《智能产线的装调》课件-任务2 - 2.3.4

任务二

手机MIC纱网精密贴合流水线的电气组装任务二手机MIC纱网精密贴合流水线的电气组装环节三信息搜集§2.3.4控制器的认知在概念上，控制者和提供服务者是上位机，被控制者和被服务者是下位机，也可以理解为主机和从机的关系，但上位机和下位机是可以转换的。1、上下位机的通讯协议：通常上位机和下位机通讯可以采用不同的通讯协议，可以有RS232的串口通讯或者采用RS485串行通讯。当用计算机和PLC通讯的时候，不但可以采用传统的D形式的串行通讯，还可以采用更适合工业控制的双线的PROFIBUS-DP通讯。采用封装好的程序开发工具就可以实现PLC和上位机的通讯，当然可以自己编写驱动类的接口协议控制上位机和下位机的通讯。2、运动控制卡运动控制卡是一种基于PC机及工业PC机、用于各种运动控制场合（包括位移、速度、加速度等）的上位控制单元。任务二手机MIC纱网精密贴合流水线的电气组装环节三信息搜集§2.3.4控制器的认知运动控制卡是基于PC总线，利用高性能微处理器（如DSP）及大规模可编程器件实现多个伺服电机的多轴协调控制的一种高性能的步进/伺服电机运动控制卡，包括脉冲输出、脉冲计数、数字输入、数字输出、D/A输出等功能，它可以发出连续的、高频率的脉冲串，通过改变发出脉冲的频率来控制电机的速度，改变发出脉冲的数量来控制电机的位置，它的脉冲输出模式包括脉冲/方向、脉冲/脉冲方式。脉冲计数可用于编码器的位置反馈，提供机器准确的位置，纠正传动过程中产生的误差。数字输入/输出点可用于限位、原点开关等。库函数包括S型、T型加速，直线插补和圆弧插补，多轴联动函数等。产品广泛应用于工业自动化控制领域中需要精确定位、定长的位置控制系统和基于PC的NC控制系统。具体就是将实现运动控制的底层软件和硬件集成在一起，使其具有伺服电机控制所需的各种速度、位置控制功能,这些功能能通过计算机方便地调用。任务二手机MIC纱网精密贴合流水线的电气组装环节三信息搜集§2.3.4控制器的认知运动控制卡的出现主要是因为：（1）为了满足新型数控系统的标准化、柔性、开放性等要求；（2）在各种工业设备（如包装机械、印刷机械等）、国防装备（如跟踪定位系统等）、智能医疗装置等设备的自动化控制系统研制和改造中，急需一个运动控制模块的硬件平台；（3）PC机在各种工业现场的广泛应用，也促使配备相应的控制卡以充分发挥PC机的强大功能。运动控制卡通常采用专业运动控制芯片或高速DSP作为运动控制核心，大多用于控制步进电机或伺服电机。一般地，运动控制卡与PC机构成主从式控制结构：PC机负责人机交互界面的管理和控制系统的实时监控等方面的工作（例如键盘和鼠标的管理、系统状态的显示、运动轨迹规划、控制指令的发送、外部信号的监控等等）；控制卡完成运动控制的所有细节（包括脉冲和方向信号的输出、自动升降速的处理、原点和限位等信号的检测等等）。任务二手机MIC纱网精密贴合流水线的电气组装环节三信息搜集§2.3.4控制器的认知二、可编程逻辑控制器（PLC）可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController，PLC）是一种特殊的控制器，是专为工业环境应用而设计的数字运算电子系统，如图2.22所示。1、PLC控制系统主要有以下5个特点：（1）通信性和灵活性强，应用广泛。（2）可靠性高，抗干扰的能力极强。（3）产品系列化、规模化，功能完备，性能优良。（4）编制程序简单、容易。（5）设计、安装、调试周期短，扩充容易。体积小、重量轻，维护方便。近年来，随着大规模集成电路技术的迅猛发展，功能更强大、规模不断扩大而价格日趋低廉的元器件不断涌现，促使PLC产品亦随之功能大增但成本下降。目前PLC的应用已经远远超越了早期仅用于开关量控制的局面。任务二手机MIC纱网精密贴合流水线的电气组装环节三信息搜集§2.3.4控制器的认知2、PLC的选型常见的PLC选择的注意事项有以下几点：（1）电源类型：AC电源、DC电源。（2）输出类型：晶体管输出、可控硅输出、继电器输出。（3）模拟量输入输出：1-2通道、3通道以上。（4）通信：RS232C、RS485、CClink等，单通道或多通道，通讯模块的扩展。（5）定位：1-2轴的简单定位，定位模块的扩展。（6）IO点数：8位、16位、32位、64位、128位，IO扩展模块的选择。任务二手机MIC纱网精密贴合流水线的电气组装环节三信息搜集§2.3.4控制器的认知1、开关量逻辑控制这是PLC最广泛的应用。开关量逻辑控制已逐步取代传统的继电器逻辑控制装置，被用于单机或多机控制系统以及自动生产线上。PLC控制开关量的能力是很强的，所控制的入、出点数有时多达几万点。由于可以联网，所以点数几乎不受限制。所控制的如组合的、时序的、要考虑延时的、需要进行高速计数等的逻辑问题都可以解决。2、运动控制目前很多厂商已经开发出大量运动控制模块，且功能是给步进电动机或伺服电动机等提供单轴或多轴的位置控制，并在控制中满足适当的速度和加速度，以保证运动的平滑水准。3、过程控制当前PLC产品中，还有一大类是针对生产过程参数，如温度、流量、压力、速度等的检测和控制而设计的。常用的有模拟量I/O模块，通过这些模块不仅可以实现A/D和D/A转换，还可以进一步构成闭环，实现PID一类的生产过程调节。而针对PID闭环调节，又有专门的模块，可以更方便地实施。这些产品往往还引入了智能控制。任务二手机MIC纱网精密贴合流水线的电气组装环节三信息搜集§2.3.4控制器的认知4、数据处理现代的PLC已具有数据传送、排序、查表搜索、位操作以及逻辑运算、函数运算、矩阵运算等多种数据采集、分析、处理功能。目前还有不少公司，将PLC的数据处理功能与计算机数值控制（CNC）设备的功能紧密结合在一起，开发了用于CNC的PLC产品。5、通信随着网络的发展和计算机集散控制系统的逐步普及，PLC的网络化通信产品也在大量被推出。这些产品解决了PLC之间、PLC与其扩展部分之间、PLC与上级计算机之间或其他网络间的通信问题。需要注意的是，并非所有PLC都具有上述全部功能，越小型的PLC其功能相应也越少。任务二手机MIC纱网精密贴合流水线的电气组装环节三信息搜集§2.3.4控制器的认知三、现场总线系统（FCS）现场总线控制系统（FieldbusControlSystem）是全数字串行、双向通信系统。系统内测量和控制设备如探头、激励器和控制器可相互连接、监测和控制。在工厂网络的分级中，它既作为过程控制（如PLC，LC等）和应用智能仪表（如变频器、阀门、条码阅读器等）的局部网，又具有在网络上分布控制应用的内嵌功能，如图2.23所示。任务二手机MIC纱网精密贴合流水线的电气组装环节三信息搜集§2.3.4控制器的认知比较典型的现场总线有：CAN总线、Profibus总线、DeviceNet总线、CC-LINK总线等。1、CAN（ControllerAreaNetwork

控制器局域网）最早由德国BOSCH公司推出，它广泛用于离散控制领域，其总线规范已被ISO国际标准组织制定为国际标准，得到了Intel、Motorola、NEC等公司的支持。CAN协议分为二层：物理层和数据链路层。CAN的信号传输采用短帧结构，传输时间短，具有自动关闭功能，具有较强的抗干扰能力。CAN支持多主工作方式，并采用了非破坏性总线仲裁技术，通过设置优先级来避免冲突，通讯距离最远可达10KM/5Kbps/s，通讯速率最高可达40M/1Mbp/s，网络节点数实际可达110个。目前已有多家公司开发了符合CAN协议的通信芯片。2、Profibus总线Profibus是德国标准（DIN19245）和欧洲标准（EN50170）的现场总线标准。由PROFIBUS--DP、PROFIBUS－FMS、PROFIBUS－PA系列组成。DP用于分散外设间高速数据传输，适用于加工自动化领域。FMS适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低压开关等。PA用于过程自动化的总线类型，服从IEC1158－2标准。PROFIBUS支持主-从系统、纯主站系统、多主多从混合系统等几种传输方式。PROFIBUS的传输速率为9.6Kbit/s至12Mbit/s，最大传输距离在9.6Kbit/s下为1200m，在12Mbit/s小为200m，可采用中继器延长至10km，传输介质为双绞线或者光缆，最多可挂接127个站点。任务二手机MIC纱网精密贴合流水线的电气组装环节三信息搜集§2.3.4控制器的认知3、DeviceNet总线DeviceNet是一种低成本的通信连接也是一种简单的网络解决方案，有着开放的网络标准。DeviceNet具有的直接互联性不仅改善了设备间的通信而且提供了相当重要的设备级阵地功能。DeviceNet基于CAN技术，传输率为125Kbit/s至500Kbit/s,每个网络的最大节点为64个，其通信模式为：生产者/客户（Producer/Consumer），采用多信道广播信息发送方式。位于DeviceNet网络上的设备可以自由连接或断开，不影响网上的其他设备，而且其设备的安装布线成本也较低。4、CC-Link总线CC-Link是Control&CommunicationLink（控制与通信链路系统）的缩写，在1996年11月，由三菱电机为主导的多家公司推出，其增长势头迅猛，在亚洲占有较大份额。在其系统中，可以将控制和信息数据同是以10Mbit/s高速传送至现场网络，具有性能卓越、使用简单、应用广泛、节省成本等优点。其不仅解决了工业现场配线复杂的问题，同时具有优异的抗噪性能和兼容性。CC-Link是一个以设备层为主的网络，同时也可覆盖较高层次的控制层和较低层次的传感层。2005年7月CC-Link被中国国家标准委员会批准为中国国家标准指导性技术文件。现场控制设备具有通信功能，便于构成工厂底层控制网络。通信标准的公开、一致，使系统具备开放性，设备间具有互可操作性。功能块与结构的规范化使相同功能的设备间具有互换性。控制功能下放到现场，使控制系统结构具备高度的分散性。任务二手机MIC纱网精密贴合流水线的电气组装环节三信息搜集§2.3.4控制器的认知四、分散型控制系统（DCS）分散控制系统是以微处理器为基础，采用控制功能分散、显示操作集中、兼顾分而自治和综合协调的设计原则的新一代仪表控制系统。它采用控制分散、操作和管理集中的基本设计思想，采用多层分级、合作自治的结构形式。其主要特征是它的集中管理和分散控制。1、硬件机构考察DCS的层次结构，DCS级和控制管理级是组成DCS的两个最基本的环节。过程控制级具体实现了信号的输入、变换、运算和输出等分散控制功能。在不同的DCS中，过程控制级的控制装置各不相同，如过程控制单元、现场控制站、过程接口单元等等，但它们的结构形式大致相同，可以统称为现场控制单元FCU。过程管理级由工程师站、操作员站、管理计算机等组成，完成对过程控制级的集中监视和管理，通常称为操作站。DCS的硬件和软件，都是按模块化结构设计的，所以DCS的开发实际上就是将系统提供的各种基本模块按实际的需要组合成为一个系统，这个过程称为系统的组态。任务二手机MIC纱网精密贴合流水线的电气组装环节三信息搜集§2.3.4控制器的认知(1)现场控制单元现场控制单元一般远离控制中心，安装在靠近现场的地方，其高度模块化结构可以根据过程监测和控制的需要配置成由几个监控点到数百个监控点的规模不等的过程控制单元。现场控制单元的结构是由许多功能分散的插板（或称卡件）按照一定的逻辑或物理顺序安装在插板箱中，各现场控制单元及其与控制管理级之间采用总线连接，以实现信息交互。现场控制单元的硬件配置需要完成以下内容：插件的配置：根据系统的要求和控制规模配置主机插件（CPU插件）、电源插件、I/O插件、通信插件等硬件设备；硬件冗余配置：对关键设备进行冗余配置是提高DCS可靠性的一个重要手段，DCS通常可以对主机插件、电源插件、通信插件和网络、关键I/O插件都可以实现冗余配置。硬件安装：不同的DCS，对于各种插件在插件箱中的安装，会在逻辑顺序或物理顺序上有相应的规定。另外，现场控制单元通常分为基本型和扩展型两种，所谓基本型就是各种插件安装在一个插件箱中，但更多的时候时需要可扩展的结构形式，即一个现场控制单元还包括若干数字输入/输出扩展单元，相互间采用总线连成一体。就本质而言，现场控制单元的结构形式和配置要求与模块化PLC的硬件配置是一致的。任务二手机MIC纱网精密贴合流水线的电气组装环节三信息搜集§2.3.4控制器的认知(2)操作站操作站用来显示并记录来自各控制单元的过程数据，是人与生产过程信息交互的操作接口。典型的操作站包括主机系统、显示设备、键盘输入设备、信息存储设备和打印输出设备等，主要实现强大的显示功能（如模拟参数显示、系统状态显示、多种画面显示等等）、报警功能、操作功能、报表打印功能、组态和编程功能等等。另外，DCS操作站还分为操作员站和工程师站。从系统功能上看，前者主要实现一般的生产操作和监控任务，具有数据采集和处理、监控画面显示、故障诊断和报警等功能。后者除了具有操作员站的一般功能以外，还应具备系统的组态、控制目标的修改等功能。从硬件设备上看，多数系统的工程师站和操作员站合在一起，仅用一个工程师键盘加以区分。任务二手机MIC纱网精密贴合流水线的电气组装环节三信息搜集§2.3.4控制器的认知2、软件系统DCS的软件体系通常可以为用户提供相当丰富的功能软件模块和功能软件包，控制工程师利用DCS提供的组态软件，将各种功能软件进行适当的“组装连接”（即组态），生成满足控制系统的要求各种应用软件。现场控制单元的软件主要包括以实时数据库为中心的数据巡检、控制算法、控制输出和网络通信等软件模块组成。实时数据库起到了中心环节的作用，在这里进行数据共享，各执行代码都与它交换数据，用来存储现场采集的数据、控制输出以及某些计算的中间结果和控制算法结构等方面的信息。数据巡检模块用以实现现场数据、故障信号的采集，并实现必要的数字滤波、单位变换、补偿运算等辅助功能。DCS的控制功能通过组态生成，不同的系统，需要的控制算法模块各不相同，通常会涉及以下一些模块：算术运算模块、逻辑运算模块、PID控制模块、变型PID模块、手自动切换模块、非线性处理模块、执行器控制模块等等。控制输出模块主要实现控制信号以故障处理的输出。DCS中的操作站用以完成系统的开发、生成、测试和运行等任务，这就需要相应的系统软件支持，这些软件包括操作系统、编程语言及各种工具软件等。一套完善的DCS，在操作站上运行的应用软件应能实现如下功能：实时数据库、网络管理、历史数据库管理、图形管理、历史数据趋势管理、数据库详细显示与修改、记录报表生成与打印、人机接口控制、控制回路调节、参数列表、串行通信和各种组态等。任务二手机MIC纱网精密贴合流水线的电气组装环节三信息搜集§2.3.4控制器的认知3、组态DCS的开发过程主要是采用系统组态软件依据控制系统的实际需要生成各类应用软件的过程。组态软件功能包括基本配置组态和应用软件组态。基本配置组态是给系统一个配置信息，如系统的各种站的个数、它们的索引标志、每个控制站的最大点数、最短执行周期和内存容量等。应用软件的组态则包括比较丰富的内容，主要包括以下几个方面。(1)控制回路的组态控制回路的组态在本质上就是利用系统提供的各种基本的功能模块，来构成各种各样的实际控制系统。目前各种不同的DCS提供的组态方法各不相同，归纳起来有指定运算模块连接方式、判定表方式、步骤记录方式等等。指定运算模块连接方式是通过调用各种独立的标准运算模块，用线条连接成多种多样的控制回路，最终自动生成控制软件，这是一种信息流和控制功能都很直观的组态方法。判定表方式是一种纯粹的填表形式，只要按照组态表格的要求，逐项填入内容或回答问题即可，这种方式很利于用户的组态操作