机电一体化技术与应用 课件 -第6章 机电一体化计算机系统

机电一体化技术与应用第1章

机电一体化概述第2章

机电一体化系统数学建模第3章

机电一体化系统自动控制技术第4章

机电一体化系统检测技术第5章

机电一体化驱动系统第6章

机电一体化系统计算机控制技术第7章

机电一体化系统通信技术第8章

机电一体化系统抗干扰技术第9章

机电一体化系统工程实例目

录第6章机电一体化系统计算机控制技术6.1计算机控制系统概述6.2计算机控制系统的设计6.3工业控制计算机（IPC）6.4单片机6.5可编程逻辑控制器（PLC）2024/10/9-3-6.1计算机控制系统概述2024/10/9-4-1.计算机控制技术的发展（1）机械计算机第一台能做十进制加减法运算的钟表齿轮式机械计算机（1642年法国数学家帕斯卡）；第一台能进行十进制四则运算的机械计算机（1674年德国数学家拉布尼茨）；第一台分析机（十九世纪三十年代英国数学家巴贝奇）；第一台卡片程序控制计算机（1890年美国统计学家霍列瑞斯，后创建IBM公司）；6.1计算机控制系统概述2024/10/9-5-1.计算机控制技术的发展（2）电子计算机第一代，电子管计算机：1946年，第一台电子管计算机ENIAC，标志着电子计算机诞生。第二代，晶体管计算机：1958年，第一台晶体管计算机IBM7090，计算机开始逐渐应用于商业领域、大学和政府部门。第三代，集成电路计算机：1964年到1972年的计算机，大量使用集成电路，典型的机型是IBM360系列。第四代，大规模集成电路计算机：1972年以后，基于大规模集成电路，第一台广泛使用的个人计算机IBM5150。6.1计算机控制系统概述2024/10/9-6-1.计算机控制技术的发展（3）发展趋势更高速度、更大空间，适应尖端科学技术的需要；向体积更小、功耗更低、性能更强的微型化方向，应用于仪器、仪表和家用电器等设备中的专用微型机和个人计算机。举例：中国成功构建量子计算原型机“九章”。6.1计算机控制系统概述2024/10/9-7-2.计算机控制系统的组成（1）计算机控制系统是由硬件和软件两大部分组成。（2）硬件：是由计算机主机、接口电路、输入/输出通道及外部设备等组成。①计算机：整个控制系统的核心。②接口与输入/输出通道：是计算机与被控对象进行信息交换的桥梁。③外部设备：最基本的是操作台，它是人机对话的联系纽带。还有串行通信口、打印机、CRT显示终端等其他外部设备。各种传感器把各种被测参数转换为电量信息送到计算机中。各种执行机构按计算机的输出命令去控制对象。6.1计算机控制系统概述2024/10/9-8-2.计算机控制系统的组成（3）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。可分为两大类：实时软件和开发软件。①实时软件可分为系统软件和应用软件两大类。②开发软件包括各种语言处理程序、服务程序、调试和仿真程序等。6.1计算机控制系统概述2024/10/9-9-3.计算机控制系统的种类（1）计算机控制系统应用领域举例工业自动化控制系统6.1计算机控制系统概述2024/10/9-10-3.计算机控制系统的种类（1）计算机控制系统应用领域举例智能家居系统6.1计算机控制系统概述2024/10/9-11-3.计算机控制系统的种类（1）计算机控制系统应用领域举例航空航天控制系统。6.1计算机控制系统概述2024/10/9-12-3.计算机控制系统的种类（2）计算机控制系统分类①操作指导控制系统：计算机的输出不直接用来控制生产对象，而只是对系统过程参数进行收集、加工处理，然后输出数据。操作人员根据这些数据进行必要的操作。6.1计算机控制系统概述2024/10/9-13-3.计算机控制系统的种类（2）计算机控制系统分类②直接数字控制：用一台计算机对被控参数进行检测，再根据设定值和控制算法进行运算，然后输出到执行机构对生产过程进行控制，使被控参数稳定在给定值上。6.1计算机控制系统概述2024/10/9-14-3.计算机控制系统的种类（2）计算机控制系统分类③计算机监督控制系统：由SCC计算机测量被控参数，按照描述生产过程的数学模型，计算出最佳给定值送给模拟调节器或者DDC计算机，最后由模拟调节器或DDC计算机控制生产过程，从而使生产过程处于最优工作状态。6.1计算机控制系统概述2024/10/9-15-3.计算机控制系统的种类（2）计算机控制系统分类③计算机监督控制系统：由SCC计算机测量被控参数，按照描述生产过程的数学模型，计算出最佳给定值送给模拟调节器或者DDC计算机，最后由模拟调节器或DDC计算机控制生产过程，从而使生产过程处于最优工作状态。6.1计算机控制系统概述2024/10/9-16-3.计算机控制系统的种类（2）计算机控制系统分类④分级计算机控制系统：多台微型计算机分别承担部分任务，将控制功能分散，用多台单片微机分别执行不同的控制功能，用PC机等微型计算机完成上级控制和管理功能。6.1计算机控制系统概述2024/10/9-17-一种四级的分布式系统第6章机电一体化系统计算机控制技术6.1计算机控制系统概述6.2计算机控制系统的设计6.3工业控制计算机（IPC）6.4单片机6.5可编程逻辑控制器（PLC）2024/10/9-18-6.2计算机控制系统的设计2024/10/9-19-1.计算机控制系统设计原则（1）可靠性高①系统应用环境②采用模块结构③采用集散控制系统④提供多种操作方式6.2计算机控制系统的设计2024/10/9-20-1.计算机控制系统设计原则（2）满足工艺要求满足生产过程所提出的各种要求和性能指标。设计的控制系统所达到的性能指标不应低于生产工艺要求。（3）操作维护方便操作方便：表现在操作简单、直观形象和便于掌握，既要体现操作的先进性，又要兼顾原有的操作习惯。维护方便：体现在易于查找和排除故障。6.2计算机控制系统的设计2024/10/9-21-1.计算机控制系统设计原则（4）实时性强表现在对内部和外部事件能及时响应，并做出相应的处理，不丢失信息，不延误操作。（5）通用性好①硬件模板设计采用标准总线结构，在扩充功能时，只需增加功能模板；②软件模块或控制算法采用标准模块结构，用户使用时不需要二次开发，只需按要求选择各种功能模块。（6）经济效益①系统设计的性价比要尽可能高；②投入产出比要尽可能低。6.2计算机控制系统的设计2024/10/9-22-2.计算机控制系统设计思路（1）确定系统的性质和结构确定系统的性质是数据采集处理系统，还是对象控制系统。采用“黑箱”设计法形成系统的总体框图。6.2计算机控制系统的设计2024/10/9-23-2.计算机控制系统设计思路（2）确定系统的构成方式①以模拟量为主的中小规模的过程控制环境下，优先选择总线型IPC来构成系统；②以数字量为主的中小规模的运动控制环境下，优先选择PLC来构成系统；③当系统规模较小、控制回路较少时，采用单片机系列；④对于系统规模较大、自动化水平要求高、集控制与管理于一体的系统，选用DCS、FCS等。6.2计算机控制系统的设计2024/10/9-24-2.计算机控制系统设计思路（3）现场设备选择：主要包含传感器、变送器和执行机构的选择。（4）确定控制算法：在硬件系统确定后，计算机控制系统的控制效果的优劣，主要取决于采用的控制策略和控制算法是否合适。6.2计算机控制系统的设计2024/10/9-25-2.计算机控制系统设计思路（5）硬件、软件功能的划分①采用硬件实现时速度比较快，可以节省CPU的大量时间，但系统比较复杂、灵活性差，价格也比较高；②采用软件实现比较灵活、价格便宜，但要占用CPU较多的时间。一般在CPU时间允许的情况下，尽量采用软件实现，如果系统控制回路较多、CPU任务较重，或某些软件设计比较困难，则可考虑用硬件完成。（6）其他方面的考虑人-机交互方式的问题，系统的机柜或机箱的结构设计、可靠性、电源、抗干扰等方面的问题。第6章机电一体化系统计算机控制技术6.1计算机控制系统概述6.2计算机控制系统的设计6.3工业控制计算机（IPC）6.4单片机6.5可编程逻辑控制器（PLC）2024/10/9-26-6.3工业控制计算机（IPC）2024/10/9-27-1.IPC基本知识（1）IPC定义IPC是一种采用总线结构，对生产过程及机电设备、工艺装备进行检测与控制的工具总称。工业控制计算机（IndustrialPersonalComputer，IPC）简称工控机，也称为产业电脑或工业电脑。6.3工业控制计算机（IPC）2024/10/9-28-1.IPC基本知识（2）IPC的组成IPC的主要结构通常包括：全钢机箱、无源底板、工业电源、CPU卡和其他配件。①全钢机箱：按标准设计的，抗冲击、抗振动、抗电磁干扰，内部可安装同PC-bus兼容的无源底板。②无源底板：无源底板可插接各种板卡，包括CPU卡、显示卡、控制卡、I/O卡等。③工业电源：主要采用的是ATX电源。6.3工业控制计算机（IPC）2024/10/9-29-1.IPC基本知识（2）IPC的组成IPC的主要结构通常包括：全钢机箱、无源底板、工业电源、CPU卡和其他配件。④CPU卡：现在工控机采用较多的处理器为英特尔酷睿（Core）系列，如i3、i5和i7。⑤其他配件：主要有CPU、内存、显卡、硬盘、软驱、键盘、鼠标、光驱、显示器等。⑥编程软件：常用的工控机编程软件有C/C++、Python、LabVIEW、MATLAB/Simulink。6.3工业控制计算机（IPC）2024/10/9-30-1.IPC基本知识（3）IPC的特点可靠性：具有在粉尘、烟雾、高/低温、潮湿、震动、腐蚀和快速诊断和可维护性，其MTTR一般为5min，MTTF10万小时以上，而普通PC的MTTF仅为10000～15000小时。实时性：对工业生产过程进行实时在线检测与控制，对工作状况的变化给予快速响应，及时进行采集和输出调节（看门狗功能这是普通PC所不具有的），遇险自复位，保证系统的正常运行。扩充性：由于采用底板+CPU卡结构，因而具有很强的输入输出功能，最多可扩充20个板卡，能与工业现场的各种外设、板卡如控制器、视频监控系统、车辆检测仪等相连，以完成各种任务。兼容性：能同时利用ISA与PCI及PICMG资源，并支持各种操作系统，多种语言汇编，多任务操作系统。6.3工业控制计算机（IPC）2024/10/9-31-1.IPC基本知识IPC与普通计算机相比具有以下优点：①机箱采用钢结构，有较高的防磁、防尘、防冲击的能力；②机箱内有专用底板，底板上有PCI和ISA插槽；③机箱内有专门电源，电源有较强的抗干扰能力；④具有连续长时间工作能力；⑤一般采用便于安装的标准机箱。相比劣势：①配置硬盘容量小；②数据安全性低；③存储选择性小；④价格较高。6.3工业控制计算机（IPC）2024/10/9-32-2.IPC系统开发流程（1）工程项目与控制任务确定阶段明确系统技术性能指标要求，还要包含经费、计划进度和合作方式等内容。（2）工程项目设计阶段主要包括组建项目研制小组、系统总体方案的设计、方案论证与评审、硬件和软件的细化设计、硬件和软件的调试、系统的组装等。（3）离线仿真和调试阶段离线仿真和调试是指在实验室而不是在工业现场进行的仿真和调试。拷机的目的要在连续不停机的运行中暴露问题和解决问题。（4）在线调试和运行阶段在线调试和运行就是将系统和生产过程连接在一起，进行现场调试和运行。6.3工业控制计算机（IPC）2024/10/9-33-举例：智能大棚第6章机电一体化系统计算机控制技术6.1计算机控制系统概述6.2计算机控制系统的设计6.3工业控制计算机（IPC）6.4单片机6.5可编程逻辑控制器（PLC）2024/10/9-34-6.4单片机2024/10/9-35-1.单片机定义单片机的全称是单片微型计算机（SingleChipMicrocomputer），也称为微控制器（Micro-ControllerUnit，MCU），它是由中央处理单元CPU、数据存储器RAM、程序存储器ROM和输入/输出接口集成在一块芯片上，构成的完整计算机系统。6.4单片机2024/10/9-36-2.单片机特点（1）体积小、功能全将计算机的基本组成部件集成于一块硅片之上，与由微处理器芯片加上其他必需的外围器件构成的微型计算机相比，单片机的体积更为小巧，使用时更加灵活方便。（2）面向控制单片机内部具有许多适用于控制目的的功能部件，其指令系统中亦包含了丰富的适宜于完成控制任务的指令，因此它是一种面向控制的通用机。（3）特别适宜于机电一体化智能产品因单片机体积小巧且控制功能强，能容易地做到在产品内部代替传统的机械、电子元器件，可减小产品体积，增强其功能，实现不同程度的智能化。（4）种类多目前市场上常用的单片机有：PIC单片机、AVR单片机、ARM单片机、ESP系列单片机、STM8单片机。6.4单片机2024/10/9-37-3.单片机的发展趋势（1）低功耗CMOS化（2）单片化（3）微型化（4）大容量、高性能（5）串行扩展技术6.4单片机2024/10/9-38-4.STM单片机硬件（1）STM32单片机系统构架包含ARM公司提供的内核：cortex-M3、ARM公司提供的总线：Icode，Dcode，System总线，ST公司提供的总线矩阵，DMA控制器，AHB总线，APB总线，以及各个外设控制器。6.4单片机2024/10/9-39-单片机系统构架图6.4单片机2024/10/9-40-STM32单片机引脚示意图6.4单片机2024/10/9-41-4.STM单片机硬件（2）各引脚定义VBAT：备用电池供电引脚，其可接一个3V的电池。2号引脚：IO口或者侵入检测或RTC。3、4号引脚：IO口或者接32.768KHz的RTC晶振。5、6号引脚：接系统主晶振，一般是8MHz。7号NRST：系统复位引脚，N表示它是低电平复位。8、9号引脚：内部模拟部分的电源，如ADC、RC振荡器等。10~19号引脚：IO口，PA0兼具Wake-up功能。6.4单片机2024/10/9-42-4.STM单片机硬件（2）各引脚定义20号引脚：IO口或者BOOT1引脚，BOOT引脚用来配置启动模式。23、24号引脚：VSS_1（负极）和VDD_1（正极）是系统的主电源口。25~33号引脚：IO口。34号加37~40号引脚：IO口或者调试端口。41-43及45~46引脚：IO口。44号引脚：BOOT0做启动配置。第6章机电一体化系统计算机控制技术6.1计算机控制系统概述6.2计算机控制系统的设计6.3工业控制计算机（IPC）6.4单片机6.5可编程逻辑控制器（PLC）2024/10/9-43-6.5可编程逻辑控制器（PLC）2024/10/9-44-1.PLC基本知识（1）PLC定义可编程逻辑控制器，简称为PLC（ProgrammableLogicController），是给机电系统提供控制和操作的一种通用工业控制计算机。采用可编程序存储器作为内部指令记忆装置，具有逻辑、排序、定时、计数及算术运算等功能，并通过数字或模拟输入/输出模块控制各种形式的机器及过程。三电：电控、电仪、电传的简称。对应实现工业自动化的三种情况：开关量的逻辑控制用电气控制装置，慢速连续量的过程控制用电动仪表装置，快速连续量的运动控制用电气传动装置。6.5可编程逻辑控制器（PLC）2024/10/9-45-1.PLC基本知识（2）PLC工作原理PLC是采用“顺序扫描，不断循环”的方式进行工作的。PLC的一个扫描周期必经输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。①输入采样阶段：首先以扫描方式按顺序将所有暂存在输入锁存器中的输入端子的通断状态或输入数据读入，并将其写入各对应的输入状态寄存器中，即刷新输入，随即关闭输入端口，进入程序执行阶段。②程序执行阶段：按用户程序指令存放的先后顺序扫描执行每条指令，经相应的运算和处理后，其结果再写入输出状态寄存器中，输出状态寄存器中所有的内容随着程序的执行而改变。③输出刷新阶段：当所有指令执行完毕，输出状态寄存器的通断状态在输出刷新阶段送至输出锁存器中，并通过一定的方式（继电器、晶体管或晶间管）输出，驱动相应输出设备工作。6.5可编程逻辑控制器（PLC）2024/10/9-46-1.PLC基本知识PLC与通用微处理器的基本区别：扫描工作机制是PLC与通用微处理器的基本区别。此外，还有其他区别：①在理论上，微机可以编程，形成PLC的多数功能，然而，通用微机不是专门为工业环境应用设计的；②微机与外部世界连接时，需要专门的接口电路板，而PLC带有各种I/O模块可供直接利用，且输入输出线可多至数百条；③PLC具有多种诊断能力，模块式结构，易于维修；④PLC可采用梯形图编程，编程语言直观简单，容易掌握；⑤虽然许多PLC能够接收模拟信号和进行简单的算术运算，但是，当数学运算复杂时，PLC是无法与通用微机相竞争的。6.5可编程逻辑控制器（PLC）2024/10/9-47-2.PLC硬件结构PLC的硬件系统由主机、I/O扩展接口及外部设备组成。主机和扩展接口采用微机的结构形式，其内部由运算器、控制器、存储器、输入单元、输出单元以及接口等部分组成。6.5可编程逻辑控制器（PLC）2024/10/9-48-2.PLC硬件结构（1）中央处理器（CPU）是PLC的运算、控制中心，用来实现逻辑运算、算术运算，并对全机进行控制。（2）存储器用来存储数据或程序。它包括随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。（3）输入/输出（I/O）模块I/O模块是CPU与现场I/O设备或其他外部设备之间的连接部件（接口）。按照信号形式的不同，I/O模块又分可分为：开关量I/O模块、模拟量I/O模块，除此之外，还提供其他用于特殊用途的接口模块。6.5可编程逻辑控制器（PLC）2024/10/9-49-2.PLC硬件结构（4）电源PLC配有开关式稳压电源的电源模块，用来对PLC的内部电路供电。（5）编程器编程器用作用户程序的编制、编辑、调试和监视，还可以通过其键盘去调用和显示PLC的一些内部状态和系统参数。它经过接口与CPU连接，完成人-机对话连接。

（6）其他外部设备PLC也可选配其他设备，例如磁带机、打印机、EPROM写入器、显示器等。6.5可编程逻辑控制器（PLC）2024/10/9-50-3.PLC编程基础根据国际电工委员会制定的工业控制编程语言标准（IEC1131-3），PLC有五种标准编程语言：（1）梯形图（LadderDiagram，LD）（2）指令表（InstructionList，IL）（3）顺序功能图（SequentialFunctionChart，SFC）（4）功能块图（FunctionBlockDiagram，FBD）（5）结构化文本（StructuredText，ST）6.5可编程逻辑控制器（PLC）2024/10/9-51-4.F系列PLC基本指令与梯形图（1）输入、输出性指令（LD、LDI、OUT）（2）逻辑“与”指令（AND、ANI）（3）逻辑“或”指令（OR、ORI）（4）电路块并联连接指令（ORB）（5）电路块串联连接指令（ANB）（6）置位/复位指令（S/R）（7）RST指令（8）移位指令（SFT）（9）主令控制指令（MC/MCR）（10）跳转指令（CJP/EJP）（11）结束指令（END）6.5可编程逻辑控制器（PLC）2024/10/9-52-（1）输入、输出性指令（LD、LDI、OUT）LD：取指令，用于常开接点的状态输入；LDI：取反指令，用于常闭接点的状态输入；LD、LDI用于表示连接在可编程控制器输入接点上的检测信号、计数器、计时器、辅助继电器以及输出继电器的状态；OUT：输出指令，用于控制输出继电器、辅助继电器、计时器、计数器，但不能用于控制连接可编程控制器输入接点上的检测结果。6.5可编程逻辑控制器（PLC）2024/10/9-53-（1）输入、输出性指令（LD、LDI、OUT）6.5可编程逻辑控制器（PLC）2024/10/9-54-（2）逻辑“与”指令（AND、ANI）AND：常开接点串联连接指令；ANI：常闭接点串联连接指令。它们的适用范围与LD、LDI相同。6.5可编程逻辑控制器（PLC）2024/10/9-55-（3）逻辑“或”指令（OR、ORI）OR：常开接点并联连接指令；ORI：常闭接点并联连接指令。6.5可编程逻辑控制器（PLC）2024/10/9-56-（4）电路块并联连接指令（ORB）两个以上接点串联连接后的串联电路块再与前面电路块并联连接的指令，使用这条指令时，并联连接的各电路块必须用LD或LDI开始。6.5可编程逻辑控制器（PLC）2024/10/9-57-（5）电路块串联连接指令（ANB）将两个以上接点并联连接后的并联电路块与前面电路块串联连接的指令。使用ANB指令的方法和特点与ORB指令完全相同。6.5可编程逻辑控制器（PLC）2024/10/9-58-（6）置位/复位指令（S/R）S为置位指令；R为复位指令。S/R：用于输出继电器（Y），辅助继电器（M200～M377）和状态器（S）的置位/复位操作。S/R指令的编写次序可任意编排。（a）梯形图（b）波形图6.5可编程逻辑控制器（PLC）2024/10/9-59-（7）RST指令用于计数器和移位寄存器的复位。当RST指令用于计数器复位时，计数器的接点断开，当前计数值回到设定值。当RST指令用于移位寄存器复位时，清除所有位的信息。6.5可编程逻辑控制器（PLC）2024/10/9-60-（8）移位指令（SFT）用于移位寄存器移位输入指令。图是一个16位移位寄存器的应用举例，在移位寄存器中，OUT为移位寄存器第一位输入端；SFT为移位控制输入端，RST为复位输入端。6.5可编程逻辑控制器（PLC）2024/10/9-61-（9）主令控制指令（MC/MCR）MC：主令控制起始指令；MCR：主令控制结束指令。6.5可编程逻辑控制器（PLC）2024/10/9-62-（10）跳转指令（CJP/EJP）CJP：条件跳转指令；EJP：条件跳转结束指令。6.5可编程逻辑控制器（PLC）2024/10/9-63-（11）结束指令（END）用于程序的结束，无目标元素。PLC在运行时，CPU读输入信号，执行梯形图电