物聯(lián)網(wǎng)控制技術(shù) 課件 A計控1緒論

物聯(lián)網(wǎng)控制技術(shù)1物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的通識選修專業(yè)課。主要討論在實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)自動化時如何合理地選擇和組織工業(yè)控制機的軟件、硬件、外圍設備、接口通道以及控制和管理生產(chǎn)過程的基本原理和方法。一、課程性質(zhì)及內(nèi)容

第一章緒論 4學時第二章控制系統(tǒng)輸入輸出接口與過程通道2學時第三章數(shù)字控制技術(shù)4學時第四章常規(guī)及復雜控制技術(shù) 6學時第五章控制系統(tǒng)中的數(shù)學模型2學時第六章應用程序設計與實現(xiàn)技術(shù) 4學時第七章分散型測控網(wǎng)絡技術(shù) 4學時第八章物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn) 6學時2課程涉及面廣，起點高，每章描述計算機系統(tǒng)的一個部分，獨立性強。要求：及時復習課程中所涉及的基礎知識；作好筆記，及時理解、消化課堂內(nèi)容，獨立按時完成作業(yè)；認真對待每次實驗：預習、操作、實驗報告。彭力《物聯(lián)網(wǎng)控制基礎》機械工業(yè)出版社2016.7王萬良《物聯(lián)網(wǎng)控制技術(shù)》機械工業(yè)出版社2017.9于海生《微型計算機控制技術(shù)（第二版）》清華大學出版社2009.9蘇小林《計算機控制技術(shù)》中國電力出版社2006.7王錦標《過程計算機控制》清華大學出版社1992焦尚仁《微機控制技術(shù)》 輕工出版社1988楊天怡《微型計算機控制技術(shù)》 重慶大學出版社1996二、學習方法三、參考書目3第一章緒論4e=r-y

y=f(e)控制系統(tǒng)的基本功能是信號的傳遞、加工和比較。由檢測變送裝置、控制器和執(zhí)行裝置來完成。1、控制系統(tǒng)的一般形式控制器執(zhí)行機構(gòu)被控對象變換發(fā)送單元測量元件

給定值r被控參數(shù)y控制系統(tǒng)的一般形式第一節(jié)計算機控制系統(tǒng)概述一、計算機控制的一般概念52、計算機控制系統(tǒng)的基本框圖計算機代替控制器；增加A/D、D/A轉(zhuǎn)換器；控制規(guī)律由程序?qū)崿F(xiàn)。3、計算機控制系統(tǒng)的控制過程（1）實時數(shù)據(jù)采集（2）實時決策（3）實時控制計算機控制系統(tǒng)原理圖控制器A/D執(zhí)行機構(gòu)被控對象D/A給定值被控量工控機測量變送生產(chǎn)過程ry+-eu4、在線方式和離線方式5、實時的含義 及時、快速。6二、計算機控制系統(tǒng)的組成內(nèi)部總線被控對象CPU/MEM計算機控制系統(tǒng)的組成框圖人機接口系統(tǒng)支持板磁盤適配器測量變送執(zhí)行機構(gòu)電氣開關電氣開關AI通道AO通道DI通道DO通道工業(yè)控制機生產(chǎn)過程7從應用特點、控制目的分：

1）操作指導控制系統(tǒng)（OGC）（OperatorGuideControl)

2）直接數(shù)字控制系統(tǒng)（DDC） （DirectDigitalControl）

3）監(jiān)督控制系統(tǒng)（SCC）（SupervisoryComputerControl）

4）分散型控制系統(tǒng)（DCS）（DistributedControlSystem）

5）現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）（FieldbusControlSystem）三、計算機控制系統(tǒng)的典型形式8

功能：1）巡測、顯示、打印、報警

2）計算控制量，求出最佳設定值

優(yōu)點：靈活、安全

缺點：人力消耗大

適用：對控制規(guī)律尚未徹底了解的生產(chǎn)過程計算機A/D轉(zhuǎn)換器采樣器工業(yè)對象CRT顯示打印機測量元件操作指導控制系統(tǒng)組成框圖調(diào)節(jié)器在線檢測，離線控制1、操作指導控制系統(tǒng)（OGC）9工業(yè)對象檢測輸入通道接口工控機執(zhí)行器輸出通道接口顯示打印報警給定值直接數(shù)字控制系統(tǒng)組成框圖功能：1）同巡測系統(tǒng)

2）計算控制量（算法：PID） 3）輸出控制要求：實時性好，可靠性高，適應性強適用：多回路（經(jīng)濟、方便）2、直接數(shù)字控制系統(tǒng)（DDC）10監(jiān)督控制系統(tǒng)的兩種結(jié)構(gòu)形式(a)SCC＋模擬調(diào)節(jié)器系統(tǒng)(b)SCC＋DDC系統(tǒng)工業(yè)對象模擬調(diào)節(jié)器SCC用計算機記錄顯示打印調(diào)節(jié)測量設定值工藝數(shù)據(jù)工業(yè)對象SCC用計算機記錄顯示打印DDC用計算機工藝數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)測量設定值3、監(jiān)督控制系統(tǒng)（SCC）11功能：1）同OGC 2）對調(diào)節(jié)器進行設定 3）修改模型，實現(xiàn)最優(yōu)、自適應控制要求計算機：

計算能力強，內(nèi)、外存容量大，軟件系統(tǒng)豐富，高檔微機。適用：對生產(chǎn)過程的物、化機理了解透徹的場合。124、分散型控制系統(tǒng)（DCS）管理計算機現(xiàn)場控制站PLC智能調(diào)節(jié)器其它測控裝置工業(yè)對象DCS結(jié)構(gòu)示意圖綜合信息管理級通信網(wǎng)絡工程師操作站操作員操作站監(jiān)控計算機網(wǎng)間連接器網(wǎng)間連接器局部網(wǎng)絡（LAN）集中操作監(jiān)控級分散過程控制級至其它局域網(wǎng)優(yōu)點：任務分散、響應速度快，結(jié)構(gòu)模塊化，系統(tǒng)擴展、 縮小方便， 子系統(tǒng)獨立性強，故障時影響小，能共享資源。缺點：系統(tǒng)龐大，結(jié)構(gòu)復雜。135、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）“工作站－－現(xiàn)場總線智能儀表”二層結(jié)構(gòu)。141、工業(yè)控制機的硬件組成第二節(jié)工業(yè)控制機的組成結(jié)構(gòu)及特點一、工業(yè)控制機的組成主機板人－機接口系統(tǒng)支持磁盤系統(tǒng)通信接口AI通道AO通道DI通道DO通道外部總線內(nèi)部總線工業(yè)控制機的硬件組成結(jié)構(gòu)1）監(jiān)控定時器(Watchdog)2）電源掉電檢測3）后備存儲器4）實時日歷時鐘15

系統(tǒng)軟件：操作系統(tǒng)，引導程序、調(diào)度程序等，與計算機密切相關。

支持軟件：程序設計系統(tǒng)、診斷程序等。

應用軟件：描述生產(chǎn)過程及控制規(guī)律以及實現(xiàn)控制動作的程序。涉及生產(chǎn)工藝、控制原理、控制工具，由用戶編制。一般應包括：過程輸入模塊、基本運算模塊、控制算法模塊、報警限幅模塊、過程輸出模塊、數(shù)據(jù)管理模塊等。2、工業(yè)控制機的軟件組成計算機控制的任務：實現(xiàn)生產(chǎn)過程和計算機硬、軟件的配合。16

強電、高壓、強磁場、高溫、高濕、腐蝕性氣體、抗干擾，防腐蝕，濾波、屏蔽…

MBTF

運轉(zhuǎn)率＝

MBTF＋平均機器失效時間

可靠性：系統(tǒng)能夠正常工作的能力。

平均故障間隔時間（MBTF）≥數(shù)千小時1）高可靠性和可維護性好國際上提出運轉(zhuǎn)率為99.95％，即年平均停機4小時（雙機）。可維護性好：插件式，標準芯片；診斷程序→故障部分2）環(huán)境適應性強二、工業(yè)控制機的特點17實時操作系統(tǒng)、診斷程序、監(jiān)控程序、通訊軟件、數(shù)據(jù)庫…3）控制的實時性實時：響應速度快；定時4）完善的輸入輸出通道6）適當?shù)挠嬎憔群瓦\算速度5）豐富的軟件18

18世紀：鍋爐水位調(diào)節(jié)

19世紀：轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器

20世紀30年代：各類生產(chǎn)過程的控制（基地式儀表、單參數(shù)T、P、Q…調(diào)節(jié)）

40-50年代：QDZ、DDZ集中控制自動化儀表的局限性：實現(xiàn)1-2個參數(shù)的調(diào)節(jié)，對新型的調(diào)節(jié)規(guī)律，或是造價過高，或是無法實現(xiàn)。電子計算機（40年代問世）：速度快，精度高，容量大，邏輯判斷能力強。第三節(jié)計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展概況及趨勢一、自動控制技術(shù)的發(fā)展191、計算機控制技術(shù)的發(fā)展過程

1952：化工生產(chǎn)、自動測量和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，累計并 打印出對管理有用的生產(chǎn)過程參數(shù)（開環(huán)）

1957：石油蒸餾過程的調(diào)節(jié)（閉環(huán)）。P、Q、T、A…

1958：試驗性地采用DDC系統(tǒng)在電站、煉油廠實現(xiàn)了閉

環(huán)定值控制

1960：在合成氨和丙烯晴生產(chǎn)過程中實現(xiàn)了計算機監(jiān) 督控制

1966年以來，開始側(cè)重于過程最優(yōu)控制并向分級控 制，網(wǎng)絡控制方向發(fā)展。

70年代：微機控制，分級分布式控制，用微機取代 DDZ—Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型。依賴于：自動化水平、計算機硬、軟件水平二、計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展概況20可按４個階段描述其發(fā)展過程：

1）開創(chuàng)時期（1955～1962）

2）直接數(shù)字控制時期（1962～1967）

3）小型計算機時期（1967～1972）

4）微型計算機時期（1972～）2、計算機控制理論的發(fā)展過程

1）采樣定理

2）差分方程

3）z變換法

4）狀態(tài)空間理論

5）最優(yōu)控制與隨機控制

6）代數(shù)系統(tǒng)理論

7）系統(tǒng)辨識與自適應控制21

1）應用PLC

2）廣泛使用智能調(diào)節(jié)器

3）采用新型的DCS和FCS三、計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢1、推廣應用成熟的先進技術(shù)2、研究和發(fā)展智能控制系統(tǒng)

1）分級遞階智能擴展系統(tǒng)

2）模糊控制系統(tǒng)

3）專家控制系統(tǒng)

4）學習控制系統(tǒng)

5）神經(jīng)控制系統(tǒng)22第四節(jié)工業(yè)控制機的總線結(jié)構(gòu)總線：定義了信號，電氣和機械特性的一些引線的集合，使計算機系統(tǒng)內(nèi)各部件之間及外部各系統(tǒng)之間建立信號聯(lián)系，進行數(shù)據(jù)傳輸和通信?？偩€目的:1）使生產(chǎn)廠家能按統(tǒng)一的標準設計制造計算機；2）用戶可以把不同廠家生產(chǎn)的各種型號的模板和設備連接起來，組成自己需要的系統(tǒng)。片內(nèi)總線、內(nèi)部總線、外部總線一、總線的分類DIDORAMROMA/DD/ACPU外部總線接口內(nèi)部總線系統(tǒng)A系統(tǒng)B外部總線DIDORAMROMA/DD/ACPU外部總線接口內(nèi)部總線計算機總線結(jié)構(gòu)示例24計算機系統(tǒng)內(nèi)部的模板和模板之間進行通信的總線，稱為內(nèi)部總線（系統(tǒng)總線：STD、PC）。機械要素：模板尺寸，接插件尺寸和針數(shù)；電氣要素：信號的電平和時序。

內(nèi)部總線構(gòu)成CPURAMROMA/DD/A外部總線接口總線母板DACP二、內(nèi)部總線25STD總線：工業(yè)標準微型計算機總線，模板尺寸：165×114mm、56芯插座。

①小模板結(jié)構(gòu)。機械強度大，抗沖擊，一塊模板上只有1~2種功能，元器件少，便于散熱、故障診斷和維修。

②開放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。沒有固定的模式或標準機型，大量功能模板(注意：一個系統(tǒng)只允許選用一塊CPU模板，稱主板)。

③兼容式總線結(jié)構(gòu)?？芍С?位CPU，如：8085、Ｚ80、MCS-51，也支持16位CPU，如：8086、6800、便于擴充和升級，避免重復投資，降低改變費用，縮短開發(fā)周期。1）STD總線的特點2、STD總線26共56根：邏輯電源線：1~6數(shù)字，模擬地各自獨立，干擾↓；數(shù)據(jù)總線： 7~14雙向，三態(tài)，高有效， 分時復用，擴展D8~D15；地址總線：15~30三態(tài)，高有效， 分時復用，擴展A16~A23；控制總線：31~52讀，寫，I/O地址請求，中斷控制 等；輔助電源線：53~562）STD總線的信號分配27機械要素：接插件型號和電纜線。電氣要素：發(fā)送與接收信號的電平和時序。功能要素：發(fā)送和接收雙方的管理能力，控制功能和

編碼規(guī)則等。計算機系統(tǒng)和系統(tǒng)（或外設）之間進行通訊的總線（IEEE---488，RS--232---C)。三、外部總線28串行外部總線，25線。最基本：發(fā)送數(shù)據(jù)線2，接收數(shù)據(jù)線3，信號地線7。其它線在進行遠距離通信時使用。接口連接器采用

DB-25插頭和插座，插頭與DTE相連，插座與DCE相連。

信號采用負邏輯:1）機械特性標準2）電氣特性標準狀態(tài) -15V＜V1＜-5V +5V＜V1＜+15V邏輯狀態(tài) 1

0信號條件傳號(MARK)空號(SPACE)功能 OFF ON1、RS-232-C總線29一般CRT，計算機采用TTL電平輸入輸出。發(fā)送器：MC1488TTL

RS-232-C接收器：MC1489RS-232-C

TTLRS-232-COUTOUTTTL+5V+15VMC1488TTLIN≈MC1489IN-15VRS-232-C發(fā)送和接收電路30RS-232-C總線規(guī)定：距離≤15Ｍ，速率≤20kbps，共用信號地易引進干擾。TTLOUTTTLMC1489DTEMC1488DCEMC1489MC1488TTLTTLININOUT地線RS-232-C接口電路示例313）RS-422-A總線使用雙端發(fā)送器和接收器負邏輯，傳輸速率高達10Mbps。采用電壓信號，DTE與DCE之間無光電隔離。DTEMC3487DCEMC3486MC3486MC3487TTLTTLTTLTTLININOUTOUTRS-422-A接口電路示例324）采用光電隔離的電流環(huán)接口電路+15V-15V+5VTTLTTLINOUTTTL+15V+5V+5V+5V-15VTTLINOUTOUTDATADATAIN20mA20mADCEDTE

光電隔離的電流環(huán)接口技術(shù)20mA

邏輯“1”，0mA

邏輯“0”。傳輸距離長達1000m，具有抗共模干擾的能力。33異步雙向并行簡易型總線

①無源電纜線，16條信號線，9條地線；

②總線上最多可接15個設備；

③整個系統(tǒng)的連接電纜最大長度為20m；

④最大傳輸速度為1Mbps；

⑤地址容量：“聽”，31，“講”，31，可擴展到961個；

⑥負邏輯：“1”+0.8V，”0”+2.0V；

⑦三線式信號交換異步確認方式控制數(shù)據(jù)傳輸。2、IEEE-488總線（HP-IB，GP-IB總線）1）總線的約定及特點342）總線的一般描述設備B————講者聽者————數(shù)字電壓表1接口管理線DIO1~DIO8DAVNRFDNDACIFCATNSRQRENEOI設備A————控者講者聽者————計算機設備C————講者聽者————數(shù)字電壓表