1、第六章 控制与接口 6.1 概述6.1.1 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 6-1 所示。 图 6-1 计算机控制系统的基本框图典型的机电一体化控制系统结构可用图 6-2 来示意，它可分为硬件和软件两大部分。图 6-2 典型计算机控制系统的组成框图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 A/D 转换和 D/A 转换为核心的模拟量 I/O 通道、数字量 I/O 通道，以及各种显示、记录设备,运行操作台等。 （1）由中央处理器、时钟电路、内存储器构成的计算机主机
2、是组成计算机控制系统的核心部件，主要实现数据采集、数据处理、逻辑判断、控制量计算、越限报警等功能，并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。 （2）操作台是人机对话的联系纽带。 （3）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。（4）I/O 接口与 I/O 通道是计算机主机与外部连接的桥梁。常用的I/O 接口有并行接口和串行接口，I/O 通道有模拟量 I/O 通道和数字量 I/O 通道。 （5）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等。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
3、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。 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。 在计算机控制系统中，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。 6.1.2 计算机在控制中的应用方式 1.操作指导控制系统 如图 6-3 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。 图 6-3 计算机操作指导控制系统示意图2.直接数字控制系统 直接数字控制 DDC（ DirectDigitalControl）系统是
4、计算机用于工业过程控制最普遍的一种方式，其结构如图 6-4 所示。 图 6-4 直接数字控制系统的结构3.监督计算机控制系统 计算机根据工艺参数和过程参量检测值，并按照所设计的控制算法进行计算，计算出最佳设定值后直接传送给常规模拟调节器或者 DDC 计算机，最后由模拟调节器或 DDC 计算机控制生产过程。 SCC 系统有两种类型，一种是 SCC+模拟调节器，另一种是SCC+DDC 控制系统。监督计算机控制系统的构成示意图如图 6-5 所示。 （1）SCC+ 模拟调节器的控制系统。 （2）SCC+DDC 的控制系统。 图 6-5 监督计算机控制系统的构成示意图(a）SCC模拟调节器系统； (b）
5、SCCDDC 系统4.分级计算机控制系统 图 6-6 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的生产协调，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。图 6-6 计算机分级控制系统6.1.3 典型的机电一体化控制系统 图 6-7 介绍了工业炉计算机控制的典型情况。 图 6-7 工业炉的计算机控制2.微型计算机控制的电动机调速系统 图 6-8 是计算机控制的双闭环直流调速系统的原理图。其中，晶闸管触发器、速度调节器和电流调
6、节器均由计算机实现。图 6-8 计算机控制的双闭环系统3.计算机数字程序控制系统 图 6-9 为一机床数字程序控制系统的构成框图。根据所使用的软件，该系统既可以设计成平面点位控制系统，又可设计成平面轮廓控制系统。图中的微型计算机是系统的核心部件，它完成程序和数据的输入、存储、加工轨迹计算和步进电动机控制程序、显示程序、故障诊断程序等控制程序的执行等。图 6-9 简单机床数字程序控制系统的构成框图4.工业机器人 图 6-10 给出了智能机器人的一般结构，它是一个多级的计算机控制系统。图 6-10 智能机器人的一般结构6.2 工业控制计算机 6.2.1 工业控制计算机的特点及要求 1.实时性 2.
7、高可靠性 3.硬件配置的可装配可扩充性 4.可维护性下面以 MCS 系列单片机为例，来介绍单片机的结构、性能及使用上的特点。 1.MCS-48 单片机系列 MCS-48 系列是 8 位的单片机，根据存储器的配置不同，该系列包括有8048、8049、8021、8035 等多种机型，由于价格低廉，目前仍有简单的控制场合在使用。其主要特点是： （1）8 位 CPU，工作频率为 16MHz。 （2）64BRAM 数据存储器，1KB 程序存储器。 （3）5V 电源，40 引脚双列直插式封装。（4）6MHz 工作频率时机器周期为 2.5s，所有指令的执行为 12 个机器周期。 （5）有 96 条指令，其中
8、大部分为单字节指令。 （6）8 字节堆栈，单级中断，两个中断源。 （7）两个工作寄存器区。 （8）一个 8 位定时/计数器。 2.MCS-51 单片机系列 该系列包括有 8031、8051、8751、2051、89C51 等多种机型。其主要特点是：（1）8 位 CPU，工作频率为 112MHz。 （2）128BRAM 数据存储器，4KBROM 程序存储器。 （3）5V 电源，40 引脚双列直插式封装。 （4）12MHz 工作频率时机器周期为 1s，所有指令的执行为 14 个机器周期。 （5）外部可分别扩展 64KB 数据存储器和程序存储器。 （6）2 级中断，5 个中断源。 （7）21 个专用
9、寄存器，有位寻址功能。 （8）两个 16 位定时/计数器，1 个全双工串行通信口。 （9）4 组 8 位 I/O 口。3.MCS-96 单片机系列 MCS-96 系列是 16 位单片机，适用于高速的控制和复杂数据处理系统中，其在硬件和指令系统的设计上较 8 位机有很多不同之处。MCS-96 单片机系列主要有 8096、8094、8396、8394、8796 等多种机型。其主要特点是： （1）16 位 CPU，工作频率为 612MHz。 （2）232BRAM 数据存储器，8KBROM 程序存储器。 （3）有 48 和 68 两种引脚，多种封装形式。 （4）高速 I/O 接口，能测量和产生高分辨率
10、的脉冲（12MHz 时是 2s），6 条专用 I/O，两条可编程 I/O。（5）外部可分别扩展 64KB 数据存储器和程序存储器。 （6）可编程 8 级优先中断，21 个中断源。 （7）脉宽调制输出，提供一组能改变脉宽的可编程脉宽信号。 （8）两个 16 位定时/计数器，4 个 16 位软件定时器。 （9）5 组 8 位 I/O 口。 （10）10 位 A/D 转换器，可接收 4 路或 8 路的模拟量输入。 （11）6.25s 的 16 位乘 16 位和 32 位除 16 位指令。 （12）运行时可对 EPROM 编程，ROM/EPROM 的内容可加密。 （13）全双工串行通信口及专门的波特率
11、发生器6.2.3 可编程控制器 (PLC) 在制造业的自动化生产线上，各道工序都是按预定的时间和条件顺序执行的，对这种自动化生产线进行控制的装置称为顺序控制器。以往顺序控制器主要是由继电器组成，改变生产线工序、执行次序或条件需改变硬件连线。随着大规模集成电路和微处理器在顺序控制器中的应用，顺序控制器开始采用类似微型计算机的通用结构，把程序存储于存储器中，用软件实现开关量的逻辑运算、延时等过去用继电器完成的功能，形成了可编程序逻辑控制器PLC（ Programable Logic Controller）。把它们统称为可编程序控制器 PC（Programable Controller）。图 6-11 是 PLC 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 PC，经 PC 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。图 6-11 PLC 的逻辑控制电路1.PLC 的组成原理 PLC 实际上是一个专用计算机，它的结构和组成与通用微机的基本相同，主要包括 CPU、存储器、接口模块、外部设备、编程器等。下面介绍 PLC 的各主要部分。 （1）CPU 图 6-12 中，在同步扫描周期内，除 I/O 扫描之外，还有服务程序、通信窗口、内部执行程序等
