《机电一体化技术基础》教案.pdf

《《机电一体化技术基础》教案.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《机电一体化技术基础》教案.pdf（47页珍藏版）》请在得力文库 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、20202021 学年第 1 学期20202021 学年第 1 学期教案教案教师姓名：教师姓名：任课班级:1715、1716课程名称：机电一体化技术基础教材名称：机电一体化技术基础周课时数：6 课时/周任课班级:1715、1716课程名称：机电一体化技术基础教材名称：机电一体化技术基础周课时数：6 课时/周教案教案课题序号授课时间212 课时授课班级授课形式1715、1716讲授、练习无锡机电高等职业技术学校授课章节名称学习任务一了解计算机控制系统教学目标掌握计算机控制系统的组成和计算机在控制中的应用方式教学重点计算机控制系统的组成教学难点计算机在控制中的应用方式更新、补充、删节内容课外作业无

2、。2 条教学后记授授 课课 主主 要要 内内 容容 或或 板板 书书 设设 计计无锡机电高等职业技术学校学习任务一学习任务一了解计算机控制系统了解计算机控制系统计算机控制系统的组成计算机控制系统的组成将模拟式自动控制系统中的控制器的功能用计算机来实现，将模拟式自动控制系统中的控制器的功能用计算机来实现，就组成了就组成了一个典型的计算机控制系统，一个典型的计算机控制系统，计算机硬件的主要组成：计算机硬件的主要组成：由中央处理器、时钟电路、内存储器构成的计算机主机是组成计由中央处理器、时钟电路、内存储器构成的计算机主机是组成计算机控制系统的核心部件，算机控制系统的核心部件，操作台是人机对话的联系纽

3、带，操作台是人机对话的联系纽带，操作人员可通过操作台向计操作人员可通过操作台向计算机输入和修改控制参数，算机输入和修改控制参数，发出各种操作命令；发出各种操作命令；通用外围设备主要是为了扩大计算机主机的功能而配置的。通用外围设备主要是为了扩大计算机主机的功能而配置的。接口与接口与 通道是计算机主机与外部连接的桥梁，通道是计算机主机与外部连接的桥梁，常用的常用的 接口有并行接口和串行接口。接口有并行接口和串行接口。传感器的主要功能是将被检测的非电学量参数转变成电学量，传感器的主要功能是将被检测的非电学量参数转变成电学量，如热电偶把温度变成电压信号，如热电偶把温度变成电压信号，压力传感器把压力变成

4、电信号等。压力传感器把压力变成电信号等。计算机软件计算机软件系统软件。系统软件。应用软件。应用软件。计算机在控制中的应用方式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，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，可以把计算机控制系统划分为四类，它们是：它们是：操作指导控制系统，操作指导控制系统，直接数字控制系统，直接数字控制系统，监督计算机控制系统监督计算机控制系统和分级计算机控制系统。和分级计算机控制系统。教学程序教学内容无锡机电高等职业技术学校教学手段与方法导入新授在控制系统中引入计算机，可以充分利用计算机的运算、多媒体逻辑判断和记忆等功能完成多种控制任务。在系

5、统中，由于计讲解算机只能处理数字信号，因而给定值和反馈量要先经过转换器将其转换为数字量，才能输入计算机。学习任务一了解计算机控制系统计算机控制系统的组成：将模拟式自动控制系统中的控制器的功能用计算机来实现，就组成了一个典型的计算机控制系统，如图 所示。因此，简单地说，计算机控制系统就是采用计算机来实现的工业自动控制系统。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 运算），计算结

6、果（数字信号）再经过 转换器，将数字信号转换成模拟控制信号输出到多媒体执行机构，便完成了对系统的控制作用。讲解典型的机电一体化控制系统结构可用图 来示意，它可分为硬件和软件两大部分。硬件是指计算机本身及其外围设备，一般包括中央处理器、内存储器、磁盘驱动器、各种接口电路、以 转换和 转换为核心的模拟量 通道、数字量 通道以及各种显示、记录设备、运行操作台等。计算机硬件的主要组成：由中央处理器、时钟电路、内存储器构成的计算机主机是组成计算机控制系统的核心部件，主要进行数据采集、数据处理、逻辑判断、控制量计算、越限报警等，通过接口电路向系统发出各种控制命令，指挥全系统有条不紊地协调工作。操作台是人机

7、对话的联系纽带，操作人员可通过操作台向计算机输入和修改控制参数，发出各种操作命令；计算机可向操作人员显示系统运行状况，发出报警信号。操作台一般包括各种控制开关、数字键、功能键、指示灯、声讯器、数字显示器或 显示器等。通用外围设备主要是为了扩大计算机主机的功能而配置的。它们用来显示、存储、打印、记录各种数据。常用的有打印机、记录仪、图形显示器（）、软盘、硬盘及外存储器等。接口与 通道是计算机主机与外部无锡机电高等职业技术学校连接的桥梁，常用的 接口有并行接口和串行接口。通道有模拟量 通道和数字量 通道。其中模拟量 通道的作用是，一方面将经由传感器得到的工业对象的生产过程参数变换成二进制代码传送给

8、计算机；另一方面将计算机输出的数字控制量变换为控制操作执行机构的模拟信号，以实现对生产过程的控制。数字量通道的作用是，除完成编码数字输入 输出外，还可将各种继电器、限位开关等的状态通过输入接口传送给计算机，或将计算机发出的开关动作逻辑信号经由输出接口传送给生产机械中的各个电子开关或电磁开关。传感器的主要功能是将被检测的非电学量参数转变成电学量，如热电偶把温度变成电压信号，压力传感器把压力变成电信号等。变送器的作用是将传感器得到的电信号转变成适用于计算机接口使用的标准的电信号（如）。此外，为了控制生产过程，还需有执行机构。常用的执行机构有各种电动、液动、气动开关，电液伺服阀，交、直流电动机，步进

9、电动机等。计算机软件软件是指计算机控制系统中具有各种功能的计算机程序的总和，如完成操作、监控、管理、控制、计算和自诊断等功能的程序。整个系统在软件指挥下协调工作。从功能区分，软件可分为系统软件和应用软件。系统软件。系统软件是由计算机的制造厂商提供的，用来管理计算机本身的资源和方便用户使用计算机的软件。常用的有操作系统、开发系统等，它们一般不需用户自行设计编程，只需掌握使用方法或根据实际需要加以适当改造即可。应用软件。应用软件是用户根据要解决的控制问题而编写的各种程序，比如各种数据采集、滤波程序，控制量计算程序，生产过程监控程序等。通常是由用户或者用户委托专业人员根据需要自行编制的。在计算机控制

10、系统中，软件和硬件不是独立存在的，在设计时必须注意两者相互间的有机配合和协调，只有这样才能研制出满足生产要求的高质量的控制系统。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级计算机控制系统。操作指导控制系统如图 所示，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的。计算机只是对生产过程的参数进行采集，然后根据一定的无锡机电高等职业技术学校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，操作人员根据计算机的输出信息去改变调节器的设定值，或者根据计算机输出的控制量执行

11、相应的操作。操作指导控制系统的优点是结构简单，控制灵活安全，特别适用于未摸清控制规律的系统，常常被用于计算机控制系统研制的初级阶段，或用于试验新的数学模型和调试新的控制程序等。由于最终需人工操作,故不适用于快速过程的控制。计算机操作指导控制系统应用如图 所示，为某数控机床加工工件示意图，操作人员根据被加工工件的尺寸设定好加工参数后，机床开始对工件进行加工。整个加工过程由机床控制器进行控制，加工完成后操作人员需要对工件进行尺寸的测量以便调整加工精度。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，其结构如图 所示。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

12、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。在 系统中的计算机参加闭环控制过程，它不仅能完全取代模拟调节器，实现多回路的（比例、积分、微分）调节，而且不需改变硬件，只需通过改变程序就能实现多种较复杂的控制规律，如串级控制、前馈控制、非线性控制、自适应控制、最优控制等。如图 所示液体混合控制系统，控制阀门和阀门 的打开及关断，当液体混合水箱中达到位置时，输入端收到 传感器信号，通过 内部程序，输出端导致阀门 和阀门 的关断，物料 和物料 停止流入。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，按照所设计的控制算法进行计

13、算，计算出最佳设定值直接传送给常规模拟调节器或者 计算机，最后由模拟调节器或 计算机控制生产过程。系统有两种类型，一种是模拟调节器，另一种是 控制系统。监督计算机控制系统构成示意图如图 所示。模拟调节器的控制系统。这种类型的系统中，计算机对各过程参量进行巡回检测，并按一定的数学模型对生产工况进行分析、计算后得出被控对象各参数的最优设定值送给调节器，使工况保持在最优状态。当 计算机发生故障时，可由模拟调节器独立执行控制任务。的控制系统。这是一种二级控制系统，可采用较高档的计算机，它与 之间通过接口进行信息交换。计算机完成工无锡机电高等职业技术学校小结作业段、车间等高一级的最优化分析和计算，然后给

14、出最优设定值，送给 计算机执行控制。通常在 系统中，选用具有较强计算能力的计算机，其主要任务是输入采样和计算设定值。由于它不参与频繁的输出控制，可有时间进行具有复杂规律的控制算式的计算。因此，能进行最优控制、自适应控制等，并能完成某些管理工作。系统的优点是不仅可进行复杂控制规律的控制，而且其工作可靠性较高，当 出现故障时，下级仍可继续执行控制任务。分级计算机控制系统生产过程中既存在控制问题，也存在大量的管理问题。同时，设备一般分布在不同的区域，其中各工序，各设备同时并行地工作，基本相互独立，故全系统是比较复杂的。这种系统的特点是功能分散，用多台计算机分别执行不同的控制功能，既能进行控制又能实现

15、管理。图 是一个四级计算机控制系统。其中过程控制级为最底层，对生产设备进行直接数字控制；车间管理级负责本车间各设备间的协调管理；工厂管理级负责全厂各车间生产协调，包括安排生产计划、备品备件等；企业（公司）管理级负责总的协调，安排总生产计划，进行企业（公司）经营方向的决策等。1、计算机控制系统的组成2、计算机硬件的主要组成 3、传感器的主要功能是将被检测的非电学量参数转变成电学量，如热电偶把温度变成电压信号，压力传感器把压力变成电信号等。4、计算机软件5、计算机在控制中的应用方式1、计算机控制系统的组成2、计算机在控制中的应用方式无锡机电高等职业技术学校教教案案课题序号授课时间授课章节名称222

16、 课时授课班级授课形式1715、1716讲授学习任务二学习计算机控制系统的接口教学目标掌握接口方式的分类及机电一体化系统对接口的要求教学重点接口方式的分类及教学难点机电一体化系统对接口的要求更新、补充、删节内容课外作业无。2 条教学后记无锡机电高等职业技术学校授授 课课 主主 要要 内内 容容 或或 板板 书书 设设 计计学习任务二学习任务二学习计算机控制系统的接口学习计算机控制系统的接口接口，接口，就是用于完成计算机主机系统与外部设备之间，就是用于完成计算机主机系统与外部设备之间，不同制式、不同类不同制式、不同类型的信息交换的设备。接口有通用和专用之分，型的信息交换的设备。接口有通用和专用之

17、分，外部信息的不同，外部信息的不同，所采用的接口方式也不同，所采用的接口方式也不同，一般可分为如下几种：一般可分为如下几种：人机通道及接口技术：检测通道及接口技术：控制通道及接口技术：系统间人机通道及接口技术：检测通道及接口技术：控制通道及接口技术：系统间通道及接口技术：通道及接口技术：机电一体化系统对接口的要求是：机电一体化系统对接口的要求是：能够输入有关的状态信息，能够输入有关的状态信息，并能够可靠并能够可靠地传送相应的控制信息；地传送相应的控制信息；能够进行信息转换，能够进行信息转换，以满足系统对输入与输出的以满足系统对输入与输出的要求；要求；具有较强的阻断干扰信号的能力，具有较强的阻断

18、干扰信号的能力，以提高系统工作的可靠性。以提高系统工作的可靠性。.并行、串行并行、串行 接口数据传送方式接口数据传送方式所谓所谓 接口也就是输入接口也就是输入 输出接口。根据信号传输方式的不同，输出接口。根据信号传输方式的不同，一一般可分为并行和串行两种方式。般可分为并行和串行两种方式。（）（）并行接口并行接口（）（）串行接口串行接口无锡机电高等职业技术学校教学程序导入新授教学内容机电一体化系统对接口的要求是：能够输入有关的状态信息，并能够可靠地传送相应的控制信息；能够进行信息转换，以满足系统对输入与输出的要求；具有较强的阻断干扰信号的能力，以提高系统工作的可靠性。学习任务二学习计算机控制系统

19、的接口图 是一种以 单片机为主控器，以 为核心，以气压、油压、温度、霍尔元件等传感器为主要外围元件的车用数字仪表（）的框图。该汽车仪表系统具有显示直观、准确，使用方便可靠等优点。从图 中可以看出，源自气压、油压等模拟传感器信号要传入计算机，必须经过一个型号为 的模 数接口才可以实现。这个 就是计算机接口的一种。接口，就是用于完成计算机主机系统与外部设备之间，不同制式、不同类型的信息交换的设备。接口有通用和专用之分，外部信息的不同，所采用的接口方式也不同，一般可分为如下几种。人机通道及接口技术：键盘接口技术、显示接口技术、打印接口技术、软磁盘接口技术等。检测通道及接口技术：转换接口技术，转换接口

20、技术等。控制通道及接口技术：转换接口技术，转换接口技术，光电隔离接口技术，开关接口技术等。系统间通道及接口技术：公用 区接口技术，串行口技术等。机电一体化系统对接口的要求是：能够输入有关的状态信息，并能够可靠地传送相应的控制信息；能够进行信息转换，以满足系统对输入与输出的要求；具有较强的阻断干扰信号的能力，以提高系统工作的可靠性。.并行、串行 接口数据传送方式所谓 接口也就是输入 输出接口。根据信号传输方式的不同，一般可分为并行和串行两种方式。（）并行接口并行接口中各位数据都是并行传送的，它通常是以字节（位）或字（位）为单位进行数据传输，指采用并行传输方式来传输数据的接口标准。从最简单的一个并

21、行数据寄存器或专用接口集成电路芯片如、等，一直至较复杂的 或 并行接口，种类有数十种。通常所说无锡机电高等职业技术学校教学手段与方法多媒体讲解多媒体讲解的并行接口一般称为 接口，也称 标准。由于数据并行传输，所以，相比串行接口，传输速度快，比较适合于短距离、高速数据传输的场合，实现更高速的双向无锡机电高等职业技术学校小结作业通信。当传输距离较远、位数又多时，并行接口就导致通信线路复杂且成本提高如图 所示的就是各类并行接口及并行电缆，传输的是数字量和开关量。（）串行接口串行接口是指数据一位位地顺序传送，其特点是通信线路简单，只要一对传输线就可以实现双向通信，并可以利用电话线，从而大大降低了成本，

22、特别适用于远距离通信，但传送速度较慢。一条信息的各位数据被逐位按顺序传送的通信方式称为串行通信。串行通信的特点是：数据位传送，按位顺序进行，最少只需一根传输线即可完成；成本低但传送速度慢。串行通信的距离可以从几米到几千米；根据信息的传送方向，串行通信可以进一步分为单工、半双工和全双工三种。串行接口按电气标准及协议来分包括、等。其中，与 标准只对接口的电气特性做出规定，不涉及接插件、电缆或协议。图 为 接口。.数 模（）转换和模 数（）转换接口（）数 模（）转换器 转换器是指将数字量转换成模拟量的电路，其主要作用是将计算机需要输出的数字量转换成电压，以便再转换成适合外围设备的模拟物理量。它由权电

23、阻网络、参考电压、电子开关等组成。如图 所示为 转换器的电路框图。如图 所示，三菱 中的模块可以进行 转换，如自来水供水系统中要根据用户水压，模块将外部压力传感器测得的压力经内部计算后转换成模拟量电压后传送给变频器，变频器控制的供水泵进行不同频率段的工作从而有效地供水。（）模 数（）转换接口 转换器是将外围设备转换的模拟电压，转换成数字量的器件，它的实现方法有多种，常用的有逐次逼近法、双积分法。图 所示为 转换器 的框图。如图 所示，模块同样也可以进行 转换，如货物码垛传输过程中，称重台传感器根据测得的质量经过 转换后，可以转换成相应的数字量，从而将货物运送到对应的码垛位置。1、接口方式不同的

24、分类 2、机电一体化系统对接口的要求 3、根据信号传输方式的不同的分类1、接口方式不同的分类 2、机电一体化系统对接口的要求无锡机电高等职业技术学校教教案案课题序号授课时间授课章节名称232 课时授课班级授课形式1715、1716讲授、练习学习任务三了解工业常用控制计算机教学目标掌握工控机与普通计算机的区别及常用工控机的使用教学重点工控机与普通计算机的区别教学难点常用工控机的使用更新、补充、删节内容课外作业无。2 条教学后记无锡机电高等职业技术学校授授 课课 主主 要要 内内 容容 或或 板板 书书 设设 计计学习任务三学习任务三了解工业常用控制计算机了解工业常用控制计算机1.1.工控机是一种

25、加固的增强型个人计算机，工控机是一种加固的增强型个人计算机，它可以作为一个工业控制器在它可以作为一个工业控制器在工业环境中可靠运行。工业环境中可靠运行。工业控制计算机是一种采用总线结构，工业控制计算机是一种采用总线结构，对生产过程及其机电设备、工艺装对生产过程及其机电设备、工艺装备进行检测与控制的设备总称，备进行检测与控制的设备总称，简称“工控机”简称“工控机”。包括计算机和过程输入、包括计算机和过程输入、输出通道两部分。输出通道两部分。它具有重要的计算机属性和特征，它具有重要的计算机属性和特征，2.2.工控机与普通计算机相比必须具有以下特点。工控机与普通计算机相比必须具有以下特点。机箱采用钢

26、结构，机箱采用钢结构，有较高的防磁、防尘、防冲击的能力。有较高的防磁、防尘、防冲击的能力。机箱内有专用底板，机箱内有专用底板，底板上有底板上有 和和 插槽。插槽。机箱内有专门电源，机箱内有专门电源，电源有较强的抗干扰能力。电源有较强的抗干扰能力。要求具有连续长时间工作能力。要求具有连续长时间工作能力。一般采用便于安装的标准机箱（一般采用便于安装的标准机箱（标准机箱较为常见）标准机箱较为常见）。.常用工业控制机简介常用工业控制机简介（）（）工业电脑工业电脑（）（）可编程序控制器可编程序控制器（）（）单片微计算机及嵌入式系统单片微计算机及嵌入式系统（）（）分散型控制系统（）分散型控制系统（）（）（

27、）数控系统（）数控系统（）.工业控制计算机的总线工业控制计算机的总线（）（）什么是总线什么是总线（）（）总线简述总线简述（）（）总线式工业控制机总线式工业控制机（）（）现场总线控制系统现场总线控制系统无锡机电高等职业技术学校教学程序导入新授教学内容早在 世纪 年代初期，美国 公司就推出了类似 的 工控机，随后美国 公司正式推出工业个人计算机。由于 的性能可靠、软件丰富、价格低廉，而在工控机中异军突起，后来居上，应用日趋广泛。现在国内品牌主要有研华、研祥 等。工业控制计算机是一种采用总线结构，对生产过程及其机电设备、工艺装备进行检测与控制的设备总称，简称“工控机”。学习任务三了解工业常用控制计算

28、机工控机是一种加固的增强型个人计算机，它可以作为一个工业控制器在工业环境中可靠运行。包括计算机和过程输入、输出通道两部分。它具有重要的计算机属性和特征，如：具有计算机、硬盘、内存、外设及接口、并有实时的操作系统、控制网络和协议、计算能力、友好的人机界面等。目前工控机的主要类别有：（总线工业电脑）、（可编程控制系统）、（分散型控制系统）、（现场总线系统）及（数控系统）五种。工控机通俗地说就是专门为工业现场而设计的计算机，而工业现场一般具有强烈的震动，灰尘特别多，另有很高的电磁场力干扰等特点，且一般工厂均是连续作业即一年中一般没有休息。因此，工控机与普通计算机相比必须具有以下特点。机箱采用钢结构，

29、有较高的防磁、防尘、防冲击的能力。机箱内有专用底板，底板上有 和 插槽。机箱内有专门电源，电源有较强的抗干扰能力。要求具有连续长时间工作能力。一般采用便于安装的标准机箱（标准机箱较为常见）。注：除了以上的特点外，其余基本相同。另外，由于以上的专业特点，同层次的工控机在价格上要比普通计算机偏贵，但一般不会相差太多。目前工控机的劣势：尽管工控机与普通的商用计算机相比，具有得天独厚的优势，但其劣势也是非常明显的数据处理能力差，具体为：配置硬盘容量小；数据安全性低；存储选择性小；价格较高。.常用工业控制机简介（）工业电脑（）即基于 总线的工业电脑，如图所示。无锡机电高等职业技术学校教学手段与方法多媒体

30、讲解多媒体讲解据年 统计目前 机已占到通用计算机的以上，因其价格低、质量高、产量大、软硬件资源丰富，已被广大的技术人员所熟悉和认可，这正是工业电脑热的基础。其主要的组成部分为工业机箱、无源底板及可插入其上的各种板卡组成，如 卡、卡等。并采取全钢机壳、机卡压条过滤网，双正压风扇等设计及（）技术以解决工业现场的电磁干扰、震动、灰尘、高 低温等问题。的特点：可靠性，工业 具有在粉尘、烟雾、高 低温、潮湿、震动、腐蚀条件下工作，快速诊断和可维护性，其（）一般为，万小时以上，而普通 的 仅为 小时。实时性，工业 对工业生产过程进行实时在线检测与控制，对工作状况的变化给予快速响应，及时进行采集和输出调节（

31、看门狗功能这是普通 所不具有的），遇险自复位，保证系统的正常运行。扩充性，工业由于采用底板 卡结构，因而具有很强的输入 输出功能，最多可扩充 个板卡，能与工业现场的各种外设、板卡，如与道控制器、视频监控系统、车辆检测仪等相连，以完成各种任务。兼容性，能同时利用 与 及 资源，并支持各种操作系统，多种汇编语言，多任务操作系统。（）可编程序控制器（，可编程序逻辑控制器）是一种数字运算操作的电子系统，是专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入输出控制各种类型的自动控制系统。自 世纪

32、年代由美国推出以取代传统继电器控制装置以来，得到了快速发展，在工业控制领域得到了广泛应用。图 所示为不同的 实物和 控制系统。图 是 应用于逻辑控制的简单事例。输入信号是由按钮开关、限位开关、继电器触点等提供的各种开关信号，通过接口进入，经 处理后产生控制信号，通过输出接口送给线圈、继电器、指示灯、电动机等输出装置。的特点如下：工作可靠：由于输入 输出采用了光电耦合技术，因此，具有很强的抗干扰能力，适合于工业现场控制。可与工业现场信号直接连接。积木式组合：尤其是模块式，除了电源模块和 模块之外，其他模块可以根据需要变化和增减，运用起来十分方便。无锡机电高等职业技术学校编程操作容易：由于 采用的

33、是脱胎于继电控制系统的梯形图编程，因此，只要具备常规的控制电路分析能力，在逻辑上就很容易掌握 的编程方式。易于安装及维修。（）单片微计算机及嵌入式系统单片微计算机是将、定时 计数、多功能 （并行、串行、）、通信控制器，甚至图形控制器、高级语言、操作系统等都集成在一块大规模集成电路芯片上。在单片机的技术基础上，将计算机控制系统直接“嵌入”系统控制板的嵌入式系统目前也是大行其道。嵌入式系统被定义为：以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。如图 所示。嵌入式系统涵盖了硬件和软件两个层面，建立在一个高性能的微处理器（相对于

34、单片机）的硬件基础上的，以一个成熟的实时多任务操作系统（）为软件平台。嵌入式系统软硬件是可裁减的，并具有软硬件一体化、低功耗、体积小、可靠性高、技术密集等特点。一个典型的嵌入式系统是由以下几个部分组成的：硬件平台、板级支持包（，）、实时操作系统（，）、应用程序。硬件平台主要包括嵌入式微处理器和控制所需要的相关外设，微处理器是嵌入式系统的硬件核心。嵌入式操作系统是嵌入式系统的灵魂，它大大提高了嵌入式系统开发的效率，减少了系统开发的工作量，而且操作系统使得应用程序具有了较好的可移植性。可以依托嵌入式处理器和操作系统为软硬件平台设计专门的工业控制器，使它作为现场的控制装置安放到设备层当中，与传统采用

35、的单片机控制方式相比，它具有处理能力强大、便于系统集成开发等优点；同时其软硬件可剪裁，因此与 相比具有更紧凑的结构和更低的价格。而且，嵌入式控制器上可嵌入各种通信接口，所以比 具有更强的系统适应性。此外，嵌入式控制器可以具有大容量的数据存储和、触摸屏接口，因此也可作为控制层的工作站，集中管理现场的各个控制节点。（）分散型控制系统（）英文全称，中文全称为分布式控制系统。它是一种高性能、高质量、低成本、配置灵活的分散控制系统系列产品，可以构成各种独立的控制系统、分散控制系统、监控和数据采集系统（），能满足各种工业领域对过程控制和信息管理的需求。系统的模块化设计、合理的软硬件功能配置和易于扩展的能无

36、锡机电高等职业技术学校力，能广泛用于各种大、中、小型电站的分散型控制、发电厂自动化系统的改造以及钢铁、石化、造纸、水泥等工业生产过程控制。（）数控系统（）英文全称，中文全称为计算机数字控制系统。它是采用微处理器或专用微机的数控系统，由事先存放在存储器里的系统程序（软件）来实现控制逻辑，实现部分或全部数控功能，并通过接口与外围设备进行连接，称为计算机数控，简称 系统。数控机床是以数控系统为代表的新技术对传统机械制造产业的渗透形成的机电一体化产品；其技术范围覆盖很多领域：机械制造技术，信息处理、加工、传输技术，自动控制技术，伺服驱动技术，传感器技术，软件技术等。.工业控制计算机的总线（）什么是总线

37、总线（）是计算机各种功能部件之间传送信息的公共通信干线，它是由导线组成的传输线束，按照计算机所传输的信息种类，计算机的总线可以划分为数据总线、地址总线和控制总线，分别用来传输数据、数据地址和控制信号。总线是一种内部结构，它是、内存、输入 输出设备传递信息的公用通道，主机的各个部件通过总线相连接，外部设备通过相应的接口电路再与总线相连接，从而形成了计算机硬件系统。微型计算机是以总线结构来连接各个功能部件的。总线是一类信号线的集合是模块间传输信息的公共通道，通过它，计算机各部件间可进行各种数据和命令的传送。为使不同供应商的产品间能够互换，给用户更多的选择，总线的技术规范要标准化。总线的标准制定要经

38、周密考虑，要有严格的规定。总线标准（技术规范）包括以下几部分。机械结构规范：模块尺寸、总线插头、总线接插件以及安装尺寸均有统一规定。功能规范：总线每条信号线（引脚的名称）、功能以及工作过程要有统一规定。电气规范：总线每条信号线的有效电平、动态转换时间、负载能力等。下面，就以 总线为例，简述工业控制总线的结构。（）总线简述机械结构规范：模块尺寸、总线插头、总线接插件以及安装尺寸均有统一规定。功能规范：总线每条信号线（引脚的名称）、功能以及工作过程要有统一规定。电气规范：总线每条信号线的有效电平、动态转换时间、负载能力等。下面，就以 总线为例，简述工业控制总线的结构。无锡机电高等职业技术学校（）总

39、线简述工业控制的总线协议种类很多，如：，等，分别适用于不同的控制要求和计算机。其中，总线是一个通用工业控制的 位微型机总线，它定义了位微处理器总线标准，可容纳各种 位通用微处理器。总线在 年最早由 公司作为工业标准发明的，由 制为规范，随后被批准为国际标准。作为 追加标准，支持多主（）系统，总线工控机是工业型计算机，总线的 位总线性能满足嵌入式和实时性应用要求，特别是它的小板尺寸、垂直放置无源背板的直插式结构、丰富的工业 模板、低成本、低功耗、扩展的温度范围、可靠性和良好的可维护性设计，使其在空间和功耗受到严格限制，可靠性要求较高的工业自动化领域得到了广泛应用。总线的主要技术特点如下：小板结构

40、，高度的模板化。严格的标准化，广泛的兼容性。面向 的设计，适合工业控制应用。高可靠性。总线工业控制机的功能模板主要有以下几种：人机接口模板。输入 输出接口模板。串行通信接口和工业局域网络功能模板。（）总线式工业控制机总线式工业控制机即是依赖于某种标准总线，按工业化标准设计，包括主机在内的各种 接口功能模板而组成的计算机，如图 所示。（）现场总线控制系统（）现场总线控制系统（简称）是 世纪 年代兴起的迅速得以应用的新型计算机控制系统，已广泛地应用在工业生产过程自动化领域，现场总线控制系统是利用现场总线将各智能现场设备，各级计算机和自动化设备互联，形成了一个数字式全分散双向串行传输，多分支结构和多

41、点通信的通信网络。现场总线控制总线结构如图 所示。顺便提一下，目前流行的计算机集成制造系统（简称），其概念是在 世纪 年代由美国人哈灵顿提出的，随着计算机和信息技术的发展最终得以实施。尽管目前 工程在企业的推广存在许多困难，但是它确实是企业真正走向现代化的方向。无锡机电高等职业技术学校小结作业1、工控机的定义2、工控机与普通计算机相比必须具有以下特点。3、常用工业控制机简介、工业控制计算机的总线1、工控机的定义2、工控机与普通计算机相比必须具有以下特点3 工业控制计算机的总线无锡机电高等职业技术学校教教案案课题序号授课时间授课章节名称242 课时授课班级授课形式1715、1716讲授学习任务一

42、认识可靠性教学目标掌握可靠性定义的三个规定及增强可靠性的主要措施教学重点可靠性定义的三个规定教学难点增强可靠性的主要措施更新、补充、删节内容课外作业无。2 条教学后记无锡机电高等职业技术学校授授 课课 主主 要要 内内 容容 或或 板板 书书 设设 计计学习任务一学习任务一认识可靠性认识可靠性.什么是可靠性什么是可靠性可靠性是指产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力。可靠性是指产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力。产品可靠性定义的要素是三个“规定”产品可靠性定义的要素是三个“规定”：“规定条件”“规定条件”“规定时间”“规定时间”“规“规定功能”定功能”。（）（）规定

43、条件规定条件（）（）规定时间规定时间（）（）规定功能规定功能产品在设计、应用过程中，产品在设计、应用过程中，不断经受自身、外界气候环境及机械环境的影不断经受自身、外界气候环境及机械环境的影响，响，为了能够正常工作，为了能够正常工作，这就需要以试验设备对其进行验证，这就需要以试验设备对其进行验证，这个验证这个验证基本分为研发试验、试产试验、量产抽检基本分为研发试验、试产试验、量产抽检 个部分。个部分。.增强可靠性的主要措施增强可靠性的主要措施机电设备的可靠性可用可靠度机电设备的可靠性可用可靠度 来表示，来表示，见式（）见式（）。由此可见，由此可见，为了提高整个机电一体化设备的可靠性，为了提高整个

44、机电一体化设备的可靠性，必须对其各组成部分必须对其各组成部分进行分析，进行分析，提高各组成部分的可靠性，提高各组成部分的可靠性，找出薄弱环节，找出薄弱环节，改善设计方法，改善设计方法，合合理配置结构，理配置结构，必要时对重要部分可以采用冗余设计。必要时对重要部分可以采用冗余设计。无锡机电高等职业技术学校教学程序导入新授教学手教学内容段与方法一般所说的“可靠性”指的是“可信赖的”或“可信多媒体任的”。对产品而言，可靠性越高就越好。可靠性高的产品，可讲解以长时间正常工作（这正是所有消费者需要得到的）；从专业术语上来说，就是产品的可靠性越高，产品可以无故障工作的时间就越长。为了对产品可靠性做出具体和

45、定量的判断，可将产品可靠性定义为在规定的条件下和规定的时间内，元器件（产品）、设备或者系统稳定完成功能的程度或性质。学习任务一认识可靠性.什么是可靠性因此，可靠性是指产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力。产品可靠性定义的要素是三个“规定”：“规定条件”“规定时间”“规定功能”。（）规定条件“规定条件”包括使用时的环境条件和工作条件；例如同一型号的汽车在高速公路和在崎岖的山路上行驶，其可靠性的多媒体表现就大不一样，要谈论产品的可靠性必须指明规定的条件是讲解什么。（）规定时间“规定时间”是指产品规定了的任务时间；随着产品任务时间的增加，产品出现故障的概率将增加，而产品的可靠性将是下降

46、的。因此，谈论产品的可靠性离不开规定的任务时间。（）规定功能“规定功能”是指产品规定了的必须具备的功能及其技术指标。所要求产品功能的多少和其技术指标的高低，直接影响到产品可靠性指标的高低。产品在设计、应用过程中，不断经受自身、外界气候环境及机械环境的影响，为了能够正常工作，这就需要以试验设备对其进行验证，这个验证基本分为研发试验、试产试验、量产抽检 个部分。产品实际使用的可靠性叫做工作可靠性。工作可靠性又可分为固有可靠性和使用可靠性。固有可靠性是产品设计制造者必须确立的可靠性，即按照可靠性规划，从原材料和零部件的选用，经过设计、制造、试验，直到产品出产的各个阶段所确立的可靠性。使用可靠性是指已

47、生产的产品，经过包装、运输、储存、安装、使用、维修等因素影响的可靠性。.增强可靠性的主要措施无锡机电高等职业技术学校机电设备的可靠性可用可靠度 来表示，见式（）。由此可见，为了提高整个机电一体化设备的可靠性，必须对其各组成部分进行分析，提高各组成部分的可靠性，找出薄弱环节，改善设计方法，合理配置结构，必要时对重要部分无锡机电高等职业技术学校无锡机电高等职业技术学校作业小结可以采用冗余设计。提高可靠性的措施可以有：对元器件加强筛选；使用容错法设计（使用冗余技术）；重要系统或器件备份；使用故障诊断技术等。机电一体化设备的可靠性还可通过提高机械运行精度、提高部件的加工精度、提高系统的控制精度等来获得

48、提高。可采用精密机械改造传统机械，电路控制部分可用（可编程控制）代替传统的继电器接触控制，或采用先进的（数字控制），（计算机控制）代替传统控制方法等。.可靠性要素可靠性包含了耐久性、可维修性、设计可靠性三大要素。（）耐久性产品使用无故障性或使用寿命长就是耐久性。（）可维修性当产品发生故障后，能够很快很容易地通过维护或维修排除故障，就是可维修性。像自行车、电脑等都是容易维修的，而且维修成本也不高，能够很快地排除故障，这些都是事后维护或者维修。而像飞机、汽车都是价格很高，而且非常注重安全可靠性的要求，一般通过日常的维护和保养，来大大延长它的使用寿命，这是预防维修。产品的可维修性与产品的结构有很大的

49、关系，即与设计可靠性有关。（）设计可靠性这是决定产品质量的关键，由于人机系统的复杂性，以及人在操作中可能存在的差错和操作使用环境的这种因素影响，发生错误的可能性依然存在，所以设计的时候必须充分考虑产品的易使用性和易操作性，这就是设计可靠性。一般来说，产品越容易操作，发生人为失误或其他问题造成的故障和安全问题的可能性就越小；从另一个角度来说，如果发生了故障或者安全性问题，采取必要的措施和预防措施就非常重要。例如汽车发生了碰撞后，有气囊保护。.可靠性评价可靠性评价可以使用概率指标或时间指标，这些指标有：可靠度、失效率、平均无故障工作时间、平均失效前时间、有效度等。典型的失效率变化曲线，形似浴盆，常

50、称浴盆曲线（），如图所示。其分为三个阶段：早期故障区、偶然故障区、耗损故障区。早期故障区的失效率为递减形式，即新产品失效率很高，但经过磨合期，失效率会迅速下降。偶然故障区的失效率为一个平稳值，意味着产品进入了一个稳定的使用期。耗损故障区的失效率为递增形式，即产品进入老年期，失效率呈递增状态，产品需要更新。.机电一体化系统电子装置可靠性首先是电子产品的复杂程度在不断增加，导致可靠性问题的日显重要。有资料显示，机电一体化产品的可靠性问题，超过是出在电子装备或系统上。电子设备复杂程度的显著标志是所需元器件数量的多少。而电子设备的可靠性决定于所用元器件的可靠性，因为电子设备中的任何一个元器件、任何一个