11机电一体化技术讲稿

复习执行元件执行元件的种类和特点电气式液压式气压式其他对执行元件的基本要求4点电气式动力用电动机控制用电动机步进电机直流伺服电机交流伺服电机本次课的任务机电一体化中的计算机机电一体化中的计算机与通用的计算机之间有何区别？什么样的计算机在机电一体化中应用？单片机工控机PLC特点和应用第四章微机的控制系统及接口(3)从运行环境来看，通用微型机在实验室环境使用，而机电一体化系统中的计算机一般要运行在生产现场，其运行环境要恶劣得多。4.1：概述计算机的特点是具有存储记忆功能和极强的信息处理能力，它与检测传感装置相结合，能根据给定的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。增强了机电一体化系统的功能，提高了机电一体化系统的柔性和可靠性，使机电一体化系统具有了一定的智能。机电一体化系统中使用的计算机跟通用微型机的区别：(1)从信息输入和输出看，它的输入信号和输出信号的处理要比通用微型机复杂得多，因为输入机电一体化系统中计算机的大量数据来自各种类型的传感器、开关和按钮等，输出信号还要送到分布在各处的执行机构上去。(2)从数据在计算机内的运行来看，机电一体化系统中计算机的运算数据要简单得多，通常只有逻辑运算和简单的数学运算；而通用微型机常用于复杂的科学计算和管理，其数据运算和处理要复杂得多。机电一体化系统中的计算机必须具备下列特征；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，耐环境能力强。满足这些要求的计算机主要有单片机、工业控制机和可编程控制器等。4.2单片机(4.12)单片机一、单片机的结构特点1、在系统结构上采用哈佛型（程序存储与数据存储分离）；2、极强的布尔处理能力（位寻址功能，算术和逻辑运算）；3、具有较齐全的输入输出接口及实时中断功能（并行、串行、定时／计数；A/D或D／A）。4、配有实时控制的特殊电路但是，存储容量很小，在系统内部，缺乏监控程序或管理软件。二、常用单片机及其性能典型常用的单片机有：1、Intel公司的MCS－51、MCS－96、MCS－48系列；2、Philips公司的51系列；3、Motorola公司的MC68HC05系列；4、Zilog公司的Z8系列；三、单片机的系统扩展扩展的方法可以用单片机专用的扩展芯片，也可用其它8位CPU的外围芯片来扩展。1．ROM的扩展程序存储器的扩展通常用EPROM或EEPR0M芯片。使用一片扩展时，ROM的片选信号可直接接片选电平，而使用多片ROM芯片扩展时，可用线选法或地址译码法接片选信号。常用的EPROM芯片有2716(2KB)、2732(4KB)、2764(8KB)、27128(16KB)、27256(32KB)、27512(64KB)。由于单片机是用P0口分时输出低8位地址和数据，所以为了把地址信息分离出来保存，为外部存储器提供低8位地址信息，一般须外加地址锁存器，如74LS373。2．RAM的扩展单片机内部具有128B的RAM(8052等有256B)，它们可作为工作寄存器、堆栈和数据缓冲器等，CPU对内部RAM有丰富的操作指令，因此应充分利用这些资源。但在有些应用系统中，片内RAM不够用，需扩展RAM容量。最常用的是静态随机存储器6116(2KB)和6264(8KB)。3．并行I／O口的扩展MCS一51系列单片机虽然有四个I／O口，但真正供用户使用的只有P1口和部分P3口。如果单片机不需扩展的话，四个口均可供用户使用。供作扩展I／O口的芯片有：通用的I／O接口芯片和TTL、CMOS类的锁存器、缓冲器等。扩展并行I／0口的方法有总线扩展法和串行口扩展法：总线扩展法就是把扩展的I／O口引脚直接与单片机的总线相连，选片信号与片外RAM统一编址；串行口扩展法就是单片机串行口工作于方式0状态下提供的I／O扩展功能，把单片机串行输入／输出的8位数据，转换为与CPU并行输入／输出。四、单片机的应用按照单片机的特点，单片机的应用可分为单机应用和多机应用。1．单机应用在一个应用系统中，只使用一个单片机，这是目前应用最多的方式。单机应用的主要领域有：(1)智能产品(2)智能仪表(3)测控系统(4)数控系统控制器(5)智能接口2．多机应用单片机的多机应用系统可分为弥散系统、并行多机处理系统以及局部网络系统。(1)多机弥散系统－－满足外围功能要求；任意环节上设置单片机子系统；(2)并行多机控制系统－－解决快速性要求；(3)局部网络系统－－分布式控制；4.3工业控制计算机工业控制计算机(简称工控机)是在工业环境中使用的以电子计算机为核心的测量和控制系统。它的作用是处理来自检测与传感装置的输入信息，并把处理结果输出到执行机构，从而控制生产过程，同时可对生产过程进行监督和管理。一、总线式工控机的结构和特点总线式工控机是依赖某种标准总线，按工业化标准设计，由包括主机在内的各种I/O接口功能模块而组成的计算机。其典型结构如图所示。特点是：取消了计算机系统母板；采用开放式总线结构；各种I/O功能模板可直接插在总线槽上；选用工业化电源；可按控制系统的要求配置相应的模板；便于实现最小系统。二、STD总线概述STD总线(Standard—Bus)是一个通用工业控制的8位微型机总线，它定义了8位微处理器总线标准，可容纳各种8位通用微处理器。16位微处理器出现后，为了仍能使用STD总线，采用周期窃取和总线复用技术来扩充数据线和地址线。所以，STD总线是8位／16位兼容的总线，可容纳的16位微处理器。为了能和32位微处理器兼容，近年来又定义了STD32总线标准，与原来的8位总线的I/O模板兼容。STD总线是56条信号的并行底扳总线，共分5个功能组。分别是：逻辑电源线：6根，引脚1—6；数据总线；8根双向，引脚7—14；地址总线；16根，引脚15—30；控制总线：22根，引脚31—52；辅助电源线：4根，引脚53—56。STD总线主要引脚说明:(1)两组电源线这些电源线分别为模拟电路和数字电路提供电源。l和2号脚为+5V，3和4脚为+5V的地。5和6脚为负电源线，为某些动态RAM使用。当5脚作为后备电池供电时，需要有切断能力，以免发生冲突，而6脚可作为直流电源掉电信号，用以指示vcc低于规定的操作极限。(2)数据总线数据总线D0—D7为双向、三态、高电平有效。所有的功能板不使用数据总线时都应释放总线成高阻状态。数据总线可分时复用而成为地址总线。(3)地址总线地址总线A0—A15为三态、高电平有效。用于存储器和I/O接口的译码，由存储器请求和外设请求来区分两种操作。同样，部分地址总线也可分时复用而成为扩展的数据总线。(4)控制总线控制总线可分为5个部分，即存储器和I/O控制，外设定时，时钟和复位，中断和总线控制，串行优先级链。三、STD总线工业控制计算机STD总线工业控制计算机是由某种型号CPU芯片构成的主机板和按要求配置的I/O功能模板共同插在带有总线板的机箱内，再配上相应的电源而组成。1、Z80系列Z80系列STD总线工控机的基本系统硬件组成如下：①CPU板(z80CPU或6418CPU，EPROMRAM，定时器，中断控制器等)；②存储板(64KB，带后备电池)：③人一机接口(单色／彩色图形汉字显示／PLC键盘或LED显示小键盘)；④系统支持板；两级watchdog,电源掉电检测，总线匹配，日历时钟和SRAM(带电池)；⑤软件配置可采用z80汇编语言，扩展BASIC语言等。2、单片机系列8位的MCS一51和16位MCS一96系列3、8088系列8088／8086系列的CPU或NEC的V20／V40系列CPU四、STD总线工控机的功能模块随着STD总线工控机在工业中的广泛应用，各类功能模板开发也日益扩大化，目前STD模板的型号己达上千种。除一些特殊用途的功能模板外，STD模板大致可分为以下几类：1．人—机接口模扳主要有显示系统、键盘接口、打印接口、汉字库系统等模扳。2．输入／输出接口模板这类模板包括：开关量I/O板；大功率晶闸管控制板；各种A/D、D/A板；模拟信号处理板；计数定时器模板等等。3．串行通信接口和工业局域网络功能模板这是为工控机之间，系统之间的联系、信号交换而研制的，如RS232、RS422接口板，构成工业局域网络的网络控制模板等。4.4可编程逻辑控制器(PLC)4.4.1定义？（）早期可编程序控制器名称较为混乱，有的称为“可编程序逻辑控制器”(ProgrammableLogicController，简称PLC)，有的称为“可编程序顺序控制器”(ProgrammableSequenceController，简称PSC)或“顺序控制器”(SequenceController,简称SC)等。1980年美国电器制造商协会NEMA将它正式命名为“可编程序控制器”(ProgrammableController)，简称PC，这一名称和简称已为国际电工委员会(IEC)在可编程序控制器国际标准草案(1987年)中所确认，以后均用此名。国际电工委员会(IEC)1987年在可编程序控制器国际标准草案中对可编程序控制器的意义作了如下规定：可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用于其内部存贮程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。4.4.2可编程序控制器的分类及其在工业自动化中的应用1、可编程序控制器的分类(1)按容量分类按容量分类。PLC的容量主要是指PLC的输入／输出(I／O)点数。一般来说，处理的I／O点数越多，控制关系会越复杂，用户要求的程序存储器容量也就越大，要求PLC指令及其他功能也就较多，指令执行的速度也要求较快等。功能与容量有一定关联。按照PLC的输入／输出点数，可将PLC分为四种：微型－I／O总点数少于64点；小型－I／O总点数在64点及以上，256点以下；中型－I／O总点数在256点及以上，2048点以下；大型－I／O总点数在2048点及以上；PLC的划分并无严格的界限，各厂家也存在不同的看法。PLC的输入、输出点数可按需要进行灵活配置。不同类型PLC的指令及功能也是在不断的发展之中。2、可编程序控制器在工业自动化中的应用现代工业生产是复杂多样的，对控制的要求也各不相同。有几类情况：第一类：开关量顺序逻辑控制。如机械工业中的各种自动生产线、自动加工机床、机械手，冲压、铸造机械等；冶金行业中的高炉上料系统、轧机、连铸机、飞剪等，化工系统中的各种泵、电磁阀、自动机等；轻工业中的注塑机械，包装机械，食品机械，以及日常生活中的电梯控制等。第二类：模拟量控制。如各种生产过程控制中对温度、压力、流量等连续变化的模拟量进行的控制。早年用模拟仪表来实现。第三类：要求数据采集、分析和处理功能。在一些较大型系统和生产过程自动控制系统中要求具有数据采集、数学运算和数据处理功能。如各种算术运算、函数运算、逻辑运算、数据传送、转换、排序和查表、位操作等功能。这些系统中有的控制关系复杂、模型复杂性高、计算量大且较难；有的速度要求快、实时性要求较高；有的控制要求较简单。究竟采用什么控制设备，可视具体情况而定。3、可编程序控制器的特点(1)可靠性高。首要条件。PLC在硬件和软件上采取了一系列抗干扰措施，使它可以直接安装于工业现场而稳定可靠地工作。(2)适应性强，应用灵活。由于PLC产品均成系列化生产，品种齐全，多数采用模块式的硬件结构，组合和扩展方便，可满足系统大小不同及功能繁简各异的控制系统要求。另外，PLC用程序代替了继电器控制中的硬接线，其控制功能是通过软件来完成的，当控制要求改变时只要修改程序即可