計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與調(diào)試

前言

2002年當(dāng)本文作者著手編寫《組態(tài)控制技術(shù)》教材時，許多學(xué)校還沒有將計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)及監(jiān)控技術(shù)作為教學(xué)內(nèi)容安排進(jìn)教學(xué)計劃之中。在電子工業(yè)出版社的大力支持下，該書于2003年正式出版。6年來，作者很高興地看到現(xiàn)在幾乎沒有不開設(shè)組態(tài)技術(shù)相關(guān)課程的自動化類專業(yè)了，越來越多的學(xué)校開始使用本教材，越來越多的人通過本書了解到組態(tài)控制技術(shù)。讓作者尤其感到欣慰的是，《組態(tài)控制技術(shù)》教材不僅在內(nèi)容上反映了自動控制技術(shù)的發(fā)展，在教學(xué)理念上與當(dāng)前教育部倡導(dǎo)的“基于工作過程、工學(xué)結(jié)合、做中學(xué)”等職業(yè)教育改革觀念不謀而合。作為一部軟件技術(shù)占相當(dāng)比例的教材，原書在編寫中摒棄了一般軟件圍繞菜單或功能展開教學(xué)，先一般再到具體范例的傳統(tǒng)做法；選取了機(jī)械手和水箱水位監(jiān)控兩個具體項目，在項目教學(xué)中有計劃地逐項展開組態(tài)軟件相關(guān)技術(shù)的學(xué)習(xí)，是典型的基于工作過程的做中學(xué)，從具體到一般的教學(xué)方法。作為一部自動控制類專業(yè)教材，原書在強(qiáng)調(diào)教學(xué)內(nèi)容實用性的同時，更力圖體現(xiàn)工作任務(wù)的完整性。同時，經(jīng)過6年的使用，作者認(rèn)為，原書在內(nèi)容組織上還存在一些缺點和不足，需要重新編寫，以適應(yīng)教育教學(xué)改革的需要。為此，本教材在編寫方式、項目選擇方面做了相當(dāng)大的改動，具體做法如下：（1）加強(qiáng)了硬件設(shè)計與調(diào)試的內(nèi)容，更加強(qiáng)調(diào)計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的完整性。作者認(rèn)為原書編寫之初，盡管已經(jīng)意識到一個完整的計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計與軟件設(shè)計的同等重要性，在每一個項目的開始都進(jìn)行了硬件組成的介紹，但篇幅和力度仍顯不足，容易導(dǎo)致教師和學(xué)生將學(xué)習(xí)重點放在軟件上。本教材中對此進(jìn)行了大力修改，在保留原書特色的基礎(chǔ)上，重點加強(qiáng)了系統(tǒng)硬件設(shè)計與調(diào)試內(nèi)容，增加的內(nèi)容如此之多，硬、軟件部分比例從原來的約1：8增加到將近1：1。修改后的教材其工學(xué)結(jié)合的意圖更加突出，項目內(nèi)容更加完整，且具體可行，同時也刪除了原書中略顯重復(fù)且又未達(dá)到效果的提高部分內(nèi)容。本教材分為2個部分：第1部分——計算機(jī)監(jiān)控技術(shù)學(xué)習(xí)項目，通過機(jī)械手監(jiān)控系統(tǒng)等5個具體項目的實施，展現(xiàn)采用計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計、軟件設(shè)計與調(diào)試的具體方法。包括計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的方案設(shè)計；工控機(jī)、傳感器變送器和接口設(shè)備的選型；系統(tǒng)方框圖和電路原理圖的繪制；組態(tài)監(jiān)控軟件的制作；系統(tǒng)軟硬件調(diào)試等內(nèi)容。接口設(shè)備涉及PLC、I/O板卡、I/O模塊等主流技術(shù)，特別突出了PLC技術(shù)；組態(tài)軟件仍沿襲了原書的MCGS和組態(tài)王，修改篇幅相對較少。第2部分則給出了14個訓(xùn)練任務(wù)，供學(xué)生進(jìn)行獨立設(shè)計與調(diào)試訓(xùn)練。

內(nèi)容概要

　　本書對2003年版原《組態(tài)控制技術(shù)》教材作了較大修改。原書采用的項目化教學(xué)、做中學(xué)，從具體到一般的思想與當(dāng)前正在進(jìn)行的職業(yè)教育教學(xué)改革思想不謀而合?！队嬎銠C(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與調(diào)試：組態(tài)控制技術(shù)（第2版）》在保留原有特色的基礎(chǔ)上，重點加強(qiáng)了系統(tǒng)硬件設(shè)計與調(diào)試內(nèi)容，工學(xué)結(jié)合的意圖更加突出，項目內(nèi)容更加完整，同時也刪除了原書中略顯重復(fù)的部分內(nèi)容?！队嬎銠C(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與調(diào)試：組態(tài)控制技術(shù)（第2版）》分為2個部分：第1部分——計算機(jī)監(jiān)控技術(shù)學(xué)習(xí)項目，通過機(jī)械手監(jiān)控系統(tǒng)等5個具體項目的實施，展現(xiàn)采用計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計、軟件設(shè)計與調(diào)試的具體方法。包括計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的方案設(shè)計：工控機(jī)、傳感器變送器和接口設(shè)備的選型；系統(tǒng)方框圖和電路原理圖的繪制；組態(tài)監(jiān)控軟件的制作；系統(tǒng)軟硬件調(diào)試等內(nèi)容。接口設(shè)備涉及PLC、I/O板卡、I/O模塊等主流技術(shù)；組態(tài)軟件選用MCGS和組態(tài)王。第2部分則給出了14個訓(xùn)練任務(wù)，供學(xué)生進(jìn)行獨立設(shè)計與調(diào)試訓(xùn)練。
　　本書可作為自動化、機(jī)電、電子、化工、電力、能源、冶金等專業(yè)的相關(guān)課程教材。各專業(yè)可根據(jù)學(xué)時和專業(yè)要求在眾多實訓(xùn)項目中進(jìn)行選擇教學(xué)。

作者簡介

　　袁秀英，女，1966年生人.副教授。1987年畢業(yè)于天津大學(xué)自動化儀表專業(yè)，同年進(jìn)入天津職業(yè)大學(xué)任教，長期從事PLC、計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、單片機(jī)等課程教學(xué)及相關(guān)領(lǐng)域研究。主持完成《儲液罐溫度液位計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)研制》等項目，發(fā)表《基于cygnal-C8051單片機(jī)的智能充電控制器研究》等論文，主編《單片機(jī)原理與應(yīng)用教程》（基于C8051F×××）等教材。

書籍目錄

第1部分 計算機(jī)監(jiān)控技術(shù)學(xué)習(xí)項目先導(dǎo)知識學(xué)習(xí)
0.1 什么是計算機(jī)控制系統(tǒng)？（The Computer Control System）
0.1.1 人是如何對設(shè)備進(jìn)行控制的？
0.1.2 自動控制系統(tǒng)的組成（The Automatic Control System）
0.1.3 計算機(jī)控制系統(tǒng)的組成
0.2 計算機(jī)控制系統(tǒng)中使用哪種計算機(jī)？
0.2.1 計算機(jī)控制系統(tǒng)中使用計算機(jī)的種類
0.2.2 IPC、PLC、MCU系統(tǒng)性能特點比較
0.3 什么是組態(tài)控制技術(shù)？
0.3.1 在計算機(jī)控制系統(tǒng)中組態(tài)技術(shù)的兩個層面
0.3.2 采用組態(tài)技術(shù)的計算機(jī)控制系統(tǒng)的優(yōu)越性
0.3.3 市場主流組態(tài)控制產(chǎn)品及生產(chǎn)廠家
0.4 計算機(jī)控制系統(tǒng)有哪些形式？
0.4.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的功能與結(jié)構(gòu)
0.4.2 直接數(shù)字控制系統(tǒng)的功能與結(jié)構(gòu)
0.4.3 集散控制系統(tǒng)的功能與結(jié)構(gòu)
0.4.4 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的功能與結(jié)構(gòu)
本項目小結(jié)
學(xué)習(xí)項目1 用IPC和MCGS實現(xiàn)機(jī)械手監(jiān)控系統(tǒng)
1.1 機(jī)械手監(jiān)控系統(tǒng)的方案設(shè)計
1.1.1 機(jī)械手監(jiān)控系統(tǒng)的控制要求
1.1.2 機(jī)械手監(jiān)控系統(tǒng)對象分析
1.1.3 機(jī)械手監(jiān)控系統(tǒng)初方案制訂
1.2 機(jī)械手監(jiān)控系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)備選型與電路設(shè)計
1.2.1 命令輸入設(shè)備選型
1.2.2 傳感器和變送器選型
1.2.3 執(zhí)行器選型
1.2.4 計算機(jī)選型
1.2.5 I/O接口設(shè)備選型
1.2.6 機(jī)械手監(jiān)控系統(tǒng)方框圖和電路接線圖繪制
1.2.7 系統(tǒng)軟件選型
1.3 機(jī)械手系統(tǒng)監(jiān)控軟件的設(shè)計與調(diào)試
1.3.1 MCGS組態(tài)軟件的安裝
1.3.2 工程的建立
1.3.3 變量的定義
1.3.4 畫面的設(shè)計與編輯
1.3.5 動畫連接與調(diào)試
1.3.6 控制程序的設(shè)計
1.3.7 程序的編輯、模擬仿真運行、調(diào)試與改進(jìn)
1.4 機(jī)械手監(jiān)控系統(tǒng)的軟、硬件聯(lián)調(diào)
1.4.1 中泰PCI-8408板卡的安裝
1.4.2 中泰PCI-8408板卡驅(qū)動程序的安裝
1.4.3 機(jī)械手監(jiān)控系統(tǒng)電路連接
1.4.4 在MCGS中進(jìn)行PCI-8408板卡設(shè)備的連接與配置
1.4.5 系統(tǒng)軟、硬件聯(lián)調(diào)
1.5 思路拓展
本項目小結(jié)
學(xué)習(xí)項目2 用IPC和MCGS實現(xiàn)電動大門監(jiān)控系統(tǒng)
2.1 電動大門監(jiān)控系統(tǒng)的方案設(shè)計
2.1.1 電動大門監(jiān)控系統(tǒng)的控制要求
2.1.2 電動大門監(jiān)控系統(tǒng)對象分析
2.1.3 電動大門監(jiān)控系統(tǒng)初方案制訂
2.2 電動大門監(jiān)控系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)備選型與電路設(shè)計
2.2.1 命令輸入設(shè)備選型
2.2.2 傳感器和變送器選型
2.2.3 執(zhí)行器選型
2.2.4 計算機(jī)選型
2.2.5 I/O接口設(shè)備選型
2.2.6 電動大門監(jiān)控系統(tǒng)的方框圖和電路接線圖繪制
2.2.7 系統(tǒng)軟件選型
2.3 電動大門系統(tǒng)監(jiān)控軟件的設(shè)計與調(diào)試
2.3.1 工程的建立
2.3.2 變量的定義
2.3.3 畫面的設(shè)計與編輯
2.3.4 動畫連接與調(diào)試
2.3.5 電動大門監(jiān)控系統(tǒng)的控制任務(wù)及PLC與IPC的分工
2.3.6 方案一程序的編輯、模擬仿真運行和調(diào)試
2.3.7 方案二程序的編輯、模擬仿真運行和調(diào)試
2.4 電動大門監(jiān)控系統(tǒng)的軟、硬件聯(lián)調(diào)
2.4.1 西門子S7-200 PLC CPU222的安裝與電路連接
2.4.2 方案一PLC程序的編輯與調(diào)試
2.4.3 PLC通信設(shè)置
2.4.4 在MCGS中進(jìn)行S7-200 PLC設(shè)備的連接與配置
2.4.5 方案一軟、硬件聯(lián)調(diào)
2.4.6 方案二軟、硬件聯(lián)調(diào)
2.5 思路拓展
本項目小結(jié)
學(xué)習(xí)項目3 用IPC和MCGS實現(xiàn)儲液罐水位監(jiān)控系統(tǒng)
3.1 儲液罐水位監(jiān)控系統(tǒng)的方案設(shè)計
3.1.1 儲液罐水位監(jiān)控系統(tǒng)的控制要求
3.1.2 儲液罐水位監(jiān)控系統(tǒng)對象分析
3.1.3 儲液罐水位監(jiān)控系統(tǒng)初方案制訂
3.2 儲液罐水位監(jiān)控系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)備選型與電路設(shè)計
3.2.1 命令輸入設(shè)備選型
3.2.2 傳感器和變送器選型
3.2.3 執(zhí)行器選型
3.2.4 計算機(jī)選型
3.2.5 I/O接口設(shè)備選型
3.2.6 利用PCL-818L板卡做接口設(shè)備的系統(tǒng)方框圖和電路接線圖繪制
3.2.7 利用S7-200 PLC做接口設(shè)備的系統(tǒng)方框圖和電路接線圖繪制
3.2.8 系統(tǒng)軟件選型
3.3 儲液罐系統(tǒng)監(jiān)控軟件的設(shè)計與調(diào)試
3.3.1 工程的建立
3.3.2 變量的定義
3.3.3 畫面的設(shè)計與編輯
3.3.4 動畫連接與調(diào)試
3.3.5 水位對象的模擬
3.3.6 實時和歷史報警窗口的制作與調(diào)試
3.3.7 實時和歷史報表的制作與調(diào)試
3.3.8 實時和歷史曲線的制作與調(diào)試
3.3.9 儲液罐水位監(jiān)控系統(tǒng)控制程序的編寫與調(diào)試
3.4 使用PCL-818L做接口設(shè)備的儲液罐水位監(jiān)控系統(tǒng)的軟、硬件聯(lián)調(diào)
3.4.1 研祥PCL-818L板卡的安裝與電路連接
3.4.2 在MCGS中進(jìn)行PCL-818L設(shè)備的連接與配置
3.4.3 使用PCL-818L做接口設(shè)備的儲液罐水位監(jiān)控系統(tǒng)軟硬、件聯(lián)調(diào)
3.5 使用S7-200 PLC做接口設(shè)備的儲液罐水位監(jiān)控系統(tǒng)的軟、硬件聯(lián)調(diào)
3.5.1 S7-200 PLC的安裝與電路連接
3.5.2 在MCGS中進(jìn)行S7-200 PLC設(shè)備的連接與配置
3.5.3 使用S7-200 PLC做接口設(shè)備的儲液罐系統(tǒng)軟、硬件聯(lián)調(diào)
3.6 思路拓展
本項目小結(jié)
學(xué)習(xí)項目4 用IPC和組態(tài)王實現(xiàn)機(jī)械手監(jiān)控系統(tǒng)
4.1 機(jī)械手監(jiān)控系統(tǒng)的方案設(shè)計
4.2 機(jī)械手監(jiān)控系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)備選型與電路設(shè)計
4.2.1 機(jī)械手監(jiān)控系統(tǒng)方框圖和電路接線圖
4.2.2 系統(tǒng)軟件選型
4.3 機(jī)械手系統(tǒng)監(jiān)控軟件的設(shè)計與調(diào)試
4.3.1 組態(tài)王軟件的安裝
4.3.2 工程的建立
4.3.3 變量的定義
4.3.4 畫面的設(shè)計與編輯
4.3.5 動畫連接與調(diào)試
4.3.6 控制程序的編寫
4.3.7 程序的模擬運行與調(diào)試
4.4 機(jī)械手監(jiān)控系統(tǒng)的軟、硬件聯(lián)調(diào)
4.4.1 機(jī)械手監(jiān)控系統(tǒng)電路連接
4.4.2 三菱FX2N-48MR型PLC通信參數(shù)的設(shè)置
4.4.3 在組態(tài)王中進(jìn)行三菱FX2N-48MR型PLC設(shè)備配置
4.4.4 機(jī)械手監(jiān)控系統(tǒng)軟、硬件聯(lián)調(diào)
4.5 思路拓展
本項目小結(jié)
學(xué)習(xí)項目5 用IPC和組態(tài)王實現(xiàn)水箱水位監(jiān)控系統(tǒng)
5.1 水箱水位監(jiān)控系統(tǒng)的方案設(shè)計
5.1.1 水箱水位監(jiān)控系統(tǒng)的控制要求
5.1.2 水箱水位監(jiān)控系統(tǒng)對象分析
5.1.3 水箱水位監(jiān)控系統(tǒng)初方案制訂
5.2 水箱水位監(jiān)控系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)備選型與電路設(shè)計
5.2.1 命令輸入設(shè)備選型
5.2.2 傳感器和變送器選型
5.2.3 執(zhí)行器選型
5.2.4 計算機(jī)選型
5.2.5 I/O接口設(shè)備選型
5.2.6 其他器件的選型
5.2.7 水箱水位監(jiān)控系統(tǒng)方框圖和電路接線圖繪制
5.2.8 系統(tǒng)軟件選型
5.3 水箱水位監(jiān)控軟件的設(shè)計與調(diào)試
5.3.1 工程的建立
5.3.2 變量的定義
5.3.3 畫面的設(shè)計與編輯
5.3.4 動畫連接與調(diào)試
5.3.5 控制程序的編寫與模擬調(diào)試
5.3.6 實時和歷史報警窗口的制作與調(diào)試
5.3.7 實時和歷史曲線的制作與調(diào)試
5.3.8 日報表的制作與調(diào)試
5.4 水箱水位監(jiān)控系統(tǒng)的軟、硬件聯(lián)調(diào)
5.4.1 水箱水位監(jiān)控系統(tǒng)的電路連接
5.4.2 三菱FX2N-48MR PLC通信參數(shù)的設(shè)置
5.4.3 在組態(tài)王中進(jìn)行三菱FX2N-48MR PLC和凌華ND-6018智能模塊的設(shè)備配置
5.4.4 系統(tǒng)軟、硬件聯(lián)調(diào)
5.5 思路拓展
本項目小結(jié)
第2部分 計算機(jī)監(jiān)控技術(shù)訓(xùn)練項目
訓(xùn)練項目1 用IPC和組態(tài)軟件實現(xiàn)車庫自動監(jiān)控
訓(xùn)練項目2 用IPC和組態(tài)軟件實現(xiàn)供電系統(tǒng)自動監(jiān)控
訓(xùn)練項目3 用IPC和組態(tài)軟件實現(xiàn)雨水利用自動監(jiān)控
訓(xùn)練項目4 用IPC和組態(tài)軟件實現(xiàn)加熱反應(yīng)爐自動監(jiān)控
訓(xùn)練項目5 用IPC和組態(tài)軟件實現(xiàn)升降機(jī)的自動監(jiān)控
訓(xùn)練項目6 用IPC和組態(tài)軟件實現(xiàn)廢品檢測自動監(jiān)控
訓(xùn)練項目7 用IPC和組態(tài)軟件實現(xiàn)加料過程監(jiān)控
訓(xùn)練項目8 用IPC和組態(tài)軟件實現(xiàn)雙儲液罐單水位監(jiān)控
訓(xùn)練項目9 用IPC和組態(tài)軟件實現(xiàn)雙儲液罐雙水位監(jiān)控
訓(xùn)練項目10 用IPC和組態(tài)軟件實現(xiàn)雙儲液罐溫度監(jiān)控
訓(xùn)練項目11 用IPC和組態(tài)軟件實現(xiàn)雙儲液罐水位PID控制
訓(xùn)練項目12 用IPC和組態(tài)軟件實現(xiàn)雙儲液罐水位、溫度監(jiān)控
訓(xùn)練項目13 用IPC和組態(tài)軟件實現(xiàn)工件加工過程監(jiān)控
訓(xùn)練項目14 用IPC和組態(tài)軟件實現(xiàn)污水處理過程監(jiān)控

章節(jié)摘錄

插圖：0.2.2 IPC、PLC、MCU系統(tǒng)性能特點比較1.MCU系統(tǒng)以MCU（單片機(jī)）為核心的計算機(jī)控制系統(tǒng)的突出優(yōu)點是結(jié)構(gòu)小巧、價格低廉，因此廣泛應(yīng)用于智能儀器、儀表和小規(guī)模測控系統(tǒng)上。MCU控制系統(tǒng)是芯片級系統(tǒng)，通常要圍繞單片機(jī)進(jìn)行檢測電路、I／O接口電路、執(zhí)行電路的設(shè)計，要使用匯編語言或c語言編寫控制程序，因此對設(shè)計人員的要求較高。此外單片機(jī)構(gòu)成的控制產(chǎn)品常不具有通用性，只適合小型控制系統(tǒng)。目前單片機(jī)在工控領(lǐng)域應(yīng)用最多的是各種基于單片機(jī)的智能儀表。2.PLC系統(tǒng)PLC是由繼電器控制系統(tǒng)發(fā)展而來的。現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的各個領(lǐng)域，PLC在開始階段主要應(yīng)用于開關(guān)量為主的工控系統(tǒng)中。隨著技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在模擬量控制系統(tǒng)中的應(yīng)用也相當(dāng)成熟了。與MCU相比，PLC是模塊級系統(tǒng)，已將輸入輸出接口電路做在PLC模塊里，因此不需要做接口電路設(shè)計。PLC系統(tǒng)通常只進(jìn)行檢測器、執(zhí)行器的選型設(shè)計和簡單電路連接設(shè)計，硬件設(shè)計的工作量和時間大大減少了。在軟件設(shè)計方面，PLC采用梯形圖等多種編程語言，比匯編語言和C語言簡單易學(xué)，開發(fā)周期大大縮短。在可靠性方面，PLC系統(tǒng)由于是專為工控設(shè)計的，可靠性較MC[J和IPC都高。在體積和成本上，PLC介于MCU和IPC之間。3.IPC系統(tǒng)以IPC為核心的計算機(jī)控制系統(tǒng)，最大的優(yōu)點是可充分利用PC機(jī)提供的各種軟件和硬件資源。軟件資源包括大家熟悉的Windows等操作系統(tǒng)、各種數(shù)據(jù)庫程序、各種文本處理程序等。硬件資源包括通用鍵盤、顯示器等輸入輸出設(shè)備。對照。MCU和PLC系統(tǒng)，它們都需要單獨設(shè)計專門的鍵盤、顯示電路，編寫相應(yīng)驅(qū)動程序，且數(shù)據(jù)顯示效果遠(yuǎn)不如IPC。由于可以方便地利用IPC進(jìn)行現(xiàn)畫面顯示和打印，IPC比MCU和PLC具有更好的工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)顯示和管理能力。

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