第3章a(jisuanjikongzhi)

计算机控制技术李江全编著石河子大学机电学院电气工程教研室2007年4月第3章计算机控制系统中的硬件3.1传感器3.2数据采集卡3.3工业控制计算机（IPC）3.4智能仪器3.5可编程序逻辑控制器（PLC）3.6执行机构3.1传感器3.1.1传感器的地位现代信息技术的三大支柱是信息的采集、传输和处理技术，即传感技术、通信技术和计算机技术，它们分别构成了信息技术系统的“感官”、“神经”和“大脑”。信息采集系统的首要部件是传感器，且置于系统的最前端。在一个现代测控系统中，如果没有传感器，就无法监测与控制表征生产过程中各个环节的各种参量，也就无法实现自动控制。传感器是现代测控技术的基础。3.1.2传感器的含义传感器是一种将各种被测非电量以一定的精度按一定规律转换成与之有确定对应关系的某种可用信号输出的另一种物理量的测量装置或元件。按照传感器的定义，传感器实际上是一种能量转换器，有时也叫做变换器、换能器或探测器等。传感器一般由敏感元件、转换元件和测量电路三部分组成，有时还需要加上辅助电源，可用图3-1所示的框图来表示。3.1.3常用的传感器1．电阻式传感器它的基本原理都是将被测非电量的变化转换成电阻的变化量。在物理学中已阐明导电材料的电阻不仅与材料的类型、几何尺寸有关，还与温度、湿度和变形等因素有关。物理学同样指出过，不同导电材料，对同一非电物理量的敏感程度不同，甚至差别很大。因此，利用某种导电材料的电阻对某一非电物理量具有较强的敏感特性，就可制成测量该物理量的电阻式传感器。常用的电阻传感器有电位器式、电阻应变式、热敏电阻、气敏电阻、光敏电阻、湿敏电阻等。利用电阻传感器可以测量应变、力、位移、荷重、加速度、压力、转矩、温度、湿度、气体成分及浓度等。下图是电阻应变式荷重传感器的示意图。2．电容式传感器电容式传感器是以各种类型的电容器作为敏感元件，将被测物理量的变化转换为电容量的变化，再由测量电路转换为电压、电流或频率的变化，以达到检测的目的。因此，凡是能引起电容量变化的有关非电量，均可用电容式传感器进行电测变换。根据变换原理的不同，电容式传感器有变极距型、变面积型、变介质型三种。它不仅能测量荷重、位移、振动、角度、加速度等机械量，还能测量压力、液面、料面、成分含量等热工量。图3-3是电容式差压变送器的示意图。3．电感式传感器电感式传感器是利用线圈自感或互感系数的变化来实现非电量电测的一种装置。电感式传感器一般分为自感式和互感式两大类。人们习惯上讲电感式传感器通常指自感式传感器，而互感式传感器由于是利用变压器原理，又往往做成差动式，故常称为差动变压器式传感器。利用电感式传感器能对位移、压力、振动、应变、流量等参数进行测量。4．压电式传感器压电式传感器是利用某些电介质材料具有压电效应现象制成的。有些电介质材料在一定方向上受到外力（压力或拉力）作用而变形时，在其表面上产生电荷；外力去掉后，又回到不带电状态，这种将机械能转换成电能的现象，称为正压电效应，简称压电效应。压电传感器主要用来测量力、加速度、振动等非电物理量。5．光电式传感器光电式传感器是将光信号转化为电信号的一种传感器。它的理论基础是光电效应。这类效应大致可分为三类。第一类是外光电效应，即在光照射下，能使电子逸出物体表面。利用这种效应所做成的器件有真空光电管、光电倍增管等；第二类是内光电效应，即在光线照射下，能使物质的电阻率改变。这类器件包括各类半导体光敏电阻；第三类是光生伏特效应，即在光线作用下，物体内产生电动势的现象，此电动势称为光生电动势。这类器件包括光电池、光电晶体管等。光电耦合器是由一个发光元件和一个光电元件同时封装在一个外壳内组合而成的光电转换元件。它实际上是一个电隔离转换器，具有单向信号传输功能，抗干扰能力强，在控制电路中，经常用于电路隔离、电平转换、噪声抑制等场合。光电开关是一种利用感光元件对变化的入射光加以接收，并进行光电转换，同时加以某种形式的放大和控制，从而获得最终的控制输出“开”、“关”信号的器件，如图3-4所示。光电开关广泛应用于工业控制、自动化包装线及安全装置中作为光控制和光探测装置。可在自动控制系统中用作物体检测、产品计数、料位检测、尺寸控制、安全报警及计算机输入接口等。6．热电式传感器热电偶传感器的测温原理是热电效应，即把两种不同金属导体接成闭合回路，如果两接点温度不同，则在回路中就会产生热电势，这种由于温度不同而产生电动势的现象，称为热电效应。热电阻传感器测温基于热电阻现象，即导体或半导体的电阻率随温度的变化而变化的现象。利用物质的这一特性制成的温度传感器有金属热电阻传感器（简称热电阻）和半导体热电阻传感器（简称热敏电阻）。一般而言，前者温度升高，电阻值变大；后者温度升高，电阻值变小。7．数字式传感器机电控制系统对检测技术提出了数字化、高精度、高效率和高可靠性等一系列要求。数字式传感器能满足这种要求。它具有很高的测量精度，易于实现系统的快速化、自动化和数字化，易于与微处理机配合，组成数控系统，在机械工业的生产、自动测量以及机电控制系统中得到广泛的应用。常用的数字式传感器有码盘式、光栅式、磁栅式和感应同步器等。3.2数据采集卡3.2.1数据采集卡的产生为了满足IBM-PC机及其兼容机用于数据采集与控制的需要，国内外许多厂商生产了各种各样的数据采集板卡（或I/O板卡）。这类板卡均参照IBM-PC机的总线技术标准设计和生产，用户只要把这类板卡插入IBM-PC机主板上相应的I/O扩展槽中，就可以迅速方便地构成一个数据采集与处理系统，从而大大节省了硬件的研制时间和投资，又可以充分利用IBM-PC机的软硬件资源，还可以使用户集中精力对数据采集与处理中的理论和方法进行研究、进行系统设计以及程序的编制等。3.2.2数据采集卡的种类基于PC总线的板卡种类很多，其分类方法也有很多种。按照板卡处理信号的不同可以分为模拟量输入板卡(A/D卡)、模拟量输出板卡(D/A卡)、开关量输入板卡、开关量输出板卡、脉冲量输入板卡、多功能板卡等。其中多功能板卡可以集成多个功能，如数字量输入/输出板卡将模拟量输入和数字量输入/输出集成在同一张卡上。根据总线的不同，可分为PCI板卡和ISA板卡。还有其它一些专用I/O板卡，如虚拟存储板（电子盘）、信号调理板、专用（接线）端子板等，这些种类齐全、性能良好的I/O板卡与IPC配合使用，使系统的构成十分容易。值得一提的是智能接口板卡图PCI-5121智能CAN接口卡3.2.3常用的数据采集卡1．模拟量输入卡（A/D卡）在工业测控系统中，输入信号往往是模拟量，这就需要一个装置把模拟量转换成数字量，各种A/D芯片就是用来完成此类转换的。在实际的计算机测控系统中，不是以A/D芯片为基本单元，而是制成商品化的A/D板卡。模拟量输入板卡根据使用的A/D转换芯片和总线结构不同，性能有很大的区别。板卡通常有单端输入、差分输人以及两种方式组合输入三种。板卡内部通常设置一定的采样缓冲器，对采样数据进行缓冲处理，缓冲器的大小也是板卡的性能指标之一。在抗干扰方面，A/D板卡通常采取光电隔离技术，实现信号的隔离。板卡模拟信号采集的精度和速度指标通常由板卡所采用的A/D转换芯片决定。例如，下图所示为研华PCI-1713模拟量输入卡。该板卡具有32路单端或16路差分模拟量输入，或组合输入方式，12位A/D转换分辨率，A/D转换器的采样速率可达100kHz，每个输入通道的增益可编程，卡上有4K采样FIFO缓冲器，2500VDC隔离保护，支持软件、内部定时器触发或外部触发。2．模拟量输出卡（D/A卡）计算机内部处理采用的是数字量，而执行机构采用的是模拟量。计算机通过D/A板卡将数字量转化为模拟量，从而通过控制执行机构的动作去控制生产工艺过程。D/A转换板卡同样依据其采用的D/A转换芯片的不同，转换性能指标有很大的差别。例如，下图所示为研华PCI-1720U模拟量输出卡。该板卡具有四路12位D/A输出通道，多种输出范围。由于能够在输出和PCI总线之间提供2500VDC的隔离保护，PCI-1720非常适合需要高电压保护的工业场合。3．数字量输入/输出卡（I/O卡）计算机测控系统通过数字量输入板卡采集工业生产过程的离散输入信号，并通过数字量输出板卡对生产过程或控制设备进行开关式控制（二位式控制）。将数字量输入和数字量输出功能集成在一块板卡上，就称为数字量输入/输出板卡，简称I/O板卡。例如，下图所示为研华PCI-1730数字量输入/输出卡，它提供了16路数字量输入和16路数字量输出，高输出驱动能力和中断能力，具有2500VDC高电压隔离I/O通道。4．脉冲量输入/输出板卡工业控制现场有许多高速的脉冲信号，如旋转编码器、流量检测信号等，这些都要用脉冲量输入板卡或一些专用测量模块进行测量。脉冲量输入/输出板卡可以实现脉冲数字量的输出和采集，并可以通过跳线器选择计数、定时、测频等不同工作方式，计算机可以通过该板卡方便地读取脉冲计数值，也可测量脉冲的频率或产生一定频率的脉冲。考虑到现场强电的干扰，该类型板卡多采用光电隔离技术，使计算机与现场信号之间全部隔离，来提高板卡测量的抗干扰能力。例如，下图所示的研华PCI-1780U计数器/定时器卡，是基于PCI总线设计的接口卡。该卡使用了AM9513芯片，能够通过CPLD实现计数器/定时器功能。此外，该卡还提供8个16位计数器通道，并具有8通道可编程时钟资源，8路TTL数字量输出/8路TTL数字量输入，最高输入频率达20MHz，有多种时钟可以选择，可编程计数器输出，同时有计数器门选通功能。3.2.4远程I/O模块远程I/O模块又称为牛顿模块，为近年来比较流行的一种I/O方式，它安装在工业现场，就地完成A/D、D/A转换、I/O操作及脉冲量的计数、累计等操作。远程I/O以通讯方式和计算机交换信息，通讯接口一般采用RS-485总线，通讯协议与模块的生产厂家有关，但都是采用面向字符的通讯协议。