机电一体化原理与应用 第五章

1/13/202315.1概述一、工业控制机的定义工业控制机是以微处理器为核心，专为现场过程控制和机械制造程序控制而设计的计算机，简称“工控机”。1/13/2023二、工业控制机的组成1）加固型工业机箱。2）工业电源。3）主机板。主机板是工控机的核心部件4）软盘。5）硬盘。6）各类输入输出接口模板。7）显示器。8）键盘。9）鼠标。1/13/2023三、机电一体化中的计算机分类1、总线式工控机IBM-PC总线工控机；STD总线工控机；Multibus工控机。2、可编程控制器（PLC）3、单片机1/13/20235.1.1工业控制机的主要特点工业控制机与信息处理机相比较，具有以下特点。1）丰富的过程输入/输出功能2）实时性3）高可靠性1/13/2023●低故障率(MTBF):平均故障间隔时间不低于数千甚至上万小时；●短的故障修复时间（MTTR）；●运行效率高：一定时间内，运行时间占整个时间的比率一般要求99％以上。1/13/20234）环境适应性5）丰富的应用软件6）技术综合性1/13/20235.1.2开放式体系结构和总线结构1、开放式体系结构1）开放式体系结构特点：向未来的VLSI开放向不同用户层次开放；向用户的特殊要求开放1/13/20232）优点：

a)将系统分为若干硬件和软件模块，用这些功能模块可以迅速配套成各种用途的应用系统，简化设计工作，缩短设计周期1/13/2023b)对功能模块可以组织批量生产，使质量稳定并降低成本。结构灵活，便于更新和扩充，使系统适应性强(系统升级比较方便)c)维修方便，大量采用集成芯片，更换时间大大缩短。1/13/20232、系统总线（bus）1）总线的定义一组信号的集合，是一种传送规定信息的公共通道，也称为数据公路通过它可以把各种数据和命令传送到各自要去的地方。2）作用在计算机领域，总线是通信的工具和手段，包括不同计算机之间，或一台计算机内部各组成部分之间的信息传递。1/13/20233）组成地址总线、数据总线和控制总线。1/13/2023◆数据总线数据总线传递的是数据信息。通常8位微处理器有8位数据总线，16位微处理器有16位数据总线，32位的微处理器有32位数据总线。1/13/2023数据总线在其两个端点都有箭头，这意味着数据可以向不同的方向传输，可以输入处理器，也可以从处理器输出。但是在任何给定时刻，数据流只能往一个方向传送。数据总线的走向是由地址总线和控制总线控制。1/13/2023◆地址总线地址总线是单向的。微处理器用地址确定与之通信的外部硬件。1/13/2023每一个存储单元有一个地址，每一个接口也有一个地址。8位微处理器通常有16位地址线，具有64K个地址，16位微处理器有16至24位地址线，它可以访问64K至16M个地址。1/13/2023◆控制总线控制总线是用来确定数据总线上信息流时间序列的。当微处理器要输出一个数据时，它要告诉外部硬件数据总线上的信息何时是有效的。1/13/2023当微处理器要输入一个信息时，控制总线要使外部硬件告诉微处理器数据已经有效。1/13/2023◆总结：数据总线是“what”总线——它所携带的信息是什么；地址总线是“where”总线——它确定信息在哪里；控制总线是“when”总线——它指定数据的传送发生在何时。1/13/20235.1.3常用微机总线介绍在总线标准的发展、演变历程中，比较有名或曾产生一定影响的总线标准还有：IntelMultiBus(IEEE796);ZilogZ-Bus(122根引线)；IBMPC/XT总线(IBM62线总线)；IBMPC/AT总线（ISA）；PCI总线；USB总线等。1/13/20231、IBMPC/XT总线

20世纪80年代初期，IBM在推出自己的微机系统IBMPC/XT时，就定义了一种总线结构，称为XT总线。这是8位数据宽度的总线。它是针对Intel8088微处理器设计的，它有62条信号线，以适应8088的8位数据线和20位地址线。这种总线是用户在IBMPC/XT机的母板上扩展I/O模板的I/O总线。1/13/20231/13/20231/13/2023IBMPC/XT总线的缺点：I/O扩展能力差；抗冲击和抗震能力差；对温度和湿度要求高。－－无法保证在工业现场可靠运行1/13/20232、IBMPC/AT总线随着IBM采用Intel80286CPU等16位微处理器，推出IBMPC/AT微机系统，又定义了与XT总线兼容的16位的AT总线。IBM公司在XT总线基础上增加了一个36引脚的AT扩展插槽而形成AT总线，满足工业标准结构（ISA）ISA总线(IndustrialStandardArchitecture)即AT总线，它是在8位的XT总线基础上扩展而成的16位的总线体系结构。1/13/2023ISA总线1/13/20233、PCI总线PCI总线－－对传统总线结构的突破人们注意到，随着微处理器速度及性能的改进与更新，作为微型计算机重要组成部件的总线也被迫作相应的改进和更新。否则，低速的总线将成为系统性能的瓶颈。同时，人们也看到了另一个不容忽视的事实，即随着微处理器的更新换代，一个个曾颇具影响的总线标准也相继黯然失色了，与其配套制造的一大批接口设备(板卡、适配器及连接器等)也渐渐被束之高阁。这就迫使人们思考一个问题，即能否制定和开发一种性能优越且能保持相对稳定的总线结构和技术规范来摆脱传统总线技术发展的这种困境呢?1/13/2023PCI总线(PeripheralComponentInterconnect，外围部件互连总线)于1991年由Intel公司首先提出，并由PCISIG(SpecialInterestGroup)来发展和推广。1/13/2023

PCISIG是一个包括Intel、IBM、Compaq、Apple和DEC等100多家公司在内的组织集团。1992年6月推出了PCI1.0版，1995年6月又推出了支持64位数据通路、66MHz工作频率的PCI2.1版。由于PCI总线先进的结构特性及其优异的性能，使之成为现代微机系统总线结构中的佼佼者，并被多数现代高性能微机系统所广泛采用。1/13/20231/13/20234、USB总线USB总线1/13/2023USB产生背景：在传统的PC机使用中，为了连接显示器、键盘、鼠标及打印机等外围设备，必须在主机箱背后接上一大堆信号线缆及连接器端口，给PC机的安装、放置及使用带来极大的不便。另外，为了安装一个新的外设，除需要关掉机器电源外，还需安装专门的设备驱动程序，否则，系统是不能正常工作的。这也给用户带来不少麻烦。1/13/2023

USB总线(UniversalSerialBus，通用串行总线)是PC机与多种外围设备连接和通信的标准接口，它是一个所谓“万能接口”，可以取代传统PC机上连接外围设备的所有端口(包括串行端口和并行端口)，用户几乎可以将所有外设装置——包括键盘、显示器、鼠标、调制解调器、打印机、扫描仪及各种数字音影设备，统一通过USB接口与主机相接。同时，它还可为某些设备(如数码相机、扫描仪等)提供电源，使这些设备无须外接独立电源即可工作。1/13/2023USB是1995年由称为“USB实现者论坛”

(USBInplementerForum)的组织联合开发的新型计算机串行接口标准。有许多著名计算机公司，如Compaq、IBM、Intel、DEC及Microsoft等均是该联合组织的重要成员。1/13/20231996年1月，颁布了USB1.0版本规范，其主要技术规范是：(1)支持低速(1.5Mbps)和全速(12Mbps)两种数据传输速率。前者用于连接键盘、鼠标器、调制解调器等外设装置；后者用于连接打印机、扫描仪、数码相机等外设装置。(2)一台主机最多可连接127个外设装置(含USB集线器——Hub)；连接节点(外设或Hub)间距可达5米，可通过USB集线器级联的方式来扩展连接距离，最大扩展连接距离可达20米。1/13/2023(3)采用4芯连接线缆，其中两线用于以差分方式传输串行数据，另外两线用于提供+5V电源。线缆种类有两种规格，即无屏蔽双绞线(UTP)和屏蔽双绞线(STP)。前者适合于1.5Mbps的数据速率，后者适合于12Mbps的数据速率。(4)具有真正的“即插即用”特性。主机依据外设的安装情况自动配置系统资源，用户无需关机即可进行外设更换，外设驱动程序的安装与删除完全自动化。图18.9表示了一个典型的USB应用和配置情况。1/13/20231/13/20235、面向工业控制的STD总线◆该总线是由PRO－LOG公司和MOSTEK于1978年推出。◆1987年，STD总线已被批准为IEEE961标准◆STD总线是8位/16位兼容的总线1/13/2023为了能和32位微处理器兼容，近年来又定义了STD32总线标准，且与原来8位总线的I/O兼容,STD总线标准对插件尺寸，插脚分配，信号定义，电气标准等都做了规定，还规定了读写时序和持续时间。STD总线是56条信号线的并行底板总线，由4条小总线组成：8条双向数据总线，16条地址线，22根控制总线和10根电源及地线。1/13/2023◆特点①小板结构，高度的模块化“轻、薄、短、小”。按功能划分模块，如CPU、A/D、D/A、开关量I/O、电机控制等。②严格的标准化，广泛的兼容性。1/13/2023③面向I/O的设计，非常适合工业控制应用。其总线是面向I/O端口的，可扩展20块I/O模块。④高可靠性。能适应恶劣环境、抗干扰力强、Watchdog监控、掉电保护等。1/13/20235.2.1计算机控制系统基本结构5.2计算机控制系统1/13/20231、基本功能：使整个系统按一定的静态和动态指标进行工作2、控制过程：实时数据采集、实时决策、实时控制。1/13/20235.2.2计算机控制系统的组成1.硬件组成

硬件由计算机主机、接口电路、外部设备以及传感器和执行机构等组成。1/13/20231/13/2023（1）计算机它是整个控制系统的指挥部。它可接收从操作台来的命令，对系统的各参数进行巡回检测，执行数据处理、计算和逻辑判断、报警处理等，并根据计算的结果通过接口发出输出命令。工控机、PLC、单片机（小型控制）1/13/2023（2）接口与输入/输出通道它是计算机与被控对象进行信息交换的纽带。计算机输入数据或向外发命令都是通过接口及输入输出通道进行的。输入输出通道可分为数字量和模拟量通道。1/13/2023(3)外部设备计算机控制系统中最基本的外部设备为操作台，它是人-机对话的联系纽带。操作台包括：开关（如电源开关、操作方式选择开关等）、功能键（如启动键、显示键、打印键等）、显示器和数据键。另外还配有，串行通信口、打印机、显示终端也属于外部设备。1/13/2023(4)传感器和执行机构计算机控制系统需要使用各种传感器把各种被测参数转变为电量信号（也称为非电量转换），再转换成统一电平(如0～5V)送到计算机中。同时，需要使用各种执行机构，以按计算机的输出去控制对象。常用的执行机构：电动、液动和气动等各种控制形式。1/13/20232、计算机控制软件软件是指能完成各功能的计算机程序的总和。分类：实时软件和开发软件实时软件：在进行实际控制时使用的软件。开发软件：在开发、测试控制系统时使用的软件。1/13/2023

实时软件包括系统软件和应用软件。系统软件：实时多任务操作系统，另外还可能使用数据库、中文系统、文件管理系统等。应用软件：包括各种面向用户的程序，如控制系统中各种A/D、D/A转换程序，数据采样滤波程序，计算程序以及各种控制算法程序等。1/13/20235.2.3计算机控制系统的分类1、操作指导控制系统1）定义指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。1/13/20231/13/20232）特点优点：比较简单、且安全可靠，特别是对于未摸清控制规律的系统更为适用。缺点：要由人工操作，速度受到限制。1/13/20233、应用用于数据检测处理、试验新的数学模型、调试新的控制程序。目前，电力部门的电力调度控制系统均采用操作指导控制系统。1/13/20232、直接数字控制系统（DDC）1）定义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。1/13/20231/13/20232、应用用于工业生产过程控制的最典型的一种系统广泛应用于热工、化工、机械、冶金等部门并且随着廉价的单片机的广泛应用，也已经用于冰箱、空调、洗衣机、照相机等各种家电中。1/13/20233、计算机监督控制系统（SCC）1）定义在SCC系统中，是由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。1/13/20232）分类SCC+模拟调节器的控制系统；SCC+DCC的控制系统1/13/20231）SCC+模拟调节器系统SCC计算机收集被测参数及管理命令，然后按照一定的数学模型计算后，输出给定值到模拟调节器。模拟调节器按给定值和检测值的偏差进行计算后，输出控制执行机构，以达到调节生产过程的目的。1/13/20231/13/20232）SCC+DCC控制系统本系统为两级控制系统，一级为监督级SCC，用来计算最佳给定值。直接数字控制器（DDC）用来把给定值与测量值进行比较，并进行数字控制计算，然后控制执行机构进行调节。1/13/20231/13/2023特点：

SCC系统比DDC系统有着更大的优越性，更接近于生产的实际情况，并且可构成多级控制系统。但是，由于生产过程的复杂性，其数学模型的建立比较复杂，所以该系统实现比较复杂。1/13/20234、分级计算机控制系统廉价而功能完善的微型计算机特别是单片机的出现，允许多台微型计算机分别承担部分任务，组成分布式控制系统。1/13/2023特点：用多台单片机分别执行不同的控制功能，用PC机等微型机完成上级控制和管理功能。它具有使用灵活方便、可靠性高、功能强等特点。1/13/2023四级的分布式系统：1/13/2023装置控制级（DDC级）：它对生产过程或单机进行直接控制，如进行PID控制或模糊控制，使所控制的生产过程在最优化的状况下工作。有时，它也完成各种数据采集功能。这一级直接与被控对象打交道，它一般采用单片微机构成。1/13/2023车间监督级（SCC级）：它根据厂级下达的命令和通过装置控制级获得的生产过程的数据，进行最优化控制，并担负整个车间（或系统）内各装置的工作协调控制和对装置控制级进行监督。它一般采用PC机等微型计算机构成。1/13/2023工厂集中控制级：它根据上级下达的任务和本厂情况，制定生产计划、安排本厂工作、进行人员调配、仓库管理和工资管理，并及时将SCC级和DDC级的情况向上级反映。1/13/2023企业管理级:

制定长期发展规划、生产计划、销售计划，发命令至各工厂，并接受各工厂、各部门发回的信息，实现全企业的总调度。1/13/20235.2.4计算机控制系统的发展1、发展阶段50年代－－计算机应用于工业控制；60年代－－计算机控制进入实用和开始逐步普及阶段；60年代后期－－在生产过程中的应用迅速发展；70年代－－高性能、低价格的微型机大量推广，计算机控制进入崭新阶段。1/13/20232、计算机控制系统发展趋势1）各种新型计算机控制系统大量涌现

新控制理论：最优控制；自适应控制；模糊控制；智能控制1/13/20232）计算机控制系统应用越来越广3）分布式控制系统大量应用4）可编程控制器的使用1/13/20235.3串行数据通信各处理器间的资源共享通过串行通信和网络技术实现。1/13/2023串行通信接口（协议）：RS－232/RS－422/RS－

4851/13/20235.3.1串行通信1、并行和串行通信

并行数据传输：指数据的各位同时传送。可以用字并行传送,也可以用字节并行传送。

1/13/2023并行数据传输特点：并行传送的速度高，有时可以高达每秒几十兆位；并行数据传输的距离通常小于10m；并行通信要用许多信号线，成本比较高。1/13/2023

串行通讯：是指外设和计算机间使用一根数据信号线一位一位地传输数据，每一位数据都占据一个固定的时间长度。1/13/2023串行通讯特点：节省传送线，特别适合长距离传送；串行数据传输的距离可达数千公里；近距离传输速率可达每秒10兆位，远距离传输也可达每秒几百万位；对于远距离数据通信来说，串行通信通常是唯一的手段。1/13/20232.异步和同步两种通信通信两种方式：异步通信和同步通信（1）异步通信格式：1/13/2023格式：第一位称起始位，它的宽度为1bit，低电平；字符编码为7位(ASCII