《工業(yè)控制計(jì)算機(jī)》課件

工業(yè)控制計(jì)算機(jī)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)是專門為工業(yè)環(huán)境設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，它們具有高可靠性、實(shí)時(shí)性、抗干擾性和抗惡劣環(huán)境能力。課程導(dǎo)言課程目標(biāo)介紹工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的基本原理、架構(gòu)和應(yīng)用。掌握工業(yè)控制計(jì)算機(jī)硬件、軟件和網(wǎng)絡(luò)方面的知識(shí)。課程內(nèi)容從工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的概述開(kāi)始，涵蓋硬件組成、軟件架構(gòu)、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，以及工業(yè)控制系統(tǒng)的典型應(yīng)用案例。學(xué)習(xí)方法結(jié)合課堂講解、案例分析和實(shí)驗(yàn)實(shí)踐，加深對(duì)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的理解和應(yīng)用能力。工業(yè)控制計(jì)算機(jī)概述自動(dòng)化生產(chǎn)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)是現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)監(jiān)控和控制生產(chǎn)過(guò)程，提高效率和質(zhì)量。數(shù)據(jù)采集和分析工業(yè)控制計(jì)算機(jī)收集來(lái)自傳感器和儀表的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行分析，為生產(chǎn)決策提供支持。機(jī)器控制和協(xié)調(diào)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)協(xié)調(diào)機(jī)器人的動(dòng)作，優(yōu)化生產(chǎn)流程，提高生產(chǎn)效率。系統(tǒng)集成和管理工業(yè)控制計(jì)算機(jī)集成各種硬件和軟件，構(gòu)建完整的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)。工業(yè)計(jì)算機(jī)硬件組成中央處理器處理控制指令和數(shù)據(jù)。影響工業(yè)控制系統(tǒng)的性能、可靠性和實(shí)時(shí)響應(yīng)。內(nèi)存臨時(shí)存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)。影響系統(tǒng)運(yùn)行速度和數(shù)據(jù)處理效率。輸入/輸出接口連接傳感器、執(zhí)行器和其他設(shè)備。支持?jǐn)?shù)據(jù)采集、控制信號(hào)輸出和系統(tǒng)擴(kuò)展。現(xiàn)場(chǎng)總線連接工業(yè)控制系統(tǒng)不同設(shè)備，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和控制信號(hào)傳遞。中央處理器功能工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的核心部件。執(zhí)行控制程序，處理數(shù)據(jù)，并控制系統(tǒng)運(yùn)行。類型常用的處理器包括ARM、X86架構(gòu)。工業(yè)控制計(jì)算機(jī)需要高性能、高可靠性CPU。內(nèi)存1隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)RAM用于存儲(chǔ)正在運(yùn)行的程序和數(shù)據(jù)，是工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的核心組件之一。2只讀存儲(chǔ)器(ROM)ROM存儲(chǔ)引導(dǎo)程序和固件，在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)加載并執(zhí)行。3閃存(FlashMemory)閃存可以像RAM一樣寫(xiě)入和讀取，但即使在斷電后也能保存數(shù)據(jù)。4緩存緩存存儲(chǔ)最近訪問(wèn)的程序和數(shù)據(jù)，以提高程序的執(zhí)行速度。輸入/輸出接口輸入接口接收來(lái)自傳感器、儀表等設(shè)備的信號(hào)，并將這些信號(hào)轉(zhuǎn)換為工業(yè)控制計(jì)算機(jī)可識(shí)別的數(shù)字信號(hào)。輸入接口通常包含信號(hào)隔離、放大、濾波等功能，以確保信號(hào)的可靠性和穩(wěn)定性。輸出接口將工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為控制設(shè)備可識(shí)別的信號(hào)，用于控制電機(jī)、閥門、執(zhí)行器等設(shè)備。輸出接口通常包含信號(hào)放大、驅(qū)動(dòng)等功能，以確?？刂浦噶畹臏?zhǔn)確性和可靠性?，F(xiàn)場(chǎng)總線11.數(shù)據(jù)傳輸現(xiàn)場(chǎng)總線用于工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中不同設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換。22.減少布線現(xiàn)場(chǎng)總線可以簡(jiǎn)化布線，減少電纜數(shù)量和成本，提高系統(tǒng)可靠性和可維護(hù)性。33.集中控制現(xiàn)場(chǎng)總線支持集中控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)設(shè)備的統(tǒng)一管理和監(jiān)控。44.提高效率現(xiàn)場(chǎng)總線提高了數(shù)據(jù)傳輸速度和精度，提高了系統(tǒng)效率和生產(chǎn)力。通信接口串行通信串行通信接口，例如RS-232和RS-485，用于連接工業(yè)設(shè)備，如PLC和傳感器。以太網(wǎng)通信工業(yè)以太網(wǎng)提供高速數(shù)據(jù)傳輸，用于連接工業(yè)計(jì)算機(jī)和其他設(shè)備，如PLC和HMI。無(wú)線通信無(wú)線通信接口，例如Wi-Fi和藍(lán)牙，用于遠(yuǎn)程監(jiān)控和數(shù)據(jù)傳輸。其他接口其他接口，例如USB和CAN總線，用于連接特定類型的設(shè)備，例如存儲(chǔ)設(shè)備和汽車。人機(jī)界面人機(jī)界面（HMI）是工業(yè)控制系統(tǒng)的重要組成部分，為操作人員提供與控制系統(tǒng)交互的途徑。HMI通常采用觸摸屏、鍵盤、鼠標(biāo)等輸入設(shè)備，以及顯示器、指示燈等輸出設(shè)備，方便操作人員監(jiān)控和控制工業(yè)設(shè)備。工業(yè)軟件概述工業(yè)軟件工業(yè)軟件是指專門用于工業(yè)領(lǐng)域控制、管理、仿真和分析的軟件。它是連接硬件和人類的橋梁，幫助企業(yè)提高效率、降低成本和提升產(chǎn)品質(zhì)量。自動(dòng)化軟件自動(dòng)化軟件涵蓋了生產(chǎn)過(guò)程的各個(gè)環(huán)節(jié)，例如，生產(chǎn)計(jì)劃、物料管理、設(shè)備控制和質(zhì)量監(jiān)控。數(shù)據(jù)分析軟件數(shù)據(jù)分析軟件用于收集、分析和展示工業(yè)生產(chǎn)中的大量數(shù)據(jù)，為決策提供依據(jù)，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)性實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)需要在嚴(yán)格的時(shí)間限制內(nèi)響應(yīng)事件。確定性任務(wù)執(zhí)行時(shí)間是可預(yù)測(cè)的，不會(huì)出現(xiàn)隨機(jī)延遲。多任務(wù)處理實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)可以同時(shí)運(yùn)行多個(gè)任務(wù)。資源管理實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)有效地管理內(nèi)存、CPU和其他硬件資源。過(guò)程控制軟件數(shù)據(jù)采集過(guò)程控制軟件從工業(yè)儀表和傳感器收集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為可理解的格式。過(guò)程控制根據(jù)預(yù)設(shè)的控制算法和策略，軟件對(duì)過(guò)程變量進(jìn)行控制，確保生產(chǎn)過(guò)程穩(wěn)定運(yùn)行。報(bào)警與記錄監(jiān)控過(guò)程變量，識(shí)別異常情況，及時(shí)發(fā)出報(bào)警，并將過(guò)程數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄和存檔。優(yōu)化與分析通過(guò)數(shù)據(jù)分析，識(shí)別生產(chǎn)過(guò)程中的瓶頸和問(wèn)題，優(yōu)化控制參數(shù)，提高生產(chǎn)效率。組態(tài)軟件圖形化配置組態(tài)軟件使用圖形界面，便于用戶直觀地配置和管理控制系統(tǒng)。應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)組態(tài)軟件可以開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)特定控制功能和數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)可視化組態(tài)軟件提供數(shù)據(jù)可視化工具，方便用戶監(jiān)控和分析系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。數(shù)據(jù)管理組態(tài)軟件具備數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、管理和分析功能，用于記錄和分析系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)。工業(yè)以太網(wǎng)工業(yè)以太網(wǎng)是專門針對(duì)工業(yè)環(huán)境設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。它將以太網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)與工業(yè)控制系統(tǒng)的特殊要求相結(jié)合，以滿足工業(yè)環(huán)境的可靠性、實(shí)時(shí)性、安全性等要求。工業(yè)以太網(wǎng)擁有更高的可靠性和安全性，可以保證設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性。它還支持高速率數(shù)據(jù)傳輸，可以滿足工業(yè)控制系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性的需求。工業(yè)以太網(wǎng)拓?fù)淇偩€型拓?fù)湓O(shè)備串聯(lián)連接，數(shù)據(jù)依次傳遞，成本較低，但可靠性較差。星型拓?fù)渌性O(shè)備連接到中心交換機(jī)，可靠性較高，但成本較高。環(huán)型拓?fù)湓O(shè)備形成閉環(huán)，數(shù)據(jù)雙向傳遞，可靠性較高，但安裝和維護(hù)較為復(fù)雜。樹(shù)型拓?fù)漕愃朴跇?shù)狀結(jié)構(gòu)，分層管理，適用于大型網(wǎng)絡(luò)，易于擴(kuò)展和維護(hù)。工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議TCP/IP協(xié)議TCP/IP協(xié)議是互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)協(xié)議，工業(yè)以太網(wǎng)也采用TCP/IP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，確保不同設(shè)備之間的數(shù)據(jù)互通。UDP協(xié)議UDP協(xié)議是一種無(wú)連接的協(xié)議，主要用于實(shí)時(shí)性要求高的應(yīng)用，例如工業(yè)控制系統(tǒng)中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸。Profinet協(xié)議Profinet協(xié)議是西門子公司推出的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，它支持多種通信模式，包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸、配置和診斷。EtherNet/IP協(xié)議EtherNet/IP協(xié)議是由RockwellAutomation推出的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，它支持多種應(yīng)用，例如自動(dòng)化控制、數(shù)據(jù)采集和設(shè)備管理。工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)安全11.網(wǎng)絡(luò)入侵檢測(cè)工業(yè)控制系統(tǒng)易受網(wǎng)絡(luò)攻擊，需要實(shí)時(shí)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)流量，識(shí)別惡意攻擊行為。22.數(shù)據(jù)加密保護(hù)對(duì)敏感數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，防止數(shù)據(jù)泄露，確?？刂葡到y(tǒng)數(shù)據(jù)安全。33.訪問(wèn)控制嚴(yán)格控制對(duì)控制系統(tǒng)的訪問(wèn)權(quán)限，防止未經(jīng)授權(quán)的訪問(wèn)操作。44.漏洞修復(fù)及時(shí)更新軟件和系統(tǒng)補(bǔ)丁，修復(fù)安全漏洞，提高系統(tǒng)安全性。工業(yè)儀表和傳感器工業(yè)儀表測(cè)量和顯示過(guò)程參數(shù)，例如溫度、壓力、流量和液位。提供人機(jī)交互界面，方便操作人員監(jiān)控和控制過(guò)程。工業(yè)傳感器將物理量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，例如溫度傳感器、壓力傳感器、流量傳感器等。提供工業(yè)控制系統(tǒng)所需的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，確保生產(chǎn)過(guò)程的穩(wěn)定運(yùn)行。信號(hào)調(diào)理電路信號(hào)放大信號(hào)調(diào)理電路可以放大微弱的信號(hào)，使其能夠被工業(yè)控制計(jì)算機(jī)識(shí)別和處理。放大后的信號(hào)能夠增強(qiáng)其抗干擾能力，提高測(cè)量精度。信號(hào)濾波濾波器能夠去除信號(hào)中的噪聲和干擾，確保信號(hào)的清晰度和準(zhǔn)確性。常用的濾波器類型包括低通濾波器、高通濾波器和帶通濾波器。信號(hào)轉(zhuǎn)換將傳感器輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，以便工業(yè)控制計(jì)算機(jī)能夠進(jìn)行處理和分析。常見(jiàn)的信號(hào)轉(zhuǎn)換方式包括模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)和數(shù)模轉(zhuǎn)換(DAC)。信號(hào)隔離隔離電路可以防止信號(hào)之間的干擾，確保信號(hào)傳輸?shù)目煽啃浴８綦x電路通常采用光電耦合器或變壓器來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)隔離。模擬量輸入/輸出模擬量輸入模擬量輸入將物理量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，例如溫度、壓力、流量等。模擬量輸出模擬量輸出將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為物理量，例如控制閥門、電機(jī)速度等。數(shù)據(jù)采集模擬量輸入通常用于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，獲取真實(shí)環(huán)境信息。過(guò)程控制模擬量輸出用于控制工業(yè)過(guò)程，例如調(diào)節(jié)溫度、壓力等。數(shù)字量輸入/輸出數(shù)字量輸入數(shù)字量輸入用于接收來(lái)自外部設(shè)備的數(shù)字信號(hào)，例如開(kāi)關(guān)、傳感器等。這些信號(hào)通常以高電平或低電平表示。數(shù)字量輸出數(shù)字量輸出用于向外部設(shè)備發(fā)送數(shù)字信號(hào)，例如控制繼電器、電機(jī)等。這些信號(hào)通常以高電平或低電平表示。脈沖量輸入/輸出脈沖編碼器將機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，用于測(cè)量速度、位置等。脈沖計(jì)數(shù)器統(tǒng)計(jì)脈沖信號(hào)，用于計(jì)數(shù)、定時(shí)、控制。脈沖輸出模塊產(chǎn)生脈沖信號(hào)，用于控制電機(jī)速度、位置等。工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線11.數(shù)據(jù)傳輸工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線負(fù)責(zé)在控制器和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間傳輸數(shù)據(jù)。22.實(shí)時(shí)性現(xiàn)場(chǎng)總線需要確保數(shù)據(jù)的快速傳輸和準(zhǔn)確的接收。33.可靠性總線系統(tǒng)應(yīng)具備抗干擾能力，確保可靠的數(shù)據(jù)通信。44.互操作性工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)化，支持不同廠商設(shè)備互聯(lián)互通。Profibus11.概述Profibus是一種廣泛應(yīng)用于過(guò)程控制和自動(dòng)化領(lǐng)域的現(xiàn)場(chǎng)總線，用于連接傳感器、執(zhí)行器和控制設(shè)備。22.協(xié)議類型Profibus主要分為兩種協(xié)議：ProfibusDP用于連接設(shè)備，ProfibusFMS用于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信和控制功能。33.應(yīng)用場(chǎng)景Profibus在各種工業(yè)環(huán)境中得到廣泛應(yīng)用，包括汽車制造、化工、食品加工和電力等領(lǐng)域。44.特點(diǎn)Profibus具有高可靠性、低成本和易于安裝等特點(diǎn)，是工業(yè)控制系統(tǒng)中常用的通信協(xié)議。FoundationFieldbus概述FoundationFieldbus是一種基于現(xiàn)場(chǎng)總線的數(shù)字通信協(xié)議，它提供了一種標(biāo)準(zhǔn)化的方式，用于連接工業(yè)控制系統(tǒng)中的傳感器、執(zhí)行器和控制器。該協(xié)議支持多種通信模式，包括點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、廣播和多播，以及多種數(shù)據(jù)類型，例如數(shù)字、模擬和字符數(shù)據(jù)。優(yōu)勢(shì)FoundationFieldbus提供了許多優(yōu)勢(shì)，包括更高的可靠性、更好的可擴(kuò)展性和更低的成本。與傳統(tǒng)模擬信號(hào)系統(tǒng)相比，F(xiàn)oundationFieldbus提供更高的精度、更快的響應(yīng)速度和更低的維護(hù)成本。DeviceNetDeviceNet網(wǎng)絡(luò)DeviceNet是一種基于CAN總線技術(shù)的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線，用于連接各種自動(dòng)化設(shè)備。應(yīng)用廣泛DeviceNet廣泛應(yīng)用于各種自動(dòng)化系統(tǒng)，例如機(jī)器控制、包裝系統(tǒng)、過(guò)程控制和機(jī)器人控制。連接多種設(shè)備DeviceNet可以連接各種設(shè)備，例如傳感器、執(zhí)行器、驅(qū)動(dòng)器和人機(jī)界面。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)靈活DeviceNet支持多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括總線型、星型和樹(shù)型。EtherCAT實(shí)時(shí)以太網(wǎng)協(xié)議EtherCAT是一種實(shí)時(shí)以太網(wǎng)協(xié)議，用于工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用。高帶寬和低延遲EtherCAT提供高帶寬和低延遲，適用于實(shí)時(shí)控制和數(shù)據(jù)采集。循環(huán)時(shí)間確定EtherCAT具有循環(huán)時(shí)間確定性，確保數(shù)據(jù)按預(yù)期時(shí)間傳輸。工業(yè)控制應(yīng)用案例工業(yè)控制計(jì)算機(jī)廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域，例如制造業(yè)、能源、交通等，有效提高生產(chǎn)效率、安全性、可靠性。例如，在汽車制造中，工業(yè)控制計(jì)算機(jī)控制生產(chǎn)線上的機(jī)器人，進(jìn)行焊接、噴漆、組裝等操作，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)。智能制造發(fā)展趨勢(shì)人工智能人工智能在工業(yè)控制中的應(yīng)用將更