机电一体化第讲

1第5章工业控制计算机及其接口5.1工业控制计算机5.2计算机控制接口技术5.3可编程控制器25.1工业控制计算机

工业控制计算机是机电一体化的中枢，作用是按编制好的程序完成系统信息的采集、加工处理、分析和判断，做出相应的调节和控制策略，发出数字或模拟形式的控制信号，控制执行机构的动作，实现相应功能。

一工业控制计算机系统的组成 它由计算机基本系统、人-机对话系统、系统支持模块、过程输入输出子系统组成。工业控制计算机系统的软件包括适应工业控制的实时系统软件、通用软件和工业控制软件等。34

二.工业控制计算机系统的基本要求1.具有完善的过程输入输出功能

具有丰富的模拟量和数字量的输入输出通道，以完成各种形式的数据采集、过程连接和信息交换等。2.具有实时控制功能

具有时间驱动和事件驱动的能力。对生产工况变化实时的进行监视和控制，当出现偏差或故障时能迅速的做出相应处理。3.具有可靠性

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二.工业控制计算机系统的基本要求

4.具有较强的环境适应性和抗干扰能力

A：干扰：电磁干扰、供电不良等，要求具有极高的电磁兼容性，要有高抗干扰能力和共模抑制能力。B：环境：高温、高湿、振动、粉尘等恶劣的工作环境。5.具有丰富的软件

应用软件，建立适合的数学模型，建立标准的控制算法及控制程序、6三.工业控制计算机的分类及其应用特点1.可编程序控制器

可编程控制器(PC，ProgrammableController)是一种以微处理器为基础的通用型自动控制装置，专为在工业环境下应用而设计。由于最初研制这种装置的目的，是为了解决生产设备的逻辑及开关量控制，故也把它称为可编程逻辑控制器（PLC，ProgrammableLogicController）。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或生产过程。7三.工业控制计算机的分类及其应用特点1.可编程序控制器 图5-11是PLC应用于逻辑控制的简单事例。输入信号是由按钮开关、限位开关、继电器触点等提供的各种开关信号，通过接口进入PLC，经PLC处理后产生控制信号，通过输出接口送给线圈、继电器、指示灯、电动机等输出装置。8图5-11PLC的逻辑控制电路9主要特点：程序可变，柔性好。可根据实际生产过程改变程序，而无需改变硬件。2.可靠性强，适于工业环境。

硬件软件上采取一系列的有效措施，提高系统的可靠性和抗干扰能力，具有完善的自诊断和自保护能力，能够适应恶劣的工业环境，无故障工作时间可达数万小时。3.编程简单，使用方便。

梯形图的编程方式，类似于继电接触控制的电气原理图，可直接转换为控制逻辑程序。10主要特点：4.功能完善。

具有输出输入、逻辑运算。算术运算、定时、计数、顺序控制、功率驱动、通讯、人机对话、自检、记录和显示灯功能。5.体积小，重量轻，易于装入机器内部。11PLC

(可编程逻辑控制器)S7-200是一种小型的可编程序控制器，适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。CPU221具有6个输入点和4个输出点，CPU222具有8个输入点和6个输出点，CPU224具有14个输入点和10个输出点，CPU224XP具有14个输入点和10个输出点，CPU226具有24个输入点和16个输出点。12PLC

(可编程逻辑控制器)·可配不同档次的CPU·可选择不同类型的扩展模块·可以扩展多达32个模块·模块内集成背板总线·网络连接-多点接口(MPI),-PROFIBUS或-工业以太网·通过编程器PG访问所有的模块·无插槽限制·借助于“HWConfig”工具可以进行组态和设置参数产品特点·循环周期短、处理速度高·指令集功能强大（包含350多条指令），可用于复杂功能·产品设计紧凑，可用于空间有限的场合·模块化结构，设计更加灵活·有不同性能档次的CPU模块可供选用·功能模块和I/O模块可选择·有可在露天恶劣条件下使用的模块类型S7-300针对低性能要求的模块化中小控制系统13PLC

(可编程逻辑控制器)功能强大的PLC，适用于中高性能控制领域解决方案满足最复杂的任务要求功能分级的CPU以及种类齐全的模板，总能为其自动化任务找到最佳的解决方案实现分布式系统和扩展通讯能力都很简便，组成系统灵活自如用户友好性强，操作简单，免风扇设计随着应用的扩大，系统扩展无任何问题西门子S7-400PLC是用于中、高档性能范围的可编程序控制器。SIMATICS7-400PLC的主要特色为：极高的处理速度、强大的通讯性能和卓越的CPU资源裕量。14

2.总线型工业控制计算机

模块化设计，按照统一的总线标准，构成复杂的工业控制系统主要特点：

1）提高设计效率，缩短设计和制造周期。

2）提高系统可靠性。

3）便于调试和维修。

4）能适应技术发展的需要。15

2.总线型工业控制计算机

1）STD总线工业控制机 典型的STD总线工控机系统的构成如图5-13所示，其突出特点是：模块化设计，系统组成、修改和扩展方便；各模块间相对独立，使检测、调试、故障查找简便迅速；有多种功能模板可供选用，大大减少了硬件设计工作量；系统中可运行多种操作系统及系统开发的支持软件，使控制软件开发的难度大幅降低。16图5-13用STD总线工业控制机组成的计算机控制系统17 2）PC总线工业控制机

IBM公司的PC总线微机最初是为个人或办公室使用而设计的，早期主要用于文字处理或一些简单的办公室事务处理。早期产品是基于一块大底板结构，加上几个I/O扩充槽。

PC/AT总线的IBM兼容计算机由于价格低廉、使用灵活、软件资源非常丰富，因而用户众多，在国内更是主要流行机种之一。

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近几年来许多公司推出了PC/AT总线工业控制机，一般对原有微机作了以下几方面的改进 （1）机械结构加固，使微机的抗震性好。 （2）采用标准模板结构。 （3）加上带过滤器的强力通风系统，加强散热，增加系统抵抗粉尘的能力。 （4）采用电子软盘取代普通的软磁盘，使之能适于在恶劣的工业环境下工作。 （5）根据工业控制的特点，常采用实时多任务操作系统。19 3.单片机（SCM即单片微型计算机>>>MCU即微控制器>>>SoC嵌入式系统）下面以MCS系列单片机为例，来介绍单片机的结构、性能及使用上的特点。 1）受集成度的限制，片内存储器容量较小。

2）可靠性高。

3）易扩展。

4）控制功能强。

5）一般单片机内无监控程序或系统通用管理程序。20 MCS-51单片机系列 该系列包括有8031、8051、8751、2051、89C51等多种机型。其主要特点是：

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（1）8位CPU，工作频率为1~12MHz。 （2）128BRAM数据存储器，4KBROM程序存储器。 （3）5V电源，40引脚双列直插式封装。 （4）12MHz工作频率时机器周期为1μs，所有指令的执行为1~4个机器周期。 （5）外部可分别扩展64KB数据存储器和程序存储器。 （6）2级中断，5个中断源。 （7）21个专用寄存器，有位寻址功能。（8）两个16位定时/计数器，1个全双工串行通信口。（9）4组8位I/O口。22表5-1三种常用工业控制计算机的性能比较235.2计算机控制接口技术 I/O接口电路简称接口电路，它是主机和外围设备之间交换信息的连接部件（电路）。它在主机和外围设备之间的信息交换中起着桥梁和纽带作用。接口电路的主要作用如下：24

（1）解决主机CPU和外围设备之间的时序配合和通信联络问题。 （2）解决CPU和外围设备之间的数据格式转换和匹配问题。 （3）解决CPU的负载能力和外围设备端口的选择问题。25

一.信息采集接口 模拟量输入通道可完成模拟量的采集并将它转换成数字量送入计算机的任务。依据被控参量和控制要求的不同，模拟量输入通道的结构形式不完全相同。目前普遍采用的是共用运算放大器和A/D转换器的结构形式，其组成方框图如图5-32所示。26图5-32模拟量输入通道的组成方框图27 1.输入/输出通道 在微机控制系统中，为了实现对生产过程的控制，要将对象的各种测量参数，按要求的方式送入微机。微机经过运算、处理后，将结果以数字量的形式输出，此时也要把该输出变换为适合于对生产过程进行控制的量。所以在微机和生产过程之间，必须设置信息的传递和变换的连接通道。该连接通道被称为输入与输出通道，它包括模拟量输入通道、模拟量输出通道、数字量输入通道和数字量输出通道，其组成如图5-35所示。28图5-35输入与输出通道的组成29 2.模拟量输入通道 模拟量输入通道一般由信号处理装置、多路转换器、采样保持和A/D转换器等组成。 模拟量输入通道有以下两种基本结构形式。 （1）一个通道设置一个A/D转换器的形式。

(2）多个通道共用一个A/D转换器的形式。30 3.A/D转换器的主要技术参数

A/D转换器的种类很多，按转换二进制的位数来分类，包括：8位的ADC0801、0804、0808、0809；10位的AD7570、AD573、AD575、AD579；12位的AD574、AD578、AD7582；16位的AD7701、AD7705等。A/D转换器的主要技术参数如下：

1）.分辨率 分辨率通常用转换后数字量的位数表示,如8位、10位、12位、16位等。分辨率为8位表示它可以对满量程的1/28＝1/256的增量作出反应。分辨率是指能使转换后数字量变化为1的最小模拟输入量。31 2）量程 量程是指所能转换的电压范围,如5V、10V等。

3）.转换精度 转换精度是指转换后所得结果相对于实际值的准确度，有绝对精度和相对精度两种表示法。

4）.转换时间 转换时间是指从启动A/D到转换结束所需的时间。

5）.工作温度范围 较好的A/D转换器的工作温度为-40~85℃，较差的为0~70℃。32 4.8位A/D转换器ADC0809 1）.电路组成及转换原理

ADC0809是一种带有8位转换器、8位多路转换开关以及与微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。 ADC0809无需调零和进行满量程调整，又由于多路开关的地址输入能够进行锁存和译码，而且它的三态TTL输出也可以锁存，因此易于与微处理机进行接口。33图5-50ADC0808/0809的原理框图34 2）.ADC0808/0809的外引脚功能

ADC0808/0809的管脚排列如图5-51所示，其主要管脚的功能如下：

IN0～IN7——8个模拟量输入端。

START——启动A/D转换器，当START为高电平时，开始A/D转换。

EOC——转换结束信号。当A/D转换完毕之后，发出一个正脉冲，表示A/D转换结束。 此信号可作为A/D转换是否结束的检测信号或中断申请信号。

35 OE——输出允许信号。如果此信号被选中，则允许从A/D转换器的锁存器中读取数字量。

CLOCK——时钟信号。

ALE——地址锁存允许，高电平有效。当ALE为高电平时，允许C、B、A所示的通道被选中，并将该通道的模拟量接入A/D转换器。

ADDA、ADDB、ADDC——通道号地址选择端，C为最高位，A为最低位。当C、B、A为全零（000）时，选中IN0通道接入；为001时，选中IN1通道接入；为111时，选中IN7通道接入。

36 D7～D0——数字量输出端。

UREF（+）、ＵREF（-）——参考电压输入端，分别接+、-极性的参考电压，用来提供D/A转换器权电阻的标准电平。在模拟量为单极性输入时,UREF（+）＝5V，ＵREF（-）＝0V;当模拟量为双极性输入时，UREF（+）=+5V，ＵREF（-）=-5V。37图5-51ADC0808/0809管脚排列图38 5.12位A/D转换器AD574 AD574是一个完整的12位逐次逼近式带三态缓冲器的A/D转换器，它可以直接与8位或16位微型机总线进行接口。AD574的分辨率为12位，转换时间为15～35μs。39 1).AD574的电路组成

AD574的原理框图如图5-52所示。AD574由模拟芯片和数字芯片两部分组成。40图5-52AD574原理框图41 2)．AD574的引脚功能说明

AD574各个型号都采用28引脚双列直插式封装，引脚图如图5-53所示。42图5-53AD574引脚图43 AD574各主要管脚的功能如下：

DB0～DB11——12位数据输出，分三组，均带三态输出缓冲器。

ULOGIC——逻辑电源+5V（+4.5~+5.5V）。

UCC——正电源+15V（+13.5～+16.5V）。

UEE——负电源-15V（-13.5～-16.5V）。

AGND、DGND——模拟和数字地。44 CE——片允许信号，高电平有效。在简单应用中固定接高电平。 CS——片选择信号，低电平有效。

R/C——读/转换信号。

CE＝1，CS＝0，R/C＝0时，转换开始，启动负脉冲为400ns。CE＝1，CS＝0，R/C＝1时，允许读数据。45 CE＝1、CS＝0、R/C＝0、A0＝0时，启动12位转换CE＝1、CS＝0、R/C＝0、A0

＝1时，启动8位转换

CE＝1、CS＝0、R/C＝1、A0

＝0时，读取转换后的高8位数据CE＝1、CS＝0、R/C＝1、A0

＝1时，读取转换后的低4位数据（低4位+0000）; 12/8——输出数据形式选择信号。12/8端接PIN1（VLoGIc）时，数据按12位形式输出。12/8端接PIN15（DGND）时，数据按双8位形式输出。46 STS——转换状态信号。转换开始STS＝1,转换结束STS＝0。

10VIN——模拟信号输入。单极性0～10V，双极性±5V。

20VIN——模拟信号输入。单极性0～20V，双极性±10V。

REFIN——参考电压输入。

REFOUT——参考电压输出。

BIPOFF——双极性偏置。

AD574的真值表如表5-3所示。单极性输入电路和双极性输入电路分别如图5-54、图5-55所示。47表5-3AD574真值表48图5-54AD574单极性输入电路49图5-55AD574双极性输入电路50 6.A/D转换器与系统的连接及举例

1）.输入模拟电压的连接

A/D转换器的输入模拟电压可以是单端输入也可以是双端输入。ADC0808/0809可以从IN0～IN7接8路模拟电压输入，通常接成单端、单极性输入，这时UREF（+）＝5V、UREF（-）＝0V，也可以接成双极性输入，这时UREF（+）和UREF（-）应分别接+、-极性的参考电压。AD574是单端输入模拟电压，在10VIN和20VIN中任一端和AGND之间，可输入单极性电压或双极性电压，输入模拟电压的极性不同,其输入电路也不同。 51 2）.数据输出和系统总线的连接

A/D转换器的数据输出有两种方式。一种是A/D芯片内部带有三态输出门，其数据输出线可以直接挂到系统数据总线上去。另一种是A/D芯片内部不带三态输出门，或虽有三态输出门，但它不受外部信号控制，而是当转换结束时自动开门，如AD570就是这种芯片。52 3）.转换结束信号及转换数据的读取

A/D转换结束时，A/D转换芯片输出转换结束信号。转换结束信号也有两种：电平信号和脉冲信号。CPU检测到转换结束信号后,即可读取转换后的数据。CPU一般可以采用以下3种方式和A/D转换器进行联络来实现对转换数据的读取： （1）程序查询方式。 （2）中断方式。 （3）固定的延迟程序方式。53图5-56ADC0808/0809与8086CPU的连接原理图54图5-57AD574与8031的接口电路55

二模拟量输出接口

1.D/A转换器的工作原理

D/A转换器是把输入的数字量转换为与输入量成比例的模拟信号的器件。

D/A转换通道的结构形式（1）一个通道设置一个D/A转换器的形式。

(2）多个通道共用一个D/A转换器的形式。通过多路模拟开关选择通路。56 2.D／A转换器的主要参数 （1）分辨率。D/A转换器的分辨率表示当输入数字量变化了1时，输出模拟量变化的大小。它反映了计算机的数字量输出对执行部件控制的灵敏程度。对于一个N位的D/A转换器,其分辨率为 （5-7） 分辨率通常用数字量的位数来表示，如8位、10位、12位、16位等。分辨率为8位，表示它可以对满量程的1/28=1/256的增量作出反应。所以，N位二进制数最低位具有的权值就是它的分辨率。57

（2）稳定时间。稳定时间是指D/A转换器中代码有满刻度值的变化时，其输出达到稳定（一般指稳定到与±1/2最低位的值相当的模拟量范围内）所需的时间，一般为几十纳秒到几微秒。 （3）输出电平。不同型号的D/A转换器件的输出电平相差较大，一般为5～10V。也有一些高压输出型，输出电平为24～30V。还有一些电流输出型，低的为20mA，高的可达3A。 （4）输入编码。一般二进制编码比较通用，也有BCD等其他专用编码形式芯片。其他类型编码可在D/A转换前用CPU进行代码转换变成二进制编码。

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（5）温度范围。较好的D/A转换器的工作温度范围为-40～85℃，较差的为0～70℃。可按计算机控制系统使用环境查器件手册选择合适的器件类型。

3.8位D/A转换器DAC0832 DAC0832是双列直插式8位D/A转换器,能完成从数字量输入到模拟量（以电流形式）输出的转换。图5-41和图5-42分别为DAC0832的内部结构图和引脚图。其主要参数如下：分辨率为8位（满度量程的1/256），转换时间为1μs，基准电压为+10～-10V，供电电源为+5～+15V，功耗为20mW，与TTL电平兼容。59图5-41DAC0832内部结构图60图5-42DAC0832引脚图61

从图5-41中可见，在DAC0832中有两级锁存器；第一级锁存器称为输入寄存器，它的锁存信号为ILE；第二级锁存器称为DAC寄存器，它的锁存信号也称为通道控制信号XFER。因为有两级锁存器，所以DAC0832可以工作在双缓冲器方式下，即在输出模拟信号的同时，可以采集下一个数据。这样可以有效地提高转换速度。另外，有了两级锁存器以后，可以在多个D/A转换器同时工作时，利用第二级锁存器的锁存信号来实现多个转换器的同时输出。62 5-42中各引脚的功能定义如下： CS——片选信号，它和允许输入锁存信号ILE合起来决定WR1是否起作用。

ILE——允许锁存信号。 WR1——写信号1，它作为第一级锁存信号将输入数据锁存到输入寄存器中，WR1必须和CS、ILE同时有效。63 WR2——写信号2，它将锁存在输入寄存器中的数据送到8位DAC寄存器中进行锁存，此时，传送控制信号XFER必须有效。 XFER——传送控制信号，用来控制WR2。

DI7～DI0——8位数据输入端，DI7为最高位。

IOUT1——模拟电流输出端，当DAC寄存器中全为1时，输出电流最大；当DAC寄存器中全为0时，输出电流为0。

IOUT2——模拟电流输出端，IOUT2为一个常数与IOUT1的差，即IOUT1+IOUT2=常数。

64 Rfb——反馈电阻引出端，DAC0832内部已经有反馈电阻，所以，Rfb端可以直接接到外部运算放大器的输出端，这样，相当于将一个反馈电阻接在运算放大器的输入端和输出端之间。

UREF——参考电压输入端，此端可接一个正电压，也可接负电压，范围为+10～-10V。外部标准电压通过UREF与T形电阻网络相连。65 UCC——芯片供电电压，范围为+5~+15V，最佳工作状态是+15V。

AGND——模拟量地，即模拟电路接地端。

DGND——数字量地。

DAC0832有以下三种不同的工作方式： （1）直通方式。当ILE接高电平，CS、WR1、WR2和XFER都接数字地时，DAC处于直通方式，8位数字量一旦到达DI7～DI0输入端，就立即加到8位D/A转换器上被转换成模拟量。例如在构成波形发生器的场合，就要用到这种方式，即把要产生基本波形的存在ROM中的数据，连续取出送到DAC去转换成电压信号。66

（2）单缓冲方式。只要把两个寄存器中的任何一个接成直通方式，而用另一个锁存数据，DAC就可处于单缓冲工作方式。一般的做法是将WR2和XFER都接地，使DAC寄存器处于直通方式，另外把ILE接高电平，CS接端口地址译码信号，WR1

接CPU系统总线的IO/W，这样便可以通过一条OUT指令选中该端口，使CS和WR1有效，启动D/A转换。67

（3）双缓冲方式。主要在以下两种情况下需要用双缓冲方式的D/A转换： 其一，需在程序的控制下，先把转换的数据传入输入寄存器，然后在某个时刻再启动D/A转换。这样可以做到数据转换与数据输入同时进行，因此转换速度较高。为此，可将ILE接高电平，WR1和WR2均接CPU的IO/W，CS和XFER分别接两个不同的I/O地址译码信号。执行OUT指令时，WR1和WR2均变为低电平。这样，可先执行一条OUT指令，选中CS端口，把数据写入输入寄存器；再执行第二条OUT指令，选中XFER端口，把输入寄存器内容写入DAC寄存器，实现D/A转换。68

图5-43是DAC0832工作于双缓冲方式下，与有8位数据总线的微机相连的逻辑图。其中，CS的口地址为320H，XFER的口地址为321H。当CPU执行第一条OUT指令时，选中CS端口，选通输入寄存器，将累加器中的数据传入输入寄存器。再执行第二条OUT指令，选中XFER端口，把输入寄存器的内容写入DAC寄存器，并启动转换。执行第二条OUT指令时，累加器中的数据为多少是无关紧要的，主要目的是使XFER有效。69图5-43DAC0832与有8位数据总线的微机的连接图70

（1）单极性输出电路。单极性输出电路如图5-45所示。D/A芯片输出电流i经输出电路转换成单极性的电压输出。图5-45(a)为反相输出电路，其输出电压为 UOUT=-iR

（5-8） 图5-45(b)是同相输出电路，其输出电压为 （5-9）

（2）双极性输出。在某些微机控制系统中，要求D/A的输出电压是双极性的，例如要求输出-5～+5V电压。在这种情况下，D/A的输出电路要作相应的变化。图5-46就是DAC082双极性输出电路实例。71

图5-45单极性输出电路(a)反相输出；(b)同相输出72

由电路各参数计算可得最后的输出电压表达式为UOUT=-2U1-UREF设U1为0～-5V，选取UREF为+5V，则UOUT=(0~10)V-5V=-5~+5V。73图5-46双极性输出电路74

三.数字量输入通道 随输入数字信号的类型不同，数字量输入通道的结构也不同。 图5-37画出了几种微机系统中常用的电平转换、滤波、去抖动及光电隔离和继电器隔离电路。75图5-37开关量输入电路；

(a）电平转换及滤波器；(b）继电器隔离及电平转换电路；

(c）消除开关二次反跳触发器电路；(d）光电隔离及电平转换电路76图5-37开关量输入电路；

(a）电平转换及滤波器；(b）继电器隔离及电平转换电路；

(c）消除开关二次反跳触发器电路；(d）光电隔离及电平转换电路77

四.数字量输出通道 数字量输出通道输出的数字信号有三类：二进制编码数字、“1”或“0”的开关信号和脉冲信号。 具体电路可参阅图5-38。 图5-39画出了几种开关量输出的具体电路。

78

图5-39开关量输出电路(a）TTL电平输出（PC900为高速光电隔离电路）；79

图5-39开关量输出电路

(b）晶体管开关输出；80

图5-39开关量输出电路

(c）继电器输出81五.开关型功率接口

1.光电隔离技术图5-40所示为几种主要的光电耦合器示意图。需要注意，光电耦合器的输入.输出端两个电源必须单独供电，如图5-41所示。否则，如果使用同一电源（或共地的两个电源），外部干扰信号可能通过电源串到系统中来，如图5-42所示，这样就失去了隔离的意义。82图5-40几种光电耦合器示意图83图5-42不正确的隔离图5-41正确的隔离842.晶闸管接口晶闸管是一种大功率电器元件，也称可控硅。它具有体积小.效率高.寿命长等优点，在计算机自动控制系统中，可作为大功率驱动器件，实现用小功率控件控制大功率设备。该器件被广泛应用于各种电子设备和电子产品中，多用来作可控整流、逆变、变频、调压、无触点开关等。85要使晶闸管导通，一是在它的阳极A与阴极K之间外加正向电压，二是在它的控制极G与阴极K之间输入一个正向触发电压。使导通的晶闸管关断，可以断开阳极电源或使阳极电流小于维持导通的最小值（称为维持电流）。如果晶闸管阳极和阴极之间外加的是交流电压或脉动直流电压，那么，在电压过零时，晶闸管会自行关断（1）单向晶闸管接口单向晶闸管又称可控硅整流器，其最大特点是有截止和导通两个稳定状态（开关作用），同时又具有单向导电的整流作用。图5-43是控制计算机控制单向晶闸管实现220V交流开关的例子。86图5-42控制计算机与单向晶闸管接口电路87

（2）双向晶闸管驱动接口双向晶闸管在结构上可看成是两个单向并联构成的，这种结构使其在应用特性与单向晶闸管不同。第一，它在触发后是交流双向导通；第二，在门极中所加的触发信号不论是正还是负都可以使双向晶闸管导通。双向晶闸管一般用作过零开关，对交流回路进行功率控制。图5-43为双向晶闸管与控制计算机的接口电路。88图5-43双向晶闸管与控制计算机的接口电路（a）阻抗负载(b)电感负载89触发电压：设晶闸管门极触发流为50mA，触发电压为2V，R1取值为330R，则触发电压为：则对应最小控制角：90当负载为感性负载时，需控制dU/dt，防止误导通。MOC3021最大dU/dt为10V/us,极限情况下为0.8V/us，有：可得：91R1和R2之和与最小触发电压和晶闸管触发电流满足：设UT=40V，IGT=15mA，则：92图5-44双向晶闸管保护电路实际中，双向晶闸管也需要加RC回路，使RC和电源变压器的漏感组成滤波环节，降低VT的电压变化率。这是MOC3021的输出端的电压上升率也会下降。一般，R2=470R~1K，C1=0.05~0.15uF，VT两端的RC保护回路，C=0.1~0.5uF，电阻的作用是防止电容产生震荡以及减小VT导通时的电流上升率di/dt，电阻R=51R，R3的作用是防止漏电流误触发VT。93图5-45MOC3061双向晶闸管过零触发电路943.继电器输出接口继电器：接触器：电磁式继电器

常用的电磁式继电器有电流继电器、电压继电器、中间继电器和时间继电器。1、电流继电器：

反映电流变化的控制电器。电流继电器的线圈匝数少、导线粗、阻抗小，使用时线圈被控电路串联。根据用途可分为过电流继电器和欠电流继电器。工作过程：

欠电流继电器过电流继电器吸引电流:(30%--65%)IN释放电流:(10%--20%)IN吸合电流:(110%--400%)IN2、电压继电器：反映电压变化的控制电器。电压继电器的线圈匝数多、导线细、阻抗大，使用时线圈被控电路并联。根据用途可分为过电压继电器和欠电压继电器。

工作过程：

欠电压继电器过电压继电器释放电压:(40%--70%)UN吸合电压:(110%--115%)UN

。

3.中间继电器：它是控制电器，触头容量较小，可以看作是小容量接触器（1）组成：与接触器相同，无主、辅触点之分；触头数量较多，容量较小

(2）功能：

a.当电压或电流继电器触头容量不够时，可借助中间继电器来控制，此时它作为执行元件被当作一级放大器使用。

b.当其他继电器或接触器触头数量不够时,可利用中间继电器来切换多条电路。

c.对于电动机额定电流不超过5A的电气控制系统，可以由中间继电器代替接触器来实现控制。时间继电器

定义:从得到输入信号（线圈的通电或断电）开始，经过一定的延时后才输出信号（触点的闭合或断开）的继电器叫时间继电器（TimeDelayRelay）。按工作原理分:时间继电器一般有通电延时型和断电延时型，一般都具有瞬时触点和延时触点这两种触点。通电延时：接受输入信号(通电)后延时一定的时间，输出信号才发生变化;当输入信号消失(断电)后，输出瞬时复原。断电延时：接受输入信号(通电)时，瞬时产生相应的输出信号；当输入信号消失(断电)后，延迟一定的时间，输出才复原。按结构分:常用的有电磁阻尼式、空气阻尼式、电动式，新型的有电子式、数字式等时间继电器。通电延时时间继电器断电延时时间继电器延时触点

通电延时动作，断电迅速复位瞬时触点

通电迅速动作，断电迅速复位工作过程总结：延时触点通电迅速动作，断电延时复位瞬时触点通电迅速动作，断电迅速复位时间继电器JS7-A系列-3时间继电器JS20系列-3时间继电器JSM8系列-3时间继电器符号1.4.4热继电器1．.热继电器的作用和分类作用：在电力拖动控制系统中，当三相交流电动机出现长期带负荷欠电压运行、长期过载运行以及长期单相运行等不正常情况时，会导致电动机绕组严重过热乃至烧坏。为了充分发挥电动机的过载能力，保证电动机的正常启动和运转，而当电动机一旦出现长时间过载时又能自动切断电路，从而出现了能随过载程度而改变动作时间的电器，这就是热继电器。热继电器主要用于电机过载保护。分类：按极数来分，热继电器有单极、两极和三极按功能来分，三极热继电器又有不带断相保护和带断相保护两种2．热继电器工作原理：

热继电器（Thermalover-loadRelay）是利用电流的热效应原理来工作的保护电器，它在电路中用作三相异步电动机的过载保护。热继电器的测量元件通常用双金属片，它是由主动层和被动层组成。主动层材料采用较高膨胀系数的铁镍铬合金，被动层材料采用膨胀系数很小的铁镍合金。因此，这种双金属片在受热后将向膨胀系数较小的被动层一面弯曲。

双金属片有直接、间接和复式3种加热方式。直接加热就是把双金属片当作发热元件，让电流直接通过；间接加热是用与双金属片无电联系的加热元件产生的热量来加热；复式加热是直接加热与间接加热两种加热形式的结合。

3．热继电器的技术参数及常用产品

热继电器的主要技术参数有额定电压、额定电流、相数、热元件编号以及整定电流调节范围。热继电器的整定值：是指热继电器长久不动作的最大电流，超过此值即动作。热继电器的整定电流可以通过热继电器所带的专门的调节旋钮进行调整。(a)JRS系列(a)T系列(b)SR16系列(c)SR20系列接触器分类接触器按其主触头通过的电流种类，

分为：直流接触器、交流接触器。按主触头的极数又可分为：单极、双极、三极、四极和五极等几种。直流接触器一般为单极或双极；交流接触器大多为三极，四极多用于双回路控制，五极用于多速电动机控制或者自动式自耦减压起动器中。

(d)CJX系列接触器内部结构接触器工作原理总结：接触器的动作过程：接触器的复位过程：接触器的主要技术数据额定电压

主触点上的额定电压

额定电流

主触点的额定电流

线圈的额定电压

通常用的电压等级为：交流36、110（127）、220、380V，直流24、48、220、440V规定：当电源电压为吸引线圈的额定电压额定值的85%~105%时，能保证接触器可靠地吸合；当电源电压低于额定值的40%时，能保证接触器可靠释放。

额定操作频率

额定操作频率指每小时接通次数。现代生产的接触器，允许接通次数为150-1500次/h。

电寿命和机械寿命

电寿命是指接触器的主触点在额定负载条件下，所允许的极限操作次数。现代生产的接触器其电寿命可达50-100万次，机械寿命是指接触器在不需修理的条件下，所能承受的无负载操作次数。机械寿命可达500-1000万次。（106-7数量级）

接触器的电气符号图2.4接触器符号1203.继电器输出接口由于继电器是通过改变金属触点的位置，使动触点与定触点闭合或分开，所以具有接触电阻小，流过电流大及耐高压等优点，但在动作可靠性上不及晶闸管。不同的继电器，其线圈驱动电流的大小，以及带动负载的能力不同，选用时应该考虑下列因素：

1）继电器额定工作电压（或电流）

2）接点负荷

3）接点的数量或种类（常闭或常开）

4）继电器的体积，封装形式，工作环境，接点吸合或释放时间等。121图5-46继电器接口电路1224.固态继电器接口固态继电器简称SSR。它是用晶体管或晶闸管代替常规继电器的触点开关，而在前级中与光电隔离器融为一体。因此，固态继电器实际上是一种带光电隔离器的无触点开关，根据结构形式，固态继电器可分为直流型固态继电器和交流型固态继电器。由于固态继电器输入控制电流小，输出无触点，所以与电磁式继电器相比，具有体积小，重量轻，无机械噪声，无抖动和回跳，开关速度快，工作可靠等优点。在微型计算机控制系统中得到广泛的应用，大有取代电磁继电器之势。以下是几种典型的固态继电器原理电路图。1234.固态继电器接口

分类：直流型SSR

交流型SSR（过零型、移相型）

124图5-47直流型SSR原理图结构：

输入：光耦隔离器，可用OC门或晶体管直接驱动；

输出：经整形放大后带动大功率晶体管输出，输出电压

可达30~180VDC用途：带直流负载的场合，如直流电动机控制、步进电机

控制和电磁阀等。

125图5-48步进电动机控制原理图126图5-49交流过零型SSR原理图127ttttttOUACOOOOO输入信号过零型负载电流过零型输出电压移相型负载电流移相型输出电压图5-52交流SSR输出波形图128图5-51用交流型SSR控制交流电动机原理图129固态继电器使用注意事项：1、存在通态压降和断态漏电流；对于SSR，通态压降一般小于2V，漏电流为5~10mA，在负载侧并联分流电阻来抑制漏电流的影响。2、SSR电压过载能力差，当为感性负载时，需要接压敏电阻，标称电压为电源额定电压的1.6~1.9倍。3、SSR负载能力随着温度的升高而下降，使用温度范围不宽（-40~85度），选用时需留有余量，同时加装散热器。4、对于白炽灯、电炉等冷阻特性的负载，在电源接通瞬间会产生超过额定电流的浪涌电流，这时在选用SSR时，应有足够的余量，一般选负载正常工作时的电流为SSR额定电流的三分之二。

1305.大功率场效应管开关接口在开关量输出控制中，除了前面介绍的固态继电器以外，还可以用大功率场效应管开关量输出控制元件。场效应晶体管（FieldEffectTransistor缩写（FET））简称场效应管。它属于电压控制型半导体器件，具有输入电阻高（10^8～10^9Ω）、噪声小、功耗低、动态范围大、易于集成、没有二次击穿现象、安全工作区域宽等优点。所以在计算机开关量输出控制中也常作为开关元件使用。栅极简称为G,源极简称为S,漏极简称为D。131图5-52大功率场效应管表示符号132图5-53采用大功率场效应管的步进电动机控制电路原理图概述

PLC在早期是一种开关逻辑控制装置，被称为可编程序逻辑控制器(ProgrammableLogicController)，简称PLC。

随着计算机技术和通信技术的发展，PLC采用微处理器作为其控制核心，它的功能已不再局限于逻辑控制的范畴。因此，1980年美国电气制造协会(NEMA)将其命名为ProgrammableController(PC)，但为避免与个人计算机(PersonalComputer)的简称PC混淆，习惯上仍将其称为PLC。5.3可编程控制器PLC的定义

国际电工委员会（IEC）于1982年11月1985年1月对可编程序控制器作了如下的定义：“可编程序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、计数和算术运算等操作的命令，并通过数字式模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充功能的原则而设计”。PLC的定义

PLC是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境下应用而设计的工业控制装置。5.3可编程控制器PLC的基本组成PLC主要由CPU模块、输入/输出模块、电源模块和外部设备组成整体式组合式

PLC的基本分类小型机常采用整体式中、大型机常采用组合式1.2认知PLC的硬件组成输出设备输入设备

I/O扩展单元

特殊功能单元主机输出单元输入单元

电源外设接口I/O扩展口存储器

系统程序

存储器

CPU

用户程序

存储器盒式磁带机打印机EPROM写入器

上位计算机

PLC编程器可编程终端PT…

整体式PLC的基本组成框图1395.3可编程控制器PLC的组成及工作原理

1．硬件组成

(1)CPU模块

(2)存储器

(3)I/O接口模块

1)智能I／O接口模块

2)外设通讯接口模块

3)开关量I／O接口★输入并存储用户程序、显示输入内容和地址；

CPU指挥PLC完成各种预定的功能★检查、校验用户程序，发现错误即报警；★执行用户程序、驱动外部输出设备动作；★诊断故障、记忆故障信息并报警。CPU单元PLC中所采用的CPU通常有三种：（1）通用处理器：8086、80286、80386（2）单片机芯片：8031、8096（3）位片式微处理器：AMD-2900小型PLC多采用8位微处理器或单片机作为CPU中型PLC多采用16位微处理器或单片机作为CPU大型PLC多采用高速位片式微处理器系统程序存储器——存储系统系统程序用户程序存储器——存储系统用户程序工作数据存储器——存储工作数据

2.存储器143PLC的组成

1．硬件组成

(2)存储器模块

系统存储器+用户程序存储器；系统存储器：存放监控程序、命令解释程序、故障诊断程序、功能子程序及调用管理程序；PLC生产厂商提供，固化在PLC内部的ROM或EPROM中，不能直接读取；用户程序存储器：存放通过编程器输入的用户程序。，一部分空间用于数据寄存器存放过程数据，如输入输出信息、中间运算结果、运行参数等。主要类型：静态RAM（SRAM）、EEPROM两种。可配置PLC外部存储器。RAM：存储各种暂存数据、中间结果、用户正调试的程序。ROM：存放监控程序和用户已调试好的程序。

存储器145(3)I/O接口模块将工业现场装置与CPU模块连接起来；包括开关量I/O接口、模拟量I/O接口、智能I/O接口以及通讯接口。开关量I/O接口：按强电要求设计的即输入输出接口可直接与强电控制信号相连，采用了光电耦合隔离电路。智能I/O接口：可实现某些复杂的控制算法，如位置闭环控制控制I/O模块、高速计数模块以及PID运算控制模块等。通讯接口：主要用于人机对话、编程器与PLC对话，以及PLC与监视器、打印机及其他计算机相连的接口。

输入、输出接口：采用光电隔离，实现了PLC的内部电路与外部电路的电气隔离，减小了电磁干扰。输出接口作用：将主机向外输出的信号转换成可以驱动外部执行电路的信号，以便控制接触器线圈等电器通断电；另外输出电路也使计算机与外部强电隔离。输出三种形式：继电器--低速大功率

可控硅--高速大功率

晶体管--高速小功率输入接口作用：将按钮、行程开关或传感器等产生的信号，转换成数字信号送入主机。（1）输入接口电路：采用光电耦合器，防止强电干扰。COM光电三极管发光二极管直流电源输入端子+–PLCIn+24V–发光二极管

直流输入电路M+5VLEDSR3R1AR2C→→T

内部电路滤波→→→→光电耦合

外部开关输入点的状态显示

输入点公共端

交流输入电路LED+5VA→→R2～MSCR1

内部电路R3滤波→→→→光电耦合

输入点的状态显示

外部开关输入点继电器输出（2）输出接口电路：以继电器形式为例：PLC内部电路内部电路K+交流电源或直流电源QL+-

晶体管输出电路T2LED→→DFU+5V内部电路T1R1R2R3负载→→光电耦合

输出点的状态显示

公共端输出点

晶闸管输出电路LEDR2C→→TFU～内部电路R1负载→→光电耦合

输出点的状态显示

公共端输出点

继电器输出电路LEDK～R内部电路→→负载输出点的状态显示

继电器

机械触点

公共端输出点

PLC由开关式稳压电源为内部电路供电抗干扰性能好

有的PLC能向外部提供24V的直流电源

可作为输入单元连接的外部设备的电源

开关电源输入电压范围宽体积小重量轻效率高1.2.3

电源单元PLC的供电

各种接口、高功能模块：便于扩展

小型机：一体机。有接口可扩展。

PowerinaSmallPackage!!电源模块CPU模块IO模块底板中、大型机：模块式。可根据需要在主板上随意组合。PLC的外部设备主要有：编程设备触摸屏操作面板文本显示器打印机等

1.2.4外部设备159PLC的组成及工作原理2．编程器编程器是供用户开发、调试和监视PLC工作的必备工具。它与PLC上的专用接口相连，主要完成：向PLC输入用户控制程序；在线监视PLC的运行；控制PLC运行、暂停和复位；将PLCRAM中的用户程序固化写入E2PROM或转存到磁盘或存储盒上等功能。

PLC编程器有便携式和CRT智能式两种。

编程设备PCFPPROGRAMMER(HELP)CLRWRTFN/PFLSTKIX/IYNOTDT/LdREADOTLWLORRWRANYWYSTXWXSRC(-)OP(BIN)K/HSCCTCEVTMTSVACLRENTBAFEDC

98

3

2

1

0

7

6

5

4(DELT)CLR

编程器是对PLC进行操作的工具

专用编程器

在装有专用编程软件的计算机上编程

简易编程器

直插式、便携式

计算机辅助编程

图形编程器PLC的软件系统系统程序

系统程序是由PLC的制造者采用汇编语言编写的，固化于ROM型系统程序存储器中，用于控制PLC本身的运行，用户不能更改。

系统程序分为：1.系统管理程序2.用户指令解释程序3.标准程序模块和系统调用程序

PLC的软件系统1.3.2用户程序

用户程序又称为应用程序，是用户为完成某一控制任务而利用PLC的编程语言编制的程序。用户程序是线性地存储在系统程序制定的存储区内。1．用户环境用户环境是由系统程序生成的，它包括用户数据结构、用户元件区、用户程序存储区、用户参数、文件存储区等。2．用户程序结构用户程序结构大致可以分为三种：（1）线性程序（2）分块程序（3）结构化程序3．用户程序语言PLC的编程语言有多种，其中梯形图、语句表、功能块图是三种基本语言。

1.4PLC的工作过程PLC的循环扫描工作过程

接线程序控制与存储程序控制

接线程序控制与存储程序控制

继电接触器控制系统，又称为接线程序控制系统，是通过电器元器件的固定接线来实现控制逻辑，完成控制任务的。接线程序控制与存储程序控制

在PLC控制系统中，用户根据控制要求编制出相应的控制程序，并写入PLC的程序存储器中。系统运行时，PLC将程序执行结果输出给相应的输出设备，控制被控对象工作。这种控制称为存储程序控制。1.4.2

PLC的循环扫描工作过程

扫描工作分为5个阶段

公共处理阶段

程序执行阶段

扫描周期计算阶段

I/O刷新阶段

外设端口处理阶段

PLC的循环扫描工作过程

扫描工作一般分为：读输入、执行程序、处理通信请求、自诊断检查和写输出等过程，CPU反复不停地分阶段处理上述各种不同的任务，这种周而复始的循环工作方式称为循环扫描。

执行用户程序只是扫描周期的一个组成部分，用户程序不运行时，PLC也在扫描，只不过在一个周期中去除了执行用户程序和读输入、写输出的内容。

PLC最主要的工作方式是循环扫描（周期扫描）

PLC在运行工作状态，执行如上所述的一次扫描操作所需的时间称为扫描周期，其典型值为1～100ms。扫描周期与用户程序的长短、指令的种类和CPU的运算速度有很大的关系。用户程序较长时，指令执行的时间在扫描周期中占相当大的比例。169PLC的组成及工作原理3．PLC的工作过程

(1)PLC扫描工作各环节的功能①PLC上电后，首先检查硬件是否正常。②按自上而下的顺序，逐条读用户程序并执行。对输入的数据进行处理，将结果存入元件映象寄存器。③计算扫描周期。若正常，则进行下一步；若不正常，则报警并作处理。母线④I/O刷新阶段。⑤外设端口服务。读输入点的状态并写入输入映像寄存器。将元件映像寄存器的状态经输出锁存器、输出电路送到输出点。访问外设端口连接的外部设备。一、内部继电器区（IR)IR区分为三部分:

输入继电器区:IR000~IR015

输出继电器区:IR100~IR115

内部辅助继电器区:IR016~IR099IR116~IR229

PLC内部资源◆输入继电器是PLC用来接收用户输入设备发来的输入信号◆

输入继电器线圈由外部输入信号所驱动，只有当外部信号接通时，对应的输入继电器才得电，不能用指令来驱动。※在程序中绝对不可能出现输入继电器的线圈，只能出现输入继电器的触点※每个输入继电器的常开与常闭触点均可无数次使用

输入继电器区:IR000~IR015(000~015)◆输出继电器是用来将PLC内部信号输出传送给外部负载◆输出继电器线圈是由PLC内部程序驱动，其线圈状态传送给输出单元，再由输出单元对应的硬触点来驱动外部负载

※每个输出继电器在输出单元中都对应有一个常开硬触点，但在程序中供编程的输出继电器，不管是常开还是常闭触点，都可以无数次使用。

输出继电器区:IR100~IR115(100~115)

◆辅助继电器是PLC中数量最多的一种继电器，其作用相当于继电器控制系统中的中间继电器。

◆和输出继电器一样，其线圈由程序指令驱动，每个辅助继电器都有无限多对常开常闭触点，供编程使用。但是，其触点不能直接驱动外部负载，要通过输出继电器才能实现对外部负载的驱动。

内部辅助继电器区:IR016~IR099(016~099)IR116~IR229(116~229)一、LD和LDNOT指令NNN:继电器编号IRSRHRARLRTRTC功能：LD指令表示常开触点与左侧母线连接；

LDNOT指令表示常闭触点与左侧母线连接。二、OUT和OUTNOT指令N:继电器编号IRSRHRARLRTRNN功能：OUT指令输出运算结果

OUTNOT指令将运算结果取反后输出PLC基本指令应用：0000000001100001000110002LD00000OUT10000OUTNOT10001LDNOT00001OUT10002三、AND和ANDNOT指令NNN:继电器编号IRSRHRARLRTC功能：AND指令表示常开触点与前面的触点电路相串联ANDNOT指令表示常闭触点与前面的触点电路相串联注意：串联的数量不受限制AND和ANDNOT指令应用000000000110000000021000010001LD00000AND00001OUT10000LD00002ANDNOT10000OUT100010000000001000210000100010000000001000021000010001比较(a)与(b)的区别?(a)(b)四、OR和ORNOT指令N:继电器编号IRSRHRARLRTC功能：OR指令表示常开触点与前面的触点电路相并联

ORNOT指令表示常闭触点与前面的触点电路相并联NN应用：000000000100002100001000100003LD00000OR00001OUT10000LD00002ORNOT00003OUT10001功能：ANDLD指令用于逻辑块串联连接，即对逻辑块进行逻辑与操作当串联的是两个或两个以上的并联触点应用：五、ANDLD指令0000000002000011000000003000040000500006LD00000AND00001ORNOT00002LD00003OR00004ANDLDLD00005ORNOT00006ANDLDOUT10000LD00000AND00001ORNOT00002LD00003OR00004LD00005ORNOT00006ANDLDANDLDOUT10000注：方法2ANDLD指令之前的逻辑块数应小于等于8方法1对此没有限制方法1方法20000000002000011000000003000040000500006ORLD指令用于逻辑块并联连接，即对逻辑块进行逻辑或操作并联的是两个或两个以上串联触点应用：六、ORLD指令LD00000ANDNOT00001LDNOT00002AND00003ORLDLD00004AND00005ORLDOUT10000方法210000000000000200001000040000300005LD00000ANDNOT00001LDNOT00002AND00003LD00004AND00005ORLDORLDOUT10000方法100000000010000210000000032000200004000050000700006200000000820001LD00000OR00001ANDNOT00002LD00005ANDNOT00006ORLDLD00007AND00008ORLDLD00003AND00004OR20002ANDLDLDNOT20000ANDNOT20001ORLDOUT10000输出端子输入端子用户程序输出部分主电路KMFUFR

M3~Q~KMPLC~SB1SB2KMSTI0.0I0.1I0.2Q0.01LL+(3)PLC控制的原理

等效电路图SB1SB2ST公共端公共端输入部分读读读写写

执行用户程序

I/O刷新I/O刷新

I/O刷新I/O刷新

(2)PLC执行用户程序的过程~KM线圈通电SB1闭合I0.0

闭合接点闭合KMFUFR

M3~QKM通电KM通电触点闭合电动机转触点闭合SB2STSB1KMPLC~SB2STI0.0