1、Modern Control Engineering第第 2 章章 物联网控制器物联网控制器教材：教材：王万良，物联网控制技术，高等教育出版社，王万良，物联网控制技术，高等教育出版社，20162o 控制器是物联网控制系统的核心。本章从物联网应用角度介绍物联网控制系统中常用的控制器的基本内容，主要介绍可编程控制器、集散控制系统。由于单片机、嵌入式控制器已有专门课程介绍，本章就不再介绍。第2章 物联网控制器物联网控制器3第2章 物联网控制器o 2.1 物联网控制器概述物联网控制器概述o 2.2 PLC及其功能与特点及其功能与特点o 2.3 PLC的组成与工作原理的组成与工作原理o 2.4 PLC的
2、编程语言的编程语言o 2.5 PLC应用举例应用举例o 2.6 集散控制系统集散控制系统o 2.7集散控制系统的组态集散控制系统的组态42.1物联网控制器概述物联网控制器概述o在物联网系统中，控制器作为智能控制终端，与传感器、无线网络、在物联网系统中，控制器作为智能控制终端，与传感器、无线网络、RFID等新型技术相互结合进行信息的交换和通信，从而实现对物体的等新型技术相互结合进行信息的交换和通信，从而实现对物体的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理并实现物与物、物与人、物品与智能化识别、定位、跟踪、监控和管理并实现物与物、物与人、物品与网络的连接方便了对物体的识别、管理和控制。网络的连接方便了对
3、物体的识别、管理和控制。o根据物联网系统的规模可以选择不同的控制器。常用的有根据物联网系统的规模可以选择不同的控制器。常用的有单片机、可编单片机、可编程控制器、工业程控制器、工业PC、集散控制系统、嵌入式控制器、集散控制系统、嵌入式控制器等。等。o可编程逻辑控制器可编程逻辑控制器(PLC)是专为在工业环境下使用而设计的一种数字运是专为在工业环境下使用而设计的一种数字运算操作电子装置，带有存储器、可以编制程序的控制器，已成为代替继算操作电子装置，带有存储器、可以编制程序的控制器，已成为代替继电器实现逻辑控制的主流控制技术，是物联网中工业控制应用的核心部电器实现逻辑控制的主流控制技术，是物联网中工
4、业控制应用的核心部分。分。5o2.2 PLC及其功能与特点 可编程逻辑控制器可编程逻辑控制器(programmable logic controller，PLC)又称可编程又称可编程控制器，是一种有效的工业控制装置，它已经从单一的开关量控制发展控制器，是一种有效的工业控制装置，它已经从单一的开关量控制发展到具有顺序控制、模拟量控制、连续到具有顺序控制、模拟量控制、连续PID控制等多种功能；从小型整体结控制等多种功能；从小型整体结构发展到大中型模块结构；从独立的单台运行发展到数台连成构发展到大中型模块结构；从独立的单台运行发展到数台连成PLC网络网络。6o2.2.1 PLC的功能 PLC的基本功
5、能包括：的基本功能包括：多种控制功能多种控制功能（包括逻辑、定时、计数、顺序控制等）。（包括逻辑、定时、计数、顺序控制等）。输入输出接口功能输入输出接口功能（包括开关量输入输出，模拟量输入输出）。（包括开关量输入输出，模拟量输入输出）。数据存储与处理功能数据存储与处理功能（包括辅助继电器，状态继电器，延时继电器，锁（包括辅助继电器，状态继电器，延时继电器，锁存继电器，主控继电器，定时器，计数器，移位寄存器，鼓形控制器，跳存继电器，主控继电器，定时器，计数器，移位寄存器，鼓形控制器，跳转和强制转和强制I/O等，其指令系统日趋丰富，不仅具有逻辑运算、算术运算等等，其指令系统日趋丰富，不仅具有逻辑运
6、算、算术运算等基本功能，而且能以双倍精度或浮点形式完成代数运算和矩阵运算）。基本功能，而且能以双倍精度或浮点形式完成代数运算和矩阵运算）。通信联网功能通信联网功能（包括通信联网、成组数据传送等）。（包括通信联网、成组数据传送等）。其他扩展功能其他扩展功能（包括（包括PID闭环回路控制、排序查表、中断控制及特殊功闭环回路控制、排序查表、中断控制及特殊功能函数运算、多级制机制、智能能函数运算、多级制机制、智能I/0、过程监视、远程、过程监视、远程I/O、多处理器和高、多处理器和高速数据处理能力等）。速数据处理能力等）。7o2.2.2 PLC的特点 PLC在工业界得到越来越多的应用，具有以下特点：在
7、工业界得到越来越多的应用，具有以下特点：（1）多功能多功能 控制、输入输出接口、数据存储与处理、通信联网、多种扩展控制、输入输出接口、数据存储与处理、通信联网、多种扩展（2）应用灵活应用灵活 积木硬件结构和模块化的软件设计，适应大小不同、功能繁复的控制积木硬件结构和模块化的软件设计，适应大小不同、功能繁复的控制要求，适应各种工艺流程变化较多的场合。要求，适应各种工艺流程变化较多的场合。安装和现场接线简单，逻辑、控制功能是通过软件完成，整个设计、安装和现场接线简单，逻辑、控制功能是通过软件完成，整个设计、生产、调试周期，研制费相对生产、调试周期，研制费相对较少较少。（3）操作维修方便，稳定可靠操
8、作维修方便，稳定可靠具有具有耐热、防潮、抗振等性能，平均无故障时间可达耐热、防潮、抗振等性能，平均无故障时间可达4万万-5万小时万小时（4）模块智能化、通信网络化模块智能化、通信网络化PLC专用专用I/O模块的智能化以及通信过程的网络化使得模块的智能化以及通信过程的网络化使得PLC从继电器控从继电器控制系统的替代物迅速转变为能够测试、质量管理、过程控制和其他领制系统的替代物迅速转变为能够测试、质量管理、过程控制和其他领域中应用的多用途控制器。域中应用的多用途控制器。2.3 PLC2.3 PLC的组成与工作原理的组成与工作原理PLC一般具有两种结构形式：整体式单元结构和模块化结构。一般具有两种结
9、构形式：整体式单元结构和模块化结构。图2.1 PLC的两种结构2.3 PLC2.3 PLC的组成与工作原理的组成与工作原理PLC系统的硬件结构框图如图系统的硬件结构框图如图2.2所示。所示。图2.2 PLC系统的硬件结构框图2.3 PLC2.3 PLC的组成与工作原理的组成与工作原理各模块的主要功能各模块的主要功能： CPU模块模块：PLC的核心部件的核心部件，逻辑判断、数值计算、数据处理、控制逻辑判断、数值计算、数据处理、控制命令命令等等 扩展存储器模块扩展存储器模块：增大系统的存储容量增大系统的存储容量 编程器编程器：编制、编辑、调试、控制用户程序的设备编制、编辑、调试、控制用户程序的设备
10、 电源模块电源模块：电源模块将交流电源转换成电源模块将交流电源转换成PLC所需要的直流电源所需要的直流电源 I/O模块模块： I/O模块包括数字模块包括数字UO模块和模拟模块和模拟1/0模块两类模块两类 智能接口模块智能接口模块：在在PLC的统一管理下完成某些独立的特定功能的统一管理下完成某些独立的特定功能 网络通信接口模块网络通信接口模块：这是为这是为PLC之间、之间、PLC与各种计算机之间、与各种计算机之间、PLC与各种智能设备之间提供的通信接口与各种智能设备之间提供的通信接口 系统系统1/0总线接口模块总线接口模块：实现各插槽间的元器件连接实现各插槽间的元器件连接2.3.2 PLC2.3
11、.2 PLC的工作原理的工作原理l PLC采用了巡回扫描的工作方式l PLC系统工作过程如图2.3所示11图2.3 PLC系统工作过程2.3.2 PLC2.3.2 PLC的工作原理的工作原理o 输入扫描阶段输入扫描阶段：在一个工作周期开始时，控制器首先以扫描在一个工作周期开始时，控制器首先以扫描方式顺序读入所有输入端的信号状态，并存入输入状态寄存方式顺序读入所有输入端的信号状态，并存入输入状态寄存器。器。CPU的扫描周期小于所有输入信号电平保持时间的最小的扫描周期小于所有输入信号电平保持时间的最小值值o 执行扫描阶段执行扫描阶段：PLC按照用户程序在存储器中的存放地址，按照用户程序在存储器中的
12、存放地址，从头至尾顺序扫描执行整个用户程序。整个执行扫描阶段并从头至尾顺序扫描执行整个用户程序。整个执行扫描阶段并不直接访问不直接访问1/0模板，只与输入输出映像区或其他内部数据模板，只与输入输出映像区或其他内部数据区打交道、交换数据。区打交道、交换数据。o 输出扫描阶段输出扫描阶段 ：将输出映像区中的所有输出状态转存到输将输出映像区中的所有输出状态转存到输出锁存器中，并驱动继电器的输出线圈；形成出锁存器中，并驱动继电器的输出线圈；形成PLC的实际输的实际输出出122.4.1 2.4.1 梯形图语言梯形图语言o例例2.1 画出实现如下控制过程的梯形图：当开关画出实现如下控制过程的梯形图：当开关
13、l和和2均闭合、开关均闭合、开关3不切断时，不切断时，红灯亮；开关红灯亮；开关4和和5任一个闭合时，绿灯亮。任一个闭合时，绿灯亮。13图2.4例2.1电路图相应电路如图2.4所示。采用PLC来实现的过程为：先读入开关X1 - X5的触点信息，然后对XI - X3的状态进行逻辑运算。若逻辑条件满足，Y1线圈接通；对X4、X5状态进行逻辑运算，若条件满足，则Y2线圈接通。若Y1线圈接通，则外触点Y1接通，外电路形成回路，红灯亮；若Y2线圈接通，则外触点Y2接通外电路形成回路，绿灯亮。采用梯形图来绘制PLC工作过程，就可得图2.5所示的梯形图程序。图2.5 例2.1图梯形图2.4.2 2.4.2 指
14、令表语言指令表语言o PLC的命令语句：操作码+操作数。14 三菱公司PLC的命令语句GE公司PLC的命令语句注释序号操作码操作数操作码操作数000LDX1STRX1逻辑行开始，取输入X1（动合接电）001ANDX2ANDX2串联接点X2（结合接点）002ANIX3AND NOTX3串联接点X3（动断接点）003OUTY1OUTY1输出Y1，本逻辑行结束004LDX4STRX4逻辑行开始，取输入X4（动合接点）005ORX5ORX5并联接点X5（动合接点）006OUTY2OUTY2输出Y2，本逻辑行结束表2.1 实现图2.4所示电路功能的程序2.4.3 SFC2.4.3 SFC语言语言15图2
15、.6为一个小车运动的示意图，画出其用SFC实现时对应的状态转移图，写出其对应的程序指令表。图2.6 小车运动示意图小车的工作过程如下： (l)启动按钮SB后，小车前进。 (2)当小车到右限位开关X01I时，后退。 (3)当小车到左限位开关X013时，停止，定时器T0开始计时。 (4)定时器计时10s后，小车前进。 (5)当小车运行到右限位开关X012时后退，运行到达左限位X013后，回到初态，继续进入下一个循环。2.4.3 SFC2.4.3 SFC语言语言16采用SFC语言描述，则其状态转移过程为： (l) S0为初始状态，当启动按钮后，状态从S0向S20转移，小车前进Y021动作。 (2)当
16、右限位开关X011接通时，状态S20向S21转移，前进输出Y021切断，后退输出Y023接通。 (3)当左限位开关X013接通时状态S21向S22转移，启动定时器T0。 (4) 5s后，定时器T0的触点动作，转至状态S23，小车前进Y021动作。 (5)当右限位开关X012接通时，状态S23向S24转移，前进输出Y021切断，后退输出Y023接通。到达左限位X013接通，状态返回S0，又进入下一个循环。由于小车的前进及后退都是由同一电机的不同方向转动求带动的，因此加上联锁后，得到该系统相对应的状态转移图，如图2.7所示。图2.7 小车自动控制的状态图2.5 PLC2.5 PLC应用举例应用举例
17、17一般可编程控制器的选用需要从以下几个方面来考虑一般可编程控制器的选用需要从以下几个方面来考虑：u输入输出模块及其点数的选择输入输出模块及其点数的选择：(1)开关量输入模块开关量输入模块(2)开关量输出模开关量输出模块块(3)模拟量输入模拟量输入(A/D)模块模块(4)模拟量输出模拟量输出(D/A)模块模块u存储器类型及其容量选择存储器类型及其容量选择：一般使用一般使用CMOSRAM存储器，并且有后存储器，并且有后备电池，以便关机时保存存储信息备电池，以便关机时保存存储信息2.5 PLC2.5 PLC应用举例应用举例18PLC实现控制传送机将大小球分类后分别传送的系统实现控制传送机将大小球分
18、类后分别传送的系统某分类传送系统如图2.8所示图2.8 分类传送系统 1控制要求分析控制要求分析2.5 PLC2.5 PLC应用举例应用举例19 传送机自动从混合容器内将小铁球取出并运送到小球容器内，将大铁球传送机自动从混合容器内将小铁球取出并运送到小球容器内，将大铁球取出运送到大球容器内。操作人员可以通过控制台上的启动按钮和停止按取出运送到大球容器内。操作人员可以通过控制台上的启动按钮和停止按钮控制系统。一旦系统启动后，全部操作均由钮控制系统。一旦系统启动后，全部操作均由PLC控制自动完成。传送机控制自动完成。传送机处于水平位置的左限位（限位开关处于水平位置的左限位（限位开关LS1）时，恰好
19、位于混合容器的正上方。）时，恰好位于混合容器的正上方。行程开关行程开关LS4位于小球容器的正上方时，右限位开关位于小球容器的正上方时，右限位开关LS5位于大球容器的正位于大球容器的正上方。上方。系统工艺过程如下：系统工艺过程如下： 在左限位在左限位X1处，传送机的手臂下降处，传送机的手臂下降20s在此期间，如果该手臂碰到大球在此期间，如果该手臂碰到大球，则运行不到下限位，则运行不到下限位X2;若传送机的手臂下降，达到下限位若传送机的手臂下降，达到下限位X2，则手臂端的，则手臂端的电磁铁到混合容器底的距离就小于大球直径。电磁铁到混合容器底的距离就小于大球直径。 给电磁铁通电，电磁铁可吸住在其下面
20、的球。根据这时手臂是否到达下给电磁铁通电，电磁铁可吸住在其下面的球。根据这时手臂是否到达下限，便可知电磁铁吸到的是否为小球。限，便可知电磁铁吸到的是否为小球。 5s后，电磁铁吸住球，机械臂上升，到达上限位（限位开关后，电磁铁吸住球，机械臂上升，到达上限位（限位开关LS3）。）。传送机向右行。若吸住的是小球，则传送机在右限位传送机向右行。若吸住的是小球，则传送机在右限位X4停住。若吸住的是停住。若吸住的是大球，则传送机在右限位大球，则传送机在右限位X5停住。停住。 传送机到达右限位后，其机械臂下降，到下限位（传送机到达右限位后，其机械臂下降，到下限位（X6或或X7）后，电磁铁）后，电磁铁断电，将
21、所吸住的球放入相应的容器内。断电，将所吸住的球放入相应的容器内。 机械臂上升，到上限位机械臂上升，到上限位X3后，传送机左行。后，传送机左行。传送车回到左限位传送车回到左限位X1(此时系统已回到初始状态此时系统已回到初始状态)。2.5 PLC2.5 PLC应用举例应用举例20 2. PLC规模的估算和机型的选择规模的估算和机型的选择输入输出PLC输入现场信号意义PLC输出功能00000X11系统启动按钮0020电磁铁通电Y000001X12系统停止按钮0021机械臂下降Y100002LS1(X1)传动机到左限位0022机械臂上升Y200003LS2(X2)机械臂到下限位0023传动机右移Y30
22、0004LS3(X3)机械臂到上限位0024传动机左移Y400005LS4(X4)传动机到右限位X4（小球容器上方）0025初始状态Y700006LS5(X5)传动机到右限位X5（大球容器上方） 00007LS6(X6)机械臂到下限位X6 00008LS7(X7)机械臂到下限位X7 表2.2 系统输入输出信号分配表 (1)PLC规模的估算规模的估算 I/O类型及点数的估算类型及点数的估算 系统输入输出信号的编号分配见表2.2 根据前面的工艺控制要求以及系统输入输出信号分配表，初步估算本根据前面的工艺控制要求以及系统输入输出信号分配表，初步估算本系统取开关量输入系统取开关量输入8点，开关量输出点
23、，开关量输出6点，共点，共16点。不需要智能点。不需要智能I/O模块。模块。存储器容量的估算存储器容量的估算 本例以I/O总点数的1015倍估算，16x（10 15）字250字。根据以上估算，对本例选用1KB的存储器为宜。2.5 PLC2.5 PLC应用举例应用举例21 (2) PLC机型的选取机型的选取 从以上分析以及本系统的工艺流程可见，本系统属于一个较小的控制系统，其从以上分析以及本系统的工艺流程可见，本系统属于一个较小的控制系统，其I/O点数较少，可以采用微型或小型的点数较少，可以采用微型或小型的PLC来实现控制。可以根据选用的具体来实现控制。可以根据选用的具体PLC型号，使用其所带的
24、软件编程环境（如梯形图、步进顺控图设计等）来编制型号，使用其所带的软件编程环境（如梯形图、步进顺控图设计等）来编制相应的控制程序。相应的控制程序。2.5 PLC2.5 PLC应用举例应用举例223对应分类传送系统的顺序功能图对应分类传送系统的顺序功能图 根据控制工艺的要求，画出该系统对根据控制工艺的要求，画出该系统对应的应的顺序功能图顺序功能图如图如图2.9所示。所示。图2.9 顺序功能图图图2.9中，根据中，根据球的大小球的大小选择程序流，小选择程序流，小球时球时( X2 =ON)，左侧流程有效；大球，左侧流程有效；大球时，右侧流程有效。汇合状态时，右侧流程有效。汇合状态S25可由可由S24
25、、S34中任意一个满足转移条件来驱中任意一个满足转移条件来驱动。动。2.6 2.6 集散控制系统集散控制系统23n 随着生产规模的日益扩大，功能需求的增加，信息往来的频繁，使随着生产规模的日益扩大，功能需求的增加，信息往来的频繁，使得原来孤立的控制单元渐渐连成一体，促使采用分散控制和集中管得原来孤立的控制单元渐渐连成一体，促使采用分散控制和集中管理设计思想的分布式计算机控制系统理设计思想的分布式计算机控制系统集散控制系统得以出现，集散控制系统得以出现，其相应产品的应用范围已经遍及工业控制领域的各个行业。集散控其相应产品的应用范围已经遍及工业控制领域的各个行业。集散控制系统目前已经成为工业生产过
26、程自动控制装置的主流。制系统目前已经成为工业生产过程自动控制装置的主流。 n 自动化是工业化生产的必然趋势，除此之外，信息化和网络化也成自动化是工业化生产的必然趋势，除此之外，信息化和网络化也成为工业界发展不可逆转的趋势。集散控制系统是分散控制和管理集为工业界发展不可逆转的趋势。集散控制系统是分散控制和管理集中的计算机网络系统，并在工业自动化领域得到广泛应用。中的计算机网络系统，并在工业自动化领域得到广泛应用。2.6.12.6.1集散控制系统概述集散控制系统概述24集散型计算机控制系统集散型计算机控制系统又称为分散型综合控制系统又称为分散型综合控制系统(total distributed co
27、ntrol systems，简称集散系统，简称集散系统DCS)，它是以微处理器为基础的用于过程，它是以微处理器为基础的用于过程控制的工程化的分布式计算机控制系统。控制的工程化的分布式计算机控制系统。 图2.10为集散系统组成的简图。图2.10集散系统简图图中的过程控制单元以微处理机图中的过程控制单元以微处理机为基础，具有几十种或上百种运为基础，具有几十种或上百种运算功能；可以独立地对回路进行算功能；可以独立地对回路进行各种复杂控制。它们按地理位置各种复杂控制。它们按地理位置分散于现场，分别独立地控制一分散于现场，分别独立地控制一个或数个回路。各控制单元的信个或数个回路。各控制单元的信息通过通信
28、系统集中到中央操作息通过通信系统集中到中央操作站中，实现对全系统的综合管理站中，实现对全系统的综合管理。2.6.2 2.6.2 集散控制系统的基本结构集散控制系统的基本结构25集散控制系统的本质是：采用分散控制和集中管理的设计思想、分而集散控制系统的本质是：采用分散控制和集中管理的设计思想、分而自治和综合协调的设计原则、层次化体系结构。自治和综合协调的设计原则、层次化体系结构。 1集散控制系统功能分层体系集散控制系统功能分层体系： (1)分散过程控制级分散过程控制级(2)集中操作集中操作监控级监控级(3)综合信息管理级综合信息管理级(4)通信网络系统通信网络系统 2 集散控制系统基本结构集散控
29、制系统基本结构 3. 集散控制系统数据通信集散控制系统数据通信：(1)数据传输的介质数据传输的介质(2)数据传输方式数据传输方式(3)数据通信网络的拓扑结构数据通信网络的拓扑结构(4)网络的访问控制方法网络的访问控制方法2.72.7集散控制系统的组态集散控制系统的组态26DCS是集计算机技术、控制技术、网络通信技术和图形显示技术于是集计算机技术、控制技术、网络通信技术和图形显示技术于一体的系统，其对应产品都提供大量的功能模块和算法模块。所谓一体的系统，其对应产品都提供大量的功能模块和算法模块。所谓“组态（组态（configuration）”就是用就是用DCS所提供的功能模块或算法组成所所提供的
30、功能模块或算法组成所需的系统结构，使计算机或软件按照预先的设置，自动执行特定任务需的系统结构，使计算机或软件按照预先的设置，自动执行特定任务，达到所求的目的。为了完成某些特定功能，采用，达到所求的目的。为了完成某些特定功能，采用DCS提供的组态语提供的组态语言编写有关程序也属于组态范围。言编写有关程序也属于组态范围。p 集散控制系统的组态类型集散控制系统的组态类型：DCS的组态包括系统组态、画面组态和的组态包括系统组态、画面组态和控制组态控制组态。p 集散控制系统的组态软件集散控制系统的组态软件：集散控制系统的组态软件是指一些包括集散控制系统的组态软件是指一些包括数据采集与工程控制的专用软件，属于自动控制监控层一级的软件数据采集与工程控制的专用软件，属于自动控制监控层一级的软件平台和开发环境平台和开发环境。p 组态设计步骤组态设计步骤：一般包括：一般包括10个步骤。个步骤。习题习题o 什么是物联网？o 物联网和互联网之间的关系是什么？o 简述计算机控制系统的一般组成。o 简述物联网控制系统的结构和特点。o 简述PLC在物联网控制系统中的应用有哪些？o 简述DCS控制器在物联网控制系统中作用。o 简述嵌入式控制器在物联网控制系统中作用。2728THE END
