工业控制计算机教学课件

工业控制计算机教学课件第一章工业控制计算机概述定义与核心作用核心应用领域发展趋势展望工业控制计算机是专为工业环境设计的计算广泛应用于制造业、石油化工、电力能源、机系统，具备高可靠性、强抗干扰能力和长水处理、交通运输、建筑智能化等领域从期稳定运行的特点它们是现代自动化生产汽车生产线的机器人控制到智能电网的能源线的大脑，负责数据采集、处理分析、控管理，都离不开工业控制计算机的精确控制制决策和设备协调等关键任务工业控制系统分类（可编程逻辑控制器）PLC1专为工业环境设计的数字运算电子系统，采用可编程存储器存储指令，具有逻辑运算、顺序控制、定时、计数等功能适用于单机和小型自动化系统，具有编程简单、可靠性高、成本低廉的优点（分布式控制系统）DCS2集4C（Communication、Computer、Control、CRT）技术于一体的监控技术，采用分散控制、集中管理的设计理念主要用于大型连续生产过程，如石化、电力等行业，具有高可靠性和强大的工程配置能力（监控与数据采集系统）SCADA工业控制系统架构系统组成要素数据流向分析控制层PLC、DCS等核心控制设备现场传感器将物理信号转换为电信号，通过输入模块传送给PLC进行逻辑运算和传感层各类传感器采集现场数据控制决策控制指令通过输出模块驱动执行层电机、阀门等执行设备执行器动作，同时将运行状态和数据上监控层HMI、SCADA上位机系统传至监控系统，形成完整的闭环控制回路第二章基础知识PLC中央处理单元存储器系统CPUPLC的核心部件，负责执行用户程序、处理数包括程序存储器和数据存储器，用于存储系统据、控制整个系统的运行现代CPU集成了程序、用户程序和各种数据采用非易失性存丰富的指令集和强大的运算能力，支持复杂的储技术，确保断电后程序和重要数据不丢失控制算法和通信功能输入输出模块电源模块I/O模块是PLC与现场设备连接的桥梁，将现为整个PLC系统提供稳定可靠的电源供应，具场的各种信号转换为PLC能够识别的数字信号，备过载保护、短路保护等功能工业级电源模并将控制指令转换为现场设备所需的信号格式块能够适应恶劣的工业环境条件常见PLC品牌包括西门子S7系列、三菱FX系列、欧姆龙CP系列、施耐德Modicon系列等，每个品牌都有其独特的技术特点和应用优势，在全球工业自动化领域占据重要地位输入输出模块详解PLC数字量输入输出模拟量输入输出通讯接口与扩展模块数字量I/O模块处理开关信号，输入模块接收按模拟量I/O模块处理连续变化的信号，如温度、通讯模块实现PLC与其他设备或系统的数据交换，钮、开关、传感器等设备的开关状态信号，输出压力、流量、液位等参数输入模块将4-20mA、支持Ethernet、Profibus、DeviceNet等多种工模块控制指示灯、继电器、电磁阀等设备的通断0-10V等标准信号转换为数字量，输出模块将数业总线协议扩展模块增加系统的I/O点数和功具有光电隔离功能，提高系统抗干扰能力字量转换为模拟信号控制变频器、调节阀等设备能，满足大型控制系统的需求编程语言简介PLC01梯形图（）Ladder Diagram最常用的PLC编程语言，类似于电气控制电路图使用触点、线圈等图形符号，直观易懂，便于电气工程师理解和应用适合逻辑控制和顺序控制程序的编写02功能块图（）Function BlockDiagram采用功能块的形式描述控制逻辑，每个功能块代表一个特定的功能块与块之间通过连线传递数据，适合复杂运算和闭环控制算法的实现03IEC61131-3标准定义了五种PLC编程语言，除了上述三种，还包结构化文本（）括指令表（IL）和顺序功能图（SFC），为不同应用需求提供了Structured Text丰富的编程选择高级编程语言，类似于Pascal语言，支持复杂的数据处理和算法实现适用于数学运算、字符串处理、复杂逻辑判断等高级应用场景梯形图编程示例简单启动停止控制电路分析控制逻辑说明这是最基本的PLC控制电路示例，展示了如何使用按下启动按钮，电机开始运行梯形图实现电机的启动和停止控制电路包含启动并自保持按下停止按钮或出按钮、停止按钮、电机运行指示灯等基本元件现故障时，电机停止运行这种自保持电路是工业控制中最基础也是最重要的控制逻辑之I

0.0-启动按钮（常开触点）一I

0.1-停止按钮（常闭触点）Q

0.0-电机控制输出Q

0.1-运行指示灯第三章编程实操PLC梯形图编程基础技能掌握基本指令的使用，包括常开常闭触点、输出线圈、上升沿下降沿检测等理解扫描周期概念，学会合理安排程序结构熟练使用编程软件的各项功能，包括在线调试、程序下载、监控等操作定时器与计数器应用定时器用于实现延时控制，如设备启动延时、报警延时等计数器用于计数控制，如产品计数、脉冲计数等掌握不同类型定时器和计数器的特点，学会在实际项目中灵活运用这些功能块顺序控制与寄存器顺序控制用于实现复杂的工艺流程控制，通过步进顺控或状态转移实现寄存器用于数据存储和处理，包括数据寄存器、特殊寄存器等掌握数据处理指令，实现复杂的控制算法程序调试与故障排除PLC常见故障类型及诊断硬件故障I/O模块损坏、电源故障、通讯中断等通过LED指示灯状态、错误代码分析、模块替换等方法进行诊断软件故障程序逻辑错误、参数设置错误、地址分配冲突等使用在线监控功能，查看变量状态，分析程序执行流程外部设备故障调试技巧与工具传感器损坏、执行器失效、接线松动等通过强制I/O、信号追踪等利用编程软件的在线监控功能，实时查看程序执行状态和变量值变化方法定位故障点使用强制功能测试输出设备，通过断点设置分析程序逻辑建立完善的故障记录和维护档案第四章工业现场设备与接口传感器技术与应用执行器控制技术现场总线通讯工业现场使用各种类型传感器采集温度、压力、执行器将控制指令转换为物理动作，包括电机、现场总线实现设备间的数字化通讯，提高系统集流量、液位、位置等参数包括热电偶、热电阻、气动执行机构、电动调节阀等不同类型执行器成度和可靠性主要包括Profibus、DeviceNet、压力变送器、电磁流量计、超声波液位计等了需要相应的驱动器和控制方式，如变频器控制电Modbus、CAN总线等每种总线都有其特定的解传感器工作原理、技术参数和信号处理方法是机、定位器控制调节阀等掌握执行器的选型、应用领域和技术特点，学会选择合适的总线技术系统集成的基础安装和调试方法对系统设计至关重要工业网络基础DeviceNet网络结构特点设备识别与配置•基于CAN总线技术，具有高可每个DeviceNet设备都有唯一的厂商ID和产靠性品代码，通过电子数据表（EDS文件）描述设备功能和参数网络配置软件可以自动识别设•支持主站/从站和对等通讯模式备并进行参数设置•最大传输距离500米，速率125k-500kbps配置要点正确设置网络速率、节•支持最多64个节点设备点地址，确保总线阻抗匹配，合理•采用开放式网络协议标准规划网络拓扑结构通信原理DeviceNet采用生产者/消费者通讯模型，设备可以主动发布数据或订阅其他设备的数据支持循环I/O、显式报文、状态变化等多种通讯方式网络拓扑DeviceNetDeviceNet网络支持总线型、星型和树型拓扑结构总线型是最常用的连接方式，所有设备连接在同一条主干电缆上网络两端必须安装120Ω终端电阻以确保信号完整性支线长度受到严格限制，需要根据网络速率和设备数量合理规划500m64500kbps最大传输距离最大节点数最高通讯速率在125kbps速率下的总线长单个网络支持的设备数量网络数据传输速度度24V电源电压标准直流供电电压第五章工业自动化系统集成计算机集成制造系统（）核心理念CIMCIM将企业的各个制造环节通过计算机网络有机集成，实现从产品设计、工艺规划、生产制造到质量控制的全过程自动化管理系统包括CAD/CAM、CAPP、MRP、车间级控制等多个子系统，通过统一的数据库和通讯网络实现信息共享产品设计CAD系统完成产品建模和工程图绘制，生成制造所需的技术文件工艺规划CAPP系统制定加工工艺路线，优化制造流程和资源配置生产计划MRP系统安排生产计划，协调物料供应和生产进度质量管理集成质量检测设备，实现产品质量的实时监控和追溯制造执行系统OpenMES系统核心功能模块1订单管理与调度接收ERP系统的生产订单，将其分解为具体的作业指令，合理安排生产资源和时间2流程定义与执行定义标准作业程序，指导操作人员按照规范流程进行生产操作3实时数据采集收集设备运行状态、工艺参数、质量数据等信息，建立完整的生产数据库4生产优化分析通过数据分析找出生产瓶颈，优化工艺参数，提高整体生产效率柔性制造系统与机器人应用系统架构与特点FMS柔性制造系统是具有自动化程度高、柔性好的制造系统，能够实现多品种、中小批量产品的高效生产系统由数控机床、工业机器人、自动化物流系统、计算机控制系统等组成，通过先进的控制技术实现设备间的协调配合物料准备1自动化立体仓库准备原材料和工件，AGV小车负责物料运输2机器人上料六轴工业机器人精确抓取工件，送入CNC机床进行加工数控加工3CNC机床按照程序自动完成铣削、钻孔、攻丝等加工工序4质量检测三坐标测量机自动检测产品尺寸，确保加工质量符合要求成品入库5合格产品自动包装并送入成品库，实现无人化生产第六章与系统HMI SCADA人机界面设计原则01数据采集直观性界面布局清晰，操作逻辑符合用户习惯一致性统一的色彩搭配、字体样式和交互方式实时采集现场设备的运行参数、状态信息安全性重要操作需要确认，设置操作权限等级02响应性快速响应用户操作，及时反馈系统状态数据处理SCADA系统核心架构对采集的数据进行滤波、标定、越限检查SCADA系统采用分层分布式架构，包括现场控制层、通讯网络层、监控管理层通过RTU/PLC采集现场数据，通过工业以太网或无线网络传输至监控中心，实现远程监控和控制03图形显示以图形化方式展示系统运行状态04报警管理及时提醒操作员异常情况05历史存储建立完整的历史数据库界面设计案例展示HMI交互式控制面板设计要点现代HMI界面注重用户体验和视觉效果，采用触摸屏操作方式，支持多点触控和手势操作界面设计要考虑操作环境的特殊性，如强光、灰尘、震动等因素色彩设计要符合工业标准，如红色表示故障、绿色表示正常、黄色表示警告等主画面设计操作画面趋势画面显示整个系统的概览信息，包括主要设备状态、提供设备控制功能，如启停按钮、参数设置、运以曲线图形式显示历史数据变化趋势，帮助操作关键参数、报警信息等设计要简洁明了，重点行模式切换等操作要安全可靠，防止误操作员分析设备运行规律，预测设备状态信息突出显示第七章工业通信协议与协议工业以太网Modbus RTUTCP/IP ProfinetModbus是应用最广泛的工业通讯协Profinet是西门子推出的基于以太网议之一，具有简单易用、开放性强的的现场总线标准，具有实时性强、诊特点Modbus RTU采用串行通讯方断功能丰富的特点支持RT（Real式，适用于现场设备连接Modbus Time）和IRT（Isochronous RealTCP/IP基于以太网，支持更高速度和Time）通讯模式，满足不同应用对实更远距离的通讯，广泛应用于工厂自时性的要求广泛应用于运动控制和动化系统高速数据交换场合统一架构OPC UAOPCUA是下一代工业通讯标准，具有平台无关、安全性高、语义丰富的特点采用服务导向架构，支持发布/订阅和客户端/服务器两种通讯模式提供强大的安全机制和信息模型，是工业

4.0的重要使能技术第八章现代工业控制发展趋势人工智能应用工业物联网IIoT机器学习算法用于预测性维护、质量预测、工艺通过传感器、RFID、无线通讯等技术，实现设备、优化等，提高生产效率和产品质量产品、人员的全面互联，构建智能化的生产环境云计算平台工业云平台提供弹性计算资源，支持大数据分析、远程监控、协同设计等应用数字孪生边缘计算建立物理系统的数字化镜像，实现仿真分析、预测维护、优化设计等功能在靠近数据源的网络边缘进行数据处理，降低网络延迟，提高响应速度工业控制安全与防护网络隔离1建立多层网络防护体系，使用防火墙、DMZ区域隔离工业网络身份认证2实施严格的用户身份验证和授权管理，限制系统访问权限数据加密3对关键数据进行加密存储和传输，防止数据泄露和篡改冗余备份网络安全威胁分析4设置热备系统和数据备份，确保系统故障时能快速恢复随着工业系统网络化程度提高，面临着越来越多的网络安全威胁包括恶意软件感染、未授权访问、数据泄露、系统破坏等风险工业控制系统的安全漏洞可能导致生产停安全监控止、设备损坏、人身安全事故等严重后果5部署入侵检测系统，实时监控网络异常行为第九章案例分析与实训项目工业泵站控制系统设计以某化工厂循环水泵站为例，系统包括3台离心泵、进出口阀门、压力传感器、流量计、液位计等设备要求实现自动启停控制、压力恒定控制、故障报警和数据采集功能通过这个典型案例，学习完整的工业控制系统设计流程需求分析分析工艺要求，确定控制策略和系统配置方案硬件设计选择PLC型号，设计I/O配置和接线方案软件编程编写控制程序，实现各项控制功能调试测试进行系统集成测试，验证控制效果投运维护系统投入运行，建立维护保养制度实训项目三台工业泵控制PLC系统设计要求控制逻辑设计•3台泵轮换运行，延长设备寿命采用压力闭环控制策略，当系统压力低于设定值时启动水泵，高于设定值时停止水泵通过PID控制算法维持压力稳定，根据压力偏差大小自动调节运行泵的数量•根据用水量自动调节运行泵数量•出现故障时自动切换备用泵•压力超限时自动报警保护•记录运行时间和故障信息

1.2MPa30s安全要点确保电机保护、过载保护、紧急停车等安全功能正常工作设定压力延时启动系统正常工作压力泵启动间隔时间8h轮换周期主备泵切换间隔实训项目机器人与协同加工CNC系统集成设计方案该项目实现6轴工业机器人与CNC数控车床的协同工作，机器人负责自动上下料，CNC负责精密加工通过PLC统一协调，实现无人化生产重点学习多设备协调控制、安全联锁设计、通讯协议配置等关键技术工件识别1视觉系统识别工件位置和方向，引导机器人准确抓取2机器人上料机器人将工件精确放置到CNC卡盘中，确保装夹可靠数控加工3CNC按照加工程序自动完成车削、钻孔等工序4质量检测在线测量系统检测关键尺寸，确保加工质量机器人下料5加工完成后机器人取出工件，放置到指定位置第十章教学资源与工具介绍集成开发环境开发平台虚拟仿真平台TIA PortalCodesys西门子TIA Portal是业界领先的自动化工程平台，Codesys是符合IEC61131-3标准的开放式PLC编虚拟仿真软件提供逼真的工业现场环境，学员可以集成了PLC编程、HMI组态、驱动器配置等功能程平台，支持多种硬件平台提供完整的编程、调在安全的虚拟环境中进行操作训练支持3D可视提供直观的编程界面和强大的调试工具，支持多种试、仿真功能，具有强大的库管理和版本控制能力化、物理仿真、故障模拟等功能，是理论联系实际编程语言，是学习和应用西门子自动化产品的必备广泛应用于教学和研发领域的重要桥梁工具教学辅助工具展示实训设备配置现代工业控制教学需要理论与实践相结合，配备完善的实训设备是提高教学质量的关键实训室配备了多种品牌的PLC、触摸屏、变频器、传感器等设备，以及各种工业对象模型基础实训台包含PLC主机、扩展模块、开关按钮、指示灯等基本元件工艺对象模型如传送带、机械手、电梯等典型工业过程的缩比模型网络通讯设备工业以太网交换机、通讯模块、协议转换器等未来展望工业控制计算机发展方向与机器学习融合AI人工智能技术与工业控制深度融合，实现自学习、自优化的智能控制系统通过机器学习算法不断优化控制策略，提高系统性能边缘计算普及应用边缘计算设备部署在生产现场，实现数据的本地处理和分析，降低网络延迟，提高系统实时性和可靠性绿色制造与节能工业控制系统更加注重能源效率和环境保护，通过优化控制算法和设备配置，实现绿色制造和可持续发展无线通讯5G5G技术为工业应用带来超低延迟、高可靠性的无线连接，支持更加灵活的生产布局和移动设备应用课程知识体系总结基础理论实践技能工业控制系统原理、PLC基础知识、编程语言、编程调试、系统集成、故障诊断、设备维护等通讯协议等核心理论实际操作能力创新思维系统集成新技术应用、系统优化、问题解决、持续改进多设备协调、网络配置、HMI设计、SCADA的工程思维应用等综合技能理论与实践并重，技能与思维同步互动问答环节常见问题与解答初学者应该选择哪种品梯形图和其他编程语言有什么Q:PLC Q:牌？区别？建议从西门子S7-200SMART或三菱FX5U梯形图直观易懂，适合逻辑控制；功能块图开始学习，这些产品编程软件友好，资料丰适合复杂运算；结构化文本适合算法实现富，适合入门学习掌握一种品牌后，其他实际项目中往往混合使用多种语言，发挥各品牌的学习会相对容易自优势如何提高工业控制系统的可靠性？Q:从硬件选型、软件设计、安装调试、运行维护等多方面入手选择可靠的产品，设计冗余方案，规范施工，定期维护，建立完善的故障处理流程感谢您的参与学习持续学习支持技术交流合作我们将持续更新课程内容，为学员提供建立学习交流群，促进学员间的技术交最新的技术资料和实践案例欢迎关注流与合作定期组织技术研讨会和实地我们的在线学习平台，获取更多学习资考察活动，拓展视野，提升能力源工业控制技术·推动智能制造未来。