5 机电一体化中的计算机技术 5.1 微型计算机在机电一体化中的地位 计算机性能的大幅度提高，高速、大内存、 强功能，使之能够适应不同对象的应用要求，具

1. 5 机电一体化中的计算机技术 • 5.1 微型计算机在机电一体化中的地位 • 计算机性能的大幅度提高，高速、大内存、 • 强功能，使之能够适应不同对象的应用要求，具 • 有解决各种复杂的信息处理和适时控制问题的能 • 力；大型计算机的小型化、微型化，使得计算机 • 实验室、机房得以应用于各种产品和生产、办 • 公、生活现场；大规模集成电路的批量生产和技

2. 术进步，使得计算机的成本不断下降，其价格已术进步，使得计算机的成本不断下降，其价格已 • 为一般用户和家庭所能接受，从而大大拓宽了计 • 算机的应用范围。 • 微型化、低价、高性能，计算机技术的巨大 • 进步，促进了工自动化、办公自动化、家庭自动 • 化，导致了制造工业机电一体化变革，机电一体 • 化技术已从早期的机械电子化变为机械微电子化 • 和机械计算机化。在机电一体化系统中，微型计

3. 算机收集和分析处理信息，发出各种指令去指挥算机收集和分析处理信息，发出各种指令去指挥 • 和控制系统的运行，还提供各种人机接口，以便 • 观测结果，监视运行状态和实现人对系统的控制 • 和调整。微型计算机已成为整个机电一体化系统 • 的核心。微型计算机在机电一体化中的功用，大 • 致归纳有以下几个方面： • (1)对机械工业生产过程的直接控制。其中包括 • 顺序控制、数字程序控制、直接数字控制。

4. (2)对机械生产过程的监督和控制。如根据生产 • 过程的状态、原料和环境因素，按照预定的生产 • 过程数学模型，计算出最优参数，作为给定值， • 以指导生产的进行；或直接将给定值送给模拟调 • 节器，自动进行整定、调整，传送到下一级计算 • 机进行直接数字控制。 • (3)在机械工业生产的过程中，对各种参数进行 • 周期性或随机性的自动测量，并显示、打印记录

5. 结果供操作人员观测；对间接测量的参数和指标结果供操作人员观测；对间接测量的参数和指标 • 进行计算、存储、分析判断和处理，并将信息反 • 馈到控制中心，制定新的对策。 • 在具体的生产过程中对加工零件的尺寸、刀 • 具磨损情况进行测量，并对刀具补偿量进行修 • 正，以保证加工的精度要求。 • (4) 对车间或全厂自动生产线的生产过程进行调 • 度和管理。

6. (5)直接渗透到产品中形成带有智能性的机电一体(5)直接渗透到产品中形成带有智能性的机电一体 • 化新产品，如机器人、智能仪器等。机电一体化 • 系统的微型化、多功能化、柔性化、智能化，安 • 全、可靠、低价、易于操作的特性，是采用微型 • 计算机技术的结果。微型计算机技术是机电一体 • 化中最活跃、影响最大的关键技术。

7. 5.2 工业控制机分类 • 5.2.1 分类 • 工业控制机根据控制的方案和体系结构以及 • 复杂程度，可以分为几种典型的类型。 • 5.2.1.1可编程序控制器 • 可编程序控制器简称PC或PLC，是由早期的 • 继电器逻辑控制系统与微计算机技术相结合而发 • 展起来的。它的低端即为继电器逻辑控制的代用

8. 品，而其高端实际上是一种高性能的计算机实时品，而其高端实际上是一种高性能的计算机实时 • 控制系统。 • PLC以顺序控制为其特长，它可以取代继电 • 器控制，完成顺序和程序控制，能进行PID回路 • 调节，实现闭环的位置和速度控制，也能构成高 • 速数据采集与分析系统，以及与计算机联网而使 • 整个生产过程完全自动化等等。 • 可编程序控制器吸取了微电子技术和计算机

9. 技术的最新成果，发展十分迅速，以其卓越的技技术的最新成果，发展十分迅速，以其卓越的技 • 术指标及优异的恶劣环境适应性，迅速渗透到工 • 业控制的各个领域，受到工业界的普遍重视。从单机自动化到工业自动化，从柔性制造系统、 • 机器人到工业局部网络，无不有它的涉足之地。 • 任何一种可编程序控制器均有下列基本部分 • 构成（图5.1）

10. 图5.1 典型可编序程控制器框图

11. (1)微处理器 • PLC的微处理器以循环扫描方式进行操作。 • 目前大型PLC多采用双极型片式处理器或16位微 • 处理器，甚至32位超级微处理器，中小型PLC主 • 要采用8位通用微处理器，而微型及小型PLC基本 • 上都采用单片机。 • (2)存储器 • 目前PLC普遍使用的存储器有以锂电池为后备

12. 电源的CMOS型RAM，及EPROM和EEPROM。 • (3)输入输出设备 • PLC的输入输出设备可分为三种形式：I/O模 • 块、智能I/O模块和I/O站。一般的PLC都通过I/O • 模块与现场进行远程通信。 • (4)编程器 • PLC的编程器是人机联系的接口，它包括键 • 盘、显示器以及支持其工作的软、硬件。

13. 5.2.1.2 单、多回路调节器 • 单、多回路调节器是简单的计算机闭环控制 • 系统，即DDC系统。最初是因一台数字计算机只 • 控制一个回路而得名。 • 生产过程控制在较长时期内都是以模拟式控 • 制仪表为主。这种模拟式控制仪表的特点是运行 • 容易、操作方便、系统危险性分散、价格比较便 • 宜等，因而受到用户的欢迎。随着现代工业的发

14. 展，模拟式控制仪表逐渐暴露出它的不足之处，展，模拟式控制仪表逐渐暴露出它的不足之处， • 主要表现在控制精度差，功能不够强。 • 例如，它对程序控制、前馈控制、纯滞后补 • 偿控制等都难以实现。随着微处理器的发展和性 • 能价格比的不断提高，单回路和多回路调节器都 • 以微处理器为核心。因而可称为微处理器控制仪 • 表，也就是所谓的智能式调节器（图5.2）。实 • 际上，把单回路调节器的名称改为可编程调节器

15. （或数字调节器）更为合适。 • 图5.2 单回路调节器原理图

16. 随着微型计算机机性能的不断提高，单回路 • 调节器仍然可以进行局部优化控制和解耦控制。 • 由于它功能分散（符合危险分散的原则），硬件 • 简单，软件功能强，有自诊断功能，而具事故发 • 生后有蓄电池保持适时数据和运行状态可自动转 • 入后备手动操作，故可靠性很高，生命很强。 • 自1971年以来，由于单回路调节器的飞速发 • 展，使许多学科之间的关系发生了变化，同时也

17. 加速了仪表的更新换代。它的发展使仪表和微处加速了仪表的更新换代。它的发展使仪表和微处 • 理器之间的界限变得十分模糊。也给工业过程控 • 制带来了新的活力。例如，对于复杂回路特殊的 • 运算控制等，若用模拟仪表组成系统，则需要多 • 台硬件实现的运算单元；而采用单回路调节器， • 则只要将其内部模块进行组合，就可组成系统， • 结果 大减少了仪表的安装空间。

18. 5.2.1.3 微型机测控系统 • 微型机测控系统有专用和通用两种类型。这 • 种系统通常由计算机和过程I/O两部分组成，其 • 中计算机可以采用不同的CPU系列，而过程I/O部 • 分则包括模拟量I/O子系统和开量I/O子系统等。 • 系统可以采用顺序控制方式，也可以采用DDC控 • 制方式，或两者兼而有之。 • 各种微型计算机程控系统、数控装置、数据

19. 采集系统、微型自动测量和控制系统即属此 • 类。工业控制模块系列，如STD总线、VME总 • 线、Multi总线工业控制机等也属此类。 • 图5.3为典型的STD总线工业控制机系统组 • 成示意图。该系统除有计算机基本系统的CPU、 • 存储器和连接外部设备的人-机接口模块外。还 • 有控制模拟量、开关数字量，如热电耦、电机、 • 电磁阀等输入/输出的接口模块。这些模块均直

20. 接挂在系统总线即STD总线上。CPU可以通过总 • 线直接控制这些功能模块。在系统中，计算机总 • 线即系统总线。用MULTI 总线和VME 总线的系 • 统，大多采用这种结构。

21. 图5.3 STD总线 • 工业控制机系统 • 结构图

22. 5.2.1.4 单片微机控制系统 • 随着微电子技术和超大规模集成电路（VLSI） • 技术的发展，现在已从“单元处理器”发展到了“单 • 片微控制器”的阶段。单片微控制器也称单片计 • 算机，将CPU、RAM、ROM、定时/计数、多功 • 能（并行、串行、A/D）I/O、通信控制器，甚至 • 图形控制器、高级语言、操作系统都集成在一块 • 大规模集成电路芯片上。由于单片微控制器的高

23. 度集成化，使它具有体积小、功能强、可靠性 • 高、功耗小、价格低廉、易于掌握、应用灵活等 • 多种优点，目前越来越广泛地应用于工业测控领 • 域。单片微控制器不仅对新兴产业的自动控制装 • 置起着重要作用，而且对传统工业技术改造也起 • 着巨大的推动作用。

24. 5.2.1.5 分散型控制系统（DCS） • 分散型控制系统（又称集散系统）是70年代 • 中期发展起来的新型过程控制系统。它是计算机 • 技术、控制技术、通信技术和图形显示（CRT） • 技术相结合，完成过程控制和现代化管理的设 • 备，目前已广泛应用于冶金、石油、化工、电力 • 等大型工业领域。 • 分散型控制系统采用一台中央计算机指挥

25. 若干台面向控制现场的测控计算机和智能控制单若干台面向控制现场的测控计算机和智能控制单 • 元。这些现场测控计算机和智能控制单元，可直 • 接对被控装置进行测控，负责对过程控制进行控 • 制，并向中央计算机报告过程情况。中央机负责 • 全局的综合控制、管理、调度、计划，以及执行 • 情况报告等任务。 • 分散型控制系统可以是两级的、三级的或更 • 多级的。它将各个分散的装置有机的联系起来，

26. 使整个系统信息流通，融为一体。 • 随着测控系统的发展，分散型系统承担的功 • 能越来越多。它不仅可以实现生产过程控制，而 • 且还可以实现在线最优、生产过程适时调度、产 • 品计划、统计等管理功能，成为一种测、控、管 • 一体化的综合系统。 • 在这样的综合系统中，可以用一种统管全局 • 的方法来考虑所有影响过程控制的因素，即对

27. 系统中各种耦合和相互作用，以及各种复杂 • 的反馈途径加以识别，并进行控制，以达到系统 • 总统最优化。 • 分散型控制系统在其发展过程中，正在采用 • 各种最新技术，如高速、高质量的数据通信、光 • 纤通信、磁泡存储器、分布式数据库、再线诊断 • 和容错技术等。 • 分散型控制系统与集中型相比，其功能更

28. 强，具有更高的安全性和可靠性，系统设计、组强，具有更高的安全性和可靠性，系统设计、组 • 态也更为灵活方便，能分布与较大的地域。它发 • 展很快，应用很广，是当前大型测控计算机系统 • 的主要潮流。图5.4为典型集散系统TDC3000系 • 统的组成示意图。

29. 图5.4 TDC3000系统

30. 5.2.2 工业控制机与信息处理机的区别 • 工业控制机是计算机总体系中的一个重要分 • 支，它和主要用作科学计算及数据处理的信息处 • 理机是两类不同用途的计算机系统。表5.1列出 • 了这两类计算机在主要用途和典型机型方面的区 • 别。

31. 表5.1 工业控制机与信息处理机的 • 典型用途及机型

32. 由于这两类计算机的用途不同，环境条件和 • 使用条件不同，技术要求不同，因此这两类系统 • 在系统结构、设计方法和使用方法等方面均有很 • 大的不同。 • 工业控制机与信息处理机相比较 ，具有以下 • 主要特点： • （1）丰富的过程输入/输出功能 • 工业控制机是与工业生产控制系统紧密结合，

33. 主要面向机电产品和成套装置控制应用的要求与主要面向机电产品和成套装置控制应用的要求与 • 生产工艺过程和机械设备相匹配的一个有机组成 • 部分。它必须与调节控制仪表、显示仪表、传输 • 接口仪表、检测仪表、执行器，以及连锁保护系 • 统联用，才能完成有丰富的过程输入输出设备和 • 完善的外部设备，这些是工业控制机能否投入运 • 行的重要条件。

34. (2)实时性 • 工业控制机应具有时间驱动和事件驱动的能 • 力，要能对生产过程工况变化实时地进行监视和 • 控制。当过程参数出现偏差甚至故障时，能迅速 • 响应，予以判断，及时处理。为此，需要陪有实 • 时操作系统、过程中断系统等，没有这些就无法 • 执行工业控制任务。

35. (3)高可靠性 • 工业生产过程通常是昼夜连续的，一般的生 • 产装置要几个月甚至是一年才能大修一次，这就 • 要求工业控制机可靠性要尽可能高。它要求： • 1)低故障率，一般来说，要求工业控制机的平 • 均故障时间间隔（MTBF）不应低于数千甚至是 • 上万个小时。 • 2)短的故障维修时间（MTTR）。

36. 3)运行效率高 一定时间内（如一年），运 • 行时间占整个时间的比率一般要求99%以上。 • 4）环境适应性 • 工业环境恶劣，必须采取必要的措施，适应 • 高温、高湿、腐蚀、振动冲击、灰尘等环境。工 • 业环境电、磁干扰严重，供电条件不良，工业控 • 制机必须有极高的电磁兼容性，有高的抗干扰能 • 力和共模抑制能力。

37. 5）丰富的应用软件 • 工业控制软件面向结构化、组态发展。建立 • 模型，为寻找生产过程的最佳工况，在进行控制 • 时要建立生产过程规律的数学模型，建立标准控 • 制算式并加以固化。 • 6）技术综合性 • 工业控制是系统过程问题，除要解决计算机 • 的基本部分外，还需要解决它如何与被测对象的

38. 接口，如何适应复杂的工业环境，如何与工艺过接口，如何适应复杂的工业环境，如何与工艺过 • 程相结合等一系列问题。 • 5.2.3 开放式体系结构与总线系统 • 5.2.3.1 开放式体系结构 • 微电子技术的发展已经成为当代科学技术发 • 展的强大推动力，并给方方面面带来深刻的响。 • 因此，国外近年来在电子工业和计算机工业中推 • 行一种不同于传统设计思想的所谓“开放式体系

39. 结构”的设计思想。 • 开放式体系结构指：向未来的VLSI开放，在 • 技术上兼顾今天和明天，从当前实际可能出发， • 在经营上兼顾设计周期和产品成本，并着眼与社 • 会的公共参与，为发挥各方面厂商的积极性创造 • 条件；向用户不断变化的特殊要求开放，在服务 • 上兼顾通用的基本设计和用户的专用要求等。 • “开放式体系结构”的总体设计思想，使当代

40. 的计算机测控系统的设计方法与传统的设计 • 方法有了很大的不同，开放式体系结构设计的具 • 体做法是：基于国际上流行的工业标准微型机总 • 线结构，针对不同的用户系统的要求，选用响应 • 的有关功能模块组合成最终用户的应用系统。 • 系统设计者可以把精力重点用于分析设计指 • 标，确定总体结构和选择系统匹配，而不是部件 • 模块的设计，用于解决专用软件的开发，使系统

41. 获得最佳效益，而不是用于解决通用的模块制作获得最佳效益，而不是用于解决通用的模块制作 • 中的一些工艺问题。模块制作工艺对系统的可靠 • 性十分重要的。但这应由专门的研究所和工厂解 • 决。

42. 开放式体系结构的特点是： • （1）向未来的VLSI开放 • 由于硬、软件接口都遵循公认的国际标准， • 只需要作少量的重新设计和调整，新一代的VLSI • 就可能被现有的系统采纳、吸收、兼容，这样的 • 系统就不至于被VLSI技术的飞速发展而淘汰。这 • 就意味着系统的性能和可靠性将不断改善并处于 • 长生命周期。

43. （2）向不同用户层次开放 • 能灵活地采用不同配套层次，就意味着能以 • 尽可能完整的形式（插箱级）或尽可能采用半成 • 品（板级）来开放其设计，满足高、中、低档用 • 户产品的需要，使各层次用户均可尽早将产品推 • 向市场，这就能减少起始投资和风险，并增加其 • 竞争能力。一旦产品在市场上站住脚，受到欢 • 迎，并需要扩大生产规模时，就能很容易的将生

44. 产方式改变以板或以芯片为单位，最大限度地减产方式改变以板或以芯片为单位，最大限度地减 • 低成本，提高经济效益。 • （3）向用户的特殊要求开放 • 更新产品，扩充能力，提供可供选择的硬、 • 软件产品的各种组合，以满足特殊的应用要求， • 使用户能得到一个始终保持上长势头的系统，并 • 获得良好的性能/价格比。 • 开放式系统结构在硬件组成方面导致了工业

45. 测控系统采用组合化设计方法盛行。人们不再采测控系统采用组合化设计方法盛行。人们不再采 • 用传统的设计方法针对某一对象单独设计一套系 • 统，而是采用组合化的设计方法。针对不同的应 • 用要求，选用成熟的现成的硬件模块和软件组合 • 而成。 • 组合设计的基础是模块化，或称为积木化。 • 工业测控系统的设计也可以采取儿童堆积木玩具 • 一样的方法进行。

46. 硬、软件产品的模块化是实现最佳系统设计的关键，其优点是显而易见的。硬、软件产品的模块化是实现最佳系统设计的关键，其优点是显而易见的。 • 1)将系统划分为若干硬、软件功能模块。由研 • 究开发部门根据其积累的经验，尽可能完善地设 • 计，并制定其规格系列，用这些现成的功能模块 • 可以迅速配套成各种用途的应用系统，能简化设 • 计工作，并显著缩短设计周期 。 • 2)对功能模块可以组织生产，使质量稳定并降

47. 降低成本。 • 3)结构灵活，便于更新和扩充，使系统适应性 • 强。在使用过程中，可以根据需要更换一些模块 • 或进行局部结构改装。以满足不断变化的特殊要 • 求。维修方便 • 4)模块大量采用LSI和VLSI芯片，在出现故障 • 时，只需要更换IC芯片或功能模块，停机修理时 • 间可以降低到最低限度。

48. 5.2.3.2 系统总线 • 所谓系统总线？它是一种信号线的组合，是 • 一种传送规定信息的公共通道（有时也称数据公 • 路），通过它可以把各种数据和命令传送到各个 • 要去的地方。 • 在计算机领域，总线是通信的工具和手段， • 包括不同计算机之间，或一台计算机内部个组成 • 部分之间的信息传送。

49. 数据总线上传送的是信息。通常，8位微处 • 理器有8位数据总线，16位微处理器有16位数据 • 总线。32位微处理器有32位数据总线。当然也有 • 例外，如采用总线复用等办法。 • 数据总线在其两个端点都有箭头，这意味着 • 数据可以向不同方向传送，可以输送到微处理 • 器，也可以从微处理器输出。但在任何给定时 • 刻，数据只能往一个方向传输，这里数据的走向

50. 是由地址总线和控制总线控制的。 • 地址线是单向的，微处理器用地址确切指定 • 与之通信的外部硬件。每一个存储单元有一个地 • 址，每一个接口也有一个地址。微处理器无论与 • 哪个所希望的外部线路通信，这些地址均要连接 • 到地址总线上。8位微处理器常有16位地址线， • 具有64K个地址；16位微处理器则有16~24个地址 • 线，可以访问64K~16M个地址。