機(jī)電一體化cug(ch2工業(yè)控制器與接口電路)

第二章常用工業(yè)控制系統(tǒng)與接口電路一、工業(yè)控制系統(tǒng)的概述二、工業(yè)控制系統(tǒng)的類型三、工業(yè)控制系統(tǒng)的接口技術(shù)四、機(jī)電一體化常用接口電路

1.概念：將控制系統(tǒng)中的控制器功能通過計算機(jī)或數(shù)字控制裝置來實現(xiàn)，即構(gòu)成了計算機(jī)控制系統(tǒng)。2.1工業(yè)（計算機(jī)）控制系統(tǒng)概述

2.控制工作流程：（1）實時采集：對被控參數(shù)的瞬時值實時采集，通過A/D轉(zhuǎn)換通道輸入計算機(jī)。（2）實時處理：對采集到的被控參數(shù)狀態(tài)量進(jìn)行分析，按已確定的控制規(guī)律，決策進(jìn)一步的控制行為。（3）實時輸出：根據(jù)做出的控制決策，通過D/A轉(zhuǎn)換通道，實時地向執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出控制信號，在線、實時地進(jìn)行控制。以上過程不斷重復(fù)，使整個系統(tǒng)按照預(yù)定程序工作。此外，系統(tǒng)還應(yīng)能對被控參數(shù)和設(shè)備本身可能出現(xiàn)的異常狀態(tài)進(jìn)行及時檢測和診斷。2.1工業(yè)（計算機(jī)）控制系統(tǒng)概述

3.特點：（1）利用計算機(jī)的存儲記憶、數(shù)字運算和顯示功能，可以同時實現(xiàn)多種模擬儀表的功能，并且便于監(jiān)視和操作。（2）可以實現(xiàn)一臺計算機(jī)同時控制多個回路，并且還可以同時實現(xiàn)直接數(shù)字控制、監(jiān)督控制、順序控制等多種控制功能。（3）可以實現(xiàn)復(fù)雜的控制運算。（4）系統(tǒng)調(diào)試、參數(shù)整定靈活方便。2.1計算機(jī)控制系統(tǒng)概述

3.特點：

（5）利用現(xiàn)場總線技術(shù)可將所有的現(xiàn)場設(shè)備(如傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動器等)與控制器用一根電纜連接在一起，構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)化的控制系統(tǒng)，實現(xiàn)現(xiàn)場狀態(tài)監(jiān)測、控制、遠(yuǎn)程傳輸?shù)裙δ?，使企業(yè)信息的采集控制直接延伸到生產(chǎn)現(xiàn)場。（6）利用網(wǎng)絡(luò)的分布結(jié)構(gòu)可以構(gòu)成計算機(jī)控制、管理集成系統(tǒng)，實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)與經(jīng)營的管理、控制一體化，大大提高企業(yè)的綜合自動化水平。2.1計算機(jī)控制系統(tǒng)概述（1）操作指導(dǎo)系統(tǒng)：計算機(jī)不直接控制對象，僅用來檢測、采集對象中各種數(shù)據(jù)、參數(shù)進(jìn)行記錄、統(tǒng)計、顯示等。

2.2計算機(jī)控制系統(tǒng)的類型（2）直接數(shù)字控制系統(tǒng)(DDS)：計算機(jī)完成一路或多路被控對象的實時采集、決策、輸出過程。

2.2計算機(jī)控制系統(tǒng)的類型（3）監(jiān)督控制系統(tǒng)(SCC—SupervisoryComputerControl)：多級計算機(jī)控制系統(tǒng)，上位計算機(jī)完成系統(tǒng)綜合分析、設(shè)定，多臺下位計算機(jī)根據(jù)設(shè)定完成DDC，整體實現(xiàn)最優(yōu)、自適應(yīng)等控制方案。兩種結(jié)構(gòu)形式：*SCC+模擬調(diào)節(jié)器控制系統(tǒng)*SCC+DDC控制系統(tǒng)

2.2計算機(jī)控制系統(tǒng)的類型（3）監(jiān)督控制系統(tǒng)(SCC—SupervisoryComputerControl)：2.2計算機(jī)控制系統(tǒng)的類型

SCC+模擬調(diào)節(jié)器控制系統(tǒng)框圖

（3）監(jiān)督控制系統(tǒng)(SCC—SupervisoryComputerControl)：2.2計算機(jī)控制系統(tǒng)的類型

SCC+DDC控制系統(tǒng)框圖

（4）集散控制系統(tǒng)(DCS)：基本思想是集中管理、分散控制。上位機(jī)用于實現(xiàn)集中監(jiān)視管理功能，若干臺下位機(jī)下放分散到現(xiàn)場實現(xiàn)控制，各上下位機(jī)之間用控制網(wǎng)絡(luò)互連以實現(xiàn)相互之間的信息傳遞。

2.2計算機(jī)控制系統(tǒng)的類型（5）現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS—FieldbusControlSystem)：現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)是新一代分布式控制系統(tǒng)，現(xiàn)場總線通過一對傳輸線，可掛接多個設(shè)備，實現(xiàn)多個數(shù)字信號的雙向傳輸，數(shù)字信號完全取代4—20mA的模擬信號，實現(xiàn)了全數(shù)字通信。是一種開放、全數(shù)字化、雙向、多站的通信系統(tǒng)，因此現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)具有良好的開放性、互操作性與互用性。

2.2計算機(jī)控制系統(tǒng)的類型（5）現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS—FieldbusControlSystem)：2.2計算機(jī)控制系統(tǒng)的類型（6）以太網(wǎng)控制系統(tǒng)(TCP/IP)：工業(yè)以太網(wǎng)控制系統(tǒng)具有其它網(wǎng)絡(luò)無法比擬的優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在：*開放性：采用公開的TCP/IP標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議。*平臺無關(guān)性：可以選擇不同廠家、不同類型的設(shè)備和服務(wù)；易于實現(xiàn)多現(xiàn)場總線的集成，也易于實現(xiàn)多系統(tǒng)集成。*提供多種信息服務(wù)：提供E-mail、等多種信息服務(wù),并且信息傳遞快速、準(zhǔn)確。*圖形用戶界面：統(tǒng)一、友好、規(guī)范化的圖形界面，操作簡單，易學(xué)易用。2.2計算機(jī)控制系統(tǒng)的類型（6）以太網(wǎng)控制系統(tǒng)(TCP/IP)：

2.2計算機(jī)控制系統(tǒng)的類型2.2計算機(jī)控制系統(tǒng)的類型——典型系統(tǒng)舉例總線式工業(yè)控制計算機(jī)

IPC

半長卡

全長卡2.2計算機(jī)控制系統(tǒng)的類型——典型系統(tǒng)舉例PLC控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2計算機(jī)控制系統(tǒng)的類型——典型系統(tǒng)舉例PLC控制器

2.2計算機(jī)控制系統(tǒng)的類型——典型系統(tǒng)舉例基于嵌入式單板機(jī)的計算機(jī)控制系統(tǒng)

（PC104模塊）2.2計算機(jī)控制系統(tǒng)的類型——典型系統(tǒng)舉例基于單片機(jī)的計算機(jī)控制系統(tǒng)

2.2計算機(jī)控制系統(tǒng)的類型——典型系統(tǒng)舉例基于單片機(jī)的計算機(jī)控制系統(tǒng)

2.2計算機(jī)控制系統(tǒng)的類型——典型系統(tǒng)舉例通用PID控制器（調(diào)節(jié)器）

2.2計算機(jī)控制系統(tǒng)的類型——典型系統(tǒng)舉例集散型計算機(jī)控制系統(tǒng)

2.2計算機(jī)控制系統(tǒng)的類型——典型系統(tǒng)舉例（1）機(jī)械接口：回轉(zhuǎn)運動機(jī)構(gòu)直線運動機(jī)構(gòu)（2）電氣接口：A/D、D/A通道接口

DI/DO通道接口各類總線接口

數(shù)據(jù)通訊接口功率驅(qū)動接口

2.3計算機(jī)控制系統(tǒng)的接口技術(shù)

1.輸入過程通道

完成輸入信號的信號形式和信號電平的轉(zhuǎn)換，使之成為計算機(jī)能接收的信號。（1）輸入信號的分類

信號源：傳感器輸出信號（模擬式、數(shù)字式）指令操作信號（比如：電機(jī)啟停、…）參數(shù)設(shè)置信號（比如：空調(diào)溫度設(shè)定、…）

信息表達(dá)特征：開關(guān)量或數(shù)字量的輸入（信號反映在電平高低）模擬量的輸入（信號反映在幅值大?。┟}沖量的輸入（信號反映在頻率和脈寬）

信號源特性：信號幅值的大?。ǚ糯蠡蛩p）信號源輸出阻抗（緩沖級阻抗變換）信號源的載波特性（調(diào)制和解調(diào)）

1.輸入過程通道（2）輸入信號的分類

計算機(jī)能接收的是符合電平規(guī)定的開關(guān)量或數(shù)字量，其信號特征為：規(guī)定高電平>2.4V(TTL)>3.6V(CMOS)

規(guī)定低電平<0.7V(TTL)<0.7V(CMOS)

信號轉(zhuǎn)換方式：開關(guān)量或數(shù)字量：電平轉(zhuǎn)換模擬量：電平轉(zhuǎn)換+信號放大+模數(shù)轉(zhuǎn)換脈沖量：電平轉(zhuǎn)換+信號整形+計時/計數(shù)轉(zhuǎn)換

2.輸出過程通道將計算機(jī)輸出的信號作信號形式轉(zhuǎn)換和電平轉(zhuǎn)換，使之能直接驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作。計算機(jī)輸出的信號：規(guī)定電平（TTL或CMOS）的開關(guān)量和數(shù)字量信號信號形式轉(zhuǎn)換：數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量：D/A轉(zhuǎn)換數(shù)字量轉(zhuǎn)換成脈沖量：C/T轉(zhuǎn)換數(shù)字量轉(zhuǎn)換成開關(guān)量：繼電器或功率開關(guān)管信號幅值轉(zhuǎn)換：幅值轉(zhuǎn)換（線性放大和衰減）阻抗變換：功率放大或阻抗變換（繼電器、可控硅、功率三極管、IGBT）

3.執(zhí)行機(jī)構(gòu)接口是一種“電-機(jī)械轉(zhuǎn)換”裝置，將計算機(jī)的控制輸出進(jìn)行轉(zhuǎn)換，驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，作用于被控制的機(jī)械本體。

電-機(jī)械轉(zhuǎn)換比如：電動機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)換比如：輪邊減速器被控機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)

3.執(zhí)行機(jī)構(gòu)接口按驅(qū)動信號形式分類有以下幾種：

開關(guān)量驅(qū)動：如電磁閥、電動機(jī)、電磁鐵等

模擬量驅(qū)動：如伺服閥、伺服電機(jī)、比例閥、比例電磁鐵、力矩馬達(dá)等

脈沖量驅(qū)動：如步進(jìn)電機(jī)、脈沖電機(jī)、比例閥PWM調(diào)制等按驅(qū)動的能量傳遞來分類：

電驅(qū)動：動態(tài)響應(yīng)好，能量傳遞方便，體積小，重量輕（如調(diào)頻變頻器伺服電機(jī)等）。

氣驅(qū)動：控制功率較大，動力特性緩和，控制介質(zhì)簡單，污染小。

液壓驅(qū)動：功率密度高，便于調(diào)速與控制。（一）片內(nèi)接口1.片內(nèi)接口的一般方式2.4機(jī)電一體化常用的接口電路CPU數(shù)據(jù)輸入三態(tài)門數(shù)據(jù)輸出鎖存器地址譯碼器數(shù)據(jù)總線“讀”線選通線“寫”線選通線地址總線數(shù)據(jù)總線I0I1I2I3I4I5I6I7數(shù)據(jù)輸入端口P6P5P4P3P2P1P0P7數(shù)據(jù)輸出端口(01H)(02H)

2.數(shù)據(jù)輸入三態(tài)門QDC輸入端D“讀”選通CV+輸出端QC=0D=1Q=1C=0D=0Q=0C=1D=XQ為高阻態(tài)三態(tài)門的電路結(jié)構(gòu)三態(tài)門主要用于總線隔離。與CPU交換數(shù)據(jù)時，三態(tài)門開通；不與CPU交換數(shù)據(jù)時，三態(tài)門輸出處于高阻態(tài)，不影響其它外設(shè)使用總線。бббббббббб1112131415161718192012345678910Vcc1Y12A41Y22A31Y31Y42A22A11A12Y41A21A31A42Y12Y32Y2GND典型三態(tài)門LS244結(jié)構(gòu)圖：SN54LS244……JSN74LS244……JORN(TOPVIEW)3.數(shù)據(jù)鎖存器DCLKDQGNDV+INPUTOUTPUTDCLKQH↑HLL↑LH×HQ0×LQ0由D觸發(fā)器組成

鎖存器的作用是將數(shù)據(jù)總線的數(shù)據(jù)鎖存起來，在CLK有效時鎖存器輸出跟隨總線輸入。在CLK無效時，鎖存器的輸出與總線無關(guān)。QDCKCLEARDQCKCLEARQDCKCLEARDQCKCLEARQDCKCLEARDQCKCLEARQDCKCLEARDQCKCLEAR2654378910119151617181413121120CLR1Q1D2D2Q3Q3D4D4QGNDVcc8Q8D7D7Q6Q6D5D5QCLOCKSN54273,SN54LS273……JPACKAGESN74273,SN74LS273……JORNPACKAGE鎖存器LS273原理圖4.譯碼器將地址總線信號轉(zhuǎn)換成外設(shè)選通專線以LS138三八譯碼器為例SN54LS138,SN54S138……JORWPACKAGESN74LS138,SN74S138……JORWPACKAGE5.片內(nèi)I/O接口電路地址譯碼方式：（1）選通線和相或；（2）用譯碼器合成選通信號

(二)片外接口1.開關(guān)量輸入接口要求TTL電平CMOS電平電平規(guī)定高電平2.4V≤Vi≤5V高電平3.6V≤Vi≤5V低電平0V≤Vi≤0.7V低電平0V≤Vi≤0.7V輸入阻抗規(guī)定Ri≤5KΩRi≤50KΩ閑置規(guī)定可閑置輸入端不可懸空2.開關(guān)量輸入方式

非隔離型+5VRK上拉型信號輸出+5VRK下拉型信號輸出V+R1+5V信號輸出（反相型）

隔離型V+R1信號輸出（同相型）V+

隔離型開關(guān)量接口采用光耦合器，防止非正常電信號通過接口電路串入計算機(jī)，也利于減少地線干擾。R2R22.開關(guān)量輸入方式3.開關(guān)量輸出

要求：a.片內(nèi)接口只能提供規(guī)定的輸出電平，用片外接口適應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)要求；b.片內(nèi)接口驅(qū)動能力有限，用片外接口適應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)要求；c.開關(guān)量輸出一般要求執(zhí)行機(jī)構(gòu)電氣隔離；

隔離方式：光耦合器隔離（光為傳媒）繼電器隔離（機(jī)械傳媒）變壓器隔離（磁傳媒）常見的開關(guān)輸出接口三極管驅(qū)動電路JPx+5VVpD