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制造过程智能检测与控制
制造系统智能检测与控制思维导图：包含1.电气控制基础，低压电器的分类，常用低压电器，电气控制系统图，电动机常见控制电路，电气控制电路分析基础，2.PLC基础知识等等
编辑于2022-04-18 18:50:11- PLC
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制造系统智能检测与控制
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1. 电气控制基础
低压电器的分类
按用途分：控制、主令、保护、配电、执行
按操作方式分：自动、手动
按工作原理：电磁式、非电量控制
电磁式低压电器包括
电磁机构（感测部分，将电磁能转化为机械能）
包括线圈、铁心、衔铁
触头机构（执行部分，起接通和分段电路的作用）
包括点接触、线接触、面接触
常用低压电器
接触器KM
用于远距离频繁地接通和分断主电路或大容量控制电路
分为交流和直流
继电器KA
是按某种要求接通或断开控制系统中的电路
按输入量的物理性质分为电压、电流、速度、时间、温度、压力、热继电器等
电气控制系统图
电路图（电气原理图）
根据电气控制系统的工作原理，采用电器元件展开的形式绘制的电气图。
特点：结构简单，层次分明。
电气接线图
表示电气设备或装置连接关系的简图，用于电气设备安装接线、电路检查、电路维修和故障处理。
电器元件布置图
表明电气设备上所有电器和用电设备的实际位置，是电气控制设备制造、装配、调试和维护必不可少的技术文件。
电动机常见控制电路
单向旋转控制
手动控制
特点：控制方法简单
应用：控制三相电风扇和砂轮机
点动控制
应用：电葫芦控制和车床托板箱快速移动的电机控制
连续运行控制
连续与点动混合控制
开关切换
按钮控制
顺序控制
同时停止
逆序停止
可逆旋转控制
倒顺开关控制
特点：用倒顺开关实现电源调相
应用：5.5KW以下的电动机电路直接控制电动机正反转
按钮、接触器控制
接触器互锁控制
安全可靠，操作麻烦
按钮互锁控制
操作方便但易产生故障
接触器、按钮双重互锁控制
安全可靠、操作方便
位置控制
利用行程开关实现正反转
三相异步电动机降压启动控制 （启动时减小加在定子绕组上的电压以减小起动电流； 启动后再将电压恢复到额定值，电动机进入正常工作状态）
定子绕组串电阻（电抗）启动
定子串电阻减压自动启动
手动、自动启动控制
自耦变压器降压启动
Y-Δ降压启动
延边三角形降压启动
三相绕线式异步电动机启动控制
转子绕组串电阻
按钮操作控制
原理：用按钮逐级切除启动电阻
缺点：操作不便
时间原则控制
电流原则控制
原理：时间继电器分别控制三个接触器，按顺序依次吸合，自动切除转子绕组中的三级电阻
转子绕组串频敏变阻器
频敏变阻器：等效阻抗值与频率有关，随转速的升高转子频率降低，等效阻抗自动减小，实现平滑无级启动。
三相异步电动机电气制动控制
反接制动
原理：改变电动机电源相序，使定子绕组产生反向的旋转磁场，形成制动转矩
要求：10kW以上的电动机的定子电路中串入反接制动电阻，转速接近于0时及时切断反相序电源，防止反向再启动
能耗制动
电气控制电路分析基础
内容
通过设备说明书，掌握设备的构造、电气传动方式、设备的使用方法、与机械和液压部分直接关联的电器
通过电路图，知道主电路、控制电路、辅助电路、保护与连锁环节以及特殊控制电路等部分组成。
通过总装连线图，了解系统的组成分布情况、各部分的连接方式、主要电气部件的布置安装要求、导线和导线管的规格型号等
通过电器元件布置图与接线图，迅速找到各电器元件的测试点，进行检测、调试和维修。
电气原理图的阅读分析原则
先机后电
先主后辅
化整为零
统观全局
总结特点
分析方法
查线分析法：从电源开始，从上而下，从左至右。
2. PLC基础知识
PLC发展历程
继电器与计算机的对比
继电器控制系统
①体积大、可靠性低；
②接线复杂，对工艺变化适应性差；
③改造工期长、费用高。
计算机系统
灵活性、通用性好
发展设想
定义：PLC是微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物，是一种新型控制器。
应用场景：工业现场；能改变其控制逻辑而不变动组成它的元件和修改内部接线；出现故障时易于诊断和维修。
PLC定义、特点和分类
定义：一种专为工业环境下应用而设计的电子控制系统，具有数字运算操作能力。
特点：
①通用性和灵活性强
②抗干扰能力强，可靠性搞
③编程语言简单易学
④系统的设计、安装、调试、维修工作量少
⑤功能强、功能的扩展能力强
⑥体积小、重量轻、易于机电一体化
分类
按结构：整体式、模块式、叠装式
按控制规模（I/O点数）：微型机、小型机、中型机、大型机、超大型机
PLC基本构成
中央处理器（CPU）
包括微处理器、控制接口电路
存储器
只读存储器（ROM）
存储程序存储器（存储系统数据）
随机存取存储器（RAM）
用户程序存储器（存储用户程序）
工作数据存储器（存储工作数据）
输入/输出单元（数字量、模拟量）
输入模块（得到生产过程的参数）
数字量
直流输入
交流输入
模拟量
电压输入
电流输入
输出模块（把运算结果送至工业过程现场的执行机构实现控制）
数字量
继电器输出
晶体管输出
晶闸管输出
模拟量
电压输出
电源
外设端口
实现人机对话、机机对话的通道
扩展端口
包括I/O扩展端口、A/D扩展端口、其他外设扩展端口、连接线缆
编程工具
专用编程器
简易编程器、图形编程器
计算机辅助编程
PLC应用
逻辑控制/顺序控制、运动控制、过程控制、数据处理、通信联网
3. PLC运作原理
PLC对继电器控制系统的仿真
PLC可以等价为软继电器、虚拟继电器
控制电路又可分为输入部分、逻辑部分、输出部分
梯形图是PLC模拟继电器控制系统的编程方法
PLC的循环扫描方式
PLC工作方式：
①顺序扫描，不断循环，具有周期性，定时完成。
②以串行方式执行多个阶段的任务。
③PLC与继电器控制系统对信息处理方式是不同的
继电器控制系统：并行
PLC：串行
④在用户程序执行阶段，PLC对输入映像寄存器的内容由上一个扫描周期输入端子的状态决定。
五个阶段：内部处理阶段、通信处理阶段、输入（I）刷新阶段、程序执行阶段、输出（O）刷新阶段
系统响应时间（输入/输出滞后时间）
最短响应时间=输入、输出延迟时间+＜一个扫描周期
最长响应时间=输入、输出延迟时间+<两个扫描周期
中断程序的处理
不是由用户程序调用，而是在中断事件发生时，由系统程序调用
中断的优先级处理和输出
中断源的先后顺序根据其占用的输入点位置而自动排序，当系统中断申请后便顺序扫描中断源
扫描过程中，在存储器的一个特定区建立中断处理表，按顺序存放中断信息，然后系统按照该表顺序先后转至相应的中断子程序去处理
对于中断处理子程序中有关信息的输出必须采取特殊处理，即这部分输出信息不通过周期扫描方式输出，而利用专门的硬件或软件去立即执行。
PLC两种基本工作状态
运行（RUN）
停止（STOP）
常用PLC简介（略）
4. PLC编程基础
PLC的编程语言与程序结构
PLC编程语言的国际标准
①顺序功能图（SFC）
位于其他编程语言之上的图形语言
三种主要元件：步、转换、动作
②梯形图（LAD）
组成：触点、线圈、用方框表示的功能块
线圈：逻辑输出结果
功能块：表示定时器、计数器或数学运算等附加指令
能流：只能从左往右流动
逻辑运算：按从左往右的方向执行，与能流方向一致，各网格按从上到下的顺序执行，执行完所有网格后，返回最上面的网格重新执行。
③功能块图（FBD）
类似于数字逻辑门电路的编程语言
用类似与门、或门的方框表示逻辑运算关系，方框的左侧为逻辑运算的输入变量，右侧为输出变量
④指令表（语句表）（STL）
可编程序控制器的指令是一种与微机的汇编语言中的指令相似的助记符表达式
执行程序时要用到逻辑堆栈，梯形图和功能块图编辑器自动地插入处理栈操作所需要的指令
⑤结构文本（ST）
一种专用的高级编程语言
最大的优点：简化复杂的数学方程
编程语言的相互转换和选用
用户可选用梯形图、功能块图、语句表这三种编程语言
语句表程序较难阅读，逻辑关系难以读出，建议在设计通信、数学运算等高级应用程序时使用
梯形图易于理解，设计开关量控制程序时建议选用
存储器的数据类型与寻址方式
数据在存储器中存储的方式
位
1-线圈“通电”，称编程元件ON（接通）
0-线圈“断电”，称编程元件OFF（断开）
字节、字、双字
8位二进制组成1个字节，两个字节组成一个字（Word），两个字组成一个双字
位存储单元的地址由字节地址和位地址组成，称为“字节.位”寻址方式
PLC的存储区
输入映像寄存器（I）
PLC接收外部输入的开关量信号的窗口
外部输入电路接通时——变为ON，输入端可外接常开触点、常闭触点、多个触点组成的串并联电路
在梯形图中，可以多次使用输入位的常开触点和常闭触点
输出映像寄存器（O）
扫描周期末尾，CPU将输出映像寄存器的数据传送给输出模块，再由后者驱动外部负载。
若梯形图Q0.0的线圈“通电”，则继电器型输出模块中对应的硬件继电器的常开触点闭合，使接在标号位0.0的端子的外部负载工作。
变量存储器（V）
存放中间结果，或用来保存与工序或任务有关的其他数据
位存储器（M）
内部存储器标志位用来保存控制继电器的中间操作状态或其他控制信息
可以按位、字节、字、双字来存取
定时器存储器（T）
相当于继电器系统中的时间继电器
S7-200中由基增量位1ms、10ms、100ms的定时器
当前值大于设定值时，定时器位被置为1
计数器存储器（C）
CPU提供加计数器、减计数器、加减计数器
当前值大于设定值时，计数器位被置为1
高速计数器（HC）
当前值和设定值为32位有符号整数，当前值为只读数据。
累加器（AC）
用来存放计算的中间值，CPU提供了4个32位累加器，可按字节、字、双字存取累加器中的数据（字节、字只能存取低8位或低16位，双字存取全部32位）存取的数据长度由所用的指令决定
特殊存储器（SM）
用于CPU与用户之间交换信息
局部存储器（L）
S7-200给主程序和中断程序各分配64字节局部存储器，给每一级子程序嵌套分配64字节局部存储器
模拟量输入（AI）
用区域标识符AI、数据长度、字节起始地址来表示模拟量输入的地址，长度为1个字长（16位）。
模拟量从偶数字节地址开始存放，为只读数据
模拟量输出（AQ）
用标识符AQ、数据长度（W）、字节的起始地址来表示存储模拟量输出的地址
从偶数字节地址开始存放，用户不能读取模拟量输出值
顺序控制继电器（S）
用于组织机器的顺序操作，S提供控制程序的逻辑分段
常数的表示方式
可以是字节、字或双字
CPU以二进制存储，常数也可用十进制、十六进制、ASCII码或浮点数形式表示
直接寻址和间接寻址
直接寻址
给出了存储器的区域、长度和位置
间接寻址
I、Q、V、M、S、T（当前值）、C（当前值）可间接寻址
不能对独立的位（Bit）或模拟量进行间接寻址
间接寻址之前应创建一个指向该位置的指针，指针为双字值，用指针来存取数据时操作数前加“*”号
位逻辑指令
触点指令
标准触点指令
常开触点对应的存储器地址位为1时，触点闭合
LD（装载）、A（与）、O（或）
常闭触点对应的存储器地址为为0时，触点闭合
LDN、AN、ON
堆栈
ALD（装载与，串联）、OLD（装载或，并联）、LPS（入栈）、LRD（读栈）、LPP（出栈）、LDS n（装载堆栈）
栈顶用来存储逻辑运算的结果，下面8位用来存储中间运算结果，“先进后出”原则
立即触点
立即读入物理输入点的值并决定该触点的接通/断开状态，但并不更新该物理输入点对应的映像寄存器
LDI、AI、OI、LDNI、ANI、ONI
输出指令
输出=
与线圈相对应，放在梯形图最右边，BOOL型
立即输出=I
只能用于输出量（Q），执行该指令时，将栈顶值立即写入指定的物理输出位和对应的输出映像寄存器。
置位与复位
置位S
从指定的位地址开始的N个点的映像寄存器都被置位为1，N=1-255
复位R
如果被指定复位的时定时器位（T）或计数器位（C）。将清除定时器/计数器当前值
从指定的位地址开始的N个点的映像寄存器都被复位为0，N=1-255
立即置位与立即复位
只能用与输出量（Q）新值被同时写入对应的物理输出点和输出映像寄存器
立即置位SI
立即复位RI
其他指令
取反NOT
跳变触点
正跳变EU
负跳变ED
空操作NOP N
定时器与计数器指令
可用复位指令复位定时器
通电延时定时器TON
当前值大于等于设定值，定时器位变成ON
输入电路断开时，定时器被复位，当前值被清零，常开触点断开
定时器又1ms、10ms、100ms三种分辨率，设定时间=设定值×分辨率
断电延时定时器TOF
IN输入电路断开后延时一段时间再使定时器位ON
输入电路接通后，定时器位为ON，当前值被清零
TOF与TON不能共享相同的定位器号（如不能都是T33）
保持型通电延时定时器TONR
输入电路断开时当前值保持不变
计数器
加计数器CTU
当前值大于等于设定值（PV）时，该计数器位被置1
减计数器CTD
从设定值开始，计数器的当前值减1，减至0时，停止计数，计数器位被置1
加减计数器CTUD
当前值大于等于设定值（PV）时，计数器位被置位
5. 数字量控制系统PLC编程
梯形图的经验设计法
在典型电路的基础上，根据对控制系统的要求，不断地修改和完善扇形图
特点：无规律可循，结果不唯一，对设计者的经验要求高
起保停电路与置位复位电路时顺序控制设计法的基本电路
根据继电器控制电路设计梯形图的方法
顺序控制设计法
6. PLC功能指令（略）
7. 自动化及工业控制系统
自动化系统的基本组成
加工和系统运行所需的能源
最主要的能源是电力。其他形式的能源包括石油、太阳能、水能和风能
指导生产过程的指令程序
工作循环程序
过程参数
过程变量
加工的输出量
工作循环组成
对于每个工作循环而言，程序指令是一样的。但实际上，许多自动化生产加工需要在工作循环内跟踪参数的变化，并对其作出决策。
①工艺步骤的数量和顺序；
②每一步中过程参数的变动；
执行指令程序的控制系统
闭环控制系统
开环控制系统
应用场景：①系统的工作比较简单；②执行功能很可靠；③在执行器上的反馈力小得足以忽略。
高级自动化功能
安全检测
安全检测系统对危险状况的监测能力受限于系统设计者实现对潜在危险的预计
保证工人的安全
保证机器周围设施的安全
维护和维修诊断
状态检测
①为诊断当前的失效提供信息；②为预测未来的失效提供数据
失效诊断
目的时解释监测变量的当前值，并分析失效之前发生的记录值以识别发生失效的原因
维修流程推荐
故障检测与恢复
故障检测
系统用传感器检测失效和偏离正常运行的状态，并进行故障分类
随机误差
系统误差
失效或人为失误
涉及的问题
预测工艺中可能的误差类型
安装合适的传感器和解释软件让系统能识别每类误差
故障恢复
在当前工作循环结束时进行调整（不太紧急）
在工作循环中进行调整（紧急水平较高）
停止加工，进行校正（能自动将系统恢复）
停止加工，寻求帮助（无法自动将系统恢复）
自动化的层级
①装置级
②机器级
③单元或系统级
④工厂级
⑤企业级
流程工业和离散制造工业
两类工业中的自动化层级
主要体现在中低层级，高层相似
两类工业中的变量和参数
连续变量（或参数）
离散变量（或参数）
连续控制和离散控制
连续控制系统
调节控制（regulatory control）
将加工过程的输出参数值维持在给定的水平上，或在允许的公差范围之内
针对整个工艺
前馈控制（feedforword control）
在预期的扰动会干扰生产过程之前探测到它并将扰动补偿掉
由于反馈测量器的不精确、执行器运行和控制算法的原因，完全补偿是不太可能的，因此前馈控制和反馈控制经常结合起来使用
稳态最优控制（steady-state optimization）
作为开环系统运作
自适应控制（adaptive control）
稳态最优控制下，当出现某些干扰时，可以使用自动校正形式的最优控制，这被称为自适应控制。
①识别功能；②决策功能；③修正功能
离散控制系统
系统中的参数和变量以离散形式随时间变化
事件驱动的变化
组合逻辑控制
时间驱动的变化
顺序控制
微机过程控制
控制要求
基本要求
（1）初始过程中断（事件驱动的变化）
（2）计时器触发的动作（时间驱动的变化）
其他要求
（3）过程中的计算机命令
（4）系统和程序初始事件
（5）操作者触发的事件
微机控制能力
轮询（数据采样）
周期性地对过程状态进行数据采样（频率、顺序、格式）
互锁
一种保护机制，用来协调两个或多个设备的活动，防止设备之间互相干扰
输入互锁
用于继续执行工作循环的程序
用于中断工作循环程序
输出互锁
由控制器传输到外部设备的信号，用来控制外部设备的每一个活动，并协调外部设备与操作单元中其他设备之间的操作
相对控制器来说
中断系统
是计算机控制的特点，它允许悬挂当前程序去处理另一个级别更高的程序或子程序，以处理相应输入事件
中断条件分为内部和外部
中断系统可以有一个或多个中断级别。单级中断系统只有两种模式：正常模式和中断模式。
异常处理
异常是超出了过程或控制系统正常操作或期望操作的事件
（1）生产质量问题；
（2）过程变量超出范围；
（3）维持过程必须的原材料或供应出现短缺；
（4）危险的条件，例如火灾；
（5）控制器故障。
工业过程控制的层级
①基本控制
②流程控制
③协调控制
微机过程控制形式
过程监视
（1）过程数据
（2）设备数据
（3）产品数据
开环过程控制
闭环过程控制
控制的形式
直接数字控制
一种微机过程控制系统，在这个系统中，传统的模拟控制系统被数字计算机所取代。
数字控制和机器人
数字控制（简称“数控”）是另一种工业计算机控制形式
可编程逻辑控制器（PLC）
以微处理器为基础，在机器或过程控制中使用存储的程序进行逻辑运算、定时、技术、数字运算的控制器
过程控制
监控系统
比过程控制的级别要高
分布式控制系统和个人计算机
微处理器
一块集成电路板
很普遍的功能就是作为微型计算机的中央处理器（CPU）
分布式控制系统DCS
所有的过程和控制连接成网络，交换数据，协同工作，有中央控制室对分布在工厂的过程控制点进行监控
个人计算机
不直接参与控制，主要职能是监视和指挥控制过程
直接控制
工厂数据的企业集成
减少了企业管理的层级，提高了相应能力
自动控制网络系统
ProfiBus网络
ProfiBus-DP网络
ProfiBus-PA网络
ProfiNET网络
成本更高，性能更好
I/O监视器
I/O控制器
I/O设备
8. 制造执行系统
上层管理软件
MRP物料需求计划
MRP-Ⅱ制造资源计划
ERP企业资源计划
缺陷： 1.缺乏来自车间生产现场的反馈 2.基本不能完善解决生产调度过程中的复杂多变问题 3.生产计划的适应性明显更不上市场的变化
制造执行系统（MES）的基本概念
达到的目标：跨越计划管理和底层控制的鸿沟
是智能工厂三个纬度的交叉点和关键点
供应链
横向集成——价值链及网络
生产制造
纵向集成——企业内部灵活且可重新组合的网络化制造体系
工程技术
端到端工程数字化集成
是智能工厂的中心联络点
AMR的MES系统
体系结构
最底层：生产过程与设备控制层
中间层：制造执行层
最顶层：计划层（ERP或MRP-Ⅱ系统）
集成模型
工厂管理
生产资源管理、计划管理、维护管理
工艺管理
生产工艺管理，包括各种文档管理和过程优化
质量管理
包括统计质量控制以及实验信息管理
过程控制
设备监控、数据采集
运作模型
R（Ready）准备
新产品引进、BOM、PDM、质量标准
E（Execution）执行
以订单驱动制造过程，并实现对质量和异常数据的采集检测
P（Process）处理
对底层控制基础设施相关的控制决策
A（Analyze）分析
根据关联数据找出异常，分析原因，提出改进
C（Coordinate）协同
已计划为驱动，协调各个部门来完善整个工厂运行
ISA SP95功能模型
层次模型
0层，制造或生产模型
1层，监控或处理过程的人工或传感元件
2层，手动或自动的控制动作
3层，制造执行运作调度层
4层，企业业务计划与物流管理层
企业实体层次结构
0层，单元
1层，装配线
2层，工厂
3层，公司
4层，企业
MES的主要功能
1.生产排程和调度
2.生产过程控制
确保过程质量
3.库存控制
减少库存空间占用，降低库存总费用；控制库存资金占用，加速资金周转
4.生产维护
5.制造数据库
MES系统的核心，整个系统能够协调运行的基础
静态数据库
构建整个生产系统基本物理单元、产品信息以及工艺信息
动态数据库
生产计划与排程、生产过程监控、质量控制
6.其他辅助功能
作业人员管理
文档管理
产品跟踪和清单管理
性能分析
MES系统的IT架构
单机版（仅依靠单台计算机运行）
XML方式
存储量小，安装简单
DB方式
存储量大，但要装配套数据库
客户端/服务器结构（C/S）
客户端和服务器能同时执行程序实现逻辑，按照负荷情况进行分配
能实现数据信息共享，但是更新比较麻烦
浏览器/服务器结构（B/S）
无需单独安装MES，全部逻辑都在服务器端执行，浏览器仅负责接受命令和显示结果；
程序更新方便；
“瘦客户端、胖服务器端”
一般安装在制造车间内部，由车间自己维护和升级； 仅支持车间本身使用，外部无法访问； 数据共享性差，安全性高，集团内部数据共享性高。
云计算结构
数据安全性较差，集团内部数据共享性高
MES系统关键技术
基于物体自动识别与关联事实制造数据采集
可使用条形码/RFID
多目标作用下的先进生产排程
优化目标：基于各加工设备的最短完成时间和总加工成本最小的目标
解算方法：遗传算法、蚁群算法、粒子群算法、免疫算法
实时生产决策与生产指令的下达/反馈
生产决策：生产什么、生产多少、如何生产
生产指令：由生产计划直接下达的最后一道工序，根据目前的生产能力做出生产计划和调度决策，以满足要求
仓储、物流规划与配送优化
出现问题
信息不通畅、编码体系不统一
仓储内部作业、管理信息化不高
物流配送协同难，资源浪费严重
改善内容
库存控制
降低库存水平、提高物流系统的效率，以提高企业的市场竞争力
物流配送
损耗性资源物流
生产过程中，损耗性刀具、夹具、切削液等资源在制造车间内流转的过程
消耗量大，物流频繁，与车间实时制造任务密切相关，可由第三方服务提供商提供资源服务
产品质量管控技术
孤岛化、规范化、数字化
使用统计过程控制（SPC），控制图
设备健康维护计划、维修与备件控制
主动维修规划
计划维护
状态维护
生产维护
备件管理
包括备件的规则、生产、订购、供应、库存的组织与管理
核心在于库存管理与控制
制造数据库及其制造信息计算技术
动态数据
静态数据
异构制造数据集成技术
现场数据采集是大同信息系统与设备信息互联互通最后一公里
基础是数据透明、数据整理、数据采集
MES系统发展趋势
实时化
具体体现为： 传感测量节点的微型化和低成本； 无线、移动传感网络； 高安全性、可靠性和抗干扰性的传感网络
车间加工数据的实时采集
制造任务的实时下达
生产决策的实施更改
智能化
服务化
面临的问题： 排程和调度； 生产控制； 生产库存； 设备维护。
服务外包和承包
多品种、小批量、多工序及混流生产模式
近零库存生产
低碳节能化
典型制造执行系统
西门子数字化运营平台
Rockwell-FTPC平台
子主题
制造资源
广义制造资源
完成产品整个生命周期的所有生产活动的软、硬件元素
狭义制造资源
加工一个零件所需要的物质元素
跟踪的参数
加工中的人工参与
系统加工的不同零件或产品类型
初始加工对象的差异