第四章微机控制系统选择及接口设计

控制功能、控制形式和动作控制方式依产品而不同。第四章微机控制系统的选择及接口设计第一节专用与通用的抉择、硬件与软件的权衡

机电一体化系统设计人员提出总的设计要求，各专业人员通力协作。

需要计算机控制理论、数字电路、软件设计等方面的知识，更需要深入理解生产过程和生产工艺。

机电一体化系统或产品的控制系统设计包括：选用微机、设计接口、控制形式和动作控制方式等问题。1.专用与通用选择第四章微机控制系统的选择及接口设计第一节专用与通用的抉择、硬件与软件的权衡

专用控制系统适合于大批量生产的机电一体化产品。在开发新产品时，如果要求具有机械与电子有机结合的紧凑结构，也只有专用控制系统才能做到。

选用适当的通用IC芯片来组成控制系统，以便与执行元件和检测传感器相匹配，或重新设计制作专用集成电路，把整个控制系统集成在一块或几块芯片上。1.专用与通用选择第四章微机控制系统的选择及接口设计第一节专用与通用的抉择、硬件与软件的权衡

对于多品种、中小批量生产的机电一体化产品来说，由于还在不断改进，结构还不十分稳定，特别是对现有设备进行改造时，采用通用控制系统比较合理。

通用控制系统的设计，主要是合理选择主控制微机机型，设计与其执行元件和检测传感器之间的接口，并在此基础上编制应用软件的问题。实质上就是通过接口设计和软件编制来使通用微机专用化的问题。2.硬件与软件的组合第四章微机控制系统的选择及接口设计第一节专用与通用的抉择、硬件与软件的权衡

大多数控制功能单元既可以使用软件实现，也可以使用硬件实现，软件方式与硬件方式各有优缺点。控制系统中硬件和软件的合理组成，通常要根据经济性和可靠性的标准权衡决定。

单元功能具体、稳定、无变化，采用硬件成本低，则优先采用硬件组成。否则，就采用软件实现。第四章微机控制系统的选择及接口设计第二节微机控制系统的设计思路

了解被控对象的控制要求，构思微机控制系统整体方案。采用开环控制还是闭环控制？采用闭环控制时，采用何种检测传感元件？检测精度要求如何。1.确定系统整体控制方案

其次考虑执行元件种类，电动、气动、液动？

第三，是否有特殊控制要求，高可靠性、高精度和快速性的系统采取哪些措施？

第四，微机在整个控制系统中的作用，设定计算？直接控制？还是数据处理？承担哪些任务？应具备哪些功能？需要哪些I/O通道？配备哪些外围设备？

画出系统组成框图，作为下一步设计的基础和依据第四章微机控制系统的选择及接口设计第二节微机控制系统的设计思路

对具体微机控制系统进行分析、综合或设计，首先应建立系统的数学模型，确定其控制算法。所选算法应该满足控制速度、控制精度和系统稳定性的要求。2．确定控制算法3．确定微机种类

对于给定的任务，选择微机的方案不唯一，但微机应能满足具有较完善的中断系统、足够的存储容量、完善的I/O通道和实时时钟等要求。4．系统总体设计

主要是对系统控制方案进行具体实施步骤的设计。5．软件设计第四章微机控制系统的选择及接口设计

微机原理与接口技术、单片机等。

第三节~第九节第四章微机控制系统的选择及接口设计

对输入／输出硬件电路的要求是：①能够可靠地传递控制信息，并能够输入有关运动机构的状态信息；②能够进行相应的信息转换，以满足微机对输入／输出信息的转换要求，如D/A、A/D转换，并行数字量转换成串行电脉冲、电平的转换与匹配，电量与非电量之间的转换，弱电与强电的转换以及功率的匹配等；③应具有较强的阻断干扰信号进入微机控制系统的能力，以提高系统的可靠性。第十节微机应用系统的输入/输出控制的可靠性设计第四章微机控制系统的选择及接口设计第十节微机应用系统的输入/输出控制的可靠性设计一、光电隔离电路设计1.光电隔离电路

为防止强电干扰以及其他干扰信号通过I/O控制电路进入计算机，通常的办法是首先采用滤波吸收，抑制干扰信号的产生，然后采用光电隔离的办法，使微机与强电部件不共地，阻断干扰信号的传导。第四章微机控制系统的选择及接口设计第十节微机应用系统的输入/输出控制的可靠性设计一、光电隔离电路设计1.光电隔离电路

为防止强电干扰以及其他干扰信号通过I/O控制电路进入计算机，通常的办法是首先采用滤波吸收，抑制干扰信号的产生，然后采用光电隔离的办法，使微机与强电部件不共地，阻断干扰信号的传导。

（1）输入与输出电路地线分开，各自供电，阻断干扰

（2）可以进行电平转换

（3）可以提高驱动能力第四章微机控制系统的选择及接口设计第十节微机应用系统的输入/输出控制的可靠性设计常用光电耦合器第四章微机控制系统的选择及接口设计第十节微机应用系统的输入/输出控制的可靠性设计一、光电隔离电路设计2.光电耦合隔离电路应用第四章微机控制系统的选择及接口设计第十节微机应用系统的输入/输出控制的可靠性设计二、信息转换电路设计1.弱电转强电电路第四章微机控制系统的选择及接口设计第十节微机应用系统的输入/输出控制的可靠性设计二、信息转换电路设计2.数字脉冲转换第四章微机控制系统的选择及接口设计第十节微机应用系统的输入/输出控制的可靠性设计二、信息转换电路设计3.A/DD/A转换第四章微机控制系统的选择及接口设计第十节微机应用系统的输入/输出控制的可靠性设计二、信息转换电路设计4.电量转非电量

可编程序控制器PLC概述可编程序控制器的基本组成和工作原理西门子S7-200系列可编程序控制器及其指令系统常用基本环节编程可编程序控制器系统设计的内容和步骤第四章微机控制系统的选择及接口设计第十一节可编程逻辑控制器(PLC)的构成及应用举例第四章微机控制系统的选择及接口设计第十一节可编程逻辑控制器(PLC)的构成及应用举例一、可编程序控制器PLC概述

1968年美国通用汽车对汽车流水线控制系统提出具体要求：(1)编程方便，可现场修改程序；(2)维修方便，采用插件式结构；(3)可靠性高于继电器控制装置；(4)体积小于继电器控制盘；(5)数据可直接送入管理计算机；(6)成本可与继电器控制盘竞争；(7)输入可以是AC115V(美国电压标准)；(8)输出AC115V，容量≥2A，可直接驱动接触器、电磁阀等；(9)扩展时原系统改变最小；(10)用户存储器至少能扩展到4KB。第四章微机控制系统的选择及接口设计第十一节可编程逻辑控制器(PLC)的构成及应用举例一、可编程序控制器PLC概述1969年美国数据设备公向(DEC)根据上述要求，研制开发出世界上第一台可编程序控制器，并在GM公司汽车生产线上首次应用成功。当时人们把它称为可编程序逻辑控制器：

（ProgrammableLogicalController）

简称PLC，它主要用来取代继电接触器逻辑控制。功能仅限于执行继电器逻辑、计时、计数等。

随着大规模、超大规模集成电路、微处理器技术的发展成熟，PLC运行速度大大提高，增加了许多特殊功能：如高速运算、PID控制、运动控制、联网控制等。

可编程序控制器(PLC)手持式编程器第四章微机控制系统的选择及接口设计第十一节可编程逻辑控制器(PLC)的构成及应用举例一、可编程序控制器PLC概述

PLC的作用与功能：PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器,用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。第四章微机控制系统的选择及接口设计第十一节可编程逻辑控制器(PLC)的构成及应用举例一、可编程序控制器PLC概述

PLC的应用领域：

开关量的逻辑控制模拟量控制运动控制过程控制数据处理通信及联网

PLC的特点：

可靠性高，抗干扰能力强配套齐全，功能完善，适用性强系统设计、维护、改造容易体积小，重量轻，能耗低易学易用第四章微机控制系统的选择及接口设计第十一节可编程逻辑控制器(PLC)的构成及应用举例一、可编程序控制器PLC概述

PLC构成控制系统：台式机、笔记本等运行编程软件；在编程软件中编制控制程序；对控制程序进行语法检验；将控制程序进行编译处理；将控制程序下载到PLC；PLC运行程序，实现控制过程。第四章微机控制系统的选择及接口设计第十一节可编程逻辑控制器(PLC)的构成及应用举例一、可编程序控制器PLC概述PLC控制程序的编制过程：PLC控制程序的修改方法：按照以上过程进行；手持式编程器直接修改；笔记本监控运行并修改；通过网络实现远程监控和修改。第四章微机控制系统的选择及接口设计第十一节可编程逻辑控制器(PLC)的构成及应用举例一、可编程序控制器PLC概述第四章微机控制系统的选择及接口设计第十一节可编程逻辑控制器(PLC)的构成及应用举例一、可编程序控制器PLC概述PLC控制系统的简单例子：FU三相异步电动机正反转控制系统KM2SB1SB3FRQFRM3~SB2KM1KM1KM2KM1KM2KM1KM2PLC控制电路X0Y0X1

Y1X2COMCOM1SB1SB2SB3KM1KM2KM2KM1FR负载电源正转启动反转启动停止PLC控制程序

X0X2X1Y1Y0Y0

X1X2X0Y0Y1Y1正转反转第四章微机控制系统的选择及接口设计第十一节可编程逻辑控制器(PLC)的构成及应用举例一、可编程序控制器PLC概述PLC与其他工业控制系统的比较：

集散控制系统（DistributionControlSystem）：由回路仪表控制系统发展起来的分布式控制系统，在模拟量处理、回路调节等方面有一定的优势。

PLC：已具备集散控制系统的形态，性价比好，可靠性高；但PLC以循环扫描方式进行工作，扫描周期一般要限制在几十毫秒范围内，不适于单独构成需要进行较大数据量处理的集散控制系统。第四章微机控制系统的选择及接口设计第十一节可编程逻辑控制器(PLC)的构成及应用举例一、可编程序控制器PLC概述PLC与其他工业控制系统的比较：第四章微机控制系统的选择及接口设计第十一节可编程逻辑控制器(PLC)的构成及应用举例二、PLC的基本组成及工作原理PLC的基本组成：CPURAM程序存储器EPROM输出模块I/O接口通信接口输入模块外围设备

计算机或其他PLCPLC的基本组成结构BUSABDBCB用户输入设备用户输出设备第四章微机控制系统的选择及接口设计第十一节可编程逻辑控制器(PLC)的构成及应用举例二、PLC的基本组成及工作原理PLC的外部连线原理：三菱FX系列PLC的一个开关量输入点：X001SX001PLC内部电路COMV++Y000COM一个开关量输出点:Y000PLC内部电路第四章微机控制系统的选择及接口设计第十一节可编程逻辑控制器(PLC)的构成及应用举例二、PLC的基本组成及工作原理PLC的外部连线原理：PLC执行用户程序的方式：

PLC对用户程序进行反复地循环扫描，逐条地解释用户程序，并加以执行。循环扫描工作方式简单直观，简化了程序设计，并为PLC可靠运行提供了有力的保证。

PLC进行一次扫描的时间，也就是一个扫描周期，一般只有几十毫秒。第四章微机控制系统的选择及接口设计第十一节可编程逻辑控制器(PLC)的构成及应用举例二、PLC的基本组成及工作原理PLC的工作原理：报警严重故障NYYNPLC的工作过程PLC的正常扫描工作过程:

A公共操作

B数据输入/输出操作

（1）采样输入信号阶段

（2）扫描用户程序

（3）输出状态刷新

C运行监视

D执行外部设备指令第四章微机控制系统的选择及接口设计第十一节可编程逻辑控制器(PLC)的构成及应用举例二、PLC的基本组成及工作原理循环扫描工作方式示意：公共操作输入接口现场设备状态输入数据映象区数据输入执行用户程序数据输出服务外设输出锁存器现场设备输出驱动电路输出数据映象区

PLC不是连续监控外设的，而是间断性地采集外设状态信息的，会不会出现设备状态变化被漏掉的情况呢，能满足控制的实时性要求吗？以开关量为例，考察PLC的实时性：扫描1扫描2扫描3扫描4扫描5扫描6ONOFF外设状态改变OFFONONPLC的实时性能可以满足控制需要！

几个重要结论：

（1）以扫描的方式进行操作，其输入/输出信号间的逻辑关系，存在着原理上的滞后。

（2）扫描周期除了执行用户程序所占用的时间外，还包括系统管理操作占用的时间。

（3）第n次扫描执行程序时，所依据的输入数据是该次扫描之前的值Xn和

Yn－1，以及执行程序过程中新产生的Yn

。第四章微机控制系统的选择及接口设计第十一节可编程逻辑控制器(PLC)的构成及应用举例二、PLC的基本组成及工作原理例题：

现有5个彩灯，要求按顺序依次点亮，展现出流水灯效果。分别由按键开关控制其正向流动、反向流动、定时全亮全灭。分析：

3个开关量5个开关量1.有5个彩灯，应该使用输出点；2.分别由按键开关控制其正向流动、反向流动、定时全亮全灭。应该使用输入点。第四章微机控制系统的选择及接口设计第十一节可编程逻辑控制器(PLC)的构成及应用举例二、PLC的基本组成及工作原理输入点输出点SA1I0.0LD1Q0.0SA2I0.1LD2Q0.1SA3I0.2LD3Q0.2LD4Q0.3LD5Q0.4使用西门子S7-200系列PLC，I/O点分配如下：第四章微机控制系统的选择及接口设计第十一节可编程逻辑控制器(PLC)的构成及应用举例二、PLC的基本组成及工作原理PLCL++24V-SA1SA2SA3LD1LD2LD3LD4LD5I0.0I0.1I0.2I0.3I0.4Q0.0Q0.1Q0.2Q0.3Q0.4硬件连线图：第四章微机控制系统的选择及接口设计第十一节可编程逻辑控制器(PLC)的构成及应用举例二、PLC的基本组成及工作原理M1M1L可编程序控制器的编程语言梯形图语言助记符语言顺序功能图（SFC）语言布尔代数语言逻辑功能图和某些高级语言第四章微机控制系统的选择及接口设计第十一节可编程逻辑控制器(PLC)的构成及应用举例三、PLC编程及S7-200基本指令

梯形图语言

继电器控制原理图使用的是硬件继电器和定时器，靠硬件连接组成控制线路；

PLC梯形图使用的是内部软继电器，定时器/计数器等，靠软件实现控制。更灵活，修改控制更方便。可编程序控制器的编程语言第四章微机控制系统的选择及接口设计第十一节可编程逻辑控制器(PLC)的构成及应用举例三、PLC编程及S7-200基本指令（1）按行依次从左至右，从上而下顺序编写；（2）梯形图左边垂直线称母线，左侧放置输入接点和内部继电器接点；（3）最右侧必须放置输出元素；（4）输入接点和内部继电器接点可以任意串、并联，而输出元素只能并联不能串联；（5）输出线圈只对应输出映像区的相应位，不能直接驱动现场设备。可编程序控制器的编程语言第四章微机控制系统的选择及接口设计第十一节可编程逻辑控制器(PLC)的构成及应用举例

梯形图设计方法简介三、PLC编程及S7-200基本指令

PLC的命令语句表达式，类似于计算机的汇编语言。用户可以直观地根据梯形图写出助记符语言，也可以根据助记符写出梯形图语言。不同厂家生产的PLC使用的助记符不同。可编程序控制器的编程语言第四章微机控制系统的选择及接口设计第十一节可编程逻辑控制器(PLC)的构成及应用举例助记符语言三、PLC编程及S7-200基本指令位逻辑指令

触点指令

输出指令其他指令返回S7-200基本指令第四章微机控制系统的选择及接口设计第十一节可编程逻辑控制器(PLC)的构成及应用举例三、PLC编程及S7-200基本指令定时器与计数器指令通电延时定时器指令断电延时定时器指令保持型通电延时定时器定时器当前值刷新的方法计数器指令

第四章微机控制系统的选择及接口设计第十一节可编程逻辑控制器(PLC)的构成及应用举例三、PLC编程及S7-200基本指令S7-200基本指令通电延时定时器指令

定时器、计数器的当前值、设定值均为16位有符号整数(INT)，允许的最大值为32767。返回

通电延时定时器(TON)输入端(IN)的输入电路接通时开始定时。当前值大于等于PT(PresetTime，预置时间)端指定的设定值时(PT=1～32767)，定时器位变为ON，梯形图中对应定时器的常开触点闭合，常闭触点断开。达到设定值后，当前值仍继续计数，直到最大值32767。

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。第一次扫描时定时器位OFF，当前值为0。定时器有1ms、10ms和100ms三种分辨率，分辨率取决于定时器号(见表)。定时器的设定时间等于设定值与分辨率的乘积，图中的T33为l00ms定时器，设定时间为l00ms×3=0.3s

定时器和计数器的设定值的数据类型均为INT型，除了常数外，还可以用VW、IW等作它们的设定值。返回通电延时定时器指令断电延时定时器指令

断电延时定时器(TOF)用来在IN输入电路断开后延时一段时间，再使定时器位OFF。它用输入从ON到OFF的负跳变启动定时。返回

接在定时器IN输入端的输入电路接通时定时器位变为ON，当前值被清零。输入电路断开后，开始定时，当前值从0开始增大，当前值等于设定值时，输出位变为OFF，当前值保持不变，直到输入电路接通(见图)

TOF与TON不能共享相同的定时器号，例如:不能同时使用TONT32和TOFT32。

可用复位(R)指令复位定时器。复位指令使定时器位变为OFF，定时器当前值被清零。在第一个扫描周期，TON和TOF被自动复位，定时器位OFF，当前值为0。

断电延时定时器指令保持型通电延时定时器

保持型通电延时定时器(RetentiveOn-DelayTimer，TONR)的输入电路接通时，开始定时。当前值大于等于PT端指定的设定值时，定时器位变为ON。达到设定值后，当前值仍继续计数，直到最大值32767.

输入电路断开时，当前值保持不变。可用TONR来累计输入电路接通的若干个时间间隔。复位指令(R)用来清除它的当前值，同时使定时器位OFF。图中的时间间隔≥100ms时，10ms定时器T2的定时器位变为ON。在第一个扫描周期，定时器位为OFF。可以在系统块中设置TONR的当前值有断电保持功能。返回返回保持型通电延时定时器定时器当前值刷新的方法1)1ms定时器

1ms定时器对启动后的1ms时间间隔计数。定时器指令执行期间每隔1ms对定时器位和当前值刷新一次，这一过程不与扫描周期同步。因为可能在1ms内的任意时刻启动定时器，设定值必须比最小要求的定时间隔大一个时间基准。例如对1ms定时器，为了保证时间间隔至少为56ms，设定值应为57。10ms、l00ms定时器也有类似的问题，可用相同的原则处理，即设定值等于要求的最小时间间隔对应的值加1。

返回2)10ms定时器

10ms定时器对启动后的10ms时间间隔计数。执行定时器指令时开始定时，在每一扫描周期开始时刷新定时器，将一个扫描周期内增加的10ms时间间隔的个数加到当前值。定时器的当前值和定时器位在一个扫描周期内其余的时间保持不变。

定时器当前值刷新的方法3)100ms定时器

100ms定时器对启动后的100ms时间间隔计数。它在每一扫描周期开始时刷新定时器，将一个扫描周期内增加的100ms时间间隔的个数加到当前值。只有在执行定时器指令时，才