计算机控制技术-第3章b

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3.3工业控制计算机（IPC）个人多媒体电脑的外观键盘音箱鼠标主机升技TH7Ⅱ-RAIDP4主板配置图CD音频输入I/O控制芯片CNR插槽AGP插槽北桥芯片i8505个PCI插槽DIP开关主板电池BIOSFlash芯片南桥芯片ICH2RAID功能芯片前置USB插座板载声卡芯片前置面板插座主板自检状态软驱插座音频插座鼠标键盘插座USB接口串口并口ATX12V电源CPUSocket478主板辅助电源RIMMA1RIMMB1RIMMA2RIMMB2ATX电源IDE4插座IDE3插座IDE2插座IDE1插座1.耐高温2.防尘3.防震/防衝擊4.防EMI/EMS5.比较小維修時間(MTTR)6.產品生命週期長EMIVibrationDropESDSafetyTemperature/HumidityEFTCompatibility全面质量保证3.3.1IPC的基本特点传统全功能CPU卡PCI/ISA底板工控机主要硬件机箱3.3.2IPC的基本组成1．加固型的工业机箱2．工业电源3．一体化主板4．无源母板一体化主板与母板安装示意图母板、主板与机箱安装示意图工控机主机安装示意图5．其它部件3.3.3PCs的构成3.4智能仪器3.4.1智能仪器的组成智能仪器一般是指采用了微处理器（或单片机）的电子仪器。由智能仪器的基本组成可知，在物理结构上，微型计算机包含于电子仪器中，微处理器及其支持部件是智能仪器的一个组成部分；从计算机的角度来看，测试电路与键盘、通信接口及显示器等部件一样，可看作是计算机的一种外围设备。因此，智能仪器实际上是一个专用的微型计算机系统，它主要由硬件和软件两大部分组成。智能仪器的硬件部分主要包括主机电路、模拟量（或开关量）输入输出通道口电路、串行或并行数据通信接口等，其组成结构如图3-20所示。3.4.2智能仪器的功能1）人—机对话2）自动校正零点、满度和自动切换量程3）多点快速检测4）自动修正各类测量误差5）数字滤波6）数据处理7）各种控制规律8）多种输出形式9）自诊断和故障监控10）数据通信XMT3000A智能仪器外观和接线面板3.5可编程序逻辑控制器（PLC）PLC由中央处理器（CPU）、存储器、输入输出接口、智能接口模块和编程器构成，其结构如图3-22所示。3.5.2PLC的技术特点1）可靠性特别高、抗干扰能力强，能适应各种恶劣的工业环境2）编程简单，易学、易懂3）采用模块化结构，系统组成灵活方便4）安装调试简单方便3.5.3计算机与PLC的连接方式个人计算机与PLC的联网一般有两种形式：一种是点对点方式。即一台计算机的COM接口与PLC的异步通信端口之间直接用电缆相连，连接方式如图3-23所示。另一种是多点结构。即一台计算机与多台PLC通过一条通信总线相连接。以计算机为主站，PLC为从站，进行主从式通信，连接方式如图3-24所示。3.6执行机构在计算机控制系统中，必须将经过采集、转换、处理的被控参量（或状态）与给定值（或事先安排好的动作顺序）进行比较，然后根据偏差来控制有关输出部件，达到自动调节被控量（或状态）的目的。例如，在机床加工工业中，经常控制马达的正反转及其转速，以完成进刀、退刀及走刀的任务。在雷达天线位置跟踪系统中，需要控制伺服阀油缸的位置。在各种温湿度控制系统中，经常需要控制阀门的开闭和开度，以控制液体和气体的流量。在机器人控制系统中，经常要控制各关节上伺服电机的转动方向和速度。在程控交换系统和配料过程控制系统中，经常要控制继电器、接触器，以满足各种动作的需要等等。所有这些伺服电机、马达、阀门、继电器、接触器等输出部件，统称为执行机构，也称为执行装置或执行器。执行机构的作用是接收计算机发出的控制信号，并把它转换成调整机构的动作，使生产过程按照预先规定的要求正常进行。3.6.1执行机构的种类执行机构有各种各样的形式，按所需能量的形式可分为气动执行机构、电动执行机构和液压执行机构。常用的执行机构为气动和电动的。1．气动执行机构以压缩空气为动力的执行机构称为气动执行机构。气动执行机构主要分为薄膜式与活塞式两大类。薄膜式执行机构应用最广。由于气动执行机构结构简单、价格低，输出推力大，防火防爆，动作可靠，维修方便，适用于防火、防爆场合，因此被广泛应用在化工、炼油生产中，在冶金、电力、纺织等工业部门也得到大量使用。气动执行机构与计算机的连接极为方便，只要将电量信号经电气转换器转换成标准的气压信号之后，即可与气动执行机构配套使用。2．电动执行机构电动执行机构是工程上应用最多、使用最方便的一种执行器，特点是体积小、种类多、使用方便。1）电磁式继电器它是一种由小电流的通断控制大电流通断的常用开关控制器件，主要由线圈、铁芯、衔铁和触点等部件组成。继电器的触点是与线圈分开的，通过控制继电器线圈上的电流可以使继电器上的触点开关闭合或断开，从而使外部高电压或大电流与微型机隔开。2）固态继电器简称SSR（SolidStateRelay），它利用电子技术实现了控制回路与负载回路之间的电隔离和信号耦合，而且没有任何可动部件或触点，却能实现电磁继电器的功能，故称为固态继电器。它实际上是一种带光电耦合器的无触点开关。由于固态继电器输入控制电流小，输出无触点，所以与电磁式继电器相比，具有体积小、重量轻、无机械噪声、无抖动和回跳、开关速度快、工作可靠、寿命长等优点，因此，在微机控制系统中得到了广泛的应用，大有取代电磁继电器之势。3）大功率场效应管由于场效应管输入阻抗高，关断漏电流小，响应速度快，而且与同功率继电器相比，体积较小，价格便宜，所以在开关量输出控制中也常作为开关元件使用。大功率场效管包括控制栅极G、漏极D、源极S。对于NPN型场效应管来讲，当G为高电平时，源极与漏极导通，允许电流通过，否则场效应管关断。4）晶闸管又称可控硅（SiliconControlledRectifier，简称SCR），是一种大功率的半导体器件，具有体积小、效率高、寿命长，用小功率控制大功率、开关无触点等特点，在交直流电机调速系统、调功系统、随动系统中应用广泛。单向晶闸管具有单向导电功能，在控制系统中多用于直流大电流场合，也可在交流系统中用于大功率整流回路。双向晶闸管也叫三端双向可控硅，在结构上相当于两个单向晶闸管的反向并联，但共享一个控制极，具有双向导通功能，因此特别适用于交流大电流场合。5）电磁阀电磁阀是在气体或液体流动的管路中受电磁力控制开闭的阀体。广泛应用于液压机械、空调系统、热水器、自动机床等系统中。它由线圈、固定铁芯、可动铁芯和阀体等组成。当线圈不通电时，可动铁芯受弹簧作用与固定铁芯脱离，阀门处于关闭状态；当线圈通电时，可动铁芯克服弹簧力的作用而与固定铁芯吸合，阀门处于打开状态。这样，就控制了液体和气体的流动。再通过流动的液体或气体推动油缸或汽缸来实现物体的机械运动。6）调节阀它是用电动机带动执行机构连续动作以控制开度大小的阀门，又称为电动阀。调节阀由于电动机行程可完成直线行程也可完成旋转的角度行程，所以可以带动直线移动的调节阀如直通单座阀、直通双座阀、三通阀、隔膜阀、角形阀等，也可以带动叶片旋转阀芯的蝶形阀。根据流体力学的观点，调节阀是一个局部阻力可变的节流元件。通过改变阀心的行程可改变调节阀的阻力系数，从而达到控制流量的目的。7）伺服电机伺服电机也称为执行电动机，是控制系统中应用十分广泛的一类执行元件。它可以将输入的电压信号变换为轴上的角位移和角速度输出。在信号来到之前，转子静止不动；信号来到之后，转子立即转动；信号消失之后，转子又能即时自行停转。由于这种“伺服”性能，因而将这种控制性能较好、功率不大的电动机称做伺服电动机。8）步进电机步进电机是工业过程控制和仪器仪表中重要的控制元件之一，它是一种将电脉冲信号转换为直线位移或角位移的执行器。步进电机按其运动方式可分为旋转式步进电机和直线式步进电机，前者每输入一个电脉冲转换成一定的角位移，后者每输入一个电脉冲转换成一定的直线位移。由此可见，步进电机的工作速度与电脉冲频率成正比，基本上不受电压、负载及环境条件变化的影响，与一般电机相比能够提供较高精度的位移和速度控制。此外，步进电机还有快速启停的显著特点，并能直接接收来自计算机的数字信号，而不需经过D/A转换，使用十分方便，所以在定位场合中得到了广泛的应用。如在数控线切割机床上用于带动丝杠，控制工作台运动；在绘图仪、打印机、光学仪器中用于定位绘图笔、打印头、光学镜头等。步进电机控制器步进电机驱动器步进电机3.6.2执行机构的驱动就接口技术而言，执行装置的接口与一般输出设备的接口没什么两样，主要差别在于，要想驱动它们，必须具有较大的输出功率，这就要求接口不仅能与微型机的TTL、CMOS等器件连接，而且能向执行装置提供大电流、高电压驱动信号，以带动其动作。另一方面，由于各种执行装置的动作原理不尽相同，有的用电动，有的用气动或液压，因此如何使微型机输出的信号与之匹配，也是执行装置接口必须解决的重要问题。在各种执行装置的接口中，为了实现与执行装置的功率配合，一般都要在微机输出口（包括数据总线及I/O接口）与执行装置之间增加一级驱动器。1．继电器的驱动控制方法2．固态继电器的驱动控制方法3．晶闸管的驱动控制方法4．电磁阀的驱动控制方法5．步进电机的驱动控制方法