第2章物聯(lián)網(wǎng)控制器教材：王萬(wàn)良，物聯(lián)網(wǎng)控制技術(shù)，高等教育出版社，2016第2章物聯(lián)網(wǎng)控制器教材：2控制器是物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)的核心。本章從物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用角度介紹物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)中常用的控制器的基本內(nèi)容，主要介紹可編程控制器、集散控制系統(tǒng)。由于單片機(jī)、嵌入式控制器已有專(zhuān)門(mén)課程介紹，本章就不再介紹。第2章物聯(lián)網(wǎng)控制器2控制器是物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)的核心。本章從物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用角度介紹物聯(lián)3第2章物聯(lián)網(wǎng)控制器2.1物聯(lián)網(wǎng)控制器概述2.2PLC及其功能與特點(diǎn)2.3PLC的組成與工作原理2.4PLC的編程語(yǔ)言2.5PLC應(yīng)用舉例2.6集散控制系統(tǒng)2.7集散控制系統(tǒng)的組態(tài)3第2章物聯(lián)網(wǎng)控制器2.1物聯(lián)網(wǎng)控制器概述42.1物聯(lián)網(wǎng)控制器概述在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，控制器作為智能控制終端，與傳感器、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、RFID等新型技術(shù)相互結(jié)合進(jìn)行信息的交換和通信，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理并實(shí)現(xiàn)物與物、物與人、物品與網(wǎng)絡(luò)的連接方便了對(duì)物體的識(shí)別、管理和控制。根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的規(guī)?？梢赃x擇不同的控制器。常用的有單片機(jī)、可編程控制器、工業(yè)PC、集散控制系統(tǒng)、嵌入式控制器等。可編程邏輯控制器(PLC)是專(zhuān)為在工業(yè)環(huán)境下使用而設(shè)計(jì)的一種數(shù)字運(yùn)算操作電子裝置，帶有存儲(chǔ)器、可以編制程序的控制器，已成為代替繼電器實(shí)現(xiàn)邏輯控制的主流控制技術(shù)，是物聯(lián)網(wǎng)中工業(yè)控制應(yīng)用的核心部分。42.1物聯(lián)網(wǎng)控制器概述在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，控制器作為智能控制終52.2PLC及其功能與特點(diǎn)

可編程邏輯控制器(programmablelogiccontroller，PLC)又稱(chēng)可編程控制器，是一種有效的工業(yè)控制裝置，它已經(jīng)從單一的開(kāi)關(guān)量控制發(fā)展到具有順序控制、模擬量控制、連續(xù)PID控制等多種功能；從小型整體結(jié)構(gòu)發(fā)展到大中型模塊結(jié)構(gòu)；從獨(dú)立的單臺(tái)運(yùn)行發(fā)展到數(shù)臺(tái)連成PLC網(wǎng)絡(luò)。52.2PLC及其功能與特點(diǎn)可編程邏輯控制62.2.1PLC的功能

PLC的基本功能包括：①多種控制功能（包括邏輯、定時(shí)、計(jì)數(shù)、順序控制等）。②輸入／輸出接口功能（包括開(kāi)關(guān)量輸入輸出，模擬量輸入輸出）。③數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與處理功能（包括輔助繼電器，狀態(tài)繼電器，延時(shí)繼電器，鎖存繼電器，主控繼電器，定時(shí)器，計(jì)數(shù)器，移位寄存器，鼓形控制器，跳轉(zhuǎn)和強(qiáng)制I/O等，其指令系統(tǒng)日趨豐富，不僅具有邏輯運(yùn)算、算術(shù)運(yùn)算等基本功能，而且能以雙倍精度或浮點(diǎn)形式完成代數(shù)運(yùn)算和矩陣運(yùn)算）。④通信聯(lián)網(wǎng)功能（包括通信聯(lián)網(wǎng)、成組數(shù)據(jù)傳送等）。⑤其他擴(kuò)展功能（包括PID閉環(huán)回路控制、排序查表、中斷控制及特殊功能函數(shù)運(yùn)算、多級(jí)制機(jī)制、智能I/0、過(guò)程監(jiān)視、遠(yuǎn)程I/O、多處理器和高速數(shù)據(jù)處理能力等）。62.2.1PLC的功能PLC的基本功能包括：72.2.2PLC的特點(diǎn)

PLC在工業(yè)界得到越來(lái)越多的應(yīng)用，具有以下特點(diǎn)：（1）多功能

控制、輸入／輸出接口、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與處理、通信聯(lián)網(wǎng)、多種擴(kuò)展（2）應(yīng)用靈活

積木硬件結(jié)構(gòu)和模塊化的軟件設(shè)計(jì)，適應(yīng)大小不同、功能繁復(fù)的控制要求，適應(yīng)各種工藝流程變化較多的場(chǎng)合。安裝和現(xiàn)場(chǎng)接線簡(jiǎn)單，邏輯、控制功能是通過(guò)軟件完成，整個(gè)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、調(diào)試周期，研制費(fèi)相對(duì)較少。（3）操作維修方便，穩(wěn)定可靠具有耐熱、防潮、抗振等性能，平均無(wú)故障時(shí)間可達(dá)4萬(wàn)-5萬(wàn)小時(shí)（4）模塊智能化、通信網(wǎng)絡(luò)化PLC專(zhuān)用I/O模塊的智能化以及通信過(guò)程的網(wǎng)絡(luò)化使得PLC從繼電器控制系統(tǒng)的替代物迅速轉(zhuǎn)變?yōu)槟軌驕y(cè)試、質(zhì)量管理、過(guò)程控制和其他領(lǐng)域中應(yīng)用的多用途控制器。72.2.2PLC的特點(diǎn)PLC在工業(yè)界得到越來(lái)越多的應(yīng)用2.3PLC的組成與工作原理PLC一般具有兩種結(jié)構(gòu)形式：整體式單元結(jié)構(gòu)和模塊化結(jié)構(gòu)。圖2.1PLC的兩種結(jié)構(gòu)2.3PLC的組成與工作原理PLC一般具有兩種結(jié)構(gòu)形式：整2.3PLC的組成與工作原理PLC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2.2所示。圖2.2PLC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖2.3PLC的組成與工作原理PLC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖22.3PLC的組成與工作原理各模塊的主要功能：CPU模塊：PLC的核心部件，邏輯判斷、數(shù)值計(jì)算、數(shù)據(jù)處理、控制命令等擴(kuò)展存儲(chǔ)器模塊：增大系統(tǒng)的存儲(chǔ)容量編程器：編制、編輯、調(diào)試、控制用戶程序的設(shè)備電源模塊：電源模塊將交流電源轉(zhuǎn)換成PLC所需要的直流電源I/O模塊：I/O模塊包括數(shù)字UO模塊和模擬1/0模塊兩類(lèi)智能接口模塊：在PLC的統(tǒng)一管理下完成某些獨(dú)立的特定功能網(wǎng)絡(luò)通信接口模塊：這是為PLC之間、PLC與各種計(jì)算機(jī)之間、PLC與各種智能設(shè)備之間提供的通信接口系統(tǒng)1/0總線接口模塊：實(shí)現(xiàn)各插槽間的元器件連接2.3PLC的組成與工作原理各模塊的主要功能：CPU模塊：2.3.2PLC的工作原理PLC采用了巡回掃描的工作方式PLC系統(tǒng)工作過(guò)程如圖2.3所示11圖2.3PLC系統(tǒng)工作過(guò)程2.3.2PLC的工作原理PLC采用了巡回掃描的工作方式12.3.2PLC的工作原理輸入掃描階段：在一個(gè)工作周期開(kāi)始時(shí)，控制器首先以掃描方式順序讀入所有輸入端的信號(hào)狀態(tài)，并存入輸入狀態(tài)寄存器。CPU的掃描周期小于所有輸入信號(hào)電平保持時(shí)間的最小值執(zhí)行掃描階段：PLC按照用戶程序在存儲(chǔ)器中的存放地址，從頭至尾順序掃描執(zhí)行整個(gè)用戶程序。整個(gè)執(zhí)行掃描階段并不直接訪問(wèn)1/0模板，只與輸入輸出映像區(qū)或其他內(nèi)部數(shù)據(jù)區(qū)打交道、交換數(shù)據(jù)。輸出掃描階段：將輸出映像區(qū)中的所有輸出狀態(tài)轉(zhuǎn)存到輸出鎖存器中，并驅(qū)動(dòng)繼電器的輸出線圈；形成PLC的實(shí)際輸出122.3.2PLC的工作原理輸入掃描階段：在一個(gè)工作周期開(kāi)始2.4.1梯形圖語(yǔ)言例2.1畫(huà)出實(shí)現(xiàn)如下控制過(guò)程的梯形圖：當(dāng)開(kāi)關(guān)l和2均閉合、開(kāi)關(guān)3不切斷時(shí)，紅燈亮；開(kāi)關(guān)4和5任一個(gè)閉合時(shí)，綠燈亮。13圖2.4例2.1電路圖相應(yīng)電路如圖2.4所示。采用PLC來(lái)實(shí)現(xiàn)的過(guò)程為：先讀入開(kāi)關(guān)X1-X5的觸點(diǎn)信息，然后對(duì)XI-X3的狀態(tài)進(jìn)行邏輯運(yùn)算。若邏輯條件滿足，Y1線圈接通；對(duì)X4、X5狀態(tài)進(jìn)行邏輯運(yùn)算，若條件滿足，則Y2線圈接通。若Y1線圈接通，則外觸點(diǎn)Y1接通，外電路形成回路，紅燈亮；若Y2線圈接通，則外觸點(diǎn)Y2接通外電路形成回路，綠燈亮。采用梯形圖來(lái)繪制PLC工作過(guò)程，就可得圖2.5所示的梯形圖程序。圖2.5例2.1圖梯形圖2.4.1梯形圖語(yǔ)言例2.1畫(huà)出實(shí)現(xiàn)如下控制過(guò)程的梯形圖2.4.2指令表語(yǔ)言PLC的命令語(yǔ)句：操作碼+操作數(shù)。14

三菱公司PLC的命令語(yǔ)句GE公司PLC的命令語(yǔ)句注釋序號(hào)操作碼操作數(shù)操作碼操作數(shù)000LDX1STRX1邏輯行開(kāi)始，取輸入X1（動(dòng)合接電）001ANDX2ANDX2串聯(lián)接點(diǎn)X2（結(jié)合接點(diǎn)）002ANIX3ANDNOTX3串聯(lián)接點(diǎn)X3（動(dòng)斷接點(diǎn)）003OUTY1OUTY1輸出Y1，本邏輯行結(jié)束004LDX4STRX4邏輯行開(kāi)始，取輸入X4（動(dòng)合接點(diǎn)）005ORX5ORX5并聯(lián)接點(diǎn)X5（動(dòng)合接點(diǎn)）006OUTY2OUTY2輸出Y2，本邏輯行結(jié)束表2.1實(shí)現(xiàn)圖2.4所示電路功能的程序2.4.2指令表語(yǔ)言PLC的命令語(yǔ)句：操作碼+操作數(shù)。142.4.3SFC語(yǔ)言15圖2.6為一個(gè)小車(chē)運(yùn)動(dòng)的示意圖，畫(huà)出其用SFC實(shí)現(xiàn)時(shí)對(duì)應(yīng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，寫(xiě)出其對(duì)應(yīng)的程序指令表。圖2.6小車(chē)運(yùn)動(dòng)示意圖小車(chē)的工作過(guò)程如下：(l)啟動(dòng)按鈕SB后，小車(chē)前進(jìn)。(2)當(dāng)小車(chē)到右限位開(kāi)關(guān)X01I時(shí)，后退。(3)當(dāng)小車(chē)到左限位開(kāi)關(guān)X013時(shí)，停止，定時(shí)器T0開(kāi)始計(jì)時(shí)。(4)定時(shí)器計(jì)時(shí)10s后，小車(chē)前進(jìn)。(5)當(dāng)小車(chē)運(yùn)行到右限位開(kāi)關(guān)X012時(shí)后退，運(yùn)行到達(dá)左限位X013后，回到初態(tài)，繼續(xù)進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。2.4.3SFC語(yǔ)言15圖2.6為一個(gè)小車(chē)運(yùn)動(dòng)的示意圖，畫(huà)2.4.3SFC語(yǔ)言16采用SFC語(yǔ)言描述，則其狀態(tài)轉(zhuǎn)移過(guò)程為：(l)S0為初始狀態(tài)，當(dāng)啟動(dòng)按鈕后，狀態(tài)從S0向S20轉(zhuǎn)移，小車(chē)前進(jìn)Y021動(dòng)作。(2)當(dāng)右限位開(kāi)關(guān)X011接通時(shí)，狀態(tài)S20向S21轉(zhuǎn)移，前進(jìn)輸出Y021切斷，后退輸出Y023接通。(3)當(dāng)左限位開(kāi)關(guān)X013接通時(shí)．狀態(tài)S21向S22轉(zhuǎn)移，啟動(dòng)定時(shí)器T0。(4)5s后，定時(shí)器T0的觸點(diǎn)動(dòng)作，轉(zhuǎn)至狀態(tài)S23，小車(chē)前進(jìn)Y021動(dòng)作。(5)當(dāng)右限位開(kāi)關(guān)X012接通時(shí)，狀態(tài)S23向S24轉(zhuǎn)移，前進(jìn)輸出Y021切斷，后退輸出Y023接通。到達(dá)左限位X013接通，狀態(tài)返回S0，又進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。由于小車(chē)的前進(jìn)及后退都是由同一電機(jī)的不同方向轉(zhuǎn)動(dòng)求帶動(dòng)的，因此加上聯(lián)鎖后，得到該系統(tǒng)相對(duì)應(yīng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，如圖2.7所示。圖2.7小車(chē)自動(dòng)控制的狀態(tài)圖2.4.3SFC語(yǔ)言16采用SFC語(yǔ)言描述，則其狀態(tài)轉(zhuǎn)移過(guò)2.5PLC應(yīng)用舉例17一般可編程控制器的選用需要從以下幾個(gè)方面來(lái)考慮：輸入輸出模塊及其點(diǎn)數(shù)的選擇：(1)開(kāi)關(guān)量輸入模塊(2)開(kāi)關(guān)量輸出模塊(3)模擬量輸入(A/D)模塊(4)模擬量輸出(D/A)模塊存儲(chǔ)器類(lèi)型及其容量選擇：一般使用CMOSRAM存儲(chǔ)器，并且有后備電池，以便關(guān)機(jī)時(shí)保存存儲(chǔ)信息2.5PLC應(yīng)用舉例17一般可編程控制器的選用需要從以下幾2.5PLC應(yīng)用舉例18PLC實(shí)現(xiàn)控制傳送機(jī)將大小球分類(lèi)后分別傳送的系統(tǒng)某分類(lèi)傳送系統(tǒng)如圖2.8所示圖2.8分類(lèi)傳送系統(tǒng)1．控制要求分析2.5PLC應(yīng)用舉例18PLC實(shí)現(xiàn)控制傳送機(jī)將大小球分類(lèi)后2.5PLC應(yīng)用舉例19

傳送機(jī)自動(dòng)從混合容器內(nèi)將小鐵球取出并運(yùn)送到小球容器內(nèi)，將大鐵球取出運(yùn)送到大球容器內(nèi)。操作人員可以通過(guò)控制臺(tái)上的啟動(dòng)按鈕和停止按鈕控制系統(tǒng)。一旦系統(tǒng)啟動(dòng)后，全部操作均由PLC控制自動(dòng)完成。傳送機(jī)處于水平位置的左限位（限位開(kāi)關(guān)LS1）時(shí)，恰好位于混合容器的正上方。行程開(kāi)關(guān)LS4位于小球容器的正上方時(shí)，右限位開(kāi)關(guān)LS5位于大球容器的正上方。系統(tǒng)工藝過(guò)程如下：

①在左限位X1處，傳送機(jī)的手臂下降20s在此期間，如果該手臂碰到大球，則運(yùn)行不到下限位X2;若傳送機(jī)的手臂下降，達(dá)到下限位X2，則手臂端的電磁鐵到混合容器底的距離就小于大球直徑。

②給電磁鐵通電，電磁鐵可吸住在其下面的球。根據(jù)這時(shí)手臂是否到達(dá)下限，便可知電磁鐵吸到的是否為小球。

③5s后，電磁鐵吸住球，機(jī)械臂上升，到達(dá)上限位（限位開(kāi)關(guān)LS3）。傳送機(jī)向右行。若吸住的是小球，則傳送機(jī)在右限位X4停住。若吸住的是大球，則傳送機(jī)在右限位X5停住。

傳送機(jī)到達(dá)右限位后，其機(jī)械臂下降，到下限位（X6或X7）后，電磁鐵斷電，將所吸住的球放入相應(yīng)的容器內(nèi)。

機(jī)械臂上升，到上限位X3后，傳送機(jī)左行。傳送車(chē)回到左限位X1(此時(shí)系統(tǒng)已回到初始狀態(tài))。2.5PLC應(yīng)用舉例19傳送機(jī)自動(dòng)從混合容器2.5PLC應(yīng)用舉例202.PLC規(guī)模的估算和機(jī)型的選擇輸入輸出PLC輸入現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)意義PLC輸出功能00000X11系統(tǒng)啟動(dòng)按鈕0020電磁鐵通電Y000001X12系統(tǒng)停止按鈕0021機(jī)械臂下降Y100002LS1(X1)傳動(dòng)機(jī)到左限位0022機(jī)械臂上升Y200003LS2(X2)機(jī)械臂到下限位0023傳動(dòng)機(jī)右移Y300004LS3(X3)機(jī)械臂到上限位0024傳動(dòng)機(jī)左移Y400005LS4(X4)傳動(dòng)機(jī)到右限位X4（小球容器上方）0025初始狀態(tài)Y700006LS5(X5)傳動(dòng)機(jī)到右限位X5（大球容器上方）

00007LS6(X6)機(jī)械臂到下限位X6

00008LS7(X7)機(jī)械臂到下限位X7

表2.2系統(tǒng)輸入輸出信號(hào)分配表

(1)PLC規(guī)模的估算

①I(mǎi)/O類(lèi)型及點(diǎn)數(shù)的估算

系統(tǒng)輸入輸出信號(hào)的編號(hào)分配見(jiàn)表2.2

根據(jù)前面的工藝控制要求以及系統(tǒng)輸入輸出信號(hào)分配表，初步估算本系統(tǒng)取開(kāi)關(guān)量輸入8點(diǎn)，開(kāi)關(guān)量輸出6點(diǎn)，共16點(diǎn)。不需要智能I/O模塊。②存儲(chǔ)器容量的估算

本例以I/O總點(diǎn)數(shù)的10—15倍估算，16x（10~15）字≈250字。根據(jù)以上估算，對(duì)本例選用1KB的存儲(chǔ)器為宜。2.5PLC應(yīng)用舉例202.PLC規(guī)模的估算和機(jī)型的選2.5PLC應(yīng)用舉例21(2)PLC機(jī)型的選取

從以上分析以及本系統(tǒng)的工藝流程可見(jiàn)，本系統(tǒng)屬于一個(gè)較小的控制系統(tǒng)，其I/O點(diǎn)數(shù)較少，可以采用微型或小型的PLC來(lái)實(shí)現(xiàn)控制?？梢愿鶕?jù)選用的具體PLC型號(hào)，使用其所帶的軟件編程環(huán)境（如梯形圖、步進(jìn)順控圖設(shè)計(jì)等）來(lái)編制相應(yīng)的控制程序。2.5PLC應(yīng)用舉例212.5PLC應(yīng)用舉例223．對(duì)應(yīng)分類(lèi)傳送系統(tǒng)的順序功能圖

根據(jù)控制工藝的要求，畫(huà)出該系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的順序功能圖如圖2.9所示。圖2.9順序功能圖圖2.9中，根據(jù)球的大小選擇程序流，小球時(shí)(X2=ON)，左側(cè)流程有效；大球時(shí)，右側(cè)流程有效。匯合狀態(tài)S25可由S24、S34中任意一個(gè)滿足轉(zhuǎn)移條件來(lái)驅(qū)動(dòng)。2.5PLC應(yīng)用舉例223．對(duì)應(yīng)分類(lèi)傳送系統(tǒng)的順序功能圖圖2.6集散控制系統(tǒng)23隨著生產(chǎn)規(guī)模的日益擴(kuò)大，功能需求的增加，信息往來(lái)的頻繁，使得原來(lái)孤立的控制單元漸漸連成一體，促使采用分散控制和集中管理設(shè)計(jì)思想的分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)——集散控制系統(tǒng)得以出現(xiàn)，其相應(yīng)產(chǎn)品的應(yīng)用范圍已經(jīng)遍及工業(yè)控制領(lǐng)域的各個(gè)行業(yè)。集散控制系統(tǒng)目前已經(jīng)成為工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)控制裝置的主流。

自動(dòng)化是工業(yè)化生產(chǎn)的必然趨勢(shì)，除此之外，信息化和網(wǎng)絡(luò)化也成為工業(yè)界發(fā)展不可逆轉(zhuǎn)的趨勢(shì)。集散控制系統(tǒng)是分散控制和管理集中的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。2.6集散控制系統(tǒng)23隨著生產(chǎn)規(guī)模的日益擴(kuò)大，功能需求的增2.6.1集散控制系統(tǒng)概述24集散型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)又稱(chēng)為分散型綜合控制系統(tǒng)(totaldistributedcontrolsystems，簡(jiǎn)稱(chēng)集散系統(tǒng)DCS)，它是以微處理器為基礎(chǔ)的用于過(guò)程控制的工程化的分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。

圖2.10為集散系統(tǒng)組成的簡(jiǎn)圖。圖2.10集散系統(tǒng)簡(jiǎn)圖圖中的過(guò)程控制單元以微處理機(jī)為基礎(chǔ)，具有幾十種或上百種運(yùn)算功能；可以獨(dú)立地對(duì)回路進(jìn)行各種復(fù)雜控制。它們按地理位置分散于現(xiàn)場(chǎng)，分別獨(dú)立地控制一個(gè)或數(shù)個(gè)回路。各控制單元的信息通過(guò)通信系統(tǒng)集中到中央操作站中，實(shí)現(xiàn)對(duì)全系統(tǒng)的綜合管理。2.6.1集散控制系統(tǒng)概述24集散型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)又稱(chēng)為分散2.6.2集散控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)25集散控制系統(tǒng)的本質(zhì)是：采用分散控制和集中管理的設(shè)計(jì)思想、分而自治和綜合協(xié)調(diào)的設(shè)計(jì)原則、層次化體系結(jié)構(gòu)。1．集散控制系統(tǒng)功能分層體系：(1)分散過(guò)程控制級(jí)(2)集中操作監(jiān)控級(jí)(3)綜合信息管理級(jí)(4)通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)2．

集散控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)3.集散控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信：(1)數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕橘|(zhì)(2)數(shù)據(jù)傳輸方式(3)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(4)網(wǎng)絡(luò)的訪問(wèn)控制方法2.6.2集散控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)25集散控制系統(tǒng)的本質(zhì)是：2.7集散控制系統(tǒng)的組態(tài)26DCS是集計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和圖形顯示技術(shù)于一體的系統(tǒng)，其對(duì)應(yīng)產(chǎn)品都提供大量的功能模塊和算法模塊。所謂“組態(tài)（configuration）”就是用DCS所提供的功能模塊或算法組成所需的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使計(jì)算機(jī)或軟件按照預(yù)先的設(shè)置，自動(dòng)執(zhí)行特定任務(wù)，達(dá)到所求的目的。為了完成某些特定功能，采用DCS提供的組態(tài)語(yǔ)言編寫(xiě)有關(guān)程序也屬于組態(tài)范圍。

集散控制系統(tǒng)的組態(tài)類(lèi)型：DCS的組態(tài)包括系統(tǒng)組態(tài)、畫(huà)面組態(tài)和控制組態(tài)。集散控制系統(tǒng)的組態(tài)軟件：集散控制系統(tǒng)的組態(tài)軟件是指一些包括數(shù)據(jù)采集與工程控制的專(zhuān)用軟件，屬于自動(dòng)控制監(jiān)控層一級(jí)的軟件平臺(tái)和開(kāi)發(fā)環(huán)境。組態(tài)設(shè)計(jì)步驟：一般包括10個(gè)步驟。2.7集散控制系統(tǒng)的組態(tài)26DCS是集計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、習(xí)題什么是物聯(lián)網(wǎng)？物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)之間的關(guān)系是什么？簡(jiǎn)述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的一般組成。簡(jiǎn)述物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)。簡(jiǎn)述PLC在物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用有哪些？簡(jiǎn)述DCS控制器在物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)中作用。簡(jiǎn)述嵌入式控制器在物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)中作用。27習(xí)題什么是物聯(lián)網(wǎng)？2728THEEND28第2章物聯(lián)網(wǎng)控制器教材：王萬(wàn)良，物聯(lián)網(wǎng)控制技術(shù)，高等教育出版社，2016第2章物聯(lián)網(wǎng)控制器教材：30控制器是物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)的核心。本章從物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用角度介紹物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)中常用的控制器的基本內(nèi)容，主要介紹可編程控制器、集散控制系統(tǒng)。由于單片機(jī)、嵌入式控制器已有專(zhuān)門(mén)課程介紹，本章就不再介紹。第2章物聯(lián)網(wǎng)控制器2控制器是物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)的核心。本章從物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用角度介紹物聯(lián)31第2章物聯(lián)網(wǎng)控制器2.1物聯(lián)網(wǎng)控制器概述2.2PLC及其功能與特點(diǎn)2.3PLC的組成與工作原理2.4PLC的編程語(yǔ)言2.5PLC應(yīng)用舉例2.6集散控制系統(tǒng)2.7集散控制系統(tǒng)的組態(tài)3第2章物聯(lián)網(wǎng)控制器2.1物聯(lián)網(wǎng)控制器概述322.1物聯(lián)網(wǎng)控制器概述在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，控制器作為智能控制終端，與傳感器、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、RFID等新型技術(shù)相互結(jié)合進(jìn)行信息的交換和通信，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理并實(shí)現(xiàn)物與物、物與人、物品與網(wǎng)絡(luò)的連接方便了對(duì)物體的識(shí)別、管理和控制。根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的規(guī)模可以選擇不同的控制器。常用的有單片機(jī)、可編程控制器、工業(yè)PC、集散控制系統(tǒng)、嵌入式控制器等?？删幊踢壿嬁刂破?PLC)是專(zhuān)為在工業(yè)環(huán)境下使用而設(shè)計(jì)的一種數(shù)字運(yùn)算操作電子裝置，帶有存儲(chǔ)器、可以編制程序的控制器，已成為代替繼電器實(shí)現(xiàn)邏輯控制的主流控制技術(shù)，是物聯(lián)網(wǎng)中工業(yè)控制應(yīng)用的核心部分。42.1物聯(lián)網(wǎng)控制器概述在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，控制器作為智能控制終332.2PLC及其功能與特點(diǎn)

可編程邏輯控制器(programmablelogiccontroller，PLC)又稱(chēng)可編程控制器，是一種有效的工業(yè)控制裝置，它已經(jīng)從單一的開(kāi)關(guān)量控制發(fā)展到具有順序控制、模擬量控制、連續(xù)PID控制等多種功能；從小型整體結(jié)構(gòu)發(fā)展到大中型模塊結(jié)構(gòu)；從獨(dú)立的單臺(tái)運(yùn)行發(fā)展到數(shù)臺(tái)連成PLC網(wǎng)絡(luò)。52.2PLC及其功能與特點(diǎn)可編程邏輯控制342.2.1PLC的功能

PLC的基本功能包括：①多種控制功能（包括邏輯、定時(shí)、計(jì)數(shù)、順序控制等）。②輸入／輸出接口功能（包括開(kāi)關(guān)量輸入輸出，模擬量輸入輸出）。③數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與處理功能（包括輔助繼電器，狀態(tài)繼電器，延時(shí)繼電器，鎖存繼電器，主控繼電器，定時(shí)器，計(jì)數(shù)器，移位寄存器，鼓形控制器，跳轉(zhuǎn)和強(qiáng)制I/O等，其指令系統(tǒng)日趨豐富，不僅具有邏輯運(yùn)算、算術(shù)運(yùn)算等基本功能，而且能以雙倍精度或浮點(diǎn)形式完成代數(shù)運(yùn)算和矩陣運(yùn)算）。④通信聯(lián)網(wǎng)功能（包括通信聯(lián)網(wǎng)、成組數(shù)據(jù)傳送等）。⑤其他擴(kuò)展功能（包括PID閉環(huán)回路控制、排序查表、中斷控制及特殊功能函數(shù)運(yùn)算、多級(jí)制機(jī)制、智能I/0、過(guò)程監(jiān)視、遠(yuǎn)程I/O、多處理器和高速數(shù)據(jù)處理能力等）。62.2.1PLC的功能PLC的基本功能包括：352.2.2PLC的特點(diǎn)

PLC在工業(yè)界得到越來(lái)越多的應(yīng)用，具有以下特點(diǎn)：（1）多功能

控制、輸入／輸出接口、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與處理、通信聯(lián)網(wǎng)、多種擴(kuò)展（2）應(yīng)用靈活

積木硬件結(jié)構(gòu)和模塊化的軟件設(shè)計(jì)，適應(yīng)大小不同、功能繁復(fù)的控制要求，適應(yīng)各種工藝流程變化較多的場(chǎng)合。安裝和現(xiàn)場(chǎng)接線簡(jiǎn)單，邏輯、控制功能是通過(guò)軟件完成，整個(gè)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、調(diào)試周期，研制費(fèi)相對(duì)較少。（3）操作維修方便，穩(wěn)定可靠具有耐熱、防潮、抗振等性能，平均無(wú)故障時(shí)間可達(dá)4萬(wàn)-5萬(wàn)小時(shí)（4）模塊智能化、通信網(wǎng)絡(luò)化PLC專(zhuān)用I/O模塊的智能化以及通信過(guò)程的網(wǎng)絡(luò)化使得PLC從繼電器控制系統(tǒng)的替代物迅速轉(zhuǎn)變?yōu)槟軌驕y(cè)試、質(zhì)量管理、過(guò)程控制和其他領(lǐng)域中應(yīng)用的多用途控制器。72.2.2PLC的特點(diǎn)PLC在工業(yè)界得到越來(lái)越多的應(yīng)用2.3PLC的組成與工作原理PLC一般具有兩種結(jié)構(gòu)形式：整體式單元結(jié)構(gòu)和模塊化結(jié)構(gòu)。圖2.1PLC的兩種結(jié)構(gòu)2.3PLC的組成與工作原理PLC一般具有兩種結(jié)構(gòu)形式：整2.3PLC的組成與工作原理PLC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2.2所示。圖2.2PLC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖2.3PLC的組成與工作原理PLC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖22.3PLC的組成與工作原理各模塊的主要功能：CPU模塊：PLC的核心部件，邏輯判斷、數(shù)值計(jì)算、數(shù)據(jù)處理、控制命令等擴(kuò)展存儲(chǔ)器模塊：增大系統(tǒng)的存儲(chǔ)容量編程器：編制、編輯、調(diào)試、控制用戶程序的設(shè)備電源模塊：電源模塊將交流電源轉(zhuǎn)換成PLC所需要的直流電源I/O模塊：I/O模塊包括數(shù)字UO模塊和模擬1/0模塊兩類(lèi)智能接口模塊：在PLC的統(tǒng)一管理下完成某些獨(dú)立的特定功能網(wǎng)絡(luò)通信接口模塊：這是為PLC之間、PLC與各種計(jì)算機(jī)之間、PLC與各種智能設(shè)備之間提供的通信接口系統(tǒng)1/0總線接口模塊：實(shí)現(xiàn)各插槽間的元器件連接2.3PLC的組成與工作原理各模塊的主要功能：CPU模塊：2.3.2PLC的工作原理PLC采用了巡回掃描的工作方式PLC系統(tǒng)工作過(guò)程如圖2.3所示39圖2.3PLC系統(tǒng)工作過(guò)程2.3.2PLC的工作原理PLC采用了巡回掃描的工作方式12.3.2PLC的工作原理輸入掃描階段：在一個(gè)工作周期開(kāi)始時(shí)，控制器首先以掃描方式順序讀入所有輸入端的信號(hào)狀態(tài)，并存入輸入狀態(tài)寄存器。CPU的掃描周期小于所有輸入信號(hào)電平保持時(shí)間的最小值執(zhí)行掃描階段：PLC按照用戶程序在存儲(chǔ)器中的存放地址，從頭至尾順序掃描執(zhí)行整個(gè)用戶程序。整個(gè)執(zhí)行掃描階段并不直接訪問(wèn)1/0模板，只與輸入輸出映像區(qū)或其他內(nèi)部數(shù)據(jù)區(qū)打交道、交換數(shù)據(jù)。輸出掃描階段：將輸出映像區(qū)中的所有輸出狀態(tài)轉(zhuǎn)存到輸出鎖存器中，并驅(qū)動(dòng)繼電器的輸出線圈；形成PLC的實(shí)際輸出402.3.2PLC的工作原理輸入掃描階段：在一個(gè)工作周期開(kāi)始2.4.1梯形圖語(yǔ)言例2.1畫(huà)出實(shí)現(xiàn)如下控制過(guò)程的梯形圖：當(dāng)開(kāi)關(guān)l和2均閉合、開(kāi)關(guān)3不切斷時(shí)，紅燈亮；開(kāi)關(guān)4和5任一個(gè)閉合時(shí)，綠燈亮。41圖2.4例2.1電路圖相應(yīng)電路如圖2.4所示。采用PLC來(lái)實(shí)現(xiàn)的過(guò)程為：先讀入開(kāi)關(guān)X1-X5的觸點(diǎn)信息，然后對(duì)XI-X3的狀態(tài)進(jìn)行邏輯運(yùn)算。若邏輯條件滿足，Y1線圈接通；對(duì)X4、X5狀態(tài)進(jìn)行邏輯運(yùn)算，若條件滿足，則Y2線圈接通。若Y1線圈接通，則外觸點(diǎn)Y1接通，外電路形成回路，紅燈亮；若Y2線圈接通，則外觸點(diǎn)Y2接通外電路形成回路，綠燈亮。采用梯形圖來(lái)繪制PLC工作過(guò)程，就可得圖2.5所示的梯形圖程序。圖2.5例2.1圖梯形圖2.4.1梯形圖語(yǔ)言例2.1畫(huà)出實(shí)現(xiàn)如下控制過(guò)程的梯形圖2.4.2指令表語(yǔ)言PLC的命令語(yǔ)句：操作碼+操作數(shù)。42

三菱公司PLC的命令語(yǔ)句GE公司PLC的命令語(yǔ)句注釋序號(hào)操作碼操作數(shù)操作碼操作數(shù)000LDX1STRX1邏輯行開(kāi)始，取輸入X1（動(dòng)合接電）001ANDX2ANDX2串聯(lián)接點(diǎn)X2（結(jié)合接點(diǎn)）002ANIX3ANDNOTX3串聯(lián)接點(diǎn)X3（動(dòng)斷接點(diǎn)）003OUTY1OUTY1輸出Y1，本邏輯行結(jié)束004LDX4STRX4邏輯行開(kāi)始，取輸入X4（動(dòng)合接點(diǎn)）005ORX5ORX5并聯(lián)接點(diǎn)X5（動(dòng)合接點(diǎn)）006OUTY2OUTY2輸出Y2，本邏輯行結(jié)束表2.1實(shí)現(xiàn)圖2.4所示電路功能的程序2.4.2指令表語(yǔ)言PLC的命令語(yǔ)句：操作碼+操作數(shù)。142.4.3SFC語(yǔ)言43圖2.6為一個(gè)小車(chē)運(yùn)動(dòng)的示意圖，畫(huà)出其用SFC實(shí)現(xiàn)時(shí)對(duì)應(yīng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，寫(xiě)出其對(duì)應(yīng)的程序指令表。圖2.6小車(chē)運(yùn)動(dòng)示意圖小車(chē)的工作過(guò)程如下：(l)啟動(dòng)按鈕SB后，小車(chē)前進(jìn)。(2)當(dāng)小車(chē)到右限位開(kāi)關(guān)X01I時(shí)，后退。(3)當(dāng)小車(chē)到左限位開(kāi)關(guān)X013時(shí)，停止，定時(shí)器T0開(kāi)始計(jì)時(shí)。(4)定時(shí)器計(jì)時(shí)10s后，小車(chē)前進(jìn)。(5)當(dāng)小車(chē)運(yùn)行到右限位開(kāi)關(guān)X012時(shí)后退，運(yùn)行到達(dá)左限位X013后，回到初態(tài)，繼續(xù)進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。2.4.3SFC語(yǔ)言15圖2.6為一個(gè)小車(chē)運(yùn)動(dòng)的示意圖，畫(huà)2.4.3SFC語(yǔ)言44采用SFC語(yǔ)言描述，則其狀態(tài)轉(zhuǎn)移過(guò)程為：(l)S0為初始狀態(tài)，當(dāng)啟動(dòng)按鈕后，狀態(tài)從S0向S20轉(zhuǎn)移，小車(chē)前進(jìn)Y021動(dòng)作。(2)當(dāng)右限位開(kāi)關(guān)X011接通時(shí)，狀態(tài)S20向S21轉(zhuǎn)移，前進(jìn)輸出Y021切斷，后退輸出Y023接通。(3)當(dāng)左限位開(kāi)關(guān)X013接通時(shí)．狀態(tài)S21向S22轉(zhuǎn)移，啟動(dòng)定時(shí)器T0。(4)5s后，定時(shí)器T0的觸點(diǎn)動(dòng)作，轉(zhuǎn)至狀態(tài)S23，小車(chē)前進(jìn)Y021動(dòng)作。(5)當(dāng)右限位開(kāi)關(guān)X012接通時(shí)，狀態(tài)S23向S24轉(zhuǎn)移，前進(jìn)輸出Y021切斷，后退輸出Y023接通。到達(dá)左限位X013接通，狀態(tài)返回S0，又進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。由于小車(chē)的前進(jìn)及后退都是由同一電機(jī)的不同方向轉(zhuǎn)動(dòng)求帶動(dòng)的，因此加上聯(lián)鎖后，得到該系統(tǒng)相對(duì)應(yīng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，如圖2.7所示。圖2.7小車(chē)自動(dòng)控制的狀態(tài)圖2.4.3SFC語(yǔ)言16采用SFC語(yǔ)言描述，則其狀態(tài)轉(zhuǎn)移過(guò)2.5PLC應(yīng)用舉例45一般可編程控制器的選用需要從以下幾個(gè)方面來(lái)考慮：輸入輸出模塊及其點(diǎn)數(shù)的選擇：(1)開(kāi)關(guān)量輸入模塊(2)開(kāi)關(guān)量輸出模塊(3)模擬量輸入(A/D)模塊(4)模擬量輸出(D/A)模塊存儲(chǔ)器類(lèi)型及其容量選擇：一般使用CMOSRAM存儲(chǔ)器，并且有后備電池，以便關(guān)機(jī)時(shí)保存存儲(chǔ)信息2.5PLC應(yīng)用舉例17一般可編程控制器的選用需要從以下幾2.5PLC應(yīng)用舉例46PLC實(shí)現(xiàn)控制傳送機(jī)將大小球分類(lèi)后分別傳送的系統(tǒng)某分類(lèi)傳送系統(tǒng)如圖2.8所示圖2.8分類(lèi)傳送系統(tǒng)1．控制要求分析2.5PLC應(yīng)用舉例18PLC實(shí)現(xiàn)控制傳送機(jī)將大小球分類(lèi)后2.5PLC應(yīng)用舉例47

傳送機(jī)自動(dòng)從混合容器內(nèi)將小鐵球取出并運(yùn)送到小球容器內(nèi)，將大鐵球取出運(yùn)送到大球容器內(nèi)。操作人員可以通過(guò)控制臺(tái)上的啟動(dòng)按鈕和停止按鈕控制系統(tǒng)。一旦系統(tǒng)啟動(dòng)后，全部操作均由PLC控制自動(dòng)完成。傳送機(jī)處于水平位置的左限位（限位開(kāi)關(guān)LS1）時(shí)，恰好位于混合容器的正上方。行程開(kāi)關(guān)LS4位于小球容器的正上方時(shí)，右限位開(kāi)關(guān)LS5位于大球容器的正上方。系統(tǒng)工藝過(guò)程如下：

①在左限位X1處，傳送機(jī)的手臂下降20s在此期間，如果該手臂碰到大球，則運(yùn)行不到下限位X2;若傳送機(jī)的手臂下降，達(dá)到下限位X2，則手臂端的電磁鐵到混合容器底的距離就小于大球直徑。

②給電磁鐵通電，電磁鐵可吸住在其下面的球。根據(jù)這時(shí)手臂是否到達(dá)下限，便可知電磁鐵吸到的是否為小球。

③5s后，電磁鐵吸住球，機(jī)械臂上升，到達(dá)上限位（限位開(kāi)關(guān)LS3）。傳送機(jī)向右行。若吸住的是小球，則傳送機(jī)在右限位X4停住。若吸住的是大球，則傳送機(jī)在右限位X5停住。

傳送機(jī)到達(dá)右限位后，其機(jī)械臂下降，到下限位（X6或X7）后，電磁鐵斷電，將所吸住的球放入相應(yīng)的容器內(nèi)。

機(jī)械臂上升，到上限位X3后，傳送機(jī)左行。傳送車(chē)回到左限位X1(此時(shí)系統(tǒng)已回到初始狀態(tài))。2.5PLC應(yīng)用舉例19傳送機(jī)自動(dòng)從混合容器2.5PLC應(yīng)用舉例482.PLC規(guī)模的估算和機(jī)型的選擇輸入輸出PLC輸入現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)意義PLC輸出功能00000X11系統(tǒng)啟動(dòng)按鈕0020電磁鐵通電Y000001X12系統(tǒng)停止按鈕0021機(jī)械臂下降Y100002LS1(X1)傳動(dòng)機(jī)到左限位0022機(jī)械臂上升Y200003LS2(X2)機(jī)械臂到下限位0023傳動(dòng)機(jī)右移Y300004LS3(X3)機(jī)械臂到上限位0024傳動(dòng)機(jī)左移Y400005LS4(X4)傳動(dòng)機(jī)到右限位X4（小球容器上方）0025初始狀態(tài)Y700006LS5(X5)傳動(dòng)機(jī)到右限位X5（大球容器上方）

00007LS6(X6)機(jī)械臂到下限位X6

00008LS7(X7)機(jī)械臂到下限位X7

表2.2系統(tǒng)輸入輸出信號(hào)分配表

(1)PLC規(guī)模的估算

①I(mǎi)/O類(lèi)型及點(diǎn)數(shù)的估算

系統(tǒng)輸入輸出信號(hào)的編號(hào)分配見(jiàn)表2.2

根據(jù)前面的工藝控制要求以及系統(tǒng)輸入輸出信號(hào)分配表，初步估算本系統(tǒng)取開(kāi)關(guān)量輸入8點(diǎn)，開(kāi)關(guān)量輸出6點(diǎn)，共16點(diǎn)。不需要智能I/O模塊。②存儲(chǔ)器容量的估算

本例以I/O總點(diǎn)數(shù)的10—15倍估算，16x（10~15）字≈250字。根據(jù)以上估算，對(duì)本例選用1KB的存儲(chǔ)器為宜。2.5PLC應(yīng)用舉例202.PLC規(guī)模的估算和機(jī)型的選2.5PLC應(yīng)用舉例49(2)PLC機(jī)型的選取

從以上分析以及本系統(tǒng)的工藝流程可見(jiàn)，本系統(tǒng)屬于一個(gè)較小的控制系統(tǒng)，其I/O點(diǎn)數(shù)較少，可以采用微型或小型的PLC來(lái)實(shí)現(xiàn)控制?？梢愿鶕?jù)選用的具體PLC型號(hào)，使用其所帶的軟件編程環(huán)境（如梯形圖、步進(jìn)順控圖設(shè)計(jì)等）來(lái)編制相應(yīng)的控制程序。2.5PLC應(yīng)用舉例212.5PLC應(yīng)用舉例503．對(duì)應(yīng)分類(lèi)傳送系統(tǒng)的順序功能圖

根據(jù)控制工藝的要求，畫(huà)出該系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的順序功能圖如圖2.9所示。圖2.9順序功能圖圖2.