机电一体化cug(ch2工业控制器与接口电路)

第二章常用工业控制系统与接口电路一、工业控制系统的概述二、工业控制系统的类型三、工业控制系统的接口技术四、机电一体化常用接口电路

1.概念：将控制系统中的控制器功能通过计算机或数字控制装置来实现，即构成了计算机控制系统。2.1工业（计算机）控制系统概述

2.控制工作流程：（1）实时采集：对被控参数的瞬时值实时采集，通过A/D转换通道输入计算机。（2）实时处理：对采集到的被控参数状态量进行分析，按已确定的控制规律，决策进一步的控制行为。（3）实时输出：根据做出的控制决策，通过D/A转换通道，实时地向执行机构发出控制信号，在线、实时地进行控制。以上过程不断重复，使整个系统按照预定程序工作。此外，系统还应能对被控参数和设备本身可能出现的异常状态进行及时检测和诊断。2.1工业（计算机）控制系统概述

3.特点：（1）利用计算机的存储记忆、数字运算和显示功能，可以同时实现多种模拟仪表的功能，并且便于监视和操作。（2）可以实现一台计算机同时控制多个回路，并且还可以同时实现直接数字控制、监督控制、顺序控制等多种控制功能。（3）可以实现复杂的控制运算。（4）系统调试、参数整定灵活方便。2.1计算机控制系统概述

3.特点：

（5）利用现场总线技术可将所有的现场设备(如传感器、执行机构、驱动器等)与控制器用一根电缆连接在一起，构成网络化的控制系统，实现现场状态监测、控制、远程传输等功能，使企业信息的采集控制直接延伸到生产现场。（6）利用网络的分布结构可以构成计算机控制、管理集成系统，实现工业生产与经营的管理、控制一体化，大大提高企业的综合自动化水平。2.1计算机控制系统概述（1）操作指导系统：计算机不直接控制对象，仅用来检测、采集对象中各种数据、参数进行记录、统计、显示等。

2.2计算机控制系统的类型（2）直接数字控制系统(DDS)：计算机完成一路或多路被控对象的实时采集、决策、输出过程。

2.2计算机控制系统的类型（3）监督控制系统(SCC—SupervisoryComputerControl)：多级计算机控制系统，上位计算机完成系统综合分析、设定，多台下位计算机根据设定完成DDC，整体实现最优、自适应等控制方案。两种结构形式：*SCC+模拟调节器控制系统*SCC+DDC控制系统

2.2计算机控制系统的类型（3）监督控制系统(SCC—SupervisoryComputerControl)：2.2计算机控制系统的类型

SCC+模拟调节器控制系统框图

（3）监督控制系统(SCC—SupervisoryComputerControl)：2.2计算机控制系统的类型

SCC+DDC控制系统框图

（4）集散控制系统(DCS)：基本思想是集中管理、分散控制。上位机用于实现集中监视管理功能，若干台下位机下放分散到现场实现控制，各上下位机之间用控制网络互连以实现相互之间的信息传递。

2.2计算机控制系统的类型（5）现场总线控制系统(FCS—FieldbusControlSystem)：现场总线控制系统是新一代分布式控制系统，现场总线通过一对传输线，可挂接多个设备，实现多个数字信号的双向传输，数字信号完全取代4—20mA的模拟信号，实现了全数字通信。是一种开放、全数字化、双向、多站的通信系统，因此现场总线控制系统具有良好的开放性、互操作性与互用性。

2.2计算机控制系统的类型（5）现场总线控制系统(FCS—FieldbusControlSystem)：2.2计算机控制系统的类型（6）以太网控制系统(TCP/IP)：工业以太网控制系统具有其它网络无法比拟的优势，主要体现在：*开放性：采用公开的TCP/IP标准和协议。*平台无关性：可以选择不同厂家、不同类型的设备和服务；易于实现多现场总线的集成，也易于实现多系统集成。*提供多种信息服务：提供E-mail、等多种信息服务,并且信息传递快速、准确。*图形用户界面：统一、友好、规范化的图形界面，操作简单，易学易用。2.2计算机控制系统的类型（6）以太网控制系统(TCP/IP)：

2.2计算机控制系统的类型2.2计算机控制系统的类型——典型系统举例总线式工业控制计算机

IPC

半长卡

全长卡2.2计算机控制系统的类型——典型系统举例PLC控制系统结构

2.2计算机控制系统的类型——典型系统举例PLC控制器

2.2计算机控制系统的类型——典型系统举例基于嵌入式单板机的计算机控制系统

（PC104模块）2.2计算机控制系统的类型——典型系统举例基于单片机的计算机控制系统

2.2计算机控制系统的类型——典型系统举例基于单片机的计算机控制系统

2.2计算机控制系统的类型——典型系统举例通用PID控制器（调节器）

2.2计算机控制系统的类型——典型系统举例集散型计算机控制系统

2.2计算机控制系统的类型——典型系统举例（1）机械接口：回转运动机构直线运动机构（2）电气接口：A/D、D/A通道接口

DI/DO通道接口各类总线接口

数据通讯接口功率驱动接口

2.3计算机控制系统的接口技术

1.输入过程通道

完成输入信号的信号形式和信号电平的转换，使之成为计算机能接收的信号。（1）输入信号的分类

信号源：传感器输出信号（模拟式、数字式）指令操作信号（比如：电机启停、…）参数设置信号（比如：空调温度设定、…）

信息表达特征：开关量或数字量的输入（信号反映在电平高低）模拟量的输入（信号反映在幅值大小）脉冲量的输入（信号反映在频率和脉宽）

信号源特性：信号幅值的大小（放大或衰减）信号源输出阻抗（缓冲级阻抗变换）信号源的载波特性（调制和解调）

1.输入过程通道（2）输入信号的分类

计算机能接收的是符合电平规定的开关量或数字量，其信号特征为：规定高电平>2.4V(TTL)>3.6V(CMOS)

规定低电平<0.7V(TTL)<0.7V(CMOS)

信号转换方式：开关量或数字量：电平转换模拟量：电平转换+信号放大+模数转换脉冲量：电平转换+信号整形+计时/计数转换

2.输出过程通道将计算机输出的信号作信号形式转换和电平转换，使之能直接驱动执行机构动作。计算机输出的信号：规定电平（TTL或CMOS）的开关量和数字量信号信号形式转换：数字量转换成模拟量：D/A转换数字量转换成脉冲量：C/T转换数字量转换成开关量：继电器或功率开关管信号幅值转换：幅值转换（线性放大和衰减）阻抗变换：功率放大或阻抗变换（继电器、可控硅、功率三极管、IGBT）

3.执行机构接口是一种“电-机械转换”装置，将计算机的控制输出进行转换，驱动执行机构，作用于被控制的机械本体。

电-机械转换比如：电动机机械转换比如：轮边减速器被控机械执行机构

3.执行机构接口按驱动信号形式分类有以下几种：

开关量驱动：如电磁阀、电动机、电磁铁等

模拟量驱动：如伺服阀、伺服电机、比例阀、比例电磁铁、力矩马达等

脉冲量驱动：如步进电机、脉冲电机、比例阀PWM调制等按驱动的能量传递来分类：

电驱动：动态响应好，能量传递方便，体积小，重量轻（如调频变频器伺服电机等）。

气驱动：控制功率较大，动力特性缓和，控制介质简单，污染小。

液压驱动：功率密度高，便于调速与控制。（一）片内接口1.片内接口的一般方式2.4机电一体化常用的接口电路CPU数据输入三态门数据输出锁存器地址译码器数据总线“读”线选通线“写”线选通线地址总线数据总线I0I1I2I3I4I5I6I7数据输入端口P6P5P4P3P2P1P0P7数据输出端口(01H)(02H)

2.数据输入三态门QDC输入端D“读”选通CV+输出端QC=0D=1Q=1C=0D=0Q=0C=1D=XQ为高阻态三态门的电路结构三态门主要用于总线隔离。与CPU交换数据时，三态门开通；不与CPU交换数据时，三态门输出处于高阻态，不影响其它外设使用总线。бббббббббб1112131415161718192012345678910Vcc1Y12A41Y22A31Y31Y42A22A11A12Y41A21A31A42Y12Y32Y2GND典型三态门LS244结构图：SN54LS244……JSN74LS244……JORN(TOPVIEW)3.数据锁存器DCLKDQGNDV+INPUTOUTPUTDCLKQH↑HLL↑LH×HQ0×LQ0由D触发器组成

锁存器的作用是将数据总线的数据锁存起来，在CLK有效时锁存器输出跟随总线输入。在CLK无效时，锁存器的输出与总线无关。QDCKCLEARDQCKCLEARQDCKCLEARDQCKCLEARQDCKCLEARDQCKCLEARQDCKCLEARDQCKCLEAR2654378910119151617181413121120CLR1Q1D2D2Q3Q3D4D4QGNDVcc8Q8D7D7Q6Q6D5D5QCLOCKSN54273,SN54LS273……JPACKAGESN74273,SN74LS273……JORNPACKAGE锁存器LS273原理图4.译码器将地址总线信号转换成外设选通专线以LS138三八译码器为例SN54LS138,SN54S138……JORWPACKAGESN74LS138,SN74S138……JORWPACKAGE5.片内I/O接口电路地址译码方式：（1）选通线和相或；（2）用译码器合成选通信号

(二)片外接口1.开关量输入接口要求TTL电平CMOS电平电平规定高电平2.4V≤Vi≤5V高电平3.6V≤Vi≤5V低电平0V≤Vi≤0.7V低电平0V≤Vi≤0.7V输入阻抗规定Ri≤5KΩRi≤50KΩ闲置规定可闲置输入端不可悬空2.开关量输入方式

非隔离型+5VRK上拉型信号输出+5VRK下拉型信号输出V+R1+5V信号输出（反相型）

隔离型V+R1信号输出（同相型）V+

隔离型开关量接口采用光耦合器，防止非正常电信号通过接口电路串入计算机，也利于减少地线干扰。R2R22.开关量输入方式3.开关量输出

要求：a.片内接口只能提供规定的输出电平，用片外接口适应执行机构要求；b.片内接口驱动能力有限，用片外接口适应执行机构要求；c.开关量输出一般要求执行机构电气隔离；

隔离方式：光耦合器隔离（光为传媒）继电器隔离（机械传媒）变压器隔离（磁传媒）常见的开关输出接口三极管驱动电路JPx+5VVpD