機(jī)電一體化第講

1第5章工業(yè)控制計(jì)算機(jī)及其接口5.1工業(yè)控制計(jì)算機(jī)5.2計(jì)算機(jī)控制接口技術(shù)5.3可編程控制器25.1工業(yè)控制計(jì)算機(jī)

工業(yè)控制計(jì)算機(jī)是機(jī)電一體化的中樞，作用是按編制好的程序完成系統(tǒng)信息的采集、加工處理、分析和判斷，做出相應(yīng)的調(diào)節(jié)和控制策略，發(fā)出數(shù)字或模擬形式的控制信號(hào)，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能。

一工業(yè)控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成 它由計(jì)算機(jī)基本系統(tǒng)、人-機(jī)對(duì)話系統(tǒng)、系統(tǒng)支持模塊、過程輸入輸出子系統(tǒng)組成。工業(yè)控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的軟件包括適應(yīng)工業(yè)控制的實(shí)時(shí)系統(tǒng)軟件、通用軟件和工業(yè)控制軟件等。34

二.工業(yè)控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本要求1.具有完善的過程輸入輸出功能

具有豐富的模擬量和數(shù)字量的輸入輸出通道，以完成各種形式的數(shù)據(jù)采集、過程連接和信息交換等。2.具有實(shí)時(shí)控制功能

具有時(shí)間驅(qū)動(dòng)和事件驅(qū)動(dòng)的能力。對(duì)生產(chǎn)工況變化實(shí)時(shí)的進(jìn)行監(jiān)視和控制，當(dāng)出現(xiàn)偏差或故障時(shí)能迅速的做出相應(yīng)處理。3.具有可靠性

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二.工業(yè)控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本要求

4.具有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性和抗干擾能力

A：干擾：電磁干擾、供電不良等，要求具有極高的電磁兼容性，要有高抗干擾能力和共模抑制能力。B：環(huán)境：高溫、高濕、振動(dòng)、粉塵等惡劣的工作環(huán)境。5.具有豐富的軟件

應(yīng)用軟件，建立適合的數(shù)學(xué)模型，建立標(biāo)準(zhǔn)的控制算法及控制程序、6三.工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的分類及其應(yīng)用特點(diǎn)1.可編程序控制器

可編程控制器(PC，ProgrammableController)是一種以微處理器為基礎(chǔ)的通用型自動(dòng)控制裝置，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)。由于最初研制這種裝置的目的，是為了解決生產(chǎn)設(shè)備的邏輯及開關(guān)量控制，故也把它稱為可編程邏輯控制器（PLC，ProgrammableLogicController）。PLC采用可編程序的存儲(chǔ)器，在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作指令，并通過數(shù)字式、模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。7三.工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的分類及其應(yīng)用特點(diǎn)1.可編程序控制器 圖5-11是PLC應(yīng)用于邏輯控制的簡單事例。輸入信號(hào)是由按鈕開關(guān)、限位開關(guān)、繼電器觸點(diǎn)等提供的各種開關(guān)信號(hào)，通過接口進(jìn)入PLC，經(jīng)PLC處理后產(chǎn)生控制信號(hào)，通過輸出接口送給線圈、繼電器、指示燈、電動(dòng)機(jī)等輸出裝置。8圖5-11PLC的邏輯控制電路9主要特點(diǎn)：程序可變，柔性好?？筛鶕?jù)實(shí)際生產(chǎn)過程改變程序，而無需改變硬件。2.可靠性強(qiáng)，適于工業(yè)環(huán)境。

硬件軟件上采取一系列的有效措施，提高系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力，具有完善的自診斷和自保護(hù)能力，能夠適應(yīng)惡劣的工業(yè)環(huán)境，無故障工作時(shí)間可達(dá)數(shù)萬小時(shí)。3.編程簡單，使用方便。

梯形圖的編程方式，類似于繼電接觸控制的電氣原理圖，可直接轉(zhuǎn)換為控制邏輯程序。10主要特點(diǎn)：4.功能完善。

具有輸出輸入、邏輯運(yùn)算。算術(shù)運(yùn)算、定時(shí)、計(jì)數(shù)、順序控制、功率驅(qū)動(dòng)、通訊、人機(jī)對(duì)話、自檢、記錄和顯示燈功能。5.體積小，重量輕，易于裝入機(jī)器內(nèi)部。11PLC

(可編程邏輯控制器)S7-200是一種小型的可編程序控制器，適用于各行各業(yè)，各種場(chǎng)合中的檢測(cè)、監(jiān)測(cè)及控制的自動(dòng)化。CPU221具有6個(gè)輸入點(diǎn)和4個(gè)輸出點(diǎn)，CPU222具有8個(gè)輸入點(diǎn)和6個(gè)輸出點(diǎn)，CPU224具有14個(gè)輸入點(diǎn)和10個(gè)輸出點(diǎn)，CPU224XP具有14個(gè)輸入點(diǎn)和10個(gè)輸出點(diǎn)，CPU226具有24個(gè)輸入點(diǎn)和16個(gè)輸出點(diǎn)。12PLC

(可編程邏輯控制器)·可配不同檔次的CPU·可選擇不同類型的擴(kuò)展模塊·可以擴(kuò)展多達(dá)32個(gè)模塊·模塊內(nèi)集成背板總線·網(wǎng)絡(luò)連接-多點(diǎn)接口(MPI),-PROFIBUS或-工業(yè)以太網(wǎng)·通過編程器PG訪問所有的模塊·無插槽限制·借助于“HWConfig”工具可以進(jìn)行組態(tài)和設(shè)置參數(shù)產(chǎn)品特點(diǎn)·循環(huán)周期短、處理速度高·指令集功能強(qiáng)大（包含350多條指令），可用于復(fù)雜功能·產(chǎn)品設(shè)計(jì)緊湊，可用于空間有限的場(chǎng)合·模塊化結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)更加靈活·有不同性能檔次的CPU模塊可供選用·功能模塊和I/O模塊可選擇·有可在露天惡劣條件下使用的模塊類型S7-300針對(duì)低性能要求的模塊化中小控制系統(tǒng)13PLC

(可編程邏輯控制器)功能強(qiáng)大的PLC，適用于中高性能控制領(lǐng)域解決方案滿足最復(fù)雜的任務(wù)要求功能分級(jí)的CPU以及種類齊全的模板，總能為其自動(dòng)化任務(wù)找到最佳的解決方案實(shí)現(xiàn)分布式系統(tǒng)和擴(kuò)展通訊能力都很簡便，組成系統(tǒng)靈活自如用戶友好性強(qiáng)，操作簡單，免風(fēng)扇設(shè)計(jì)隨著應(yīng)用的擴(kuò)大，系統(tǒng)擴(kuò)展無任何問題西門子S7-400PLC是用于中、高檔性能范圍的可編程序控制器。SIMATICS7-400PLC的主要特色為：極高的處理速度、強(qiáng)大的通訊性能和卓越的CPU資源裕量。14

2.總線型工業(yè)控制計(jì)算機(jī)

模塊化設(shè)計(jì)，按照統(tǒng)一的總線標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)成復(fù)雜的工業(yè)控制系統(tǒng)主要特點(diǎn)：

1）提高設(shè)計(jì)效率，縮短設(shè)計(jì)和制造周期。

2）提高系統(tǒng)可靠性。

3）便于調(diào)試和維修。

4）能適應(yīng)技術(shù)發(fā)展的需要。15

2.總線型工業(yè)控制計(jì)算機(jī)

1）STD總線工業(yè)控制機(jī) 典型的STD總線工控機(jī)系統(tǒng)的構(gòu)成如圖5-13所示，其突出特點(diǎn)是：模塊化設(shè)計(jì)，系統(tǒng)組成、修改和擴(kuò)展方便；各模塊間相對(duì)獨(dú)立，使檢測(cè)、調(diào)試、故障查找簡便迅速；有多種功能模板可供選用，大大減少了硬件設(shè)計(jì)工作量；系統(tǒng)中可運(yùn)行多種操作系統(tǒng)及系統(tǒng)開發(fā)的支持軟件，使控制軟件開發(fā)的難度大幅降低。16圖5-13用STD總線工業(yè)控制機(jī)組成的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)17 2）PC總線工業(yè)控制機(jī)

IBM公司的PC總線微機(jī)最初是為個(gè)人或辦公室使用而設(shè)計(jì)的，早期主要用于文字處理或一些簡單的辦公室事務(wù)處理。早期產(chǎn)品是基于一塊大底板結(jié)構(gòu)，加上幾個(gè)I/O擴(kuò)充槽。

PC/AT總線的IBM兼容計(jì)算機(jī)由于價(jià)格低廉、使用靈活、軟件資源非常豐富，因而用戶眾多，在國內(nèi)更是主要流行機(jī)種之一。

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近幾年來許多公司推出了PC/AT總線工業(yè)控制機(jī)，一般對(duì)原有微機(jī)作了以下幾方面的改進(jìn) （1）機(jī)械結(jié)構(gòu)加固，使微機(jī)的抗震性好。 （2）采用標(biāo)準(zhǔn)模板結(jié)構(gòu)。 （3）加上帶過濾器的強(qiáng)力通風(fēng)系統(tǒng)，加強(qiáng)散熱，增加系統(tǒng)抵抗粉塵的能力。 （4）采用電子軟盤取代普通的軟磁盤，使之能適于在惡劣的工業(yè)環(huán)境下工作。 （5）根據(jù)工業(yè)控制的特點(diǎn)，常采用實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)。19 3.單片機(jī)（SCM即單片微型計(jì)算機(jī)>>>MCU即微控制器>>>SoC嵌入式系統(tǒng)）下面以MCS系列單片機(jī)為例，來介紹單片機(jī)的結(jié)構(gòu)、性能及使用上的特點(diǎn)。 1）受集成度的限制，片內(nèi)存儲(chǔ)器容量較小。

2）可靠性高。

3）易擴(kuò)展。

4）控制功能強(qiáng)。

5）一般單片機(jī)內(nèi)無監(jiān)控程序或系統(tǒng)通用管理程序。20 MCS-51單片機(jī)系列 該系列包括有8031、8051、8751、2051、89C51等多種機(jī)型。其主要特點(diǎn)是：

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（1）8位CPU，工作頻率為1~12MHz。 （2）128BRAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，4KBROM程序存儲(chǔ)器。 （3）5V電源，40引腳雙列直插式封裝。 （4）12MHz工作頻率時(shí)機(jī)器周期為1μs，所有指令的執(zhí)行為1~4個(gè)機(jī)器周期。 （5）外部可分別擴(kuò)展64KB數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和程序存儲(chǔ)器。 （6）2級(jí)中斷，5個(gè)中斷源。 （7）21個(gè)專用寄存器，有位尋址功能。（8）兩個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，1個(gè)全雙工串行通信口。（9）4組8位I/O口。22表5-1三種常用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的性能比較235.2計(jì)算機(jī)控制接口技術(shù) I/O接口電路簡稱接口電路，它是主機(jī)和外圍設(shè)備之間交換信息的連接部件（電路）。它在主機(jī)和外圍設(shè)備之間的信息交換中起著橋梁和紐帶作用。接口電路的主要作用如下：24

（1）解決主機(jī)CPU和外圍設(shè)備之間的時(shí)序配合和通信聯(lián)絡(luò)問題。 （2）解決CPU和外圍設(shè)備之間的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換和匹配問題。 （3）解決CPU的負(fù)載能力和外圍設(shè)備端口的選擇問題。25

一.信息采集接口 模擬量輸入通道可完成模擬量的采集并將它轉(zhuǎn)換成數(shù)字量送入計(jì)算機(jī)的任務(wù)。依據(jù)被控參量和控制要求的不同，模擬量輸入通道的結(jié)構(gòu)形式不完全相同。目前普遍采用的是共用運(yùn)算放大器和A/D轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)形式，其組成方框圖如圖5-32所示。26圖5-32模擬量輸入通道的組成方框圖27 1.輸入/輸出通道 在微機(jī)控制系統(tǒng)中，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過程的控制，要將對(duì)象的各種測(cè)量參數(shù)，按要求的方式送入微機(jī)。微機(jī)經(jīng)過運(yùn)算、處理后，將結(jié)果以數(shù)字量的形式輸出，此時(shí)也要把該輸出變換為適合于對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行控制的量。所以在微機(jī)和生產(chǎn)過程之間，必須設(shè)置信息的傳遞和變換的連接通道。該連接通道被稱為輸入與輸出通道，它包括模擬量輸入通道、模擬量輸出通道、數(shù)字量輸入通道和數(shù)字量輸出通道，其組成如圖5-35所示。28圖5-35輸入與輸出通道的組成29 2.模擬量輸入通道 模擬量輸入通道一般由信號(hào)處理裝置、多路轉(zhuǎn)換器、采樣保持和A/D轉(zhuǎn)換器等組成。 模擬量輸入通道有以下兩種基本結(jié)構(gòu)形式。 （1）一個(gè)通道設(shè)置一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器的形式。

(2）多個(gè)通道共用一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器的形式。30 3.A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)參數(shù)

A/D轉(zhuǎn)換器的種類很多，按轉(zhuǎn)換二進(jìn)制的位數(shù)來分類，包括：8位的ADC0801、0804、0808、0809；10位的AD7570、AD573、AD575、AD579；12位的AD574、AD578、AD7582；16位的AD7701、AD7705等。A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)參數(shù)如下：

1）.分辨率 分辨率通常用轉(zhuǎn)換后數(shù)字量的位數(shù)表示,如8位、10位、12位、16位等。分辨率為8位表示它可以對(duì)滿量程的1/28＝1/256的增量作出反應(yīng)。分辨率是指能使轉(zhuǎn)換后數(shù)字量變化為1的最小模擬輸入量。31 2）量程 量程是指所能轉(zhuǎn)換的電壓范圍,如5V、10V等。

3）.轉(zhuǎn)換精度 轉(zhuǎn)換精度是指轉(zhuǎn)換后所得結(jié)果相對(duì)于實(shí)際值的準(zhǔn)確度，有絕對(duì)精度和相對(duì)精度兩種表示法。

4）.轉(zhuǎn)換時(shí)間 轉(zhuǎn)換時(shí)間是指從啟動(dòng)A/D到轉(zhuǎn)換結(jié)束所需的時(shí)間。

5）.工作溫度范圍 較好的A/D轉(zhuǎn)換器的工作溫度為-40~85℃，較差的為0~70℃。32 4.8位A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809 1）.電路組成及轉(zhuǎn)換原理

ADC0809是一種帶有8位轉(zhuǎn)換器、8位多路轉(zhuǎn)換開關(guān)以及與微處理機(jī)兼容的控制邏輯的CMOS組件。 ADC0809無需調(diào)零和進(jìn)行滿量程調(diào)整，又由于多路開關(guān)的地址輸入能夠進(jìn)行鎖存和譯碼，而且它的三態(tài)TTL輸出也可以鎖存，因此易于與微處理機(jī)進(jìn)行接口。33圖5-50ADC0808/0809的原理框圖34 2）.ADC0808/0809的外引腳功能

ADC0808/0809的管腳排列如圖5-51所示，其主要管腳的功能如下：

IN0～I(xiàn)N7——8個(gè)模擬量輸入端。

START——啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換器，當(dāng)START為高電平時(shí)，開始A/D轉(zhuǎn)換。

EOC——轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)。當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換完畢之后，發(fā)出一個(gè)正脈沖，表示A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束。 此信號(hào)可作為A/D轉(zhuǎn)換是否結(jié)束的檢測(cè)信號(hào)或中斷申請(qǐng)信號(hào)。

35 OE——輸出允許信號(hào)。如果此信號(hào)被選中，則允許從A/D轉(zhuǎn)換器的鎖存器中讀取數(shù)字量。

CLOCK——時(shí)鐘信號(hào)。

ALE——地址鎖存允許，高電平有效。當(dāng)ALE為高電平時(shí)，允許C、B、A所示的通道被選中，并將該通道的模擬量接入A/D轉(zhuǎn)換器。

ADDA、ADDB、ADDC——通道號(hào)地址選擇端，C為最高位，A為最低位。當(dāng)C、B、A為全零（000）時(shí)，選中IN0通道接入；為001時(shí)，選中IN1通道接入；為111時(shí)，選中IN7通道接入。

36 D7～D0——數(shù)字量輸出端。

UREF（+）、ＵREF（-）——參考電壓輸入端，分別接+、-極性的參考電壓，用來提供D/A轉(zhuǎn)換器權(quán)電阻的標(biāo)準(zhǔn)電平。在模擬量為單極性輸入時(shí),UREF（+）＝5V，ＵREF（-）＝0V;當(dāng)模擬量為雙極性輸入時(shí)，UREF（+）=+5V，ＵREF（-）=-5V。37圖5-51ADC0808/0809管腳排列圖38 5.12位A/D轉(zhuǎn)換器AD574 AD574是一個(gè)完整的12位逐次逼近式帶三態(tài)緩沖器的A/D轉(zhuǎn)換器，它可以直接與8位或16位微型機(jī)總線進(jìn)行接口。AD574的分辨率為12位，轉(zhuǎn)換時(shí)間為15～35μs。39 1).AD574的電路組成

AD574的原理框圖如圖5-52所示。AD574由模擬芯片和數(shù)字芯片兩部分組成。40圖5-52AD574原理框圖41 2)．AD574的引腳功能說明

AD574各個(gè)型號(hào)都采用28引腳雙列直插式封裝，引腳圖如圖5-53所示。42圖5-53AD574引腳圖43 AD574各主要管腳的功能如下：

DB0～DB11——12位數(shù)據(jù)輸出，分三組，均帶三態(tài)輸出緩沖器。

ULOGIC——邏輯電源+5V（+4.5~+5.5V）。

UCC——正電源+15V（+13.5～+16.5V）。

UEE——負(fù)電源-15V（-13.5～-16.5V）。

AGND、DGND——模擬和數(shù)字地。44 CE——片允許信號(hào)，高電平有效。在簡單應(yīng)用中固定接高電平。 CS——片選擇信號(hào)，低電平有效。

R/C——讀/轉(zhuǎn)換信號(hào)。

CE＝1，CS＝0，R/C＝0時(shí)，轉(zhuǎn)換開始，啟動(dòng)負(fù)脈沖為400ns。CE＝1，CS＝0，R/C＝1時(shí)，允許讀數(shù)據(jù)。45 CE＝1、CS＝0、R/C＝0、A0＝0時(shí)，啟動(dòng)12位轉(zhuǎn)換CE＝1、CS＝0、R/C＝0、A0

＝1時(shí)，啟動(dòng)8位轉(zhuǎn)換

CE＝1、CS＝0、R/C＝1、A0

＝0時(shí)，讀取轉(zhuǎn)換后的高8位數(shù)據(jù)CE＝1、CS＝0、R/C＝1、A0

＝1時(shí)，讀取轉(zhuǎn)換后的低4位數(shù)據(jù)（低4位+0000）; 12/8——輸出數(shù)據(jù)形式選擇信號(hào)。12/8端接PIN1（VLoGIc）時(shí)，數(shù)據(jù)按12位形式輸出。12/8端接PIN15（DGND）時(shí)，數(shù)據(jù)按雙8位形式輸出。46 STS——轉(zhuǎn)換狀態(tài)信號(hào)。轉(zhuǎn)換開始STS＝1,轉(zhuǎn)換結(jié)束STS＝0。

10VIN——模擬信號(hào)輸入。單極性0～10V，雙極性±5V。

20VIN——模擬信號(hào)輸入。單極性0～20V，雙極性±10V。

REFIN——參考電壓輸入。

REFOUT——參考電壓輸出。

BIPOFF——雙極性偏置。

AD574的真值表如表5-3所示。單極性輸入電路和雙極性輸入電路分別如圖5-54、圖5-55所示。47表5-3AD574真值表48圖5-54AD574單極性輸入電路49圖5-55AD574雙極性輸入電路50 6.A/D轉(zhuǎn)換器與系統(tǒng)的連接及舉例

1）.輸入模擬電壓的連接

A/D轉(zhuǎn)換器的輸入模擬電壓可以是單端輸入也可以是雙端輸入。ADC0808/0809可以從IN0～I(xiàn)N7接8路模擬電壓輸入，通常接成單端、單極性輸入，這時(shí)UREF（+）＝5V、UREF（-）＝0V，也可以接成雙極性輸入，這時(shí)UREF（+）和UREF（-）應(yīng)分別接+、-極性的參考電壓。AD574是單端輸入模擬電壓，在10VIN和20VIN中任一端和AGND之間，可輸入單極性電壓或雙極性電壓，輸入模擬電壓的極性不同,其輸入電路也不同。 51 2）.數(shù)據(jù)輸出和系統(tǒng)總線的連接

A/D轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)輸出有兩種方式。一種是A/D芯片內(nèi)部帶有三態(tài)輸出門，其數(shù)據(jù)輸出線可以直接掛到系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線上去。另一種是A/D芯片內(nèi)部不帶三態(tài)輸出門，或雖有三態(tài)輸出門，但它不受外部信號(hào)控制，而是當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)自動(dòng)開門，如AD570就是這種芯片。52 3）.轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)及轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的讀取

A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，A/D轉(zhuǎn)換芯片輸出轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)。轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)也有兩種：電平信號(hào)和脈沖信號(hào)。CPU檢測(cè)到轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)后,即可讀取轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)。CPU一般可以采用以下3種方式和A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行聯(lián)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的讀?。? （1）程序查詢方式。 （2）中斷方式。 （3）固定的延遲程序方式。53圖5-56ADC0808/0809與8086CPU的連接原理圖54圖5-57AD574與8031的接口電路55

二模擬量輸出接口

1.D/A轉(zhuǎn)換器的工作原理

D/A轉(zhuǎn)換器是把輸入的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為與輸入量成比例的模擬信號(hào)的器件。

D/A轉(zhuǎn)換通道的結(jié)構(gòu)形式（1）一個(gè)通道設(shè)置一個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器的形式。

(2）多個(gè)通道共用一個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器的形式。通過多路模擬開關(guān)選擇通路。56 2.D／A轉(zhuǎn)換器的主要參數(shù) （1）分辨率。D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率表示當(dāng)輸入數(shù)字量變化了1時(shí)，輸出模擬量變化的大小。它反映了計(jì)算機(jī)的數(shù)字量輸出對(duì)執(zhí)行部件控制的靈敏程度。對(duì)于一個(gè)N位的D/A轉(zhuǎn)換器,其分辨率為 （5-7） 分辨率通常用數(shù)字量的位數(shù)來表示，如8位、10位、12位、16位等。分辨率為8位，表示它可以對(duì)滿量程的1/28=1/256的增量作出反應(yīng)。所以，N位二進(jìn)制數(shù)最低位具有的權(quán)值就是它的分辨率。57

（2）穩(wěn)定時(shí)間。穩(wěn)定時(shí)間是指D/A轉(zhuǎn)換器中代碼有滿刻度值的變化時(shí)，其輸出達(dá)到穩(wěn)定（一般指穩(wěn)定到與±1/2最低位的值相當(dāng)?shù)哪M量范圍內(nèi)）所需的時(shí)間，一般為幾十納秒到幾微秒。 （3）輸出電平。不同型號(hào)的D/A轉(zhuǎn)換器件的輸出電平相差較大，一般為5～10V。也有一些高壓輸出型，輸出電平為24～30V。還有一些電流輸出型，低的為20mA，高的可達(dá)3A。 （4）輸入編碼。一般二進(jìn)制編碼比較通用，也有BCD等其他專用編碼形式芯片。其他類型編碼可在D/A轉(zhuǎn)換前用CPU進(jìn)行代碼轉(zhuǎn)換變成二進(jìn)制編碼。

58

（5）溫度范圍。較好的D/A轉(zhuǎn)換器的工作溫度范圍為-40～85℃，較差的為0～70℃。可按計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)使用環(huán)境查器件手冊(cè)選擇合適的器件類型。

3.8位D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832 DAC0832是雙列直插式8位D/A轉(zhuǎn)換器,能完成從數(shù)字量輸入到模擬量（以電流形式）輸出的轉(zhuǎn)換。圖5-41和圖5-42分別為DAC0832的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖和引腳圖。其主要參數(shù)如下：分辨率為8位（滿度量程的1/256），轉(zhuǎn)換時(shí)間為1μs，基準(zhǔn)電壓為+10～-10V，供電電源為+5～+15V，功耗為20mW，與TTL電平兼容。59圖5-41DAC0832內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖60圖5-42DAC0832引腳圖61

從圖5-41中可見，在DAC0832中有兩級(jí)鎖存器；第一級(jí)鎖存器稱為輸入寄存器，它的鎖存信號(hào)為ILE；第二級(jí)鎖存器稱為DAC寄存器，它的鎖存信號(hào)也稱為通道控制信號(hào)XFER。因?yàn)橛袃杉?jí)鎖存器，所以DAC0832可以工作在雙緩沖器方式下，即在輸出模擬信號(hào)的同時(shí)，可以采集下一個(gè)數(shù)據(jù)。這樣可以有效地提高轉(zhuǎn)換速度。另外，有了兩級(jí)鎖存器以后，可以在多個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器同時(shí)工作時(shí)，利用第二級(jí)鎖存器的鎖存信號(hào)來實(shí)現(xiàn)多個(gè)轉(zhuǎn)換器的同時(shí)輸出。62 5-42中各引腳的功能定義如下： CS——片選信號(hào)，它和允許輸入鎖存信號(hào)ILE合起來決定WR1是否起作用。

ILE——允許鎖存信號(hào)。 WR1——寫信號(hào)1，它作為第一級(jí)鎖存信號(hào)將輸入數(shù)據(jù)鎖存到輸入寄存器中，WR1必須和CS、ILE同時(shí)有效。63 WR2——寫信號(hào)2，它將鎖存在輸入寄存器中的數(shù)據(jù)送到8位DAC寄存器中進(jìn)行鎖存，此時(shí)，傳送控制信號(hào)XFER必須有效。 XFER——傳送控制信號(hào)，用來控制WR2。

DI7～DI0——8位數(shù)據(jù)輸入端，DI7為最高位。

IOUT1——模擬電流輸出端，當(dāng)DAC寄存器中全為1時(shí)，輸出電流最大；當(dāng)DAC寄存器中全為0時(shí)，輸出電流為0。

IOUT2——模擬電流輸出端，IOUT2為一個(gè)常數(shù)與IOUT1的差，即IOUT1+IOUT2=常數(shù)。

64 Rfb——反饋電阻引出端，DAC0832內(nèi)部已經(jīng)有反饋電阻，所以，Rfb端可以直接接到外部運(yùn)算放大器的輸出端，這樣，相當(dāng)于將一個(gè)反饋電阻接在運(yùn)算放大器的輸入端和輸出端之間。

UREF——參考電壓輸入端，此端可接一個(gè)正電壓，也可接負(fù)電壓，范圍為+10～-10V。外部標(biāo)準(zhǔn)電壓通過UREF與T形電阻網(wǎng)絡(luò)相連。65 UCC——芯片供電電壓，范圍為+5~+15V，最佳工作狀態(tài)是+15V。

AGND——模擬量地，即模擬電路接地端。

DGND——數(shù)字量地。

DAC0832有以下三種不同的工作方式： （1）直通方式。當(dāng)ILE接高電平，CS、WR1、WR2和XFER都接數(shù)字地時(shí)，DAC處于直通方式，8位數(shù)字量一旦到達(dá)DI7～DI0輸入端，就立即加到8位D/A轉(zhuǎn)換器上被轉(zhuǎn)換成模擬量。例如在構(gòu)成波形發(fā)生器的場(chǎng)合，就要用到這種方式，即把要產(chǎn)生基本波形的存在ROM中的數(shù)據(jù)，連續(xù)取出送到DAC去轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。66

（2）單緩沖方式。只要把兩個(gè)寄存器中的任何一個(gè)接成直通方式，而用另一個(gè)鎖存數(shù)據(jù)，DAC就可處于單緩沖工作方式。一般的做法是將WR2和XFER都接地，使DAC寄存器處于直通方式，另外把ILE接高電平，CS接端口地址譯碼信號(hào)，WR1

接CPU系統(tǒng)總線的IO/W，這樣便可以通過一條OUT指令選中該端口，使CS和WR1有效，啟動(dòng)D/A轉(zhuǎn)換。67

（3）雙緩沖方式。主要在以下兩種情況下需要用雙緩沖方式的D/A轉(zhuǎn)換： 其一，需在程序的控制下，先把轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)傳入輸入寄存器，然后在某個(gè)時(shí)刻再啟動(dòng)D/A轉(zhuǎn)換。這樣可以做到數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)輸入同時(shí)進(jìn)行，因此轉(zhuǎn)換速度較高。為此，可將ILE接高電平，WR1和WR2均接CPU的IO/W，CS和XFER分別接兩個(gè)不同的I/O地址譯碼信號(hào)。執(zhí)行OUT指令時(shí)，WR1和WR2均變?yōu)榈碗娖?。這樣，可先執(zhí)行一條OUT指令，選中CS端口，把數(shù)據(jù)寫入輸入寄存器；再執(zhí)行第二條OUT指令，選中XFER端口，把輸入寄存器內(nèi)容寫入DAC寄存器，實(shí)現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換。68

圖5-43是DAC0832工作于雙緩沖方式下，與有8位數(shù)據(jù)總線的微機(jī)相連的邏輯圖。其中，CS的口地址為320H，XFER的口地址為321H。當(dāng)CPU執(zhí)行第一條OUT指令時(shí)，選中CS端口，選通輸入寄存器，將累加器中的數(shù)據(jù)傳入輸入寄存器。再執(zhí)行第二條OUT指令，選中XFER端口，把輸入寄存器的內(nèi)容寫入DAC寄存器，并啟動(dòng)轉(zhuǎn)換。執(zhí)行第二條OUT指令時(shí)，累加器中的數(shù)據(jù)為多少是無關(guān)緊要的，主要目的是使XFER有效。69圖5-43DAC0832與有8位數(shù)據(jù)總線的微機(jī)的連接圖70

（1）單極性輸出電路。單極性輸出電路如圖5-45所示。D/A芯片輸出電流i經(jīng)輸出電路轉(zhuǎn)換成單極性的電壓輸出。圖5-45(a)為反相輸出電路，其輸出電壓為 UOUT=-iR

（5-8） 圖5-45(b)是同相輸出電路，其輸出電壓為 （5-9）

（2）雙極性輸出。在某些微機(jī)控制系統(tǒng)中，要求D/A的輸出電壓是雙極性的，例如要求輸出-5～+5V電壓。在這種情況下，D/A的輸出電路要作相應(yīng)的變化。圖5-46就是DAC082雙極性輸出電路實(shí)例。71

圖5-45單極性輸出電路(a)反相輸出；(b)同相輸出72

由電路各參數(shù)計(jì)算可得最后的輸出電壓表達(dá)式為UOUT=-2U1-UREF設(shè)U1為0～-5V，選取UREF為+5V，則UOUT=(0~10)V-5V=-5~+5V。73圖5-46雙極性輸出電路74

三.數(shù)字量輸入通道 隨輸入數(shù)字信號(hào)的類型不同，數(shù)字量輸入通道的結(jié)構(gòu)也不同。 圖5-37畫出了幾種微機(jī)系統(tǒng)中常用的電平轉(zhuǎn)換、濾波、去抖動(dòng)及光電隔離和繼電器隔離電路。75圖5-37開關(guān)量輸入電路；

(a）電平轉(zhuǎn)換及濾波器；(b）繼電器隔離及電平轉(zhuǎn)換電路；

(c）消除開關(guān)二次反跳觸發(fā)器電路；(d）光電隔離及電平轉(zhuǎn)換電路76圖5-37開關(guān)量輸入電路；

(a）電平轉(zhuǎn)換及濾波器；(b）繼電器隔離及電平轉(zhuǎn)換電路；

(c）消除開關(guān)二次反跳觸發(fā)器電路；(d）光電隔離及電平轉(zhuǎn)換電路77

四.數(shù)字量輸出通道 數(shù)字量輸出通道輸出的數(shù)字信號(hào)有三類：二進(jìn)制編碼數(shù)字、“1”或“0”的開關(guān)信號(hào)和脈沖信號(hào)。 具體電路可參閱圖5-38。 圖5-39畫出了幾種開關(guān)量輸出的具體電路。

78

圖5-39開關(guān)量輸出電路(a）TTL電平輸出（PC900為高速光電隔離電路）；79

圖5-39開關(guān)量輸出電路

(b）晶體管開關(guān)輸出；80

圖5-39開關(guān)量輸出電路

(c）繼電器輸出81五.開關(guān)型功率接口

1.光電隔離技術(shù)圖5-40所示為幾種主要的光電耦合器示意圖。需要注意，光電耦合器的輸入.輸出端兩個(gè)電源必須單獨(dú)供電，如圖5-41所示。否則，如果使用同一電源（或共地的兩個(gè)電源），外部干擾信號(hào)可能通過電源串到系統(tǒng)中來，如圖5-42所示，這樣就失去了隔離的意義。82圖5-40幾種光電耦合器示意圖83圖5-42不正確的隔離圖5-41正確的隔離842.晶閘管接口晶閘管是一種大功率電器元件，也稱可控硅。它具有體積小.效率高.壽命長等優(yōu)點(diǎn)，在計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)中，可作為大功率驅(qū)動(dòng)器件，實(shí)現(xiàn)用小功率控件控制大功率設(shè)備。該器件被廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備和電子產(chǎn)品中，多用來作可控整流、逆變、變頻、調(diào)壓、無觸點(diǎn)開關(guān)等。85要使晶閘管導(dǎo)通，一是在它的陽極A與陰極K之間外加正向電壓，二是在它的控制極G與陰極K之間輸入一個(gè)正向觸發(fā)電壓。使導(dǎo)通的晶閘管關(guān)斷，可以斷開陽極電源或使陽極電流小于維持導(dǎo)通的最小值（稱為維持電流）。如果晶閘管陽極和陰極之間外加的是交流電壓或脈動(dòng)直流電壓，那么，在電壓過零時(shí)，晶閘管會(huì)自行關(guān)斷（1）單向晶閘管接口單向晶閘管又稱可控硅整流器，其最大特點(diǎn)是有截止和導(dǎo)通兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)（開關(guān)作用），同時(shí)又具有單向?qū)щ姷恼髯饔?。圖5-43是控制計(jì)算機(jī)控制單向晶閘管實(shí)現(xiàn)220V交流開關(guān)的例子。86圖5-42控制計(jì)算機(jī)與單向晶閘管接口電路87

（2）雙向晶閘管驅(qū)動(dòng)接口雙向晶閘管在結(jié)構(gòu)上可看成是兩個(gè)單向并聯(lián)構(gòu)成的，這種結(jié)構(gòu)使其在應(yīng)用特性與單向晶閘管不同。第一，它在觸發(fā)后是交流雙向?qū)ǎ坏诙?，在門極中所加的觸發(fā)信號(hào)不論是正還是負(fù)都可以使雙向晶閘管導(dǎo)通。雙向晶閘管一般用作過零開關(guān)，對(duì)交流回路進(jìn)行功率控制。圖5-43為雙向晶閘管與控制計(jì)算機(jī)的接口電路。88圖5-43雙向晶閘管與控制計(jì)算機(jī)的接口電路（a）阻抗負(fù)載(b)電感負(fù)載89觸發(fā)電壓：設(shè)晶閘管門極觸發(fā)流為50mA，觸發(fā)電壓為2V，R1取值為330R，則觸發(fā)電壓為：則對(duì)應(yīng)最小控制角：90當(dāng)負(fù)載為感性負(fù)載時(shí)，需控制dU/dt，防止誤導(dǎo)通。MOC3021最大dU/dt為10V/us,極限情況下為0.8V/us，有：可得：91R1和R2之和與最小觸發(fā)電壓和晶閘管觸發(fā)電流滿足：設(shè)UT=40V，IGT=15mA，則：92圖5-44雙向晶閘管保護(hù)電路實(shí)際中，雙向晶閘管也需要加RC回路，使RC和電源變壓器的漏感組成濾波環(huán)節(jié)，降低VT的電壓變化率。這是MOC3021的輸出端的電壓上升率也會(huì)下降。一般，R2=470R~1K，C1=0.05~0.15uF，VT兩端的RC保護(hù)回路，C=0.1~0.5uF，電阻的作用是防止電容產(chǎn)生震蕩以及減小VT導(dǎo)通時(shí)的電流上升率di/dt，電阻R=51R，R3的作用是防止漏電流誤觸發(fā)VT。93圖5-45MOC3061雙向晶閘管過零觸發(fā)電路943.繼電器輸出接口繼電器：接觸器：電磁式繼電器

常用的電磁式繼電器有電流繼電器、電壓繼電器、中間繼電器和時(shí)間繼電器。1、電流繼電器：

反映電流變化的控制電器。電流繼電器的線圈匝數(shù)少、導(dǎo)線粗、阻抗小，使用時(shí)線圈被控電路串聯(lián)。根據(jù)用途可分為過電流繼電器和欠電流繼電器。工作過程：

欠電流繼電器過電流繼電器吸引電流:(30%--65%)IN釋放電流:(10%--20%)IN吸合電流:(110%--400%)IN2、電壓繼電器：反映電壓變化的控制電器。電壓繼電器的線圈匝數(shù)多、導(dǎo)線細(xì)、阻抗大，使用時(shí)線圈被控電路并聯(lián)。根據(jù)用途可分為過電壓繼電器和欠電壓繼電器。

工作過程：

欠電壓繼電器過電壓繼電器釋放電壓:(40%--70%)UN吸合電壓:(110%--115%)UN

。

3.中間繼電器：它是控制電器，觸頭容量較小，可以看作是小容量接觸器（1）組成：與接觸器相同，無主、輔觸點(diǎn)之分；觸頭數(shù)量較多，容量較小

(2）功能：

a.當(dāng)電壓或電流繼電器觸頭容量不夠時(shí)，可借助中間繼電器來控制，此時(shí)它作為執(zhí)行元件被當(dāng)作一級(jí)放大器使用。

b.當(dāng)其他繼電器或接觸器觸頭數(shù)量不夠時(shí),可利用中間繼電器來切換多條電路。

c.對(duì)于電動(dòng)機(jī)額定電流不超過5A的電氣控制系統(tǒng)，可以由中間繼電器代替接觸器來實(shí)現(xiàn)控制。時(shí)間繼電器

定義:從得到輸入信號(hào)（線圈的通電或斷電）開始，經(jīng)過一定的延時(shí)后才輸出信號(hào)（觸點(diǎn)的閉合或斷開）的繼電器叫時(shí)間繼電器（TimeDelayRelay）。按工作原理分:時(shí)間繼電器一般有通電延時(shí)型和斷電延時(shí)型，一般都具有瞬時(shí)觸點(diǎn)和延時(shí)觸點(diǎn)這兩種觸點(diǎn)。通電延時(shí)：接受輸入信號(hào)(通電)后延時(shí)一定的時(shí)間，輸出信號(hào)才發(fā)生變化;當(dāng)輸入信號(hào)消失(斷電)后，輸出瞬時(shí)復(fù)原。斷電延時(shí)：接受輸入信號(hào)(通電)時(shí)，瞬時(shí)產(chǎn)生相應(yīng)的輸出信號(hào)；當(dāng)輸入信號(hào)消失(斷電)后，延遲一定的時(shí)間，輸出才復(fù)原。按結(jié)構(gòu)分:常用的有電磁阻尼式、空氣阻尼式、電動(dòng)式，新型的有電子式、數(shù)字式等時(shí)間繼電器。通電延時(shí)時(shí)間繼電器斷電延時(shí)時(shí)間繼電器延時(shí)觸點(diǎn)

通電延時(shí)動(dòng)作，斷電迅速復(fù)位瞬時(shí)觸點(diǎn)

通電迅速動(dòng)作，斷電迅速復(fù)位工作過程總結(jié)：延時(shí)觸點(diǎn)通電迅速動(dòng)作，斷電延時(shí)復(fù)位瞬時(shí)觸點(diǎn)通電迅速動(dòng)作，斷電迅速復(fù)位時(shí)間繼電器JS7-A系列-3時(shí)間繼電器JS20系列-3時(shí)間繼電器JSM8系列-3時(shí)間繼電器符號(hào)1.4.4熱繼電器1．.熱繼電器的作用和分類作用：在電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)中，當(dāng)三相交流電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)長期帶負(fù)荷欠電壓運(yùn)行、長期過載運(yùn)行以及長期單相運(yùn)行等不正常情況時(shí)，會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)繞組嚴(yán)重過熱乃至燒壞。為了充分發(fā)揮電動(dòng)機(jī)的過載能力，保證電動(dòng)機(jī)的正常啟動(dòng)和運(yùn)轉(zhuǎn)，而當(dāng)電動(dòng)機(jī)一旦出現(xiàn)長時(shí)間過載時(shí)又能自動(dòng)切斷電路，從而出現(xiàn)了能隨過載程度而改變動(dòng)作時(shí)間的電器，這就是熱繼電器。熱繼電器主要用于電機(jī)過載保護(hù)。分類：按極數(shù)來分，熱繼電器有單極、兩極和三極按功能來分，三極熱繼電器又有不帶斷相保護(hù)和帶斷相保護(hù)兩種2．熱繼電器工作原理：

熱繼電器（Thermalover-loadRelay）是利用電流的熱效應(yīng)原理來工作的保護(hù)電器，它在電路中用作三相異步電動(dòng)機(jī)的過載保護(hù)。熱繼電器的測(cè)量元件通常用雙金屬片，它是由主動(dòng)層和被動(dòng)層組成。主動(dòng)層材料采用較高膨脹系數(shù)的鐵鎳鉻合金，被動(dòng)層材料采用膨脹系數(shù)很小的鐵鎳合金。因此，這種雙金屬片在受熱后將向膨脹系數(shù)較小的被動(dòng)層一面彎曲。

雙金屬片有直接、間接和復(fù)式3種加熱方式。直接加熱就是把雙金屬片當(dāng)作發(fā)熱元件，讓電流直接通過；間接加熱是用與雙金屬片無電聯(lián)系的加熱元件產(chǎn)生的熱量來加熱；復(fù)式加熱是直接加熱與間接加熱兩種加熱形式的結(jié)合。

3．熱繼電器的技術(shù)參數(shù)及常用產(chǎn)品

熱繼電器的主要技術(shù)參數(shù)有額定電壓、額定電流、相數(shù)、熱元件編號(hào)以及整定電流調(diào)節(jié)范圍。熱繼電器的整定值：是指熱繼電器長久不動(dòng)作的最大電流，超過此值即動(dòng)作。熱繼電器的整定電流可以通過熱繼電器所帶的專門的調(diào)節(jié)旋鈕進(jìn)行調(diào)整。(a)JRS系列(a)T系列(b)SR16系列(c)SR20系列接觸器分類接觸器按其主觸頭通過的電流種類，

分為：直流接觸器、交流接觸器。按主觸頭的極數(shù)又可分為：單極、雙極、三極、四極和五極等幾種。直流接觸器一般為單極或雙極；交流接觸器大多為三極，四極多用于雙回路控制，五極用于多速電動(dòng)機(jī)控制或者自動(dòng)式自耦減壓起動(dòng)器中。

(d)CJX系列接觸器內(nèi)部結(jié)構(gòu)接觸器工作原理總結(jié)：接觸器的動(dòng)作過程：接觸器的復(fù)位過程：接觸器的主要技術(shù)數(shù)據(jù)額定電壓

主觸點(diǎn)上的額定電壓

額定電流

主觸點(diǎn)的額定電流

線圈的額定電壓

通常用的電壓等級(jí)為：交流36、110（127）、220、380V，直流24、48、220、440V規(guī)定：當(dāng)電源電壓為吸引線圈的額定電壓額定值的85%~105%時(shí)，能保證接觸器可靠地吸合；當(dāng)電源電壓低于額定值的40%時(shí)，能保證接觸器可靠釋放。

額定操作頻率

額定操作頻率指每小時(shí)接通次數(shù)?，F(xiàn)代生產(chǎn)的接觸器，允許接通次數(shù)為150-1500次/h。

電壽命和機(jī)械壽命

電壽命是指接觸器的主觸點(diǎn)在額定負(fù)載條件下，所允許的極限操作次數(shù)?，F(xiàn)代生產(chǎn)的接觸器其電壽命可達(dá)50-100萬次，機(jī)械壽命是指接觸器在不需修理的條件下，所能承受的無負(fù)載操作次數(shù)。機(jī)械壽命可達(dá)500-1000萬次。（106-7數(shù)量級(jí)）

接觸器的電氣符號(hào)圖2.4接觸器符號(hào)1203.繼電器輸出接口由于繼電器是通過改變金屬觸點(diǎn)的位置，使動(dòng)觸點(diǎn)與定觸點(diǎn)閉合或分開，所以具有接觸電阻小，流過電流大及耐高壓等優(yōu)點(diǎn)，但在動(dòng)作可靠性上不及晶閘管。不同的繼電器，其線圈驅(qū)動(dòng)電流的大小，以及帶動(dòng)負(fù)載的能力不同，選用時(shí)應(yīng)該考慮下列因素：

1）繼電器額定工作電壓（或電流）

2）接點(diǎn)負(fù)荷

3）接點(diǎn)的數(shù)量或種類（常閉或常開）

4）繼電器的體積，封裝形式，工作環(huán)境，接點(diǎn)吸合或釋放時(shí)間等。121圖5-46繼電器接口電路1224.固態(tài)繼電器接口固態(tài)繼電器簡稱SSR。它是用晶體管或晶閘管代替常規(guī)繼電器的觸點(diǎn)開關(guān)，而在前級(jí)中與光電隔離器融為一體。因此，固態(tài)繼電器實(shí)際上是一種帶光電隔離器的無觸點(diǎn)開關(guān)，根據(jù)結(jié)構(gòu)形式，固態(tài)繼電器可分為直流型固態(tài)繼電器和交流型固態(tài)繼電器。由于固態(tài)繼電器輸入控制電流小，輸出無觸點(diǎn)，所以與電磁式繼電器相比，具有體積小，重量輕，無機(jī)械噪聲，無抖動(dòng)和回跳，開關(guān)速度快，工作可靠等優(yōu)點(diǎn)。在微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用，大有取代電磁繼電器之勢(shì)。以下是幾種典型的固態(tài)繼電器原理電路圖。1234.固態(tài)繼電器接口

分類：直流型SSR

交流型SSR（過零型、移相型）

124圖5-47直流型SSR原理圖結(jié)構(gòu)：

輸入：光耦隔離器，可用OC門或晶體管直接驅(qū)動(dòng)；

輸出：經(jīng)整形放大后帶動(dòng)大功率晶體管輸出，輸出電壓

可達(dá)30~180VDC用途：帶直流負(fù)載的場(chǎng)合，如直流電動(dòng)機(jī)控制、步進(jìn)電機(jī)

控制和電磁閥等。

125圖5-48步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制原理圖126圖5-49交流過零型SSR原理圖127ttttttOUACOOOOO輸入信號(hào)過零型負(fù)載電流過零型輸出電壓移相型負(fù)載電流移相型輸出電壓圖5-52交流SSR輸出波形圖128圖5-51用交流型SSR控制交流電動(dòng)機(jī)原理圖129固態(tài)繼電器使用注意事項(xiàng)：1、存在通態(tài)壓降和斷態(tài)漏電流；對(duì)于SSR，通態(tài)壓降一般小于2V，漏電流為5~10mA，在負(fù)載側(cè)并聯(lián)分流電阻來抑制漏電流的影響。2、SSR電壓過載能力差，當(dāng)為感性負(fù)載時(shí)，需要接壓敏電阻，標(biāo)稱電壓為電源額定電壓的1.6~1.9倍。3、SSR負(fù)載能力隨著溫度的升高而下降，使用溫度范圍不寬（-40~85度），選用時(shí)需留有余量，同時(shí)加裝散熱器。4、對(duì)于白熾燈、電爐等冷阻特性的負(fù)載，在電源接通瞬間會(huì)產(chǎn)生超過額定電流的浪涌電流，這時(shí)在選用SSR時(shí)，應(yīng)有足夠的余量，一般選負(fù)載正常工作時(shí)的電流為SSR額定電流的三分之二。

1305.大功率場(chǎng)效應(yīng)管開關(guān)接口在開關(guān)量輸出控制中，除了前面介紹的固態(tài)繼電器以外，還可以用大功率場(chǎng)效應(yīng)管開關(guān)量輸出控制元件。場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FieldEffectTransistor縮寫（FET））簡稱場(chǎng)效應(yīng)管。它屬于電壓控制型半導(dǎo)體器件，具有輸入電阻高（10^8～10^9Ω）、噪聲小、功耗低、動(dòng)態(tài)范圍大、易于集成、沒有二次擊穿現(xiàn)象、安全工作區(qū)域?qū)挼葍?yōu)點(diǎn)。所以在計(jì)算機(jī)開關(guān)量輸出控制中也常作為開關(guān)元件使用。柵極簡稱為G,源極簡稱為S,漏極簡稱為D。131圖5-52大功率場(chǎng)效應(yīng)管表示符號(hào)132圖5-53采用大功率場(chǎng)效應(yīng)管的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制電路原理圖概述

PLC在早期是一種開關(guān)邏輯控制裝置，被稱為可編程序邏輯控制器(ProgrammableLogicController)，簡稱PLC。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，PLC采用微處理器作為其控制核心，它的功能已不再局限于邏輯控制的范疇。因此，1980年美國電氣制造協(xié)會(huì)(NEMA)將其命名為ProgrammableController(PC)，但為避免與個(gè)人計(jì)算機(jī)(PersonalComputer)的簡稱PC混淆，習(xí)慣上仍將其稱為PLC。5.3可編程控制器PLC的定義

國際電工委員會(huì)（IEC）于1982年11月1985年1月對(duì)可編程序控制器作了如下的定義：“可編程序控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它采用可編程序的存儲(chǔ)器，用來在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的命令，并通過數(shù)字式模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程?？删幊绦蚩刂破骷捌溆嘘P(guān)設(shè)備，都應(yīng)按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一個(gè)整體，易于擴(kuò)充功能的原則而設(shè)計(jì)”。PLC的定義

PLC是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的工業(yè)控制裝置。5.3可編程控制器PLC的基本組成PLC主要由CPU模塊、輸入/輸出模塊、電源模塊和外部設(shè)備組成整體式組合式

PLC的基本分類小型機(jī)常采用整體式中、大型機(jī)常采用組合式1.2認(rèn)知PLC的硬件組成輸出設(shè)備輸入設(shè)備

I/O擴(kuò)展單元

特殊功能單元主機(jī)輸出單元輸入單元

電源外設(shè)接口I/O擴(kuò)展口存儲(chǔ)器

系統(tǒng)程序

存儲(chǔ)器

CPU

用戶程序

存儲(chǔ)器盒式磁帶機(jī)打印機(jī)EPROM寫入器

上位計(jì)算機(jī)

PLC編程器可編程終端PT…

整體式PLC的基本組成框圖1395.3可編程控制器PLC的組成及工作原理

1．硬件組成

(1)CPU模塊

(2)存儲(chǔ)器

(3)I/O接口模塊

1)智能I／O接口模塊

2)外設(shè)通訊接口模塊

3)開關(guān)量I／O接口★輸入并存儲(chǔ)用戶程序、顯示輸入內(nèi)容和地址；

CPU指揮PLC完成各種預(yù)定的功能★檢查、校驗(yàn)用戶程序，發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤即報(bào)警；★執(zhí)行用戶程序、驅(qū)動(dòng)外部輸出設(shè)備動(dòng)作；★診斷故障、記憶故障信息并報(bào)警。CPU單元PLC中所采用的CPU通常有三種：（1）通用處理器：8086、80286、80386（2）單片機(jī)芯片：8031、8096（3）位片式微處理器：AMD-2900小型PLC多采用8位微處理器或單片機(jī)作為CPU中型PLC多采用16位微處理器或單片機(jī)作為CPU大型PLC多采用高速位片式微處理器系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器——存儲(chǔ)系統(tǒng)系統(tǒng)程序用戶程序存儲(chǔ)器——存儲(chǔ)系統(tǒng)用戶程序工作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器——存儲(chǔ)工作數(shù)據(jù)

2.存儲(chǔ)器143PLC的組成

1．硬件組成

(2)存儲(chǔ)器模塊

系統(tǒng)存儲(chǔ)器+用戶程序存儲(chǔ)器；系統(tǒng)存儲(chǔ)器：存放監(jiān)控程序、命令解釋程序、故障診斷程序、功能子程序及調(diào)用管理程序；PLC生產(chǎn)廠商提供，固化在PLC內(nèi)部的ROM或EPROM中，不能直接讀??；用戶程序存儲(chǔ)器：存放通過編程器輸入的用戶程序。，一部分空間用于數(shù)據(jù)寄存器存放過程數(shù)據(jù)，如輸入輸出信息、中間運(yùn)算結(jié)果、運(yùn)行參數(shù)等。主要類型：靜態(tài)RAM（SRAM）、EEPROM兩種?？膳渲肞LC外部存儲(chǔ)器。RAM：存儲(chǔ)各種暫存數(shù)據(jù)、中間結(jié)果、用戶正調(diào)試的程序。ROM：存放監(jiān)控程序和用戶已調(diào)試好的程序。

存儲(chǔ)器145(3)I/O接口模塊將工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)裝置與CPU模塊連接起來；包括開關(guān)量I/O接口、模擬量I/O接口、智能I/O接口以及通訊接口。開關(guān)量I/O接口：按強(qiáng)電要求設(shè)計(jì)的即輸入輸出接口可直接與強(qiáng)電控制信號(hào)相連，采用了光電耦合隔離電路。智能I/O接口：可實(shí)現(xiàn)某些復(fù)雜的控制算法，如位置閉環(huán)控制控制I/O模塊、高速計(jì)數(shù)模塊以及PID運(yùn)算控制模塊等。通訊接口：主要用于人機(jī)對(duì)話、編程器與PLC對(duì)話，以及PLC與監(jiān)視器、打印機(jī)及其他計(jì)算機(jī)相連的接口。

輸入、輸出接口：采用光電隔離，實(shí)現(xiàn)了PLC的內(nèi)部電路與外部電路的電氣隔離，減小了電磁干擾。輸出接口作用：將主機(jī)向外輸出的信號(hào)轉(zhuǎn)換成可以驅(qū)動(dòng)外部執(zhí)行電路的信號(hào)，以便控制接觸器線圈等電器通斷電；另外輸出電路也使計(jì)算機(jī)與外部強(qiáng)電隔離。輸出三種形式：繼電器--低速大功率

可控硅--高速大功率

晶體管--高速小功率輸入接口作用：將按鈕、行程開關(guān)或傳感器等產(chǎn)生的信號(hào)，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送入主機(jī)。（1）輸入接口電路：采用光電耦合器，防止強(qiáng)電干擾。COM光電三極管發(fā)光二極管直流電源輸入端子+–PLCIn+24V–發(fā)光二極管

直流輸入電路M+5VLEDSR3R1AR2C→→T

內(nèi)部電路濾波→→→→光電耦合

外部開關(guān)輸入點(diǎn)的狀態(tài)顯示

輸入點(diǎn)公共端

交流輸入電路LED+5VA→→R2～MSCR1

內(nèi)部電路R3濾波→→→→光電耦合

輸入點(diǎn)的狀態(tài)顯示

外部開關(guān)輸入點(diǎn)繼電器輸出（2）輸出接口電路：以繼電器形式為例：PLC內(nèi)部電路內(nèi)部電路K+交流電源或直流電源QL+-

晶體管輸出電路T2LED→→DFU+5V內(nèi)部電路T1R1R2R3負(fù)載→→光電耦合

輸出點(diǎn)的狀態(tài)顯示

公共端輸出點(diǎn)

晶閘管輸出電路LEDR2C→→TFU～內(nèi)部電路R1負(fù)載→→光電耦合

輸出點(diǎn)的狀態(tài)顯示

公共端輸出點(diǎn)

繼電器輸出電路LEDK～R內(nèi)部電路→→負(fù)載輸出點(diǎn)的狀態(tài)顯示

繼電器

機(jī)械觸點(diǎn)

公共端輸出點(diǎn)

PLC由開關(guān)式穩(wěn)壓電源為內(nèi)部電路供電抗干擾性能好

有的PLC能向外部提供24V的直流電源

可作為輸入單元連接的外部設(shè)備的電源

開關(guān)電源輸入電壓范圍寬體積小重量輕效率高1.2.3

電源單元PLC的供電

各種接口、高功能模塊：便于擴(kuò)展

小型機(jī)：一體機(jī)。有接口可擴(kuò)展。

PowerinaSmallPackage!!電源模塊CPU模塊IO模塊底板中、大型機(jī)：模塊式。可根據(jù)需要在主板上隨意組合。PLC的外部設(shè)備主要有：編程設(shè)備觸摸屏操作面板文本顯示器打印機(jī)等

1.2.4外部設(shè)備159PLC的組成及工作原理2．編程器編程器是供用戶開發(fā)、調(diào)試和監(jiān)視PLC工作的必備工具。它與PLC上的專用接口相連，主要完成：向PLC輸入用戶控制程序；在線監(jiān)視PLC的運(yùn)行；控制PLC運(yùn)行、暫停和復(fù)位；將PLCRAM中的用戶程序固化寫入E2PROM或轉(zhuǎn)存到磁盤或存儲(chǔ)盒上等功能。

PLC編程器有便攜式和CRT智能式兩種。

編程設(shè)備PCFPPROGRAMMER(HELP)CLRWRTFN/PFLSTKIX/IYNOTDT/LdREADOTLWLORRWRANYWYSTXWXSRC(-)OP(BIN)K/HSCCTCEVTMTSVACLRENTBAFEDC

98

3

2

1

0

7

6

5

4(DELT)CLR

編程器是對(duì)PLC進(jìn)行操作的工具

專用編程器

在裝有專用編程軟件的計(jì)算機(jī)上編程

簡易編程器

直插式、便攜式

計(jì)算機(jī)輔助編程

圖形編程器PLC的軟件系統(tǒng)系統(tǒng)程序

系統(tǒng)程序是由PLC的制造者采用匯編語言編寫的，固化于ROM型系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器中，用于控制PLC本身的運(yùn)行，用戶不能更改。

系統(tǒng)程序分為：1.系統(tǒng)管理程序2.用戶指令解釋程序3.標(biāo)準(zhǔn)程序模塊和系統(tǒng)調(diào)用程序

PLC的軟件系統(tǒng)1.3.2用戶程序

用戶程序又稱為應(yīng)用程序，是用戶為完成某一控制任務(wù)而利用PLC的編程語言編制的程序。用戶程序是線性地存儲(chǔ)在系統(tǒng)程序制定的存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)。1．用戶環(huán)境用戶環(huán)境是由系統(tǒng)程序生成的，它包括用戶數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、用戶元件區(qū)、用戶程序存儲(chǔ)區(qū)、用戶參數(shù)、文件存儲(chǔ)區(qū)等。2．用戶程序結(jié)構(gòu)用戶程序結(jié)構(gòu)大致可以分為三種：（1）線性程序（2）分塊程序（3）結(jié)構(gòu)化程序3．用戶程序語言PLC的編程語言有多種，其中梯形圖、語句表、功能塊圖是三種基本語言。

1.4PLC的工作過程PLC的循環(huán)掃描工作過程

接線程序控制與存儲(chǔ)程序控制

接線程序控制與存儲(chǔ)程序控制

繼電接觸器控制系統(tǒng)，又稱為接線程序控制系統(tǒng)，是通過電器元器件的固定接線來實(shí)現(xiàn)控制邏輯，完成控制任務(wù)的。接線程序控制與存儲(chǔ)程序控制

在PLC控制系統(tǒng)中，用戶根據(jù)控制要求編制出相應(yīng)的控制程序，并寫入PLC的程序存儲(chǔ)器中。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，PLC將程序執(zhí)行結(jié)果輸出給相應(yīng)的輸出設(shè)備，控制被控對(duì)象工作。這種控制稱為存儲(chǔ)程序控制。1.4.2

PLC的循環(huán)掃描工作過程

掃描工作分為5個(gè)階段

公共處理階段

程序執(zhí)行階段

掃描周期計(jì)算階段

I/O刷新階段

外設(shè)端口處理階段

PLC的循環(huán)掃描工作過程

掃描工作一般分為：讀輸入、執(zhí)行程序、處理通信請(qǐng)求、自診斷檢查和寫輸出等過程，CPU反復(fù)不停地分階段處理上述各種不同的任務(wù)，這種周而復(fù)始的循環(huán)工作方式稱為循環(huán)掃描。

執(zhí)行用戶程序只是掃描周期的一個(gè)組成部分，用戶程序不運(yùn)行時(shí)，PLC也在掃描，只不過在一個(gè)周期中去除了執(zhí)行用戶程序和讀輸入、寫輸出的內(nèi)容。

PLC最主要的工作方式是循環(huán)掃描（周期掃描）

PLC在運(yùn)行工作狀態(tài)，執(zhí)行如上所述的一次掃描操作所需的時(shí)間稱為掃描周期，其典型值為1～100ms。掃描周期與用戶程序的長短、指令的種類和CPU的運(yùn)算速度有很大的關(guān)系。用戶程序較長時(shí)，指令執(zhí)行的時(shí)間在掃描周期中占相當(dāng)大的比例。169PLC的組成及工作原理3．PLC的工作過程

(1)PLC掃描工作各環(huán)節(jié)的功能①PLC上電后，首先檢查硬件是否正常。②按自上而下的順序，逐條讀用戶程序并執(zhí)行。對(duì)輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將結(jié)果存入元件映象寄存器。③計(jì)算掃描周期。若正常，則進(jìn)行下一步；若不正常，則報(bào)警并作處理。母線④I/O刷新階段。⑤外設(shè)端口服務(wù)。讀輸入點(diǎn)的狀態(tài)并寫入輸入映像寄存器。將元件映像寄存器的狀態(tài)經(jīng)輸出鎖存器、輸出電路送到輸出點(diǎn)。訪問外設(shè)端口連接的外部設(shè)備。一、內(nèi)部繼電器區(qū)（IR)IR區(qū)分為三部分:

輸入繼電器區(qū):IR000~IR015

輸出繼電器區(qū):IR100~IR115

內(nèi)部輔助繼電器區(qū):IR016~IR099IR116~IR229

PLC內(nèi)部資源◆輸入繼電器是PLC用來接收用戶輸入設(shè)備發(fā)來的輸入信號(hào)◆

輸入繼電器線圈由外部輸入信號(hào)所驅(qū)動(dòng)，只有當(dāng)外部信號(hào)接通時(shí)，對(duì)應(yīng)的輸入繼電器才得電，不能用指令來驅(qū)動(dòng)?！诔绦蛑薪^對(duì)不可能出現(xiàn)輸入繼電器的線圈，只能出現(xiàn)輸入繼電器的觸點(diǎn)※每個(gè)輸入繼電器的常開與常閉觸點(diǎn)均可無數(shù)次使用

輸入繼電器區(qū):IR000~IR015(000~015)◆輸出繼電器是用來將PLC內(nèi)部信號(hào)輸出傳送給外部負(fù)載◆輸出繼電器線圈是由PLC內(nèi)部程序驅(qū)動(dòng)，其線圈狀態(tài)傳送給輸出單元，再由輸出單元對(duì)應(yīng)的硬觸點(diǎn)來驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載

※每個(gè)輸出繼電器在輸出單元中都對(duì)應(yīng)有一個(gè)常開硬觸點(diǎn)，但在程序中供編程的輸出繼電器，不管是常開還是常閉觸點(diǎn)，都可以無數(shù)次使用。

輸出繼電器區(qū):IR100~IR115(100~115)

◆輔助繼電器是PLC中數(shù)量最多的一種繼電器，其作用相當(dāng)于繼電器控制系統(tǒng)中的中間繼電器。

◆和輸出繼電器一樣，其線圈由程序指令驅(qū)動(dòng)，每個(gè)輔助繼電器都有無限多對(duì)常開常閉觸點(diǎn)，供編程使用。但是，其觸點(diǎn)不能直接驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載，要通過輸出繼電器才能實(shí)現(xiàn)對(duì)外部負(fù)載的驅(qū)動(dòng)。

內(nèi)部輔助繼電器區(qū):IR016~IR099(016~099)IR116~IR229(116~229)一、LD和LDNOT指令NNN:繼電器編號(hào)IRSRHRARLRTRTC功能：LD指令表示常開觸點(diǎn)與左側(cè)母線連接；

LDNOT指令表示常閉觸點(diǎn)與左側(cè)母線連接。二、OUT和OUTNOT指令N:繼電器編號(hào)IRSRHRARLRTRNN功能：OUT指令輸出運(yùn)算結(jié)果

OUTNOT指令將運(yùn)算結(jié)果取反后輸出PLC基本指令應(yīng)用：0000000001100001000110002LD00000OUT10000OUTNOT10001LDNOT00001OUT10002三、AND和ANDNOT指令NNN:繼電器編號(hào)IRSRHRARLRTC功能：AND指令表示常開觸點(diǎn)與前面的觸點(diǎn)電路相串聯(lián)ANDNOT指令表示常閉觸點(diǎn)與前面的觸點(diǎn)電路相串聯(lián)注意：串聯(lián)的數(shù)量不受限制AND和ANDNOT指令應(yīng)用000000000110000000021000010001LD00000AND00001OUT10000LD00002ANDNOT10000OUT100010000000001000210000100010000000001000021000010001比較(a)與(b)的區(qū)別?(a)(b)四、OR和ORNOT指令N:繼電器編號(hào)IRSRHRARLRTC功能：OR指令表示常開觸點(diǎn)與前面的觸點(diǎn)電路相并聯(lián)

ORNOT指令表示常閉觸點(diǎn)與前面的觸點(diǎn)電路相并聯(lián)NN應(yīng)用：000000000100002100001000100003LD00000OR00001OUT10000LD00002ORNOT00003OUT10001功能：ANDLD指令用于邏輯塊串聯(lián)連接，即對(duì)邏輯塊進(jìn)行邏輯與操作當(dāng)串聯(lián)的是兩個(gè)或兩個(gè)以上的并聯(lián)觸點(diǎn)應(yīng)用：五、ANDLD指令0000000002000011000000003000040000500006LD00000AND00001ORNOT00002LD00003OR00004ANDLDLD00005ORNOT00006ANDLDOUT10000LD00000AND00001ORNOT00002LD00003OR00004LD00005ORNOT00006ANDLDANDLDOUT10000注：方法2ANDLD指令之前的邏輯塊數(shù)應(yīng)小于等于8方法1對(duì)此沒有限制方法1方法20000000002000011000000003000040000500006ORLD指令用于邏輯塊并聯(lián)連接，即對(duì)邏輯塊進(jìn)行邏輯或操作并聯(lián)的是兩個(gè)或兩個(gè)以上串聯(lián)觸點(diǎn)應(yīng)用：六、ORLD指令LD00000ANDNOT00001LDNOT00002AND00003ORLDLD00004AND00005ORLDOUT10000方法210000000000000200001000040000300005LD00000ANDNOT00001LDNOT00002AND00003LD00004AND00005ORLDORLDOUT10000方法100000000010000210000000032000200004000050000700006200000000820001LD00000OR00001ANDNOT00002LD00005ANDNOT00006ORLDLD00007AND00008ORLDLD00003AND00004OR20002ANDLDLDNOT20000ANDNOT20001ORLDOUT10000輸出端子輸入端子用戶程序輸出部分主電路KMFUFR

M3~Q~KMPLC~SB1SB2KMSTI0.0I0.1I0.2Q0.01LL+(3)PLC控制的原理

等效電路圖SB1SB2ST公共端公共端輸入部分讀讀讀寫寫

執(zhí)行用戶程序

I/O刷新I/O刷新

I/O刷新I/O刷新

(2)PLC執(zhí)行用戶程序的過程~KM線圈通電SB1閉合I0.0

閉合接點(diǎn)閉合KMFUFR

M3~QKM通電KM通電觸點(diǎn)閉合電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)觸點(diǎn)閉合SB2STSB1KMPLC~SB2STI0.0