智能制造基礎(chǔ)與應(yīng)用（第2版）教案 第四章 智能控制技術(shù)基礎(chǔ)

教案(首頁)山東勞動職業(yè)技術(shù)學(xué)院授課日期班次課時課題第四章智能控制技術(shù)基礎(chǔ)教學(xué)時數(shù)4【教學(xué)目標】1、掌握智能控制技術(shù)的定義及發(fā)展歷史和現(xiàn)狀；2、掌握常見幾種智能控制技術(shù)的原理及應(yīng)用?！局攸c難點】自動測控系統(tǒng)原理及應(yīng)用PLC控制的基本原理與簡單應(yīng)用變頻調(diào)速控制技術(shù)的原理與應(yīng)用?！窘叹摺⒖紩俊吨悄苤圃旎A(chǔ)與應(yīng)用》機械工業(yè)出版社王芳、趙中寧主編【教學(xué)過程】教案紙山東勞動職業(yè)技術(shù)學(xué)院第3頁第一節(jié)智能控制概述智能控制的定義什么是智能控制？簡單的說，就是“聰明的控制”、“靈巧的控制”。如自適應(yīng)控制、自尋優(yōu)控制、自學(xué)習(xí)控制等。智能控制是一門交叉學(xué)科，是人工智能和自動控制相結(jié)合的新技術(shù)。智能控制的發(fā)展過程智能控制的主要方法專家系統(tǒng)和專家控制模糊控制神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制學(xué)習(xí)控制智能控制系統(tǒng)的構(gòu)成原理其典型的原理結(jié)構(gòu)可由六部分組成：執(zhí)行器、傳感器、感知信息處理、規(guī)劃與控制、認知、通訊交互接口，智能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖4-2所示。智能控制系統(tǒng)特點如下：傳感技術(shù)傳感器概述1.定義：能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置。通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。2.組成：（1）敏感元件：直接感受被測量，并輸出與被測量成確定關(guān)系的某一物理量的元件。

（2）轉(zhuǎn)換元件：以敏感元件的輸出為輸入，把輸入轉(zhuǎn)換成電路參數(shù)。

（3）接口電路：上述電路參數(shù)接入接口電路，便可轉(zhuǎn)換成電量輸出。分類：（1）物理傳感器利用某些變換元件的物理性質(zhì)以及某些功能材料的特殊物理性能制成的傳感器，它又可以分為物性型傳感器和結(jié)構(gòu)型傳感器。例如，熱電偶制成的溫度傳感器。例如，石油天然氣地震勘探中的檢波器，屬于磁電式傳感器。

（2）化學(xué)傳感器利用敏感材料與物質(zhì)間的電化學(xué)反應(yīng)原理，把無機和有機化學(xué)成分、濃度等轉(zhuǎn)換成電信號的傳感器。例如，氣體傳感器、濕度傳感器等。

（3）生物傳感器利用材料的生物效應(yīng)構(gòu)成的傳感器。例如，酶傳感器、微生物傳感器、組織傳感器、免疫傳感器等。自動測控系統(tǒng)（1）開環(huán)系統(tǒng)閉環(huán)系統(tǒng)二、各種傳感器

（1）溫度傳感器：溫度是表征物體冷熱程度的物理量。溫度不能直接測量，而是借助于某種物體的某種物理參數(shù)隨溫度冷熱不同而明顯變化的特性進行間接測量。進行間接溫度測量使用的溫度傳感器，通常是由感溫元件部分和溫度顯示部分組成。（2）力傳感器及霍爾傳感器力的測量需要通過力傳感器間接完成，力傳感器是將各種力學(xué)量轉(zhuǎn)換為電信號的器件。彈性敏感元件把力或壓力轉(zhuǎn)換成了應(yīng)變或位移，然后再由傳感器將應(yīng)變或位移轉(zhuǎn)換成電信號。（3）光電傳感器

光照射于某一物體上，使電子從這些物體表面逸出的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)，也稱光電發(fā)射。逸出來的電子稱為光電子。在光線作用下，物體產(chǎn)生一定方向電動勢的現(xiàn)象稱為光生伏打效應(yīng)。具有該效應(yīng)的材料有硅、硒、氧化亞銅、硫化鎘、砷化鎵等。常用光電器件有光電管、光電倍增管、光敏電阻、光敏二極管、光敏晶體管、光電池及光耦合器件等。（4）位置傳感器常用的有：位置光柵、磁柵、碼盤式傳感器（5）智能傳感器第三節(jié)可編程控制技術(shù)一、智能控制器1.智能控制器的類型和特點（1）基于PC的控制系統(tǒng)工業(yè)控制計算機加工業(yè)I/O接口板（2）基于MCU的控制系統(tǒng)單片機、嵌入式處理器、數(shù)字信號處理器（DSP）（3）基于PLC的控制系統(tǒng)順序控制（4）其他控制系統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)（NCS）、集散控制系統(tǒng)(DCS)、現(xiàn)場總線系統(tǒng)（FCS等。2.主要流程PLC定義：是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)。它采用可編程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作指令，并通過數(shù)字式或模擬式的輸入與輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。PLC的基本結(jié)構(gòu)PLC工作原理循環(huán)掃描的工作方式一個掃描周期中與用戶有關(guān)的三階段西門子S7-1200PLC硬件介紹S7-1200PLC是西門子公司推出的一款新型PLC，主要面向簡單而高精度的自動化任務(wù)，定位于低端的離散自動化系統(tǒng)和獨立自動化系統(tǒng)使用的小型控制模塊。S7-1200的硬件結(jié)構(gòu)S7-1200由CPU、信號板、信號模塊、通信模塊、存儲卡、電源模塊等部分組成。2.TIA博途使用入門與硬件組態(tài)（1）TIA博途簡介TIA博途是西門子自動化的全新工程設(shè)計軟件平臺。SIMATICSTEP7Basic是西門子公司開發(fā)的高集成度工程組態(tài)系統(tǒng)，SIMATICWinccBasic是面向任務(wù)的HMI智能組態(tài)軟件。TIAPortal可用來幫助創(chuàng)建自動化系統(tǒng)，關(guān)鍵的組態(tài)步驟為：創(chuàng)建項目→配置硬件→聯(lián)網(wǎng)設(shè)備→對PLC編程→組態(tài)可視化→加載組態(tài)數(shù)據(jù)→使用在線和診斷功能。（2）項目試圖的結(jié)構(gòu)（3）創(chuàng)建新項目與硬件組態(tài)（4）參數(shù)設(shè)置五、程序設(shè)計基礎(chǔ)1.S7-1200的編程語言2.用戶程序結(jié)構(gòu)S7編程采用塊（BLOCK）的概念，即將程序分解為獨立的、自成體系的各個部件，塊類似子程序的功能，但類型更多功能更強大。在工業(yè)控制中，程序往往是非常龐大和復(fù)雜的，采用塊的概念便于大規(guī)模程序的設(shè)計和理解，可以設(shè)計標準化的塊程序進行重復(fù)調(diào)用，程序結(jié)構(gòu)清晰明了，修改方便，調(diào)試簡單。采用塊結(jié)構(gòu)顯著地增加了PLC程序的組織透明性、可理解性和易維護性。用戶塊包括組織塊、功能塊、功能和數(shù)據(jù)塊。系統(tǒng)存儲區(qū)4.基本數(shù)據(jù)類型5.尋址6..編程方法六、指令系統(tǒng)S7-1200的指令從功能上大致可分為三類：基本指令、擴展指令和全局庫指令?；局噶畎ㄎ贿壿嬛噶?、定時器、計數(shù)器、比較指令、數(shù)學(xué)指令、移動指令、轉(zhuǎn)換指令、程序控制指令、邏輯運算指令以及移位和循環(huán)移位指令等。擴展指令包括日期和時間指令、字符串和字符指令、序控制指令、通信指令、中斷指令、PID控制指令、運動控制指令、脈沖指令等。全局庫指令有USS協(xié)議庫指令、Modbus協(xié)議庫指令等。限于篇幅我們只簡單介紹位邏輯指令和定時器、計數(shù)器指令。用STEP7Basic生成用戶程序完成程序的調(diào)試1.用STEP7Basic對電氣控制系統(tǒng)設(shè)計的步驟2.用STEP7Basic生成用戶程序的方法第四節(jié)、變頻調(diào)速控制技術(shù)一、通用變頻器基本組成1、變頻器的分類從結(jié)構(gòu)上變頻器可分為直接變頻和間接變頻。直接變頻器將工頻交流電一次變換為可控電壓、頻率的交流電，沒有中間直流環(huán)節(jié)，也稱為交－交變頻器。交—交變頻器連續(xù)可調(diào)的頻率范圍較窄，主要用于大容量、低速場合。2.變頻器的結(jié)構(gòu)

通用變頻器的變化環(huán)節(jié)大多采用交—直—交變頻變壓方式。交—直—交變頻器是先把工頻交流電通過整流器變成直流電，然后再把直流電逆變成頻率和電壓連續(xù)可調(diào)的交流電。它由主電路、控制電路、輸入輸出接線端子和操作面板組成。通用變頻器的控制電路框圖如圖4-74所示，主要由主控板、鍵盤與顯示板、電源板與驅(qū)動板、外接控制電路等構(gòu)成。二、變頻器的主要功能通用變頻器的主要功能除了保證自身的基本控制功能外，其他大多數(shù)功能則是根據(jù)變頻器傳動系統(tǒng)的需要而設(shè)計的。其主要功能見表4-8所示三、變頻器的認識、拆裝與接線1.變頻器的組成部件2.熟悉面板顯示及各按鍵功能3.通用變頻器的銘牌4．變頻器的接線5、變頻器的拆裝四、變頻器的基本功能操作1.參數(shù)設(shè)定方法及功能單元操作2.基本功能操作3.參數(shù)設(shè)定方法按[MODE]鍵改變監(jiān)示顯示，使顯示器顯示為“參數(shù)設(shè)定模式”。按鍵改變參數(shù)號，使參數(shù)號為79。按[SET]鍵顯示參數(shù)。按鍵更改參數(shù)，將參數(shù)改為1。按住[SET]鍵1.5s,寫入設(shè)定。如果此時顯示器交替顯示參數(shù)號Pr.79和參數(shù)1，則表示參數(shù)設(shè)定成功。否則設(shè)定失敗，須重新設(shè)定。設(shè)置步驟如圖4-91所示。五、PLC與變頻器的連接PLC與變頻器的連接常用3種連接方法。1.利用PLC的模擬量輸出模塊控制變頻器2.PLC通過RS—485通信接口控制變頻器3.利用PLC的開關(guān)量輸入、輸出模塊控制變頻器第五節(jié)工業(yè)人機界面工業(yè)人機界面(IndustrialHuman-machineInterface或簡稱IndustrialHMI)是一種帶微處理器的智能終端，是智能控制系統(tǒng)中的人機交互設(shè)備。一般用于工業(yè)場合，連接可編程序控制器（PLC）、變頻器、直流調(diào)速器、儀表等工業(yè)控制設(shè)備，利用顯示屏顯示，通過輸入單元（如觸摸屏、鍵盤、鼠標等）寫入工作參數(shù)或輸入操作命令，實現(xiàn)人和機器之間的信息交互，包括文字或圖形顯示以及輸入等功能。一、人機界面（HMI）產(chǎn)品的組成及工作原理人機界面產(chǎn)品由硬件和軟件兩部分組成，硬件部分包括處理器、顯示單元、輸入單元、通訊接口、數(shù)據(jù)存貯單元等，其中處理器的性能決定了HMI產(chǎn)品的性能高低，是HMI的核心單元。根據(jù)HMI的產(chǎn)品等級不同，處理器可分別選用8位、16位、32位的處理器。HMI軟件一般分為兩部分，即運行于HMI硬件中的系統(tǒng)軟件和運行于PC機Windows操作系統(tǒng)下的畫面組態(tài)軟件（如JB－HMI畫面組態(tài)軟件）。使用者都必須先使用HMI的畫面組態(tài)軟件制作“工程文件”，再通過PC機和HMI產(chǎn)品的串行通訊口，把編制好的“工程文件”下載到HMI的處理器中運行。3.人機界面產(chǎn)品的基本功能（1）設(shè)備工作狀態(tài)顯示，如指示燈、按鈕、文字、圖形、曲線等；（2）數(shù)據(jù)、文字輸入操作，打印輸出；（3）生產(chǎn)配方存儲，設(shè)備生產(chǎn)數(shù)據(jù)記錄；（4）簡單的邏輯和數(shù)值運算；（5）可連接多種工業(yè)控制設(shè)備組網(wǎng)。二、工業(yè)人機界面的分類根據(jù)功能的不同，工業(yè)人機界面習(xí)慣上被分為文本顯示器、觸摸屏人機界面和平板電腦三大類三、人機界面產(chǎn)品的基本功能及選型指標1.基本功能：（1）設(shè)備工作狀態(tài)顯示，如指示燈、按鈕、文字、圖形、曲線等；（2）數(shù)據(jù)、文字輸入操作，打印輸出；（3）生產(chǎn)配方存儲，設(shè)備生產(chǎn)數(shù)據(jù)記錄；（4）簡單的邏輯和數(shù)值運算；（5）可連接多種工業(yè)控制設(shè)備組網(wǎng)。2.選型指標：（1）顯示屏尺寸及色彩，分辨率；（2）HMI的處理器速度性能；（3）輸入方式：觸摸屏或薄膜鍵盤；（4）畫面存貯容量，注意廠商標注的容量單位是字節(jié)（byte）、還是位（bit）；（5）通訊口種類及數(shù)量，是否支持打印功能。四、人機界面組態(tài)軟件的設(shè)計1.界面風(fēng)格的設(shè)計2．系統(tǒng)界面布局分析3．打開界面的結(jié)構(gòu)體系4．文字的應(yīng)用5.色彩的選擇6.圖形和圖標的使用五、人機界面的使用方法（1）明確監(jiān)控任務(wù)要求，選擇適合的HMI產(chǎn)品；（2）在PC機上用畫面組態(tài)軟件編輯“工程文件”；（3）測試并保存已編輯好的“工程文件”；（4）PC機連接HMI硬件，下載“工程文件”到HMI中；（5）連接HMI和工業(yè)控制器（如PLC、儀表等），實現(xiàn)人機交互。六、三菱F940GOT觸摸屏1．三菱F940GOT的性能2.觸摸屏的基本操作模式和主要功能3.觸摸屏的基本工作模式及與計算機、PLC的連接4.繪制用戶畫面軟件GT—Designer2簡介和使用第六節(jié)組態(tài)監(jiān)控技術(shù)一、組態(tài)監(jiān)控軟件概述1.組態(tài)監(jiān)控軟件定義：組態(tài)監(jiān)控軟件譯自英文SCADA,即SupervisoryControlandDataAcquisition（數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制）。它是指一些數(shù)據(jù)采集與過程控制的專用軟件。它們處在自動控制系統(tǒng)監(jiān)控層一級的軟件平臺和開發(fā)環(huán)境，使用靈活的組態(tài)方式，為用戶提供快速構(gòu)建工業(yè)自動控制系統(tǒng)監(jiān)控功能的、通用層次的軟件工具。工業(yè)計算機控制系統(tǒng)通?？梢苑譃樵O(shè)備層、控制層、監(jiān)控層、管理層四個層次結(jié)構(gòu)，如圖4-124所示1.組態(tài)（Configuration）為模塊化任意組合2.常用功能：組態(tài)軟件通常有以下幾方面的功能

（1）強大的界面顯示組態(tài)功能。

（2）良好的開放性。

(3)豐富的功能模塊。

（4）強大的數(shù)據(jù)庫。

（5）可編程的命令語言。

（6）周密的系統(tǒng)安全防范。

（7）仿真功能.3.組態(tài)軟件的使用例如：現(xiàn)場有一個儀表數(shù)據(jù)需要在微機上顯示出來，硬件已連接，將現(xiàn)場溫度儀表信號連接至工控機的示意圖如圖4-125所示在組態(tài)軟件中只要做三步簡單的操作：第一步建立一個過程連接到儀表數(shù)據(jù)的PLC；第二步定義一個變量到該過程連接；第三步建立一個顯示域顯示該連接的變量數(shù)據(jù)。存盤后進入運行系統(tǒng)，就會在工控機屏幕上看到儀表數(shù)據(jù)看到。4.當(dāng)前的組態(tài)軟件二、力控組態(tài)軟件1.力控組態(tài)軟件的結(jié)構(gòu)2.系統(tǒng)要求3.使用組態(tài)軟件的一般步驟⑴將開發(fā)的工業(yè)控制項目中所有I/O點的參數(shù)收集齊全，并填寫表格。⑵搞清楚所使用的I/O設(shè)備的生產(chǎn)商、種類、型號，使用的通訊接口類型、采用的通訊協(xié)議，以便在定義I/O設(shè)備時做出準確選擇設(shè)備包括PLC、板卡、模塊、智能儀表等等。⑶將所有I/O點的I/O標識收集齊全，并填寫表格，I/O標識是唯一地確定一個I/O點的關(guān)鍵字，組態(tài)軟件通過向I/O設(shè)備發(fā)出I/O標識來請求其對應(yīng)的數(shù)據(jù)。在大多數(shù)情況下I/O標識是I/O點的地址或位號名稱。⑷根據(jù)工藝過程繪制、設(shè)計畫面結(jié)構(gòu)和畫面草圖。⑸按照第1步統(tǒng)計出的表格，建立實時數(shù)據(jù)庫，正確組態(tài)各種變量參數(shù)。⑹根據(jù)第1步和第3步的統(tǒng)計結(jié)果，在實時數(shù)據(jù)庫中建立實時數(shù)據(jù)庫變量與I/O點的一一對應(yīng)關(guān)系，即定義數(shù)據(jù)連接。⑺根據(jù)第4步的畫面結(jié)構(gòu)和畫面草圖，組態(tài)每一幅靜態(tài)的操作畫面（主要是繪圖）。⑻將操作畫面中的圖形對象與實時數(shù)據(jù)庫變量建立動畫連接關(guān)系，