机电一体化技术课件-汤老师 华科研究生课件 jd-3-1

机电一体化控制系统3．1概述3．2单片机3．3PLC3．4工控机3．5计算机数控装置第三章计算机控制系统3.1概述（1）机电一体化系统与传统的机电产品的最大的区别是什么？在于其使用了计算机；反过来说，只有使用了计算机的机电系统才算的上是典型的机电一体化系统；（2）计算机的特点是什么？1） 具有存储记忆功能和信息处理能力；2） 能与检测装置结合，输入信息；3） 能根据给定指令和机器的实际运行状态，去控制执行机构完成预定的工作；开关自动化装配检测分选机具有丰富的软件资源，使机电一体化系统具有一定的智能

（3)机电一体化系统中使用的计算机与通用微机有区别吗？有什么区别？2） 运算数据比通用微机简单得多；以逻辑运算和简单的数学运算为主。

1） 输入/输出要比通用微机复杂得多；机电一体化系统的计算机有大量数据从各类传感器、开关、按钮输入；输出信号还要送到各处的执行机构。3） 运行环境比通用微机恶劣得多；是生产现场，而不是实验室

（4） 机电一体化系统对所用计算机的要求是什么？1） 具有很强的控制功能；2） 具有丰富的I/O接口;3） 运行速度快，能适应实时控制的需要；4） 抗干扰能力强。

控制功能I/O接口运行速度抗干扰能力满足这些要求的计算机主要有：单片机、可编程控制器（PLC）、工业控制机（工业PC）但在应用上有一定的差别可见，比较而言：（1） 单片机工作量最大，可靠性最差，但价格最低，且体积小；（2） PLC工作量最小，可靠性最好，价格较高，且体积较大；（3） 工业PC工作量不小，可靠性一般，价格较高，且体积较大，但功能强，软件丰富性能低体积高价格3．2单片机什么叫单片机，是计算机发展中的一个重要分支，把构成一台微型计算机的主要部件：

中央处理器（CPU）、存储器RAM/ROM）和各种功能接口集成在一块芯片上的

单片微型计算机1.单片机的结构国内应用最广泛的MCS-51系列单片机内部结构如图。单片机的结构单片机的结构由8个部分组成：中央处理器（CPU）、数据存储器（RAM）、程序存储器（ROM）、I/O口、串行口、定时器/计数器、中断系统特殊功能寄存器（SRF）都通过片内总线连接而成；其基本结构依然是CPU+外围芯片的模式；（1）CPU

整个系统的核心，它对系统内各部件和各种操作进行统一的控制，按程序中的指令进行各种运算，使系统成为一个有机的整体；（2）存储器

数据存储器（RAM）和程序存储器（ROM）的空间是相互独立的，物理结构也不同，使用上有严格区别，不能混用。

程序存储器用来存放程序指令及常数和表格；

数据存储器则用来存放运行中所需的常数和结果；位于片内数据存储器上还有一个特殊功能RAM区，用来对片内各功能模块进行管理、控制、监视，称为特殊功能寄存器（SRF）。（地址80H~FFH（3）输入/输出口（I/O）

P0~P3四个8位双向I/O端口2．最小应用系统

3．典型应用系统

4.单片机的系统扩展

单片机可以满足许多应用场合，但在实际应用中会感到片内功能不能达到整个系统的要求，需要扩展；(?)方法：1.可以用单片机专用扩展芯片；2.也可以用其他8位CPU的外围芯片来扩展；单片机专用扩展芯片并行I/O扩展串行I/O扩展键盘/显示接口打印机接口CRT接口3个8位可编程并行I/O接口串行通讯接收/发送器可编程键盘/显示接口点阵式打印机控制器可编程CRT控制器5．单片机的系统开发

6．单片机的应用

按照单片机的特点，其应用可分为单机应用和多机应用两种方式。单机应用简易数控智能仪表

测控系统智能产品智能接口多机应用多机弥散系统

并行多机系统局部网络系统单机应用

1）简易数控

机械改造单片机与传统的机械产品相结合，使传统的机械产品结构简化，构成新一代的机电一体化产品。如数控机床电脑锈花机。单机应用

2）智能仪表

仪表改造用单片机改造原有的测量、控制仪表，促使仪表向数字化、智能化、多功能、综合化、柔性化方向发展。单机应用

3）测控系统工业控制系统的工作环境恶劣，各种干扰强烈，而且往往要求实时控制，单片机是最适宜的应用。如炉子的恒温控制电镀生产线。单机应用

4）智能产品单片机与传统的产品结合，使产品结构简化、控制智能化，构成新型的机电一体化产品。如数控机械、电脑空调、家用电器和通信设备。IP智能网关中央空调数控磨刀机单机应用

5）智能接口用单片机构成外部设备与计算机的接口。

A。单片机进行接口控制管理；

B。单片机对接口信息进行加工处理。

多机应用

1）多机弥散系统为满足工程系统各种外围功能要求而设置的多机弥散系统2）并行多机系统主要解决工程系统的快速性要求。如快速并行数据采集与处理，实时图象处理。3）局部网络系统分布式测控系统

分布式测控系统7．单片机的应用举例

电动汽车开关磁阻电机调速系统单片机作为CPU，并利用该单片机硬件和软件上的优点来提高系统处理速度,简化外围电路和提高性价比的设计方法7．单片机的应用举例

用单片机开发步进电机控制系统采用步进脉冲分配器专用芯片PMM8713和程序计数器8253的方法。采用可编程计数器8253、8255和PMM8713芯片的全数字控制方式接线图。在单片机系统中，只连接8253、8255和PMM8713各一个。7．单片机的应用举例

在家用电器中，应用单片机技术可以简化控制线路，提高家用电器的性能，实现智能化控制。因此，许多家用电器均使用单片机作为其控制核心，例如微波炉、电冰箱、洗衣机、电风扇等。尽管不同家用电器中的单片机控制系统的具体结构和实现方法不同，但----智能型家用微波炉

主程序工作流程----智能型家用微波炉

工作过程简介当需要烹调时，将食品放入炉腔内，关上门，则S1、S2、S4闭合，S3断开。操作键盘按键，输入烹调程序后按启动键，电脑控制器将按输入的烹调程序驱动继电器J1、J2，使其触点吸合，将电源接通。转盘电机、炉灯、风扇电机、微波发生器都启动工作，开始按烹调程序加热食品，定时器、显示器开始倒数计时。如需暂停，可按暂停键或直接打开门，微电脑控制器将使J1、J2断开，使微波炉暂停工作。如需继续加热，只需关上门，按启动键，微波炉将继续加热，直至定时结束。----智能型家用微波炉3．3可编程序控制器（PLC）日本MITSUBISHI（三菱电机）可编程序控制器从FF1到

Q系列、A系列、AnS系列和FX系列四大类。其中Q系列产品CPU单机控制能力可达4096点（加远程可达8192点），基本结构工作原理Fx2nPLC的特点PLC的应用1．PLC的基本结构(1)CPU----中央处理单元

1）接受编程器输入的用户程序，存入程序存储器中；

2）扫描现场输入状态和数据，并存入相应的数据存储器中；

3）执行用户程序

4）自诊断。(2)存储器1）程序存储器

系统程序ROM

用户程序RAM2）数据存储器ROM2．PLC的工作原理

采用对用户程序循环扫描的方式工作，扫描工作分三个阶段：

输入采样阶段程序执行阶段输出刷新阶段

在程序执行期间，即使输入状态变化，输入状态寄存器中的内容也不会改变，这些变化只能在下个工作周期的输入采样阶段才被读入。

（1）输入采样阶段首先顺序读入所有输入端的信号状态，并逐一存入状态寄存器。

（2）程序执行阶段组成程序的每条指令都有顺序号，在PLC中称为步号。指令按步号依次存入储存单元中，程序执行期间，CPU将指令顺序调出并执行，进行逻辑、算术运算，将结果存入输出状态寄存器中。（3）输出刷新阶段在所有指令执行完毕后，输出状态寄存器中的状态通过输出接口输出，驱动被控设备。经过这三个阶段的工作过程为一个扫描周期。可见，全部输入、输出状态的改变需要一个扫描周期。3．Fx2nPLC的特点三菱电机产品

（1）小型化高速度超高速（2）编程简单基本指令27种步进梯形指令2种应用指令128种，298个

FX系列根据不同的控制要求，划分为FXos、FXon、FX2n、FX1s、FX1n和FX2nc等几类产品，可满足256点以下小型系统，并具有丰富的特殊功能。

FX1S系列PLC把优良的特点融合进一个很小的控制器中。

FX1S适用于最小的封装，它是希望低成本的用户在有限的I/0范围内寻求功能强大的控制的首选目标。

由于FX1S提供多达30个I/O,并且能通过串行通信传输数据，所以它能用在常用的紧凑型PLC不能应用的地方。

FX1N系列是功能很强大的微PLC，可扩展到多达128I/O点，并且能增加特殊功能模块或扩展板。

通信和数据链接功能选项使得FX1N在体积、通信和特殊功能模块和能源控制等重要的应用方面非常完美。4.Fx2nPLC的机能扩展

（1）模拟量输入------

模拟输入模块FX2N-4AD(FX2N用)

12位的高精度模拟输入

4通道的电压输入(-10V～+10V)或可以进行电流输入(-20mA～+20mA)每个通道可以指定电压或电流输入作为FX2N的特殊功能模块，最多可连接8台Fx2nPLC的机能扩展

（2）定位控制

1）高速计数模块

FX系列上内置高速计数器(FX2N：1相60KHz2相30KHz)，但是，如果需要更高的精确度时，可使用高速计数器模块。高速计数模块FX2N-1HC(FX2N用)

可做2相50KHz,1通道的高速输入最大32位(-2，147，483，684～+2.147，483，647)范围内进行计数。利用外部输入或PLC程序，可以给予计数器复位，计数器许可指令。可与驱动输出型编码器连接。

1台FX2N单元最多可连接8台。2）定位单元，定位模块

现今，在PLC控制中，定位是不可缺少的控制之一。在FX系列上，从数点的简易1轴定位控制，到直线插补、圆弧插补等2轴定位控制，已备有多种可根据规格、用途进行选择的型号。脉冲输出模块--------FX2N-1PG(FX2N用)

可做1轴控制最大可进行100KPS的脉冲输出定位目标的追踪、运行速度及各种参数通过PLC用FROM/TO指令设定除脉冲序列输出外，还备有各种高速响应的输出端子，而其它的输入输出，通常需通过PLC进行控制。(起动输入，正/反限位开关等)Fx2nPLC的机能扩展定位控制：FX-10GM(FX2N用)、2轴：FX-20GM(FX2N用)、E20GM(单独运转专用)

利用1台FX-10GM可以控制1轴，FX(E)-20GM可以控制独立2轴或者直线插补、圆弧插补的同时2轴。可以作最大200KPPS的脉冲输出。(以FX(E)-20GM控制插补时最大100KPPS)

搭载定位专用语句(CODE命令)和序列语句，FX2N系列程序装置同总线连接，原本也可以单独运转。编写定位可用专用手提式(E-20TP)编写。在把FX-10GM、FX-20GM接在FX2N上时，需要和FX2N-VNV-IF一同使用。Fx2nPLC的机能扩展

（3）扩充功能机能扩充板机能扩充有各种不同类型：可作为和各种外部设备通讯以及模拟量设定用，也可和FX0N适配器连接等。于每台FX2N单元上可安装一台机能扩充板。而且是安装在基本单元内，因此不需要安装空间，可以简单地实现功能扩充。

型号用途FX2N-232-BDRS232C通信用(各种RS232C机器、个人机连接)FX2N-485-BDRS485C通信用(计算机车接、并列连接)FX2N-422-BDRS422C通信用(PLC编程外部设备、DU连接)FX2N-8AV-BD模拟量设定FX2N-CNV-BDFX0N系列适配器连接用Fx2nPLC的机能扩展

（4）数据传输

MELSECENT/MINI接口模块采用MELSECENT/MINI接口模块，FX系列PLC可用为A系列可编程器的就地控制站，这样可更简单地进行现行系统的集中管理化及分散控制化。ID接口模块FX-1D1F(FX2N用)本模块用在D系列的读写器。对ID卡片的数据进行读写核对。接在FX2N上时需要FX2N-CNV-IF变换电缆。Fx2nPLC的机能扩展

RS422通信用FX2N-422-BD(FX2N用)

可连接PLC用外部设备以及数据存取单元(DU)，人机界面(GOT)

可以与标准装备的外部设备连接器一起同时将2台外部设备接在FX2N上因为安装在PLC单元上，所以不需要安装空间。Fx2nPLC的机能扩展

RS232C通信用FX0N-232ADP(FX0N用)绝缘型RS232C通讯用适配器。在FX0N单元上可连接1台于左侧(如使用在FX2N系列上，需用FX2N-CNV-BD作变换)FX2N-232-BD(FX2N用)在FX2N单元上可内装1台于机内。除了同各种RS232C机器进行通讯外，还可以对序列程序进行传送，监视(专用个人机用软件)FX0N-232IF(FX2N用)在FX2N系列上可最多连接8台利用FROM/TO命令可进行通讯用格，式收发数据等PLC的数据传送。

Fx2nPLC的机能扩展数据通讯

RS485通讯用RS232C//485变换口FX-485PC-IF-SET

本接口是为了搭载RS232C接口的计算机与FX系列或A系列PLC间进行数据通讯，为使RS232C信号变换成RS485信号的接口。对应一台计算机最大可同16台PLC进行通讯，同本接口的连接，是同适配器，机能扩充板进行连接。Fx2nPLC的机能扩展数据通讯

RS485通讯用RS/485通信用FX0N-485ADP(FX0N、FX2N用)、FX2N-485-BD(FX2N用)本适配器及机能扩充板是RS485通讯用FX0N-485ADP在FX0N系列上可接1台。是可同计算机通讯的绝缘型适配器。如和FX2N-CNV-BD一起使用，也可和FX2N系列连接。FX2N-485-BD在FX2N单元上可连接一台。除和计算机通讯外，还可以在2台FX2N单元间进行并列连接。

Fx2nPLC的机能扩展PLC的应用

PLC控制搬运机械手1.工况及工艺分析(1)工况图示机械手应能完成前进(进)、后退（退）、上升（升）、下降（降）、夹紧（夹）、松开（松）等动作，(2)动作过程

在B位置→抓取工件→进到A位置→防下工件→退回B位置(3)液压系统前进1YA+后退2YA+下降3YA+上升