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第五章 计算机控制及接口技术

第五章 计算机控制及接口技术

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第五章计算机控制及接口技术
机电一体化系统中的计算机软、硬件占有相 当重要的地位,它代表着系统的先进性和智能特 性。计算机以其运算速度快、可靠性高,价格便 宜等优势,被广泛地应用于工业、农业、国防以 及日常生活的各个领域。计算机用于机电一体化 系统或工业控制领域是近年来发展非常迅速的技 术。

5.1 概述
5.1.1计算机控制系统的组成

在控制系统中引入计算机,可以充分利用计 算机的运算、逻辑判断和记忆等功能完成多种控 制任务。在系统中,由于计算机只能处理数字信 号,因而给定值和反馈量要先经过A/D转换器将 其转换为数字量,才能输入计算机。当计算机接 收了给定量和反馈量后,依照偏差值,按某种控 制规律进行运算(如PID运算),计算结果(数字信号) 再经过D/A转换器,将数字信号转换成模拟控制 信号输出到执行机构,便完成了对系统的控制作 用。

5.1.2 计算机在控制中的应用方式
根据计算机在控制中的应用方式,可以把计算 机控制系统划分为四类,它们是:操作指导控制 系统、直接数字控制系统、监督计算机控制系统 和分缎计算机控制系统。 1.操作指导控制系统 如下图所示(图5-3),在操作指导控制系统中, 计算机的输出不直接用来控制生产对象。计算机 只是对生产过程的参数进行聚集,然后根据一定 的控制算法计算出供操作人员参考、选择的操作 方案和最佳设定值等。

2 .直接数字控制系统

直接数字控制系统是计算机用于工业过程控 制最普遍的一种方式,其结构如下图所示(图54)。计算机通过输入通道对一个或多个物理量进 行巡回检测,并根据规定的控制规律进行运算, 然后发出控制信号,通过输出通道直接控制调节 阀等执行机构。

3.监督计算机控制系统

在监督计算机控制系统中,计算机根据工艺 参数和过程参量检测值,并按照所设计的控制算 法进行计算,计算出最佳设定位后直接传送给常 规模拟调节器或者DDC计算机,最后由模拟调节 器或DDC计算机控制生产过程。SCC系统有两种 类型:一种是SCC+模拟调节器,另一种是 SCC+DDC控制系统。(示意图)

5.1.3 典型的机电一体化控制系统

1.计算机过程控制系统 用计算机对温度、压力、流量、液面、速度 等过程参数进行测量与控制的系统成为计算机过 程控制系统。

2.微型计算机控制的电动机调速系统

由于微型计算机具有极好的快速运算、信息 存储、逻辑判断和数据处理能力,因此电动机调 速系统中的许多控制要求很容易在计算机中实现。 例如:变流装置的IE线性补偿,启动和调速时选 用不同的控制方式或不同的控制参数.四象限运 行时的逻辑切换,在PWM型逆变器、交一交变频 或某些生产机械传动控制中要求的电压、电流基 准曲线等,经采用了计算机控制后,大大提高了 系统的性能。

3.计算机数字程序控制系统 采用计算机来实现顺序控制和数字程序控制 是计算机在自动控制领域中廊用的一个重要方面。 它广泛地应用于机床控制、生产自动线控制、运 输机械控制等许多工业自动控制系统中。

(1)所谓顺序控制系统

所谓顺序控制系统,是指使生产机械或生产 过程按预先规定的时序(或现场输入条件等)顺序 动作的自动控制系统。目前这类系统中多采用微 处理器构成的可编程序控制器PC或PLC??杀喑绦?控制器使用方便,可靠性高,应用广泛。

(2) 数字程序控制系统

所谓数字程序控制系统.是指能根据输入的 指令和数据.控制生产机械按规定的工作顺序、 运动轨迹,运动距离和运动速度等规律自动完成 工作的自动控制系统。数字程序控制系统(通常简 称数控)一般用于机床控制系统中.这类机床设称 为数控机床。

4. 工业机器人

工业机器人是一种应用计算机进行控制的可 替代人进行工作的高度自动化系统,它主要由控 制器、驱动器、夹持器、手臂和各种传感器组成。 工业机器人计算机系统能够对力觉、触觉、视觉 等外部反馈信息进行感知、理解、决策.并及时 按要求驱动运动装置和语音系统完成相应的任务。 下图给出了智能机器人的一般结构,它是一个多 级的计算机控制系统??梢哉庋担好挥屑扑慊?, 就没有现代的工业机器人。

5.2 工业控制计算机
工业控制计算机是用于工业控制现场的计算机, 它是处理来自检测传感错的输入信息,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、管理的计算机系统。应用于工业 控制的计算机主要有单片微型计算机、可编程序 控制器PLC、总线工控机等类型。

5.2 .1 工业控制计算机的特点及要求
1.实时性 实时性是指计算机控制系统能在限定的时间 内对外来事件作出反应的能力。为满足实时控制 要求,通常既要求从信息采集到生产设备受到控 制作用的时问尽可能短,又要求系统能实时地监 视现场的各种工艺参数,并进行在线修正,对紧 急事故能及时处理。因此,工业控制计算机应具 有较完善的中断处理系统以及快速信号通道。

2.高可靠性 工业控制计算机通??刂谱殴ひ倒痰脑诵?, 如果其质量不高,运行时发生故障,又没有相应 的冗余措施,则轻者使生产停顿,重者可能产生 灾难性的后果。很多生产过程是日夜不停地连续 运转,因此要求与这些过程相连的工业控制机也 必须无故障地连续运行,实现对生产过程的正确 控制。另外,许多工业现场的环境恶劣,震动、 冲击、噪声、高频辐射及电磁波干扰往往十分严 重.以上这一切都要求工业控制计算机具有高质 量和很强的抗干扰能力,并且具有较长的平均无 故障间隔时间。

3. 硬件配置的可装配可扩充性 工业控制计算机的使用场合千差万别,系统 性能、容量要求、处理速度等都不一样,特别是 与现场相连接的外围设备的接口种类,数量等差 别更大,因此宜采用??榛杓品椒?。

4. 可靠性

工业控制计算机应有很好的可维护性,这要 求系统的结构设计合理,便于维修,系统使用的 板级产品一致性好,更换模板后.系统的运行状 态和精度不受影响;软件和硬件的诊断功能强, 在系统出现故障时,能快速准确地定位。另外, ??榛0迳系男藕庞由细衾氪胧?,保证发生 故障时故障不会打散,这可使故障定位变得容易。

5.2 .2 单片微型计算机
单片微型计算机简称为单片机,它是将CPU、 RAM、ROM和I/O接口集成在一块芯片上.同时 还具有定时/计数.通信和中断等功能的微型计 算机。 单片机以其体积小、功能齐全、价格低等 优点,越来越被广泛地应用于机电一体化产品中。 特别是在数字通信产品、智能化家用电器和智能 仪器领域,单片机以其几元到几十元人民币的价 格优势独霸天下。由于单片机的数据处理能力和 接口限制,在大型工业控制系统中,它一般只能 辅助中央计算机系统测试一些信号的数据信息和 完成单一量控制。

l.MCS-48单片机系列

主要特点: (1) 8位CPU,工作频率为l~6 MHz。 (2) 64 B R/X,M数据存储器,1 KB程序存储器。 (3) 5 V电源,40引脚双列直插式封装。 (4) 6 MHz工作频率时机器周期为2 5 PS,所有指 令的执行为1~2个机器周期。 (5) 有96条指令,其中大部分为单字节指令。 (6) 8字节堆栈,单级中断,两个中断源。 (7) 两个工作寄存器区。 (8) 一个8位定时/计数器。

2. MCS-51单片机系列 主要特点: (1)8位CPU,工作频率为1~12 MHz。 (2)128 B RAM数据存储器4 KB ROM程序存储 器 (3) 5 V电源,40引脚般列直插式封装。 (4) 12 MHz 工作频率时机器周期为1us,所有指 令的执行为l~4个机器周期。 (5)外部可扩展64 KB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1 6位定时/计数器,1个全双工串行通 (9) H4组8位I/O口。

3 .MCS-96单片机系列 主要特点: (1) 16位CPU,工作频率为6~12 MHz。 (2) 232BRAM数据存储器,8KBROM程序存储器。 (3) 有48和68两种引脚,多种封装形式。 (4) 高速l/O接口,能测量和产生高分辨牢的脉冲。 (5)外部可分别扩展64KB数据存储器和程序存储器。 (6) 可编程8级优先中断,21个中断源。 (7) 脉宽调制输出,提供一组能改变脉宽的可编程脉 宽信。 (8) 两个16位定时/计数器,4个16位软件定时器。

(9) 5组8位I/O口。 (10) 10位A/D转换器,接收4路或8路的模拟量输入。 (11) 6.25 us的16位乘16位和32位除]6位指令。 (12) 运行时可对EPROM编程,ROM/EPROM的内容可加密。 (13) 全双工串行通信口及专门的波特率发生器。

5.2.3 可编程序控制器(PC)
在制造业的自动化生产线上,各道工序都是按预定的 时间和条件顺序执行的,对这种自动化生产线进行控制的 装置称为顺序控制器。以往顺序控制器主要是由继电器组 成的,改变生产线的工序、执行次序或条件时需改变硬件 连线。随着大规模集成电路和微处理器在顺序控制器中的 应用,顺序控制器开始采用类似微型计算机的通用结构, 把程序存储于存储器中,用软件实现开关量的逻辑运算、 延时等过去用继电器完成的功能。形成了可编程序逻辑控 制器PLC。现在它已经发展成除了具有顺序控制功能外, 还具有数据处理、故障自诊断、PID运算、联网等能力的 多功能拄制器。因此,现已把它们统称为可编程序控制器 PC。

1.PC机的组成原理 (1) CPU (2) 存储器 (3) 接口???①数字量I/O???②模拟量I/O???。 ③专用和智能接口???④编程器 ⑤外部设蔷

2.PC的性能特点 (1)存储器 (2)数字量输人/输出端子 (3)计数器和定时器 (4)标志(软继电器) (5)平均扫描时间 (6)诊断 (7)通信接口 (8)编程语言

除上述特性外,高性能的PC还具有下列特性: (1)数据传送和矩阵处理功能 (2)PID调节功能 (3)远程I/O功能 (4)图形显示功能 (5)冗余控制 (6)网络功能

3 .PC的结构特点 PC的结构分成单元式和??槭搅街?。 (1)单元式 特点是结构紧凑、体积小、成本低、安装方便。 它将所有的电路都装在一个机箱内,构成一个整 体。为了实现输人/输出点数的灵活配置和易于 扩展,通常都有不同点数的基本单元和扩展单元, 其中某些单元为全输入和全输出型。 (2)???在机架上按需要插入CPU、电源、I/O??榧?各种特殊功能???,构成一个综合控制系统。

5. 2.4总线工控机
总线工控机是目前工业领域应用相当广泛的 工业控制计算机,它具有丰富的过程输入/输出 接口功能、迅速响应的实时功能和环境适应能力。 总线工控机的可靠性较高,如STD总线工控机的 使用寿命达到数十年,平均故障间隔时问(MTBF) 超过上万小时,且故障修复时间(MTTR)较短。总 线工控机的标准化、模板式设计大大简化了设计 和维修难度,且系统配置的丰富的应用软件多以 结构化和组态软件形式提供给用户,使用户能够 在较短的时间内掌握并熟练应用。

l .STD总线工业控制机

STD总线最早是由美嗣的Pro-log公司在1978 年推出的,是目前国际上工业控制领域最流行的 标准总线之一,也是我国优先重点发展的工业标 准微机总线之一,它的正式标准为IEEE-961标准。 按STD总线设计的??槭郊扑慊低?,称为STD总 线控制机。

典型的STD总线工控机系统的构成 STD总线工业控制机采用开放式的系统结构, ??榛荢TD总线工业控制机设计思想中最突出 的特点,其系统组成没有固定的模式和标准机型, 而是提供大量的功能模板,用户根据需要,通过 对模板的品种和数量的选择与组合,即可配置成 适用于不同工业对象、不同生产规模的生产过程 的工业控。

下面分别介绍各种模板的特点 (1)数字量I/O模板(原理图) (2)模拟量I/O模板 (3)信号调理模板 (4)CPU模板 (5)存储器模板 (6)其他特殊功能模板

5.3计算机接口技术
5.3.1接口、通道及其功能
1.I/0接口电路 接口电路的主要作用如下: (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。

2 .I/O通道

I/O通道也称为过程通道。它是计算机和控 制对象之间信息传送和变换的连接通道,计算机 要实现对生产机械、生产过程的控制,就必须采 集现场控制别象的各种参量,这些参量分两类: 一类是模拟量,即时问上和数值上都连续变化的 物理量,如温度、压力、流量、速度、位移等; 另一类是数字量(或开关量),即时间上和数值上 都不连续的量,如表示开关闭合或断开两个状态 的开关量和按一定编码的数字量和串行脉冲列。

5.3.2 I/O信号的种类
l.数据信息 (1)数字量 (2)模拟量 (3)开关量 (4)脉冲量 2.状态信息 3.控制信息

5.3.3 计算机和外部的通信方式
计算机和外部交换信息又称为通信,按数据传 送方式可分为并行通信和串行通信。 1.并行通信 并行通信就是把传送数据的n位数用n条传输 线同时传送。其优点是传送速度快、信息率高, 并且通常只需提供两条控制和状态线,就能完成 CPU和接口及设备之间的协调和应答,实现异步 传输。它是计算机系统和计算机控制系统中经常 采用的通信方式。但是并行通信所需的传输线(通 常为电缆线)多,增加了成本,接线也较麻烦,因 此在长距离、多数值数据的传送中较少采用。

2. 串行通信

串行通信是指数据按位进行传送。在传输过程 中,每一位数据都占据一个固定的时问长度,一 位一位地串行传送和接收。 串行通信又分为: (1)全双工方式 (2)半双工方式 (3)同步方式 (4)异步方式

5.3.4 I/O控制方式
通常采用的I/O控制方式: (1)程序控制方式 ①无条件I/O方式(接口电路) ②查询式I/O方式(接口电路) (2)中断控制方式(接口电路) (3)直接存储器存取方式(DMA工作流程) 在进行微机控制系统设计时,可按不同要求 来选择各外围设备的控制方式。

5.3.5 I/O接口的编址方式
1. I/O接口独立编址方式 这种编制方式是将存储器地址空间和I/O接口 地址空间分开设立、互不影响,并设有专门的 输入指令和输出指令来完成I/O接口操作。 2. I/O接口与存储器统一编址方式 统一编址方式不区分存储器地址空间和I/O接 口地址空间,它把所有I/O接口的端口都当做存 储器的一个单元对待;每个接口芯片都安排一 个或几个与存储器地址统一编号的地址号;也 不设立专门的输入和输出指令,所有传送和访 问存储器的指令都可对I/O接口操作。



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