第二章控制计算机与输入输出通道精选文档.ppt

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1、第二章控制计算机与输入输出通道本讲稿第一页，共三十八页第第 2 2 章章 控制计算机与输入输出控制计算机与输入输出通道通道本章主要教学内容本章主要教学内容 2.1 计算机控制技术计算机控制技术2.2 常用的控制计算机常用的控制计算机2.3 模拟量输入通道模拟量输入通道2.4 模拟量输出通道模拟量输出通道2.5 数字量输入输出通道数字量输入输出通道本讲稿第二页，共三十八页2.1 计算机控制技术计算机控制技术2.1.1 工业控制技术的发展工业控制技术的发展流体控制技术流体控制技术测量元件：就地式气动仪表测量元件：就地式气动仪表执行元件：气动或液压元件。如气缸、气泵、执行元件：气动或液压元件。如气缸

2、、气泵、液压缸、液压泵、液压马达等液压缸、液压泵、液压马达等电气电子技术电气电子技术气动、电动单元组合式仪表和集中控制室：主要是气动、电动单元组合式仪表和集中控制室：主要是基于基于4-20mA电流信号的仪表和控制系统电流信号的仪表和控制系统计算机控制技术计算机控制技术基于微处理器的自动控制技术。计算机控制技术和系统已基于微处理器的自动控制技术。计算机控制技术和系统已成为整个企业自动化的核心基础，不仅用于生产的自动化成为整个企业自动化的核心基础，不仅用于生产的自动化监控，也是上层管理信息系统的数据源和基础核心模块。监控，也是上层管理信息系统的数据源和基础核心模块。本讲稿第三页，共三十八页2.1.

3、2 工业控制自动化的层次工业控制自动化的层次管理自动化管理自动化过程自动化过程自动化基础自动化基础自动化工业过程综合自动化系统工业过程综合自动化系统将生将生产过程的生产工艺技术、设备运产过程的生产工艺技术、设备运行技术、和生产过程管理技术集行技术、和生产过程管理技术集成起来，实现生产过程的优化控成起来，实现生产过程的优化控制、优化运行和优化管理，从而制、优化运行和优化管理，从而保证与产品质量、成本及相关的保证与产品质量、成本及相关的综合生产指标优化。综合生产指标优化。本讲稿第四页，共三十八页2.1.3 计算机控制技术在企业自动化中的作用计算机控制技术在企业自动化中的作用流程工业流程工业过程控制

4、技术是将与产品的质量、产量、成本过程控制技术是将与产品的质量、产量、成本相关的经济技术指标自动转化为流程工业生产相关的经济技术指标自动转化为流程工业生产过程各工序自动控制的系统参数，从而保证达过程各工序自动控制的系统参数，从而保证达到产品的微观组织和最终性能的高技术。以到产品的微观组织和最终性能的高技术。以PLC和工控机为主。和工控机为主。难点：很多过程中的非线性特性难点：很多过程中的非线性特性离散工业离散工业离散工业自动化的主要特征是计算机集成制造系统，离散工业自动化的主要特征是计算机集成制造系统，即即CIMS。它将信息技术、现代管理技术与先进。它将信息技术、现代管理技术与先进设计制造技术相

5、结合，应用于企业产品生命全设计制造技术相结合，应用于企业产品生命全周期。离散工业企业的生产现场底层的核心控周期。离散工业企业的生产现场底层的核心控制器通常是专用的。制器通常是专用的。本讲稿第五页，共三十八页2.2 常用的控制计算机常用的控制计算机现在常见的生产控制系统中的计算机控制系统内现在常见的生产控制系统中的计算机控制系统内的核心控制器分别为的核心控制器分别为 通用工业控制计算机通用工业控制计算机工业工业PC或或IPC （Industrial Personal Computer）DCS工控机工控机“现场工作站现场工作站”PLC 嵌入式工控机嵌入式工控机本讲稿第六页，共三十八页2.2.1 基

6、于基于PC的控制器的控制器 专用的、使用于工业环境的工业专用的、使用于工业环境的工业PC，成为实现，成为实现低成本工业自动化的重要途径。低成本工业自动化的重要途径。PC总线标准总线标准 XT线（线（PC总线）：总线）：62线，线，16位，数据传输率位，数据传输率 2.38Mbps ISA(AT)总线：对总线：对XT总线的扩充，总线的扩充，98线，线，16 位，寻址空间位，寻址空间16MB，数据传输率，数据传输率16Mbps EISA 总线：对总线：对ISA总线的扩充，总线的扩充，32位，位，98+98 线，数据传输率线，数据传输率32Mbps 本讲稿第七页，共三十八页 VESA总线总线：局部：

7、局部总线标总线标准，是准，是ISA总线总线的的扩扩展，适展，适应应多多媒体技媒体技术术，数据交，数据交换换由由CPU总线总线直接直接进进行，行，运行速度运行速度为为66MHz66MHz或更高，最大数据或更高，最大数据传输传输率率为为132132Mbps。PCI总线：总线：在在CPU和外设间插入协调数据传输的管理层，和外设间插入协调数据传输的管理层，提供一致的总线接口，形成了开放的局部总线标准，而提供一致的总线接口，形成了开放的局部总线标准，而不依赖于不依赖于CPU芯片。工作频率芯片。工作频率33MHz，PCI总线的数据总线的数据宽度为宽度为32位和位和64两种，数据传输率分别为两种，数据传输率

8、分别为133Mbps和和266Mbps，PCI Express数据传输率可以达到数据传输率可以达到8Gbps。本讲稿第八页，共三十八页 ISA 总线工控机总线工控机 PCI 总线工控机总线工控机 PC104 总线工控机：总线与总线工控机：总线与ISA兼容的基础上缩小模板兼容的基础上缩小模板尺寸，降低功耗，满足嵌入式系统的要求。有尺寸，降低功耗，满足嵌入式系统的要求。有104条信号条信号线，模板尺寸为线，模板尺寸为3.6 in3.8 in(90mm96mm)，可以层可以层叠。叠。Compact PCI工控机：工控机：PCI总线欧式插卡结构。总线欧式插卡结构。1 基于基于PC总线的工业控制机常见类

9、型总线的工业控制机常见类型本讲稿第九页，共三十八页2 Compact PCI（Peripheral Component Interconnect）工控机及）工控机及其变形机，如其变形机，如AT96总线工控机等。总线工控机等。由于基础自动化和过程自动化对工业由于基础自动化和过程自动化对工业PC的运行稳定的运行稳定性、热插拔和冗余配置要求很高，现有的性、热插拔和冗余配置要求很高，现有的IPC已经不能已经不能完全满足要求，将逐渐退出该领域，取而代之的将是完全满足要求，将逐渐退出该领域，取而代之的将是Compact PCI-based工控机，而工控机，而IPC将占据管理自动将占据管理自动化层。化层。1

10、990s末期末期，以以Compact PCI总线工控机总线工控机为核心的第为核心的第三代工控机技术占主导地位。三代工控机技术占主导地位。本讲稿第十页，共三十八页 开放性、良好的散热性、高稳定性、高可靠性及可热开放性、良好的散热性、高稳定性、高可靠性及可热插拔等，非常适合于工业现场和信息产业基础设备的应用，插拔等，非常适合于工业现场和信息产业基础设备的应用，被众多业内人士认为是继被众多业内人士认为是继STD和和IPC之后的第三代工控机的之后的第三代工控机的技术标准。技术标准。Compact PCI的特点的特点本讲稿第十一页，共三十八页2.2.2 基于基于PLC的控制系统的控制系统可编程序逻辑控制

11、器可编程序逻辑控制器（Programmable LogicController，PLC），最早于），最早于1969年问世，是一种年问世，是一种专为工业环境应用而设计的微机系统。专为工业环境应用而设计的微机系统。PLC用可编程序的存储器来存储用户的指令，用可编程序的存储器来存储用户的指令，通过数字或模拟的输入输出完成确定的逻辑、顺序、通过数字或模拟的输入输出完成确定的逻辑、顺序、定时、记数和运算等功能。定时、记数和运算等功能。PLC可按照逻辑条件和时序进行顺序动作，或连可按照逻辑条件和时序进行顺序动作，或连锁保护动作的控制，离散量的数据采集监视，已发展锁保护动作的控制，离散量的数据采集监视，已发

12、展成取代成取代继电器继电器线路和以进行线路和以进行顺序控制顺序控制为主的产品。为主的产品。本讲稿第十二页，共三十八页2.2.3 嵌入式控制技术和系统嵌入式控制技术和系统 一般指非一般指非PC系统，有计算机功能但又不能称之为计系统，有计算机功能但又不能称之为计算机的设备或器材，面向特定应用。常见的有：算机的设备或器材，面向特定应用。常见的有：1 PC/104总线工控机总线工控机 基于基于PC/104总线的微型计算机，可以嵌入到设备、总线的微型计算机，可以嵌入到设备、仪器之中，故得名。仪器之中，故得名。2 单片机单片机 即单片机微型计算机，又称为微控制器。它将计算即单片机微型计算机，又称为微控制器

13、。它将计算机主机（机主机（CPI、内存和、内存和I/O接口）集成在一小块硅片上接口）集成在一小块硅片上的计算机。为工业测控而设计。的计算机。为工业测控而设计。本讲稿第十三页，共三十八页3 ARM嵌入式单片机嵌入式单片机 由于嵌入式工控机的存储量有限，所以在嵌入式工控机中由于嵌入式工控机的存储量有限，所以在嵌入式工控机中普遍使用实时多任务操作系统（普遍使用实时多任务操作系统（Real Timer Operating System，RTOS），常见的软件有：），常见的软件有：Unix、Linus、PSOS、VxWorks、Window CE、iRMX386和和Lynx OS等。等。本讲稿第十四页，

14、共三十八页2.2.4 计算机控制技术在我国的发展和应用计算机控制技术在我国的发展和应用1 工业控制计算机工业控制计算机IPC在中国的发展大致经过三个在中国的发展大致经过三个第一阶段第一阶段：从：从1980s-1990s初，以国外品牌为主，初，以国外品牌为主，第二阶段第二阶段：1991-1996年，台湾生产的价格适中的年，台湾生产的价格适中的IPC工控机开始大量进入大陆市场，这在很大工控机开始大量进入大陆市场，这在很大程度上加速了程度上加速了IPC市场的发展，其应用也从传市场的发展，其应用也从传统工业控制向数据通信、电信、电力等对可靠统工业控制向数据通信、电信、电力等对可靠性要求较高的行业延伸性

15、要求较高的行业延伸价格昂贵价格昂贵阶段阶段本讲稿第十五页，共三十八页第三阶段第三阶段：从：从1997年开始，大陆本土的年开始，大陆本土的IPC厂商进入厂商进入该市场，促使该市场，促使IPC的价格不断降低，使工的价格不断降低，使工控机的应用水平和应用行业发生极大变化。控机的应用水平和应用行业发生极大变化。目前中国目前中国IPC工控机的大小品牌约有工控机的大小品牌约有15个个左右，主要有研华、凌华、研祥、深圳艾左右，主要有研华、凌华、研祥、深圳艾雷斯和华北工控等。后来又出现了个人计雷斯和华北工控等。后来又出现了个人计算机（算机（PC）+单回路可编程序控制器组合单回路可编程序控制器组合的计算机控制系

16、统的计算机控制系统本讲稿第十六页，共三十八页2 PLCPLC直到直到1980s初才为中国技术人员所熟悉。国内的行业初才为中国技术人员所熟悉。国内的行业比较萧条，在我国未形成制造产业。比较萧条，在我国未形成制造产业。PLC的市场潜力是十的市场潜力是十分巨大的，需要应用分巨大的，需要应用PLC的场合很多。例如，从技术创新的场合很多。例如，从技术创新角度看，我国大中型企业还要大力发展角度看，我国大中型企业还要大力发展CIMS，在机械制，在机械制造厂要形成柔性制造系统（造厂要形成柔性制造系统（Flexible Manufactory System，FMS），而），而PLC是基础。是基础。本讲稿第十七页

17、，共三十八页3 分布式控制系统分布式控制系统DCS从从1970s中后期起，首先由大型进口化工设备成套中引入中后期起，首先由大型进口化工设备成套中引入国外的国外的DCS，后来一段时间，我国主要行业（如电力、石，后来一段时间，我国主要行业（如电力、石化、建材和冶金等）的化、建材和冶金等）的DCS基本全部进口。基本全部进口。1990s，国，国产化研制技术攻关取得实质性进展。目前产品技术水平产化研制技术攻关取得实质性进展。目前产品技术水平已达到或接近国际先进水平。已达到或接近国际先进水平。目前国内目前国内DCS中的现场控制器采用的还是第二代中的现场控制器采用的还是第二代IPC工工控机产品。现在已开始用

18、新一代控机产品。现在已开始用新一代Compact PCI总线总线和和PXI总线工控机总线工控机替代。替代。本讲稿第十八页，共三十八页2.3 模拟量输入通道模拟量输入通道2.3.1 模拟量输入通道的功能模拟量输入通道的功能 把表征被控对象运动状态的模拟信号（温度、压力、把表征被控对象运动状态的模拟信号（温度、压力、流量、液位、位移、速度等）转换为计算机可以接受的流量、液位、位移、速度等）转换为计算机可以接受的数字信号，送入计算机，以便进行数字化处理。数字信号，送入计算机，以便进行数字化处理。本讲稿第十九页，共三十八页2.3.2 模拟量输入通道的组成与结构模拟量输入通道的组成与结构计计算算机机接口

19、电接口电路路 采样保采样保持器持器 前置放前置放大器大器 A/D转转换器换器多多路路模模拟拟开开关关 前置滤前置滤波器波器 信号变换信号变换器器被被控控对对象象控制电路控制电路 前置滤前置滤波波 信号变换信号变换器器信号变换器信号变换器把非电模拟信号转变为电信号把非电模拟信号转变为电信号前置滤波器前置滤波器滤除输入模拟信号中可能混有的高频干扰滤除输入模拟信号中可能混有的高频干扰本讲稿第二十页，共三十八页多路模拟开关多路模拟开关在计算机控制系统中，往往是十几路或在计算机控制系统中，往往是十几路或几十路模拟信号共用一只几十路模拟信号共用一只A/D转换器，转换器，可以降低通道及系统的成本，提高可以降

20、低通道及系统的成本，提高A/D转换器的利用率。多路模拟开关轮流切转换器的利用率。多路模拟开关轮流切换各路信号。常用的芯片是换各路信号。常用的芯片是CD4051.前置放大器前置放大器与一般测量系统中的放大器相比，在与一般测量系统中的放大器相比，在高增益、高稳定性、极强共模抑制比高增益、高稳定性、极强共模抑制比等方面的性能要求，没有什么差别。等方面的性能要求，没有什么差别。不同的是，希望放大器的增益，可由不同的是，希望放大器的增益，可由计算机通过编程来设置或改变，以适计算机通过编程来设置或改变，以适应各路信号变化范围的要求。应各路信号变化范围的要求。本讲稿第二十一页，共三十八页采样保持器采样保持器

21、对模拟信号进行采样并保持其值对模拟信号进行采样并保持其值A/D转换器转换器它是模拟量输入通道的核心环节，必不可少。其作它是模拟量输入通道的核心环节，必不可少。其作用是把来自被控对象的模拟量，转换为计算机所要用是把来自被控对象的模拟量，转换为计算机所要求的数字量求的数字量.常用的芯片有常用的芯片有8位的位的ADC0809及及12位的位的AD574.接口和控制电接口和控制电路路它是计算机与模拟量输入通道之间的连接电路，它是计算机与模拟量输入通道之间的连接电路，其作用可归结为：启动其作用可归结为：启动A/D转换，并将转换结转换，并将转换结果送计算机果送计算机 A/D通道的隔离通道的隔离电路电路可采用

22、光电耦合器件，隔断输入通道与被控可采用光电耦合器件，隔断输入通道与被控对象之间因公共信号传输线引入的干扰对象之间因公共信号传输线引入的干扰本讲稿第二十二页，共三十八页 可变增益放大器可变增益放大器本讲稿第二十三页，共三十八页 采样采样-保持器保持器常用的采样常用的采样-保持器有保持器有AD582、AD583、LF198/398等。等。本讲稿第二十四页，共三十八页 A/D转换器转换器（1）逐位逼近式）逐位逼近式A/D转换器转换器（2）双积分型）双积分型A/D转换器转换器（3）型型A/D转换器转换器本讲稿第二十五页，共三十八页 ADC0809及其接口电路及其接口电路本讲稿第二十六页，共三十八页2.

23、4 模拟量输出通道模拟量输出通道1 模拟量输出通道所要完成的功能模拟量输出通道所要完成的功能 把计算机输出的数字控制信号，转换为模拟电压把计算机输出的数字控制信号，转换为模拟电压或或电流信号，作用在相应的模拟执行器上，从而实或或电流信号，作用在相应的模拟执行器上，从而实现对被控对象的控制。现对被控对象的控制。2 模拟量输出通道的组成与结构模拟量输出通道的组成与结构计计 算算 机机寄存器寄存器D/A转换器转换器后置滤波器后置滤波器多多 路路 模模 拟拟 开开 关关接口接口控制控制电路电路输出输出1输出输出2输出输出3本讲稿第二十七页，共三十八页D/A转换器转换器是模拟输出通道中的核心部件，必不可

24、少。常用的是模拟输出通道中的核心部件，必不可少。常用的芯片有芯片有8位的位的DAC0832及及12位的位的DAC1210零阶保持器零阶保持器D/A转换器具有数据输入锁存功能，其输出模拟量转换器具有数据输入锁存功能，其输出模拟量能在一个采样周期内保持不变，即具有零阶保持器能在一个采样周期内保持不变，即具有零阶保持器的功能。的功能。零阶保持零阶保持作用的实质，就是在两次输作用的实质，就是在两次输出模拟量之间进行插值，使时间轴上的离散信号，出模拟量之间进行插值，使时间轴上的离散信号，变为时间轴上的连续信号。它是数字信号重构为模变为时间轴上的连续信号。它是数字信号重构为模拟信号的重要步骤。拟信号的重要

25、步骤。后置滤波器后置滤波器对对D/A转换及零阶保持环节输出的信号，进行转换及零阶保持环节输出的信号，进行滤波平滑处理，以得到真正的模拟信号。它是滤波平滑处理，以得到真正的模拟信号。它是数字信号数字信号重构重构为模拟信号的重要步骤。为模拟信号的重要步骤。本讲稿第二十八页，共三十八页多路模拟开关多路模拟开关其作用与模拟量输入通道中的多路模拟开关的作用其作用与模拟量输入通道中的多路模拟开关的作用正好相反。由于正好相反。由于CD4051芯片是可以双向工作的，芯片是可以双向工作的，因此也可以用在模拟量输出通道中。因此也可以用在模拟量输出通道中。接口控制电路接口控制电路它具有控制数字信号的输出、它具有控制

26、数字信号的输出、D/A转换的启停、多转换的启停、多路模拟开关的切换等功能。路模拟开关的切换等功能。D/A通道的隔通道的隔离电路离电路由于由于D/A通道的输出直接与被控对象相连，很容易通道的输出直接与被控对象相连，很容易引入干扰，必须采取相应的措施，来抑制干扰对输引入干扰，必须采取相应的措施，来抑制干扰对输出信号的影响。通常可采用光电耦合器件出信号的影响。通常可采用光电耦合器件本讲稿第二十九页，共三十八页 D/A转换器工作原理图转换器工作原理图本讲稿第三十页，共三十八页 ADC0832与与CPU的接口电路的接口电路本讲稿第三十一页，共三十八页2.5 数字量输入输出通道数字量输入输出通道 工业控制

27、计算机用于生产过程的自动控制，需要处工业控制计算机用于生产过程的自动控制，需要处理一些最基本的输入输出信号，即理一些最基本的输入输出信号，即数字量数字量（开关量开关量）信）信号，包括开关的闭合与断开、指示灯的亮与灭、继电器号，包括开关的闭合与断开、指示灯的亮与灭、继电器或接触器的吸合与释放、电动机的启动与停止、阀门的或接触器的吸合与释放、电动机的启动与停止、阀门的打开与关闭等。经过一定的电路将打开与关闭等。经过一定的电路将“导通导通”和和“截止截止”两个状态，用二进制的逻辑两个状态，用二进制的逻辑“1”和和“0”代表。代表。本讲稿第三十二页，共三十八页2.5.1 光耦和器（隔离电路）光耦和器（

28、隔离电路）光耦和器能实现输入和输出之间的隔离。其优点是：光耦和器能实现输入和输出之间的隔离。其优点是：能有效抑制尖峰脉冲及各种噪声干扰，从而使传输能有效抑制尖峰脉冲及各种噪声干扰，从而使传输通道上的信噪比大大提高。通道上的信噪比大大提高。本讲稿第三十三页，共三十八页2.5.2 数字量输入通道数字量输入通道 输入缓输入缓冲器冲器输入调理输入调理电路电路地址译码器地址译码器来自生产过程来自生产过程PC总线总线2.5-1 数字量输入通道结构数字量输入通道结构 对生产过程进行控制时，往往要收集生产过程的对生产过程进行控制时，往往要收集生产过程的状态信息，根据状态信息，再给出控制量。因状态信息，根据状态

29、信息，再给出控制量。因此，此，可用可用74LS244三态门缓冲器三态门缓冲器取得状态信息。取得状态信息。本讲稿第三十四页，共三十八页 数字量（开关量）输入通道接收的状态信号可能数字量（开关量）输入通道接收的状态信号可能是电压、电流、开关的触点，容易引起瞬时高压、是电压、电流、开关的触点，容易引起瞬时高压、过电压、接触抖动现象，须经转换、保护、滤波、过电压、接触抖动现象，须经转换、保护、滤波、隔离等措施转换成计算机能够接收的逻辑电平信隔离等措施转换成计算机能够接收的逻辑电平信号。号。本讲稿第三十五页，共三十八页2.5.3 数字量输出通道数字量输出通道PC总线总线 输出锁输出锁存器存器地址译码器地

30、址译码器 输出驱输出驱动器动器去生产过程去生产过程2.5-2 数字量输出通道结构数字量输出通道结构 对生产过程进行控制时，一般控制状态需要保对生产过程进行控制时，一般控制状态需要保持，直到下次给出新值为止，这时候输出就需要持，直到下次给出新值为止，这时候输出就需要锁存。可用锁存。可用74LS273锁存器锁存器作作8位输出口，对输位输出口，对输出信号状态进行锁存。出信号状态进行锁存。本讲稿第三十六页，共三十八页（1）低电压开关量信号输出技术低电压开关量信号输出技术（2）继电器输出接口技术继电器输出接口技术（3）晶闸管输出接口技术晶闸管输出接口技术 常见的输出接口技术常见的输出接口技术本讲稿第三十

31、七页，共三十八页1 许勇主编许勇主编.计算机控制技术（第计算机控制技术（第1章）章）.机械工业出版社机械工业出版社.2008年年.2 赵邦信编著赵邦信编著.计算机控制技术（第计算机控制技术（第2章）章）.科学出版社科学出版社.2008年年.3 徐建军，闫丽梅主编徐建军，闫丽梅主编.计算机控制系统理论与应用（第计算机控制系统理论与应用（第 2章）章）.机械工业出版社机械工业出版社.2008年年4 李元春主编李元春主编.计算机控制系统（第计算机控制系统（第2章）章）.高等教育出版高等教育出版 社社.2009年年.参考教材参考教材5 李正军编著李正军编著.计算机控制系统计算机控制系统.机械工业出版社机械工业出版社.2009年年.本讲稿第三十八页，共三十八页