《机电一体化技术基础》 课件 第5章 计算机控制及接口技术

第5章计算机控制及接口技术5.1了解计算机控制系统5.2学习计算机控制系统的接口5.3了解工业常用控制计算机知识目标：能力目标：(1) 了解计算机控制系统的结构、原理和分类；(2) 了解计算机控制系统的发展方向；(3) 了解接口技术的概念及种类；(4) 了解工业控制计算机系统的分类及硬件组成；(5) 了解工控机总线的分类；(6) 了解STD总线的技术特点。

会简单地运用计算机和控制接口方面的基础知识处理工业控制过程中的实际问题。知识导入：图5-1介绍了工业炉计算机控制的典型情况，其燃料为燃料油或者煤气，为了保证燃料在炉膛内正常燃烧，必须保持燃料和空气的比值恒定。图5-2所示为控制系统实物。为提高水质监测能力，某市建立了如图5-3所示的废水在线监测系统，该系统由污水排放监测子站、监测中心站和管理中心(城市环保局)组成为提高水质监测能力，某市建立了如图5-3所示的废水在线监测系统，该系统由污水排放监测子站、监测中心站和管理中心(城市环保局)组成5.1

了解计算机控制系统1.计算机控制系统的组成

图5-5所示为一个典型的计算机控制系统的组成框图。计算机系统：利用计算机来实现自动控制的系统。计算机控制系统由硬件和软件两大部分组成。1）硬件组成⑴

主机⑵I/O通道⑶

外围设备⑷

操作台2）软件组成

软件通常分为系统软件和应用软件两大类。⑴系统软件

由计算机制造厂商提供的，用于管理计算机本身的资源和便于用户使用计算机的软件。⑵应用软件

用户根据要解决的具体控制问题而编制的控制和管理程序。2. 计算机在控制中的应用方式1) 操作指导控制系统

操作指导控制系统又称为数据处理系统

(DataProcessingSystem，DPS)2) 直接数字控制系统

直接数字控制(DirectDigitalControl，DDC)系统中计算机的运算和处理结果直接输出并作用于生产过程。2) 直接数字控制系统DDC系统是计算机在工业生产中最普遍的一种应用形式，目前在工业控制中得到广泛应用。3)监督计算机控制系统

监督计算机控制(SupervisoryComputerControl，SCC)系统4)分级计算机控制系统

这种系统的特点是功能分散，用多台计算机分别执行不同的控制功能，既能进行控制又能实现管理。5.2学习计算机控制系统的接口

接口：就是各子系统之间以及子系统内部各模块之间相互连接的硬件及相关协议软件。

分析ADC0809芯片在车用数字仪表的系统中的作用。2.接口的分类：

人机通道及接口技术

检测通道及接口技术

控制通道及接口技术

系统间通道及接口技术3.机电一体化系统对接口的要求

能够输入有关的状态信息，并能够可靠地传送相应的控制信息；

能够进行信息转换，以满足系统对输入与输出的要求；

具有较强的阻断干扰信号的能力，以提高系统工作的可靠性。1. I/O接口I/O接口：也就是输入/输出接口。根据信号传输方式的不同，一般可分为并行和串行两种方式。1) 并行接口

并行接口：就是实现并行通信的接口。

并行通信：就是把一个字符的各数位用几条线同时进行传输，即将组成数据的各位同时进行传送。

如图5-11所示即为并行通信接口。

特点：并行接口传输速度快2) 串行接口

串行接口：就是实现串行通信的接口。

串行通信：是在单根导线上将二进制数一位一位地顺序传送。串行通信可以进一步分为单工、半双工和全双工三种形式。

串行接口的特点：通信线路简单，只要一对传输线就可以实现双向通信，特别适用于远距离通信。

图5-14为RS-232串行接口。2. D/A、A/D转换接口1) D/A(数/模转换器)

定义：D/A转换器是指将数字量转换成模拟量的电路。如图5-15所示。

作用：是将计算机需要输出的数字量转换成电压，以便再转换成适合外围设备的模拟物理量。图5-16为D/A转换器作为系统输出接口的连接示意图。2)A/D(模/数)转换接口

定义：A/D转换器是将外围设备上的模拟电压转换成数字量的器件。如图5-17所示。

作用：将现场来的信号经过一系列放大滤波等处理后的模拟量数据变换成适合于数字处理的二进制代码。图5-18所示为ADC0809A/D转换器工作原理示意图。5.3了解工业常用控制计算机1.工控机（工业控制计算机）定义

工业控制计算机：泛指用于工业控制的计算机，简称工控机。2.工控机的作用

处理来自检测传感器的输入信息，并把处理结果输出到执行机构去控制生产过程，同时可对生产进行监督、管理。3.工控机种类

常见的工控机主要有：单片机（MCU）、可编程序控制器(PLC)、IPC(PC总线工业电脑)、DCS(分散型控制系统)、FCS(现场总线系统)及CNC(数控系统)6种。

4.工控机的选用

对于控制量为开关量和少量数据信息的模拟量的小系统，采用单片机或可编程控制器就能满足控制要求。对于数据处理量大的系统，则往往采用IPC。对于多层次复杂的机电一体化系统，则采用FCS或DCS控制系统。1. 常用工业控制计算机介绍1)工业电脑（IPC、工业PC）（1）定义

工业电脑:英文缩写IPC(IndustryPersonalComputer)，现在一般指基于PC总线的工控机，也叫工业PC。

工业PC是在个人计算机(PC机)的基础上，经过改进并配上相应的工业用软件而形成的。工业PC是专门为工业现场而设计的计算机，如图5-19所示。（2）工控机特点①

用通用底板总线插座代替个人计算机中的大母板。②

将母板分为若干PC插件。③

机箱内有专门电源，电源有较强的抗干扰能力。④

要求具有连续长时间工作能力。⑤

配合相应的工业软件使用。⑥机箱釆用钢结构，有较高的防磁、防尘、防冲击的能力。（3）缺点

数据处理能力差。2)可编程序控制器(PLC)（1）定义PLC(ProgrammableLogicController，可编程序逻辑控制器)是一种专为在工业环境中应用而设计的数字运算操作的电子系统。（2）工作原理

图5-21是PLC应用于逻辑控制的简单实例。（3）特点：

①

工作可靠，适合于工业现场控制。

②

可与工业现场信号直接连接。

③

积木式组合，运用方便。

④

编程操作容易。

⑤

易于安装及维修。（4）应用

自动生产线3)单片微计算机及嵌入式系统（1）单片机定义

单片机（简称MCU）也叫单片微计算机，是由单一芯片构成，它将CPU、RAM、ROM、定时/计数、多功能I/O(并行、串行、A/D)、通信控制器，甚至图形控制器、高级语言、操作系统等都集成在一块大规模集成电路芯片上的微型计算机。（2）单片机种类

其典型产品包括Intel公司的MCS-48(8位)、MCS-51(8位)和MCS-96(16位)系列，Philips公司的80C51系列，Atmel公司的AT89系列等。（3）单片机优点

具有集成度高、控制功能强、通用性好、运行速度快、体积小、重量轻、能耗低、结构简单、价格低廉、使用灵活等优点。（4）单片机使用场合

故常用于数显仪表、智能化仪表、工业过程控制、机器人、简易数控机床、家用电器、玩具、办公自动化、通信与网络系统中。（5）单片机缺点易受干扰，开发者需要学习专门的编程，且具备一定的电子硬件工程知识。（6）嵌入式系统定义

嵌入式系统被定义为：以应用为执行中心，以计算机技术为基础，软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗要求严格的专用计算机系统。

嵌入式系统可直接以单片机作为“嵌入”系统控制板的CPU（也可采用比单片机性能高的微处理器）。嵌入式系统板结构，如图5-22(b)所示。（7）嵌入式系统的组成

硬件平台、板级支持包(BoardSupportPackage，BSP)、实时操作系统(RealTimeOperatingSystem，RTOS)、应用程序。（8）嵌入式系统的优点

①处理能力强大、便于系统集成开发。

②其软硬件可剪裁，具有更紧凑的结构和更低的价格。

③具有更强的系统适应性。

④可作为控制层的工作站，集中管理现场的各个控制节点。4) 数控系统(CNC)（1）定义CNC（ComputerNumericalControl），中文全称为计算机数字控制系统。图5-25为数控系统实物图。（2）原理

采用微处理器或专用微机的数控系统，由事先存放在存储器里的系统程序(软件)来实现控制逻辑，实现部分或全部数控功能，并通过接口与外围设备进行连接，称为计算机数控，简称CNC系统。（3）应用

数控机床是以数控系统为代表的新技术对传统机械制造产业的渗透形成的机电一体化产品。4)集散型控制系统(DCS)（1）定义

集散型控制系统DCS的英文全称为DistributedControlSystem，中文又称为分布式控制系统或分散型控制系统。（2）特点DCS按照分散控制、集中操作、分级管理和分而自治的原则设计，是一种高性能、高质量、低成本、配置灵活的分散控制系统系列产品。是用于数据采集、过程控制、生产管理的新型控制系统。（3）使用场合

广泛用于各种大、中、小型电站的分散型控制、发电厂自动化系统的改造以及钢铁、石化、造纸、水泥等工业生产过程控制。DCS控制系统如图5-23所示。5)现场总线控制系统（FCS）（1）定义

现场总线控制系统(FieldbusControlSystem，FCS)：是利用现场总线将各智能现场设备、各级计算机和自动化设备互联，形成一个数字式全分散双向串行传输、多分支结构和多点通信的通信网络，现已广泛地应用在工业生产过程自动化领域。（2）特点

现场总线控制系统(FieldbusControlSystem，FCS)是20世纪90年代兴起的迅速得以应用的新型计算机控制系统，它由DCS发展而来，与DCS的区别主要在现场控制层，体现在采用了现场总线。现场总线控制结构如图5-24所示。DCSFCS2. 工业控制计算机的总线

总线：用一组公用线路，配置以适当的接口电路与各部件和外围设备连接，这组共用的连接线路被称为总线。

总线是工业控制计算机的重要组成部分，它一般可以分为内部总线、系统总线及外部总线。1) 内部总线（1）定义

内部总线：是微机内部外围芯片与处理器之间的总线，用于芯片一级的互联与通信。

终端用户一般不需要直接操作内部总线。（2）种类I2C总线、SPI总线、SCI总线。2) 系统总线（1）定义

系统总线：是微机中各插件板与系统板之间的总线，用于插件板一级的互联，因此又被称为板级总线。

我们介绍用于以微型计算机为核心的工业测控领域的经典总线，STD总线。（2）STD总线介绍STD总线：最早是在1978年由美国Pro-Log公司推出的一种通用工业控制的8位微型机总线，其后又发展出了16位,32位微型机总线，由高向下兼容。（3）STD总线特点：

①

小板结构，高度模板化。

②

严格的标准化，广泛的兼容性。

③

面向I/O的设计，适合工业控制应用。

④

高可靠性。（4）STD总线结构

图5-26为STD总线结构。（5）STD总线工控机STD总线工控机：是一种采用STD总线标准的工业计算机。STD总线在20世纪80年代前后风行一时，对我国工控机的使用与研制有很大影响。

现在市场的工控机多见PC总线工控机，即采用了PC总线标准的工业计算机。

（6）系统总线分类STD总线、VME总线、PC/104总线等。3) 外部总线（1）定义

外部总线：是微型计算机与外部设备之间或计算机系统之间互联的通信总线。

（2）作用

外部总线用于设备一级的互联。（3）种类

常用的外部总线有IEEE488并行总线、RS-232C和RS-485串行通信总线。3. 工业控制网络

在工业控制应用中，由单台工业控制计算机组成的系统，其功能毕竟是有限的。随着计算机、通信、网络、控制等学科领域的发展，控制网络技术日益为人们所关注。1）控制网络定义

控制网络，即网络化的控制系统，一般指以控制“事物对象”为特征的计算机网络系统。

2）控制网络特点

控制网络技术源于计算机网络技术，控制网络的系统响应速度和可靠性要大大强于非工业控制的计算机网络。3）控制网络种