第3章机电一体化的计算机控制技术

1、第三章 机电一体化的计算机控制技术 机电一体化的计算机控制技术 3.1 概述3.2 计算机在控制系统中的应用3.3 工业控制计算机3.4 数字PID控制技术3.5 嵌入式系统技术3.6 计算机控制系统的设计3.1 计算机控制系统概述计算机控制技术是自动控制理论与计算机技术相结合的产物。数字控制系统机电一体化产品与非机电一体化产品的本质区别在于具有计算机控制的伺服系统。同模拟控制器相比，计算机能够实现更加复杂的控制理论和算法，柔性和抗干扰能力更强。计算机控制系统的组成 计算机控制系统是用计算机(通常称为工业控制计算机)来实现工业过程自动控制的系统。计算机控制系统由硬件和软件两部分组成。硬件是指计

2、算机本身及其外围设备，一般包括中央处理器,内存储器,磁盘驱动器,各种接口电路，以A/D转换和D/A转换为核心的模拟量I/O通道、数字量I/O通道，以及各种显示、记录设备,运行操作台等。（1）由中央处理器、时钟电路、内存储器构成的计算机主 机是组成计算机控制系统的核心部件，主要实现数据采集、数据处理、逻辑判断、控制量计算、越限报警等功能，并通过接口电路向系统发出各种控制命令，指挥全系统有条不紊地协调工作。（2）操作台是人机对话的联系纽带。（3）通用外围设备主要是为了扩大计算机主机的功能而配置的。（4）I/O接口与I/O通道是计算机主机与外部连接的桥梁。常用的I/O接口有并行接口和串行接口，I/O

3、通道有模拟量I/O通道和数字量I/O通道。其中，模拟量I/O通道的作用是：一方面将经由传感器得到的工业对象的生产过程参数变换成二进制代码传送给计算机；另一方面将计算机输出的数字控制量变换为控制操作执行机构的模拟信号，以实现对生产过程的控制。 （5）传感器的主要功能是将被检测的非电学量参数转变成电学量，如热电偶把温度变成电压信号，压力传感器把压力变成电信号等等。变送器的作用是将传感器得到的电信号转变成适用于计算机接口使用的标准的电信号（如010mADC）计算机控制系统的组成 软件主要是指支持系统运行并对系统进行管理和控制的程序系统。指在进行实际控制时使用的软件。指在开发、测试控制系统时使用的软件

4、。软件实时软件开发软件计算机控制系统的组成 由计算机生产厂家提供的专门用来使用和管理计算机的程序。应用软件是用户根据要解决的实际问题而编写的各种程序。实时软件系统软件应用软件 在计算机控制系统中，软件和硬件不是独立存在的，在设计时必须注意两者相互间的有机配合和协调，只有这样才能研制出满足生产要求的高质量的控制系统。计算机控制系统的组成 计算机控制系统的原理模拟控制系统典型结构图回顾一下模拟控制系统结构计算机控制系统的原理 计算机控制系统的工作过程分为以下几个步骤：实时数据采集实时控制决策实时控制输出上述过程不断重复，使被控变量稳定在设定值上。计算机控制系统的特点 计算机控制系统与连续控制系统相

5、比，具有如下特点：可以实现更复杂的控制规律 具有完善的输入/输出通道具有实时控制功能可靠性高具有丰富、完善、能正确反映被控对象运动规律并对其进行有效控制的软件系统3.2 计算机在控制系统中的应用一、计算机控制系统的分类根据计算机在控制系统中的作用过程控制系统伺服系统顺序控制系统数字控制系统一、计算机控制系统的分类根据计算机在控制中的应用方式操作指导控制系统直接数字控制系统监督计算机控制系统分级计算机控制系统操作指导控制系统在操作指导控制系统中，计算机的输出不直接用来控制生产对象。直接数字控制系统(DDC系统)它是用一台计算机对多个被控参数进行巡回检测，检测结果与给定值进行比较，并按预定的数学模

6、型进行运算，其输出直接控制被控对象，使被控参数稳定在给定值上。监督计算机控制系统 在监督计算机控制SCC（SupervisoryComputerControl）系统中，计算机根据工艺参数和过程参量检测值，并按照所设计的控制算法进行计算，计算出最佳设定值后直接传送给常规模拟调节器或者DDC计算机，最后由模拟调节器或DDC计算机控制生产过程。SCC系统有两种类型，一种是SCC+模拟调节器，另一种是SCC+DDC控制系统。监督计算机控制系统(a）SCC模拟调节器系统 (b）SCCDDC分级计算机控制系统分级计算机控制系统 上图是一个四级计算机控制系统。其中，过程控制级为最底层，对生产设备进行直接数字

7、控制；车间管理级负责本车间各设备间的协调管理；工厂管理级负责全厂各车间的生产协调，包括安排生产计划、备品备件等；企业（公司）管理级负责总的协调，安排总生产计划，进行企业(公司)经营方向的决策等。二、典型的机电一体化控制系统计算机过程控制系统用计算机对温度、压力、流量、液面和速度等过程参数进行测量与控制的系统。炉温压力热效率二、典型的机电一体化控制系统电动机调速系统晶闸管触发速度调节器电流调节器二、典型的机电一体化控制系统计算机数字程序控制系统用计算机实现顺序控制和数字程序控制是其在自动控制领域中应用的一个重要方面。 表示出一个在线、开环、实时的简单机床数字程序控制系统的构成框图。根据所使用的软

8、件，该系统既可以设计成平面点位控制系统，又可设计成平面轮廓控制系统。图中的微型计算机是系统的核心部件，它完成程序和数据的输入、存储、加工轨迹计算和步进电动机控制程序、显示程序、故障诊断程序等控制程序的执行等。二、典型的机电一体化控制系统工业机器人是一种应用计算机进行控制的替代人进行工作的高度自动化系统。3.3 工业控制计算机工业领域中，由于现场存在干扰，环境恶劣，普通计算机在工业现场不能正常运行，需使用适应工业现场的工业控制计算机（简称工控机）。它是处理来自传感器的输入信息，并把处理结果输出到执行机构去控制生产过程、同时对生产过程进行监督、管理的计算机系统。并具有较好的抗干扰性和可靠性。一、工

9、业控制计算机的基本要求工业控制计算机的应用对象及使用环境的特殊性，决定了要满足以下基本要求：实时性高可靠性硬件配置的可装配可扩充性可维护性二、工业控制计算机的常用类型单片机可编程控制器总线式工业控制机分布式计算机控制系统二、工业控制计算机的常用类型三、单片微型计算机单片机将CPU、RAM、ROM和I/O接口集成在一块芯片上，同时还具有定时/计数、通讯和中断等功能的微型计算机。单片机可视为一个不带外部设备的计算机，相当于一个没有显示器、键盘，不带监控程序的单板机。单片机发展经历了4位、8位、16位、32位、64位机几个阶段，但8位、16位单片机仍占市场主流地位。三、单片微型计算机广泛用于数显、数

10、字通信产品、智能化仪表、小型机电产品中。单片的编程与调试不方便，开发周期较长，环境适应性差，同时由于数据处理能力和接口限制，在大型工业控制系统中，一般只能辅助中央计算机系统测试一些信号的数据信息和完成单一量控制。用单片控制系统具有以下特点：(1)受集成度限制，片内存储器容量小; (2)可靠性高 ;(3)易扩展 ;(4)控制功能强 ;(5)一般的单片机内无监控程序或系统通用管理软件，软件开发工作量大. 可编程序控制器 可编程序控制器（Programmable Controller），简称可编程控制器，英文缩写为PC或PLC，是以微处理器为基础，综合了计算机技术，自动控制技术和通信技术发展起来的一

11、种通用的工业自动控制装置。1.概述PLC采用可编程序的存储器，在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、计数和算术运算等操作指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出控制各种类型的机械和生产过程。它的低端为继电器逻辑的代用品，而其高端实际上是一种高性能的计算机实时控制系统。它以顺序控制为主，能完成各种逻辑运算、定时、计数、记忆和算术运算等功能，既能控制开关量，又能控制模拟量。具有结构简单、性能优越、易于编程，灵活通用，维护方便等一系列的优点，特别是它的高可靠性和较强的适应恶劣工业环境的能力，更是得到用户的好评目前已被广泛地应用于各种生产机械和生产过程的自动控制中。 PLC功能强大提供编程软件和组态软件，

12、方便PLC编程和上位机开发在可编程序控制器问世以前，在工业控制领域中，继电器控制一直占主导地位。由继电器构成的控制系统有着十分明显的缺点：体积大、耗电多、可靠性差、寿命短、运行速度不高，尤其是对生产工艺多变化的系统适应性更差，如果生产任务或工艺发生变化，就必须重新设计，并改变硬件结构，造成了时间和资金的严重浪费。可编程器(PLC)的发展1968 年，美国最大的汽车制造商通用汽车公司 (GM) 为了适应生产工艺不断更新的需要，要求寻找一种比继电器更可靠，功能更齐全，响应速度更快的新型工业控制器，并从用户角度提出了新一代控制器应具备的十大条件，这十大条件是： 可编程器(PLC)的发展 1. 编程方

13、便，可在现场修改程序； 2. 维修方便，最好是插件式； 3. 可靠性高于继电器控制柜； 4. 体积小于继电器控制柜； 5. 可将数据直接送入管理计算机； 6. 在成本上可与继电器控制竞争； 7. 输入可以是交流115V； 8. 输出为交流115V/2A以上，能直接驱动电磁阀； 9. 在扩展时，原有系统只要很小变更； 10. 用户程序存储容量至少能扩展到4K字节。可编程器(PLC)的发展 1969 年，美国数字设备公司 (DEC 公司 ) 研制出了第一台可编程控制器 PDP14 ，在美国通用汽车公司的生产线上试用成功，并取得了满意的效果，可编程控制器自此诞生。可编程控制器自问世以来 , 发展极为

14、迅速。 1971 年，日本开始生产可编程控制器。 1973 年，欧洲开始生产可编程控制器。到现在，世界各国的一些著名的电气工厂几乎都在生产可编程控制器装置。可编程控制器已作为一个独立的工业设备被列入生产中，成为当代电控装置的主导。可编程器(PLC)的发展80年代后，随着大规模和超大规模集成电路技术的迅猛发展，以16位和32位微处理器构成的微机化可编程序控制器得到了惊人的发展，使之在概念上，设计上，性能价格比等方面有了重大的突破。可编程序控制器具有了高速计数，中断技术，PID控制等功能，同时联网通信能力也得到了加强，这些都使得可编程序控制器的应用范围和领域不断扩大。可编程器(PLC)的发展第一代

15、：从第一台可编程控制器诞生到70年代初期。其特点是：CPU由中小规模集成电路组成，存储器为磁芯存储器； 第二代：70年代初期到70年代末期。其特点是：CPU采用微处理器，存储器采用EPROM ；第三代：70年代末期到80年代中期。其特点是：CPU采用8位和16位微处理器，有些还采用多微处理器结构，存储器采用EPROM、EAROM、CMOSRAM等 ；第四代：80年代中期到90年代中期。PC全面使用8位、16位微处理芯片的位片式芯片，处理速度也达到1us/步 ；第五代：90年代中期至今。PC使用16位和32位的微处理器芯片，有的已使用RISC芯片。可编程序控制器的发展趋势1.向高速、大存储容量方

16、向发展为了提高数据处理的能力，要求PLC能具有更高的响应速度和更大的存储容量。在存储容量方面，目前大型PLC是几十KB，甚至几百KB。西门子公司的S5155V为2MB。总之,各公司都把PLC的扫描速度、存储容量作为一个重要的竞争指标。2. 向多品种方向发展为了适应市场的需求，各厂家不断对PLC进行改进，推出功能更强、结构更完善的新产品。（1）在结构、规模上由整体结构向小型模块化方向发展，使配置更加方便灵活。例如日本三菱电机公司近年推出了超小型的FX0N、FX2N等系列PLC。在规模上向两头发展。2.开发更丰富I/O模块（其中包括智能模块） 在增强PLC的CPU功能的同时，不断推出新的I/O模块

17、。例如，数控模块，语音处理模块，高速计数模块，远程I/O模块，通信和人机接口模块等，在模块上逐渐向智能化方向发展。3.发展容错技术 为了更进一步提高系统的可靠性，今后必须要发展容错技术。4.高性能，组态编程 随着工厂自动化和计算机集成制造系统的发展，功能强大的PLC需求日益增加。 其高功能主要体现在：函数运算及浮点运算，数据处理和方案处理，队列和矩阵运算，PID运算以及超前、滞后补偿，多段斜坡曲线，配方和批处理，菜单组合的多窗口技术，控制与管理综合，组态编程简便等。 5.分散型、智能型和现场总线型I/O子系统 分散型、智能型和现场总线型I/O子系统也是一种发展趋势6.增强通信网络功能由于现代工

18、业生产过程对控制系统的要求，已不再局限于某些生产过程的自动化，而是要求工业生产过程能长期在最佳状态下运行。这就要求将工业生产过程和信息管理自动化结合起来。PLC的通信联网功能增强就可以使PLC与PLC之间，PLC与计算机之间能够通信、交换信息，形成一个分布式控制系统。7.实现软、硬件标准化长期以来PLC的研制走的是专门化的道路，使其在获得成功的同时也带来许多的不便。例如，各个公司的PLC都有通信联网的能力，但不同公司的PLC之间还无法通信联网。因此制定PLC的国际标准已是今后发展的趋势。可编程控制器的名称演变 名称演变经历了如下过程：早期产品名称为 “ Programmable Logic C

19、ontroller ”（可编程逻辑控制器），简称 PLC ，主要替代传统的继电接触控制系统。随着微处理器技术的发展，可编程控制器的功能也不断地增加，因而可编程逻辑控制器（ PLC ）不能描述其多功能的特点。 1980 年，美国电气制造商协会（ NEMA ）给他一个新的名称“ Programmable Controller ”，简称 PC 。1982 年，国际电工委员会（ IEC ）专门为可编程控制器下了严格定义。然而 PC 这一简写名称在国内早已成为个人计算机（ Personal Computer ）的代名词，为了避免造成名词术语混乱，因此国内仍沿用早期的简写名称 PLC 表示可编程控制器，但

20、此 PLC 并不意味只具有逻辑功能。 美国电气制造商协会 NEMA （ National Electrical Manufacturers Association ）在 1980 年给可编程控制器作了如下的定义： “可编程控制器是一个数字式的电子装置，它使用了可编程序的记忆以存储指令，用来执行诸如逻辑，顺序，计时，计数和演算等功能，并通过数字或模拟的输入和输出，以控制各种机械或生产过程。一部数字电子计算机若是用来执行 PLC 之功能者 , 亦被视同为 PLC, 但不包括鼓式或机械式顺序控制器。” 可编程控制器的定义 国际电工委员会 (IEC) 曾于 1982 年 11 月颁发了可编程控制器标准

21、草案第一稿， 1985 年 1 月又颁发了第二稿， 1987 年 2 月颁发了第三稿。草案中对可编程控制器的定义是： “可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数和算术操作等面向用户的指令，并通过数字式或模拟式的输入 / 输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外围设备，都按易于工业系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。” 此定义强调了可编程控制器是“数字运算操作的电子系统“，即它也是一种计算机。它是“专为在工业环境下应用而设计”的计算机。这种工业计算机采用“面向用户的

22、指令”，因此编程方便。它能完成逻辑运算，顺序控制，定时，计数和算术操作，它还具有“数字量或模拟量的输入 / 输出控制”的能力，并且非常容易与“工业控制系统联成一体”，易于“扩充”。 可编程序控制器的特点和应用PLC的主要特点由于控制对象的复杂性、使用环境的特殊性和运行工作的连续长期性，使得PLC在设计、结构上具有许多其它控制器所无法相比的特点。（1）可靠性高，抗干扰能力强 为了满足PLC“专为在工业环境下应用设计”的要求，PLC通常采用了如下硬件和软件的措施： 数字输入输出部分采用光电耦合隔离，模拟输入通道加入R-C滤波器，有效的防止了干扰信号的进入。 内部采用电磁屏蔽，防止电磁辐射干扰。采用

23、优良的开关电源，防止电源线引入的干扰。对程序及有关数据用电池作后备电源，一旦断电或运行停止，保证有关状态及信息不会丢失。具有良好的自诊断功能。随时对系统内部电路进行监测，检查判断故障迅速方便。对采用的器件都进行了严格的筛选和老化，排除了因器件问题而造成的故障。采用了冗余技术进一步增强了可靠性。随着电子技术的发展，电子元器件性能的提高，PLC的可靠性也在相应提高。一般PLC的平均无故障时间可达到几万小时以上。某些PLC的生产厂家甚至宣布，今后它所生产的PLC不再标明可靠性这一指标，因为对PLC，这一指标已毫无意义了。经过大量实践，人们发现PLC系统在使用中发生的故障，大多是由于PLC的外部开关、

24、传感器、执行机构等引起的，而不是PLC本身发生的。（2）通用性强，扩展方便，系统组成灵活现在的PLC产品都已系列化和模块化了，PLC配备有各种各样品种齐全的I/O模块和配套部件供用户使用，系统的功能和规模可根据用户的实际需求自行组合。PLC的各个部件，包括CPU、电源、I/O（其中也包含特殊功能的I/O）等均采用模块化设计，实现用户要求的合理的性能价格比。（2）通用性强，扩展方便，系统组成灵活 由机架和电缆将各模块连接起来，可以很方便地搭成能满足不同控制要求的控制系统。 用户不再需要自己设计和制作硬件装置。 在确定了PLC的硬件配置和I/O外部接线后，用户所做的工作只是程序设计而已。（3）程序

25、设计简单，易学，易懂PLC是一种新型的工业自动化控制装置，其主要的使用对象是广大的电气技术人员。PLC生产厂家考虑到这种实际情况，提供一种特殊的编程方法，即采取与继电器控制原理图非常相似的梯形图（ladder diagram）语言工程人员学习、使用这种编程语言十分方便。这也是为什么PLC能迅速普及和推广的原因之一。 （4）系统设计、开发周期短且方便，维护工作量小由于系统硬件的设计任务仅仅是依据对象的要求配置适当的模块，如同点莱一样方便。这样就大大缩短了整个设计所花费的时间，加快了整个工程的进度。PLC可以在各种工业环境下直接运行。使用时只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连，系统便可以

26、投入运行，安装接线工作量比继电器控制系统少得多。（4）系统设计、开发周期短且方便，维护工作量小PLC软件的设计和调试大都可以在实验室里进行，调试好后，再将PLC控制系统安装到现场，进行连机调试，这样既节省时间又方便。由于PLC本身故障率很低，又有完善的自诊断能力和显示功能，一旦发生故障时，可以根据PLC上的发光二极管或编程器提供的信息，迅速查明原因。如果是PLC本身，则可用更换模块的方法排除故障。这样既能提高维护的工作效率，又可以保证生产的正常进行。（5）对生产工艺改变适应性强，可进行柔性生产PLC实质上就是一种侧重于I/O接口控制环节的工业用计算机，其控制操作的功能是通过软件编程来确定的。当

27、生产工艺发生变化时，不必改变PLC硬件设备，只需改变PLC中的程序。这特别适合现代化的小批量，多品种产品的生产方式。可编程控制器的主要性能指标1. I/O点数 指PLC外部输入和输出端子数。2. 用户程序存储容量 用来衡量PLC所能存储用户程序的多少。3. 扫描速度 指扫描1000步用户程序所需的时间，以ms/千步为单位。5. 编程元件的种类和数量 编程元件指：输入继电器、输出继电器、辅助继电器、定时器、计数器、通用“字”寄存器、数据寄存器及特殊功能继电器等。其种类和数量是衡量PLC的一个指标。4. 指令系统条数 指PLC具有的基本指令和高级指令的种类和数量。种类数量越多，软件功能越强。PLC

28、和单片机的区别与选择区别： 1.PLC是建立在单片机之上的产品；单片机是一种集成电路 2.单片机可以构成各种各样的应用系统，从微型、小型到中型、大型都可；PLC是单片机应用系统的一个特例。 3.不同厂家的PLC有相同的工作原理，类似的功能和指标，有一定的互换性；而单片机则不然。 PLC与单片机系统的选用： 1.对单项工程或重复数极少的项目，采用PLC方案是方便、快捷的途径，成功率高，可靠性好，但成本较高。 2.对于量大的配套项目，采用单片机系统具有成本低、效益高的优点，但这要有相当的研发力量和行业经验才能使系统稳定、可靠地运行。PLC和单片机的区别与选择PLC与通用计算机的比较PLC实际上就是

29、一种工业控制用计算机。只不过在一般情况下，在工业自动化工程中采用PLC要比通用计算机可靠、方便，易于维护，而在信息处理方面计算机却优于PLC。在一些自动化控制系统中，常常将两者结合起来，PLC作为下位机进行现场控制，计算机作为上位机进行信息处理。计算机与PLC之间通过通信线路实现信息的传送和交换。这样相辅相成、构成一个功能较强的完整的控制系统比较项目通用计算机PLC工作目的科学计算，数据处理等工业自动控制工作环境对工作环境的要求较高对环境的要求低，可在恶劣的工业现场工作工作方式中断处理方式循环扫描方式，扫描周期一般为几十毫秒系统软件需自备功能较强的系统软件一般只需简单的监控程序采用的特殊措施

30、掉电保护等一般性措施采用多种抗干扰措施，I/O有效隔离、自诊断，断电保护，可在线维修编程语言汇编语言。高级语言，如：BASIC，C等梯形图，助记符语言，SFC标准化语言对操作人员要求需专门培训。并具有一定的计算机基础 一般的技术人员，稍加培训即可操作使用对内存的要求容量大容量小其它机种多，模块种类多，易于构成系统 可编程序控制器的基本组成目前，可编程序控制器的产品很多。不同厂家，不同型号的PLC结构也各不相同，但就其基本组成和基本工作原理而言，却大致相同。可编程序控制器的基本组成PLC实质上就是一台工业控制计算机，其硬件结构上与微型计算机基本相同，特殊的地方主要在于它更侧重于I/O接口的输入输

31、出控制及抗干扰环节。 PLC结构接受现场信号（按钮、各类开关、模拟量等）输入接口部件 中央处理器CPU板内存块编程器 电 源 部 件接口部件输出受控元件（接触器、电磁阀、指示灯）可编程控制器由哪几部分组成？硬件软件存储器CPUI/O口编程器电源系统程序用户程序 PLC 硬件系统结构图电 源I/O扩展单元输入设备输出设备输出接口外部设备接口输入接口I/O扩展接口主机PLC编程器打印机磁带机计算机扫描仪CPU存储器用户程序系统程序数据按钮行程开关触点电磁阀电磁线圈指示灯中央处理单元（CPU）CPU是PLC的核心部分，它是由控制器和运算器组成。控制器是用来统一指挥和控制PLC工作的部件，运算器则是进

32、行逻辑、算术等运算的部件。CPU能从存储器中读取用户程序指令，对其译码，生成有序的控制信号，从输入单元或用户数据存储器读取数据，在运算器中进行各种运算，然后把运算处理结果送给输出单元或存入数据存储区。PLC在CPU的控制下不断地循环扫描整个用户程序，从而实现对现场各设备预定的控制任务。 CPU的具体作用如下：（1）以扫描方式接收输入单元的数据和状态信息，存入相应的存储区；（2）诊断电源、PLC内部电路工作状态和编程过程中的语法错误等；（3）执行监控程序和用户程序。完成数据和信息的逻辑处理，产生相应的内部控制信号，完成用户指令规定的各种操作。（4）响应外部设备（如编程器，打印机）的请求。存储器P

33、LC系统中的存储器，主要用于存放系统程序，用户程序和工作状态数据。（1）系统程序存储区(PROM或EPROM芯片)。 存放预先编制并固化好的永久存储程序和指令-监控程序。 一般包括I/O初始化、自诊断、键盘显示处理、指令编译及监督管理等功能。用户不能改写这部分存储器的内容。存储器PLC系统中的存储器，主要用于存放系统程序，用户程序和工作状态数据。（2）数据存储区(随机存储器RAM)。 存储随机存取的数据，一般不需要长久保存。数据存储区一般包括输入、输出数据映象区，定时器/计数器、内部寄存器和当前值的数据区（3）用户程序存储区。(EPROM或EEPROM存储器) 存放通过编程器输入的应用程序，用

34、户可擦除重新编程。 用户程序存储器的容量一般就代表PLC的标称容量。通常，小型机小于8KB，中型机小于50KB，而大型机可在50KB以上。输入/输出(I/O)接口 输入接口用于接收输入设备（如：按钮、行程开关、传感器等）的控制信号。 输出接口用于将经主机处理过的结果通过输出电路去驱动输出设备（如:接触器、电磁阀、指示灯等）。 电源 电源指为CPU、存储器、I/O接口等内部电子电路工作所配备的直流开关稳压电源 外部设备接口 I/O扩展接口用于将扩充外部输入/输出端子数扩展单元与基本单元（即主机）联接在一起。输入输出扩展接口 此接口可将编程器、打印机、条形码扫描仪等外部设备与主机相连。编程器编程器

35、是PLC的重要外部设备，目前市场上的编程器种类很多，性能、价格相差很悬殊，有手持式、便携式、CRT显示屏式、台式等多种形式，编程器的基本功能是输入、修正、检查及显示用户程序，调试程序和监控程序的执行过程，查找故障和显示I/O、各继电器的工作占用情况、信号状态和出错信息等。编程器编程器是人机对话的窗口。工作方式既是连机编程又可以是脱机编程，可以是梯形图编程也可以用助记符指令编程。同时还可以与打印机、绘图仪等设备相连，并有较强的监控功能。近几年来，采用通用计算机编程，通过硬件接口和专用软件包，使用户可以直接在计算机上以连机或脱机的方式编程，可以用梯形图编程，也可以采用助记符指令编程，并有较强的监控

36、能力。这样用户就省去了编程器。PLC的编程语言 PLC的编程语言有梯形图（Ladder Diagram）、语句表（Statement List）、控制系统流程图（Control System Flowchart）等。在一些高档PLC中，还可以提供专用的高级语言和通用计算机程序设计语言。其中梯形图和语句表最为常用。 语句表类似于计算机汇编语言的形式，通过指令助记符来编程。 梯形图是一种图形语言，它是以寄存器控制系统的电气原理图为基础演变而来的，易于理解和使用。各厂家生产的PLC使用的指令助记符有可能不同，但梯形图的设计与编程方法基本上大同小异。 PLC的编程语言画梯形图的要求如下： 每一个逻辑行

37、必须从起始母线画起； 寄存器线圈不能直接接在左边的母线上； 在梯形图中寄存器线圈只能使用一次，而其触点可以使用个数是无限的； 梯形图必须按照计算机执行程序时的顺序依次画出。 PLC的编程语言PLC的基本指令 SIMATIC S7-200系列PLC的指令系统是非常丰富的，主要分为位逻辑指令、定时器和计数器指令、传送和比较指令、运算指令、程序控制指令、特殊功能指令、堆栈和时钟指令等几个系列。一、位逻辑指令二、定时器和计数器指令三、控制程序编制举例一、位逻辑指令. 标准触点指令. 输出操作指令. 逻辑与操作指令. 逻辑或操作指令. 取非操作指令. 串联电路的并联操作指令. 并联电路的串联操作指令.

38、置位与复位操作. 正、负跳变操作指令（1）标准触点指令常开触点：线圈不带电，触点断开（触点的状态是OFF或0），线圈带电时，触点闭合。常闭触点：线圈不带电，触点是闭合（触点状态是1），线圈带电时，其触点断开（触点状态是0） AN bitbitA bitbit位逻辑指令（ ）bit= bit（2）输出操作指令 当执行输出命令时，新值被写入存储器的指定地址位，在扫描周期中，CPU以批处理的方式将输出映象寄存器中内容传送到输出点，使输出线圈接通位逻辑指令(3)立即输出指令 含有立即输出的指令叫做立即输出指令。当立即输出指令执行时，CPU直接读取其物理输入值，而不是更新映像寄存器。位逻辑指令（4）逻辑

39、与操作指令 逻辑与操作指令是指两个元件的状态都是1时才有输出，两个元件只要有一个为0，就无输出。A I0.0A I0.1= Q0.0位逻辑指令(5)逻辑或操作指令 逻辑或操作指令是指两个元件的状态只要有一个为1就有输出，只有两个元件都为0才输出。(6)取非操作指令 取非操作指令是把源操作数的状态取反作为目标操作数输出位逻辑指令(7)串联电路的并联操作指令 串联电路的并联连接是指多个串联电路之间又构成或的逻辑操作。在执行程序时，先算出各个串联支路（与逻辑）的结果，然后再把结果的或传送到输出。(8)串联电路的串联操作指令 并联电路的串联连接是指多个并联电路之间又构成与的逻辑操作。执行程序时，先算出

40、各个并联支路（或逻辑）的结果，然后再把结果的与传送到输出。位逻辑指令I0.0串、并联电路的并、串联操作（ ）I0.1Q0.0I0.2I0.3I0.4I0.5LD I0.0 LD I0.4A I0.1 A I0.5LD I0.2 OLDA I0.3 = Q0.0OLDI0.0（ ）I0.2Q0.1I0.1I0.3I0.4I0.5LD I0.0 LD I0.4O I0.1 O I0.5LD I0.2 ALDO I0.3 = Q0.1ALD(a)(b)置位与复位指令 置位操作的语句表是由操作码S、置位线圈的位地址bit和置位线圈数目n构成。 置位信号为1时，被置位线圈置1。 当置位信号变为0以后，被

41、置位位的状态可以保持，直到使其复位的信号到来。 在执行该指令时，被置位的线圈数目是从指令中指定的位元件开始共有n个。（ ）BitSnS bit, n(a)（ ）BitRnR bit, n(b)置位与复位操作指令位逻辑指令复位操作指令 复位操作的语句表是由操作码R、复位线圈的位地址bit和复位线圈数目n构成。位逻辑指令（ ）BitSnS bit, n(a)（ ）BitRnR bit, n(b)置位与复位操作指令-PLC基本指令上微分操作指令上微分是指某一位操作数的状态由0变为1的过程，即出现上升沿的过程，上微分指令可形成一个ON、一个扫描周期的脉冲。上微分操作指令 I0.0 Q0.0 A I0.

42、0FP= Q0.0（ ） P该脉冲用来启动一个控制程序、运算过程、结束一段控制等上微分操作的梯形图由常开触点加上微分符“P”构成，语句表由操作码“FP”构成P一个扫描周期I0.0Q0.0位逻辑指令当负跳变触点检测到一次负跳变时，使输出接通一个扫描周期，语句表由操作码“FN”构成NI0.0（ ）Q0.2N一个扫描周期I0.0Q0.2A I 0.0FN = Q0.2位逻辑指令定时器和计数器指令 定时器和计数器是PLC的重要元件，S7-200PLC共有三种定时器和三种计数器。定时器可分为接通延时定时器（TON）、断开延时定时器（TOF）和带有记忆接通延时定时器（TONR）。计数器可分为增计数器（CT

43、U）、减计数器（CTD）和增减计数器（CTUD）。 上微分操作指令 I0.0 Q0.0 LD I0.0EU= Q0.0（ ）PINPTTONTnTON Tn , PTCUPVCTUCnCTU Cn , PVR接通延时定时器、增计数器指令(a)(b)位逻辑指令1. 结束指令 根据先前逻辑条件终止用户程序。结束指令可在主程序内使用，但不能在子程序或中断程序内使用。2. 暂停指令 使PLC从运行模式进入停止模式，立即终止程序的执行。程序控制指令3. 跳转操作指令 可以使程序跳转到具体的标号处。当跳转条件满足时，程序由JMP指令控制转至标号n的程序段去执行。4. 子程序调用与返回指令 子程序调用指令由

44、子程序调用允许端EN、子程序调用助记符SBR和子程序标号n构成。子程序返回指令由子程序返回条件和子程序返回助记符RET构成。程序控制指令5.循环操作指令 循环操作执行FOR与NEXT之间的指令。必须指定循环计数(INDX)、起始值(INIT)及结束值(FINAL)（NEXT）INDXFINALENOFOR INDX, INT, FINALNEXTINT循环操作指令FOREN程序控制指令PLC控制系统的设计 PLC控制系统设计原则 （1） 最大限度地满足被控对象的控制要求。（2） 在满足控制要求的条件下，力求使PLC控制系统简单、经济和使用及维护方便。（3） 保证控制系统稳定、可靠。（4） 在选

45、择PLC容量时，应适当留有裕量便于发展生产和改进工艺的需要。 PLC控制系统设计内容（1） 选择用户输入设备如按钮、操作开关、限位开关和传感器等；输出设备如继电器、接触器、信号灯等执行机构；由输出设备驱动的控制对象如电动机、电磁阀等。（2） PLC是该控制系统的核心部件，正确选择PLC为保证整个控制系统的技术指标和质量是至关重要的。选择PLC应包括机型、容量、I/O模块和电源等选择。 （3） 分配I/O点，绘制输入输出端子的连接图。 （4） 设计控制程序，它包括设计梯形图、语句表（即程序清单）或控制系统流程图。控制程序是控制整个系统工作的软件，对保证系统工作正常、安全、可靠起关键作用。因此PL

46、C控制系统的设计必须经过反复调试，直至满足要求。 （5） 如果必要的话，需设计操作台、电气柜、模拟显示盘和非标准电器等。 （6） 编制控制系统的技术文件。包括设计说明书、使用说明书、电气图及电气元件明细表等。PLC控制系统设计内容设计PLC控制系统的基本思路有如下几个方面：（1） 深入了解和分析被控对象的工艺条件和控制要求，如控制的基本方式，需要完成的动作（动作顺序、动作条件、必需的保护和连锁等）、操作方式（手动、自动、连续、单周期和单步等）。（2） 根据被控对象对PLC控制系统的功能要求和所需要的输入、输出信号的点数等，选择合适类型的PLC。PLC控制系统设计的基本思路（3） 根据控制要求所

47、需的用户输入、输出设备，确定PLC的I/O点数，并设计I/O端子的接线图。（4） 对较复杂的控制系统，根据生产工艺要求，画出工作循环图表，如有必要再画出详细的状态流程图表，它能清楚地表明动作的顺序和条件。PLC控制系统设计的基本思路（5）根据工作循环图表或动态流程图表设计出梯形图。如果被控对象已经有了继电器控制线路图，可将它变换为梯形图。设计梯形图，这是程序设计的关键一步，也是比较困难的部分。要设计好梯形图，首先应熟悉控制要求，同时还要有一定的电气设计的实践经验（6） 根据梯形图编制程序指令。（7）用PLC的编程器将指令键入PLC的用户程序存储器，并检查键入的指令是否正确。PLC控制系统设计的

48、基本思路（8） 调试程序。如果控制系统是由几个部分组成，应先做局部调试，然后再进行整体调试；若控制程序的步序较多，先进行分段调试，后连接起来总调。（9） 在进行PLC程序设计时，同时可进行控制台（柜）的设计和现场施工。待上述工作完成后，就可进行联机调试，直至满足要求。 （10） 编制技术文件。 PLC控制系统设计的基本思路总线工业控制计算机 总线工业控制计算机简称工控机，它是为满足工业生产过程的数据采集、监测与控制等要求而设计的一类计算机的总称，它通常采用开放式总线结构，将各种过程通道做成相应的模板或模块，以便与工业现场的各种传感器及执行机构直接连接，配以功能齐全的组态控制软件，即可构成一套完

49、整的计算机控制系统 。总线工业控制计算机总线工业控制计算机（简称总线工控机）是目前工业领域应用相当广泛的工业控制计算机。它具有丰富的过程输入/输出接口功能，迅速响应的实时功能和环境适应能力。特点：1）可靠性高： 通常用于控制不间断的生产过程，在运行期间不允许停机检修，一旦发生故障将会导致质量事故，甚至生产事故。因此要求具有很高的可靠性，以确保平均无故障工作时间(MTBF)达到几万小时，同时尽量缩短（几分钟）故障修复时间(MTTR)，以达到很高的运行效率。2）实时性好 当对生产过程进行实时控制与监测，因此要求它必须实时的响应控制对象各种参数的变化。当过程参数出现偏差或故障时，总线工控机能及时响应

50、，并能实时地进行报警和处理。为此需配有实时多任务操作系统(RTOS)。 实时性是指总线工控机应该具有的能够在限定时间内对外来事件做出反应的能力，主要考虑两个因素：1.根据生产过程出现的事件能够保持多长的时间；2.该事件要求计算机在多长的时间以内必须做出反应，否则，将对生产过程造成影响甚至造成损害。3）环境适应能力强： 工业现场环境恶劣，电磁干扰严重，供电系统也常受大负荷设备启停的干扰，其接“地”系统复杂，共模及串模干扰大，因此要求总线工控机具有很强的环境适应能力，如：对温度/湿度变化范围要求高；要具有防尘、防腐蚀、防振动冲击的能力；要具有较好的电磁兼容性和高抗干扰能力。4）输入和输出模板配套好

51、 工控机要具有丰富的多种功能的过程输入和输出配套模板，如模拟量、开关量、脉冲量、频率量等输入输出模板。具有多种类型的信号调理功能，如隔离型和非隔离型信号调理；各类热电偶，热电阻信号输入调理；电压电流信号输入和输出信号的调理等。 随着工厂自动化水平的提高，控制规模也在不断扩大，因此要求工控机具有灵活的扩充性。 要求工控机具有开放性体系结构，也就是说在主机接口、网络通信、软件兼容及升级等方面遵守开放性原则，以便于系统扩充、异机种连接、软件的可移植和互换。5）系统扩充性好： 6）系统开放性 工控软件包要具备人机交互方便、画面丰富、实时性好等性能；具有系统组态和系统生成功能；具有实时及历史的趋势记录与

52、显示功能；具有实时报警及事故追忆等功能。此外尚需具有丰富的控制算法，除了常规PID(比例、积分、微分)控制算法外，还应具有一些高级控制算法，如模糊控制、神经元网络、优化、自适应、自整定等算法，并具有在线自诊断功能。目前一个优秀的控制软件包往往将连续控制功能与断续控制功能相结合。 7）控制软件包功能强 具有串行通信、网络通信功能。由于实时性要求高，因此要求工控机通信网络速度高，并且符合国际标准通信协议，如IEEE 802.4，IEEE 802.3协议等；可构成更大的控制系统 包括供电后备、存储器信息保护、手动自动操作切换、紧急事故处理装置等。8）系统通信功能强 9）后备措施齐全 在可靠性要求更高

53、的场合，要求有双机工作及冗余系统，包括双控制站、双操作站、双网通信、双供电系统、双电源等，具有双机切换功能、双机监视软件等，以确保系统长期不间断地运行。10）具有冗余性 第二章 机电一体化的单元技术 122STD总线是由美国Pro-Log公司推出在工业PC应用领域被广泛采用的一种工业标准总线。采用PC和MS-DOS兼容性设计,以及“All in one”和总线I/O的设计思想,使8/16位的STD总线适应高性能32位微处理器的要求。VME总线也是一种很有生命力的工业标准。VME总线产品的插针式连接器结构被强震动、冲击和高尘埃等极恶劣场合广泛采用 ,特别是在列车、轮船等运动系统中。PC/104是

54、当前国际上小型化工业PC中比较热门的产品。PC/104总线和ISA规范完全兼容。总线工业控制计算机CompactPCI采用 VME欧洲卡封装形式,提供真正工业封装的PCI性能。CompactPCI不需桥路就可驱动多至8个总线插槽,足以满足大多数工业系统的要求。CompactPCI利用最新和最快的视频、网络通信和数据采集芯片,定位在下一代更快速CPU上(如P5、P6、PowerPC和P7等) 。 总线工业控制计算机VXI(VMEbus eXtension for Instrumentation)总线系统是一种完全开放的、有众多产品供应商支持的高性能模块化仪器总线标准,又称为“VME扩展到仪器应用

55、”标准。VXI总线是一种基于VME总线的模块仪器结构标准,对所有厂家开放,并兼容现有的工业标准。VXI总线产品通过局部MXI总线,很容易和外部的、采用ISA、EISA和PCI等其它总线的计算机系统相连,构成多VXI系统。总线工业控制计算机STD总线工控机STD总线最早是由美国的Pro-log公司在1978年推出的，是目前国际上工业控制领域最流行的标准总线之一按STD总线标准设计制造的模块式计算机系统，称为STD总线工业控制机。STD标准可支持8位/16位/32位处理机。STD总线工业控制机特点：采用了开放式的系统结构，模块化设计。其系统组成没有固定的模式和标准机型，而是提供了大量的功能模板，用户根据需要，通过对模板的品种和数量的选择与组合，即可配置成适用于不同工业对象、不同生产规模的生产过程的工业控制机。STD总线工控机工控机的功能模板可分为系统模板、IO接口类模板和通信类模板三大类。对于STD总线工控机来说。系统模板包括CPU模板、存储器模板、人机接口和系统支持模板。对于PCI总线工控机来说。系统模板就是一体化CPU板。STD总线工控机第二章 机电一体化的单元技术 128IO接口类模板包括开关量IO模板、AD转换模板、DA转换模板、信号调理板、继电器输出板等。通信类模板包括如RS一232C接口板、USB接口板、GPIB接口板、工业局部网络接口板等。STD总线工控