此电平上，直至控制硬件发出指示要求D/A转换器输出新值。4.2.2数据采集系统8位D/A转换器通过利用D/A转换器输出的电压或电流，可以控制风扇的转速、阀门的位置或泵的流速。D/A转换器通常应用于需要精确控制外部器件的应用场景。4.2.2数据采集系统2、数字输出某些数据采集系统包含数字输出卡，该卡解析控制硬件发出的命令并输出相应的数字比特码型。数字输出卡通常用于控制灯光，或将数字控制信号发送到外部器件。4.2.2数据采集系统4通道数字输出卡3、控制开关在控制应用中，开关卡可用于形成完整的电路，从而为外部的风扇、泵或阀门提供电源。开关卡（通常称为执行器）的操作与用于为外部器件供电的灯开关非常类似。4.2.2数据采集系统8通道继电器开关卡

在需要切换高压和高功率的应用中，通常会使用开关卡来代替数字输出卡。在控制应用中使用的开关有以下三种常见类型。4.2.2数据采集系统开关切换包括多路复用器配置和矩阵配置。在低速应用中，经常使用的机电开关包括舌簧式继电器和电枢式继电器。这些机电开关的一个关键优点是它们能够切换高电压和电流电平，但它们的切换速率仅限于每秒几百个通道。4.2.2数据采集系统此外，由于这些机电开关是机械装置，它们最终会磨损。在高速应用中，通常会使用场效应晶体管（FET）和固态继电器等电子开关。4.2.2数据采集系统机电安全开关除了具有快速切换功能之外，电子开关不包含任何活动部件，因此不会磨损。然而，它们的缺点是通常不能处理高电压或大电流，并且必须具有高阻抗才能保护自身避免受到输入尖峰和瞬态的影响。4.2.2数据采集系统电子开关

多路复用器配置通常用于将信号切换到单次测量仪器中。在多路复用器配置中，先断后通开关（即在连接新输入电路之前，先断开旧输入电路）被广泛采用，每次只有一个信号被输送到测量仪器。4.2.2数据采集系统如图所示，多路复用器包括单路、双路、三路和四路等配置。4.2.2数据采集系统多路复用器配置单路（或单端）多路复用器主要用于适合采用共地的应用。双路（或差分）多路复用器主要用于存在差分（高压和低压）输入的应用。4.2.2数据采集系统三路（或保护）多路复用器主要与保护万用表配合使用，以提供最佳精度的模拟测量。四路多路复用器主要用于变送器的四线测量，例如需要电流源的电阻温度检测器（RTD）。4.2.2数据采集系统

矩阵配置能够将多路输入信号灵活地连接到多路输出，其开关功能比多路复用器更加方便。矩阵配置通常用于切换（10MHz以下的）低频信号。如图所示，矩阵以行列方式排列。4.2.2数据采集系统4.2.2数据采集系统矩阵配置在将来自变送器的信号发送到测量硬件之前，可以使用信号调理功能对其进行放大、衰减、整形或隔离。信号调理有助于将信号转换为系统更容易测量的形式，有时甚至能使信号变得可测量。4.2.2数据采集系统有些数据采集系统配备了内置的信号调理元器件，无需借助外部信号调理元器件，就可以在任意输入通道上测量直流电压、交流电压、电阻、频率、电流和温度。4.2.2数据采集系统变送器是一种将物理参数（如温度、压力、流量和应力）转换成电气参数（如电压、电流和电阻）的器件。这些电气参数随后被测量硬件读取并转换为工程单位。4.2.2数据采集系统例如，在测量热电偶时，测量硬件会读取直流电压，然后使用数学算法将其转换为对应的温度。下表展示了不同类型的变送器及其相应的输出。4.2.2数据采集系统测量典型变送器类型典型变送器输出温度热电偶0mV至80mVRTD2线或4线电阻，5至500热敏电阻2线电阻，10至1M压力固态开关10Vdc流量旋转类型4mA或20mA热类型应力电阻元件4线电阻，10至10k事件限位开关0V或5V脉冲序列光学计数器旋转编码器数字系统状态TTL电平4.2.1工业网络4.2.2数据采集系统4.2.3工业机器人系统4.2.4PLC控制系统4.2.5视觉系统4.2智能控制系统设计工业机器人是面向工业加工制造的、可自动控制、多用途、需有三轴及以上可编程的固定或可移动机械手。如图所示，工业机器人系统由三大部分六个子系统组成。4.2.3工业机器人系统

三大部分是：机械部分、传感部分、控制部分。六个子系统是：驱动系统、机械结构系统、感受系统、机器人-环境交互系统、人-机交互系统、控制系统。4.2.3工业机器人系统1、驱动系统要使机器人正常运行，就需要为每个运动自由度（即各个关节）配备传动装置，这些传动装置构成了机器人的驱动系统。4.2.3工业机器人系统1、驱动系统驱动系统可以采用液压传动、气动传动、电动传动或其组合的综合系统。4.2.3工业机器人系统（a）液压传动组成（b）气动系统组成1、驱动系统这些驱动方式可以直接驱动机器人的运动，或者通过同步带、链条、轮系、谐波齿轮等机械传动机构进行间接驱动。4.2.3工业机器人系统2、机械结构系统工业机器人的机械结构系统由机身、手臂、末端操作器三大件组成，如图所示。4.2.3工业机器人系统2、机械结构系统每个大部件都包含多个自由度，共同构成一个多自由度的机械系统。如果机身配备了行走机构，则构成行走机器人；如果机身没有行走和腰转机构，则形成单机器人臂。4.2.3工业机器人系统2、机械结构系统机器人的手臂通常由上臂、下臂和手腕组成。末端操作器是直接安装在手腕上的重要部件，它可以是两只或多只手指的手爪，也可以是喷漆枪、焊具等作业工具。4.2.3工业机器人系统3、感受系统感受系统由内部传感器模块和外部传感器模块组成，用于获取内部和外部环境中有意义的信息。智能传感器的使用提升了机器人的机动性、适应性和智能化水平。4.2.3工业机器人系统3、感受系统人类的感受系统在感知外部世界信息方面具有极高的灵敏度。然而，对于某些特定信息，传感器在感知和传递方面比人类的感受系统更为高效。4.2.3工业机器人系统4、机器人-环境交互系统工业机器人的环境交互系统是实现其与外部环境中设备相互联系和协调的关键系统。它将工业机器人与外部设备集成在一起，形成一个功能单元，如加工制造单元、焊接单元、装配单元等。4.2.3工业机器人系统4、机器人-环境交互系统当然，也可以将多台机器人、多台机床或设备、多个零件存储装置等集成在一起，以执行更为复杂的任务。4.2.3工业机器人系统5、人-机交互系统人-机交互系统是一种设备，它允许操作人员参与机器人的控制并与机器人进行联系。这包括计算机的标准终端、指令控制台、信息显示板和危险信号报警器等。这些设备可以归纳为两大类：指令给定装置和信息显示装置。4.2.3工业机器人系统6、控制系统控制系统的任务是根据机器人的作业指令程序以及从传感器反馈回来的信号来支配机器人的执行机构去完成规定的运动和功能。4.2.3工业机器人系统6、控制系统如果工业机器人不具备信息反馈特征，则控制系统为开环控制系统；如果具备信息反馈特征，则控制系统为闭环控制系统。4.2.3工业机器人系统6、控制系统根据控制原理，控制系统可分为程序控制系统、适应性控制系统和人工智能控制系统。根据控制运动的形式，控制系统可分为点位控制和轨迹控制。4.2.3工业机器人系统4.2.1工业网络4.2.2数据采集系统4.2.3工业机器人系统4.2.4PLC控制系统4.2.5视觉系统4.2智能控制系统设计PLC控制系统是一种工业控制装置，它是在传统的顺序控制器的基础上引入了微电子技术、计算机技术、自动控制技术和通信技术而形成的一代新型工业控制装置。它具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。4.2.4PLC控制系统4.2.4PLC控制系统PLC控制器在构建PLC控制系统时，需要将相关的输入设备连接到PLC的输入端子，将相关的输出设备连接到PLC的输出端子。此外，还需要通过通信接口将编写好的程序输入到PLC的内部存储器中。如果希望增强PLC的功能，可以将扩展单元通过扩展接口与PLC连接。4.2.4PLC控制系统4.2.4PLC控制系统PLC系统组成框图1、CPUCPU，也称为中央处理器，是PLC的控制中心。它通过总线（包括数据总线、地址总线和控制总线）与存储器和各种接口进行连接，以控制它们有条不紊地工作。4.2.4PLC控制系统1、CPUCPU的性能对PLC的工作速度和效率产生较大的影响，因此大型PLC通常会采用高性能的CPU。4.2.4PLC控制系统CPU2、存储器存储器的功能是存储程序和数据。PLC通常配有ROM（只读存储器）和RAM（随机存储器）两种存储器，ROM用来存储系统程序，RAM用来存储用户程序和程序运行时产生的数据。4.2.4PLC控制系统2、存储器系统程序由厂家编写并固化在ROM存储器中，用户没有权限访问和修改系统程序。系统程序主要包括系统管理程序和指令解释程序。系统管理程序的功能是管理整个PLC，确保内部各个电路能够有条不紊地工作。指令解释程序的功能是将用户编写的程序翻译成CPU可以识别和执行的程序。4.2.4PLC控制系统2、存储器用户程序是用户通过编程器输入存储器的程序，为了方便调试和修改，通常存储在RAM中。然而，断电会导致RAM中的程序丢失，因此RAM配备了后备电池以保持供电。有些PLC采用EEPROM（电可擦写只读存储器）来存储用户程序。4.2.4PLC控制系统2、存储器由于EEPROM存储器可以使用内部可用电信号进行擦写，并且在掉电后内容不会丢失，因此采用这种存储器后可以不需要备用电池。4.2.4PLC控制系统3、输入/输出接口输入/输出接口，也称为I/O接口或I/O模块，是PLC与外围设备之间的连接部件。PLC通过输入接口检测输入设备的状态，以此作为对输出设备控制的依据，同时又通过输出接口对输出设备进行控制。4.2.4PLC控制系统3、输入/输出接口PLC的输入/输出接口能够接收的输入和输出信号数量称为PLC的I/O点数，它是PLC的重要指标之一。由于PLC外围设备提供的信号电平种类繁多，而PLC内部CPU只能处理标准电平信号，因此I/O接口需要具备电平转换功能。4.2.4PLC控制系统3、输入/输出接口

此外，为了提高PLC的抗干扰能力，I/O接口通常采用光电隔离和滤波功能。另外，为了便于了解I/O接口的工作状态，它还配备了状态指示灯。4.2.4PLC控制系统4、扩展接口为进一步提升PLC的性能，增强PLC控制功能，可以通过扩展接口给PLC增接一些专用模块，如高速计数模块、闭环控制模块、运动控制模块、中断控制模块等。4.2.4PLC控制系统5、电源PLC一般采用开关电源供电，相较于一般电源，PLC的电源的稳定性好、抗干扰能力强。PLC的电源对电网提供的电源稳定度要求不高，一般允许电源电压在其额定值15％的范围内波动。有些PLC还可以通过端子往外提供直流24V稳压电源。4.2.4PLC控制系统6、通信接口PLC配备了通信接口，通过该接口，PLC可以实现与监视器、打印机、其他PLC、计算机等设备的通信。PLC与编程器或写入器连接，可以接收由编程器或写入器输入的程序。4.2.4PLC控制系统6、通信接口

同时，PLC还可以与打印机连接，将过程信息、系统参数等信息打印出来。4.2.4PLC控制系统PLC的通信接口PLC与人机界面（如触摸屏）的连接，使得用户可以在人际界面上直接操作PLC或监视PLC的工作状态。PLC与其他PLC的连接，可以组成多机系统或网络，从而实现更大规模的控制系统。4.2.4PLC控制系统

同时，PLC与计算机的连接，可以组成多级分布式控制系统，实现控制与管理相结合。4.2.4PLC控制系统PLC与人机界面的接口4.2.1工业网络4.2.2数据采集系统4.2.3工业机器人系统4.2.4PLC控制系统4.2.5视觉系统4.2智能控制系统设计在现代化的自动化生产线中，生产涉及各种各样的检验，这些高度重复性的工作无法由人眼连续、稳定地进行识别。在自动化生产过程中，机器视觉系统被广泛应用于工况监视、成品检验和质量控制等领域。4.2.5视觉系统在工业生产中，人工视觉检查产品质量效率低且精度不高，而采用机器视觉检测方法可以大大提高检测效率，进一步提升自动化程度。由于产品的需求多样性，要实现这些功能就需要视觉系统来辅助图像采集和分辨。4.2.5视觉系统为了完成这些任务，视觉系统必须将硬件和软件功能进行配合。对于机器视觉系统而言，一旦硬件搭建完成，软件便可以根据硬件获取的图像信息进行处理。4.2.5视觉系统机器视觉系统的硬件由光源、镜头、相机、图像采集单元、图像处理单元、交互界面、执行单元组成。4.2.5视觉系统机器视觉系统的硬件组成光源是机器视觉系统的重要组成部分之一，其作用是以适当的方式将光线投射到被测物体上，辅助视觉成像，将被测物体的图像呈现出来。4.2.5视觉系统合适的光源可以优化整个机器视觉系统的分辨率，提高图像的清晰度和识别精度，同时简化软件的运算和处理流程。而不合适的光源则可能导致多种问题，例如图像质量下降、误判和漏检等。因此，光源是机器视觉系统中至关重要的组成部分。4.2.5视觉系统优质的光源不仅可以提供充足的光照，提高目标物体的亮度，形成高质量的图像效果，还可以有效克服环境光的干扰，确保图像的稳定性和清晰度。4.2.5视觉系统在机器视觉系统中，镜头通过光源将光线投射到被测物体上，从而将被测物体的成像目标聚焦在图像传感器的光敏面上。镜头的质量将直接影响成像系统的性能。4.2.5视觉系统对于镜头来说，影响其主要性能的因素包括视场角、光圈、焦距和景深等。相机则是用来捕捉图像的工具，市场上的相机大多是使用CCD或CMOS传感器。4.2.5视觉系统图像采集是工业相机与PC端通过图像采集卡相互连接的过程。图像采集卡接收工业相机的模拟信号或数字信号，并将信号进行处理和转换，以适应PC端的信息需求。4.2.5视觉系统目前，我国在图像采集卡领域的发展已经较为成熟。图像采集卡有以下七个相关参数。采样频率（时钟、点频，MHz）：采样频率是反映图像采集卡处理图像速度和能力的重要指标。在进行图像采集时，需要注意采集卡的采样频率是否满足要求，以确保采集到的图像能够满足特定的应用需求。行频（KHz）：每秒钟扫描多少行。4.2.5视觉系统场（帧）频（Hz，fps）：每秒扫描多少行场（帧）。分辨率：采集卡能支持的最大点阵反映了其分辨率的能力，即所能支持的相机的最大分辨率。传输通道：采集卡能够同时对多个相机进行A/D转换的能力，如2通道、4通道等。4.2.5视觉系统传输速率：指图像由采集卡到达内存的速度，一般看采集卡的总线类型。图像格式（像素格式）：分为了黑白图像和彩色图像，黑白图像的灰度等级可分为256级，即以8位来表示；而彩色图像可由RGB(YUV)3种色彩组合而成。4.2.5视觉系统图像采集卡还有额外的附加功能：触发功能、灯源控制功能、基本I/O功能、相机复位功能、时序输出功能、串口通信功能、电源输出功能等。4.2.5视觉系统图像采集卡图像处理是一种利用计算机对图像进行分析，以实现所需结果的技术，通常指数字图像处理。其主要内容包括图像压缩、增强和复原，匹配、描述和识别三个部分。常用的图像处理方法包括图像变换、图像编码、图像增强、图像恢复等。4.2.5视觉系统1、图