機電一體化系統(tǒng)設(shè)計本課程的特點1、涉及的知識面廣，大多為新知識2、機電結(jié)合，綜合應(yīng)用3、部分內(nèi)容與其它課程有交叉機電一體化系統(tǒng)設(shè)計本課程的特點1參考書目1、《機電一體化技術(shù)概覽》萬遇良北京工業(yè)大學(xué)出版社2、《現(xiàn)代控制與驅(qū)動技術(shù)》謝少榮蔣蓁羅均林中華化學(xué)工業(yè)出版社3、《現(xiàn)場總線控制》周明中國電力出版社4、《電磁干擾排查及故障解決的電磁兼容技術(shù)》（法）米切爾.麥迪安著劉萍魏東興等譯中國電力出版社5、《電磁兼容原理與應(yīng)用》（加拿大）大衛(wèi)A.韋斯頓著楊自佑王守三譯機械工業(yè)出版社

參考書目1、《機電一體化技術(shù)概覽》萬遇良北京工業(yè)大學(xué)出版2答疑時間每周五14：00—15：00答疑時間每周五14：00—15：003第1章機電一體化技術(shù)概述1.1機電一體化含義機電一體化:MECHATRONICSMECHANICS+ELECTRONICS機電一體化是機械的主功能，動力功能，信息功能和控制功能上引進微電子技術(shù)，并將機械裝置與電子裝置用相關(guān)軟件有機結(jié)合而構(gòu)成系統(tǒng)的總稱。第1章機電一體化技術(shù)概述1.1機電一體化含義41.2機電一體化系統(tǒng)的基本構(gòu)成

1.2.1機電一體化系統(tǒng)的構(gòu)成通常認(rèn)為由五個部分組成：機械系統(tǒng)（機構(gòu)）電子信息處理系統(tǒng)（電子計算機）動力系統(tǒng)（動力源）傳感檢測系統(tǒng)（傳感器）執(zhí)行元件系統(tǒng)（電動機等）五個部分組成的機電一體化系統(tǒng)可以分為：半閉環(huán)、閉環(huán)兩種控制方式。1.2機電一體化系統(tǒng)的基本構(gòu)成

1.2.1機電一體化系統(tǒng)的5閉環(huán)：對最終執(zhí)行元件進行直接控制。半閉環(huán)：對中間元件進行控制，從而推算出最終元件的狀態(tài)。閉環(huán)：對最終執(zhí)行元件進行直接控制。6機電一體化系統(tǒng)設(shè)計(同名78)課件7機電一體化系統(tǒng)設(shè)計(同名78)課件81.2.2機電一體化系統(tǒng)的功能構(gòu)成構(gòu)成功能的目的：處理工業(yè)三大要素信息、能量、物質(zhì)功能構(gòu)成1、變換（加工、處理）功能2、傳遞（移動、輸送）功能3、儲存（保持、積蓄、記錄）功能1.2.2機電一體化系統(tǒng)的功能構(gòu)成構(gòu)成功能的目的：處理工業(yè)9機電一體化系統(tǒng)要素與人體要素的比較機電一體化系統(tǒng)要素功能人體要素控制器（計算機）控制（信息存儲、處理、傳送）頭腦網(wǎng)絡(luò)信息傳遞神經(jīng)檢測、傳感器計測（信息收集與變換）感官執(zhí)行元件驅(qū)動（操作）肌肉動力源提供動力（能量）內(nèi)臟機構(gòu)構(gòu)造骨骼機電一體化系統(tǒng)要素與人體要素的比較機電一體化系統(tǒng)要素功能人體101.2.3機電一體化系統(tǒng)構(gòu)成要素的聯(lián)接為實現(xiàn)各子系統(tǒng)或要素之間物質(zhì)、能量或信息交換而進行的連接就是接口。按功能分，接口有兩種：輸入/輸出接口和變換、調(diào)整接口1.2.3機電一體化系統(tǒng)構(gòu)成要素的聯(lián)接為實現(xiàn)各子系統(tǒng)或要素之11具有變換調(diào)整功能的接口（4種）1、零接口：不進行任何變換和調(diào)整，本子系統(tǒng)的輸出即為另一子系統(tǒng)的輸入，這種接口只起到連接的作用。如插頭、座，輸送管線，傳動軸等。2、無源接口：只用無源要素進行變換、調(diào)整的接口。如變速箱、變壓器、可變電阻、透鏡等。具有變換調(diào)整功能的接口（4種）123、有源接口：含有有源要素，可以主動進行匹配的接口。如電磁離合器、放大器、光電耦合器等4、智能接口：帶有微處理器，可以進行程序編制或可適應(yīng)性地改變接口條件。如自動變速裝置、通用輸入/輸出集成電路，STD總線等3、有源接口：含有有源要素，可以主動進行匹配的接口。如電磁離13根據(jù)輸入/輸出功能有如下接口形式1、機械接口：由輸入/輸出部位的形狀、尺寸、精度、配合、規(guī)格等進行機械聯(lián)接的接口。如聯(lián)軸器，管接頭，法蘭盤等。2、物理接口：受通過接口的物質(zhì)、能量、信息的具體形態(tài)和物理條件約束的接口。如受電流、電壓、電容、扭矩、頻率、氣壓等約束的接口。根據(jù)輸入/輸出功能有如下接口形式143、信息接口：受規(guī)格、標(biāo)準(zhǔn)、法律、語言、符號等邏輯、軟件約束的接口。如RS232，GB，ISO，ASCII，F(xiàn)ORTRAN，C++等4、環(huán)境接口：對周圍環(huán)境條件（溫度、濕度、磁場、振動、水、氣、灰、火、放射）有保護作用的接口。如防塵接頭，防水開關(guān)等3、信息接口：受規(guī)格、標(biāo)準(zhǔn)、法律、語言、符號等邏輯、軟件約束151.2.4機電一體化系統(tǒng)的評價

系統(tǒng)的內(nèi)部功能與系統(tǒng)的價值系統(tǒng)內(nèi)部功能評價參數(shù)系統(tǒng)價值高低主功能系統(tǒng)誤差小大抗干擾能力強弱廢物輸出少多變換效率高低動力功能輸入能量少多能源內(nèi)裝外設(shè)控制功能控制輸入/輸出口個數(shù)多少手動操作少多網(wǎng)絡(luò)功能強弱構(gòu)造功能尺寸、重量小、輕大、重強度高低計測功能精度高低1.2.4機電一體化系統(tǒng)的評價

系統(tǒng)的內(nèi)部功能與系統(tǒng)的價16機電一體化系統(tǒng)的評價內(nèi)容機電一體化系統(tǒng)的評價內(nèi)容17高性能化省能化機電一體化系統(tǒng)高附加值化主功能低價格化高可靠性化計測功能動力功能智能化構(gòu)造功能輕薄短小化控制功能網(wǎng)絡(luò)化高性能化省能化機電一體化系統(tǒng)高附加值化主功能低價格化高可靠性181.3機電一體化與其他技術(shù)的區(qū)別不是機、電的簡單疊加與機電學(xué)的區(qū)別

與并行工程的區(qū)別與自動控制的區(qū)別

與計算機應(yīng)用的區(qū)別1.3機電一體化與其他技術(shù)的區(qū)別不是機、電的簡單疊加19第2章機電一體化產(chǎn)品的設(shè)計2.1機電一體化設(shè)計的特點2.1.1機電一體化方案設(shè)計方面1、“柔性”自動化方案的應(yīng)用機電一體化水平的不斷發(fā)展，使得產(chǎn)品的“柔性”化程度不斷提高四種方案比較：第2章機電一體化產(chǎn)品的設(shè)計2.1機電一體化設(shè)計的特點20方案1方案121方案2方案222方案3方案323方案4方案4242、高性能電子化器件與微電子器件的采用3、機電一體化系統(tǒng)設(shè)計的考慮方法（1）機電互補法（取代法）（2）結(jié)合法（融合法）（3）組合法4、機器裝置輕型、小型化2、高性能電子化器件與微電子器件的采用25

2.2機械傳動設(shè)計方面1、通常采用分離驅(qū)動源的傳動方式，傳動鏈不是全剛性結(jié)合

信息處理功能的分離

傳動參數(shù)

2.2機械傳動設(shè)計方面26機電一體化系統(tǒng)設(shè)計(同名78)課件27機電一體化系統(tǒng)設(shè)計(同名78)課件282、信息處理功能的分離例：要完成工作部分不同的轉(zhuǎn)速要求可以采用的方法有：（1）2、信息處理功能的分離例：要完成工作部分不同的轉(zhuǎn)速要求可以采29（2）（2）30（3）（3）312.2機電一體化系統(tǒng)設(shè)計與現(xiàn)代設(shè)計方法

設(shè)計程序①明確設(shè)計思想②分析綜合要求③劃分功能模塊④決定性能參數(shù)⑤調(diào)研類似產(chǎn)品⑥擬定總體方案⑦方案對比定型⑧編寫總體設(shè)計論證書2.2機電一體化系統(tǒng)設(shè)計與現(xiàn)代設(shè)計方法

設(shè)計程序32總體設(shè)計中應(yīng)注意：（1）以機電互補原則進行功能劃分，即明確哪的功能由機械設(shè)計實現(xiàn)，哪些功能由電子技術(shù)的硬、軟件實現(xiàn)，這樣能發(fā)揮機電所長，簡化結(jié)構(gòu)、充分體現(xiàn)機電一體化效果。（2）用圖表說明功能要求與動作順序要求（3）分析產(chǎn)品專用性與批量（4）重點明確產(chǎn)品的簡要特性（5）分析產(chǎn)品的自動化程度及其適用性總體設(shè)計中應(yīng)注意：（1）以機電互補原則進行功能劃分，即明確哪33（6）環(huán)境條件要求（7）動力源特性分析（8）機、電、液傳動的最佳匹配（9）可靠性分析（10）結(jié)構(gòu)尺寸及空間布置分析（11）特殊功能分析、低速穩(wěn)定性、抖動要求、快速響應(yīng)性與定位精度要求等（6）環(huán)境條件要求342.1.2設(shè)計準(zhǔn)則

在保證目的功能要求與適當(dāng)壽命的前提下不斷降低成本降低成本一方面是從用戶需求出發(fā)降低成本，二是從制造廠的立場出發(fā)降低成本。平均故障間隔MTBF(MeanTimeBetweenFailures--到產(chǎn)品發(fā)生故障止，或從一個故障被排除后到下一個故障發(fā)生時的平均時間。

2.1.2設(shè)計準(zhǔn)則

在保證目的功能要求與適當(dāng)壽命的前提下不352.1.4現(xiàn)代設(shè)計方法

常用的設(shè)計方法有：相似設(shè)計法、虛擬設(shè)計法、反求設(shè)計法、有限元設(shè)計法、可靠性設(shè)計法、動態(tài)分析設(shè)計法、優(yōu)化設(shè)計法等。2.1.4現(xiàn)代設(shè)計方法

常用的設(shè)計方法有：相似設(shè)計法、虛擬設(shè)362.1.5機電一體化設(shè)計過程

2.1.5機電一體化設(shè)計過程

37機電一體化系統(tǒng)設(shè)計(同名78)課件38第3章機電一體化系統(tǒng)的控制技術(shù)

3.1計算機控制的特點對系統(tǒng)的噪聲及參數(shù)變化不敏感，只要這種噪聲幾參數(shù)的變化不變成數(shù)字量進入控制系統(tǒng)，它對系統(tǒng)就沒有什么影響。數(shù)據(jù)處理速度快、精度高對重復(fù)性工作的處理很方便——利用程序的循環(huán)可以用程序很容易地完成模擬控制難以實現(xiàn)的控制工作系統(tǒng)可靠度高——多處理器、分布式控制（DCS）使用專用集成電路提高處理效率、增強可靠性、降低成本，同時有利于保護知識產(chǎn)權(quán)。提高系統(tǒng)智能化水平，增強系統(tǒng)柔性。信息存貯量大數(shù)據(jù)可以長時間保存數(shù)據(jù)可以高速長距離傳輸數(shù)據(jù)檢索速度快、方便控制系統(tǒng)電壓低、功耗小第3章機電一體化系統(tǒng)的控制技術(shù)

3.1計算機控制的特點393.2計算機控制的類型

1、模擬儀表控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)的主要特點是傳感器及執(zhí)行器的信號傳輸均以模擬量的形式出現(xiàn)。這種控制系統(tǒng)信號的精度不高，容易受到干擾。3.2計算機控制的類型

1、模擬儀表控制系統(tǒng)402、集中式數(shù)字控制系統(tǒng)（DDC—DirectDigitalControl）由計算機（單片機、PLC、微機等）直接對眾多的現(xiàn)場儀表進行控制，控制器內(nèi)部傳輸?shù)氖菙?shù)字信號2、集中式數(shù)字控制系統(tǒng)（DDC—DirectDigital413、集散控制系統(tǒng)（DCS—DistributedControlSystem）集散控制系統(tǒng)（DCS）又稱為分布式控制系統(tǒng)，其控制為分散的，但管理則是集中的。3、集散控制系統(tǒng)（DCS—DistributedContr42主要構(gòu)成包含：現(xiàn)場控制單元——其作用是對受控對象的信號進行采集、處理、并對受控對象進行控制，這一部分是分散的。人機接口——人與計算機之間進行信息交互的界面即通道。由此人可以實現(xiàn)對全局信息的了解、監(jiān)控，也可以實現(xiàn)對某一設(shè)備的參數(shù)的更改，對系統(tǒng)組態(tài)的監(jiān)控。通信網(wǎng)絡(luò)——設(shè)備之間信息交互的通道。計算機接口——實現(xiàn)上位機與現(xiàn)場設(shè)備之間信息的交互，可以實現(xiàn)電平的轉(zhuǎn)換，信號制式的轉(zhuǎn)換。計算機——功能強大，用來對全局進行監(jiān)控。主要構(gòu)成包含：43DCS控制系統(tǒng)的主要特點可以表述為：適應(yīng)性好可以滿足不同企業(yè)的要求靈活性強根據(jù)企業(yè)的規(guī)模及生產(chǎn)情況，可以對DCS系統(tǒng)進行組配，有很強的靈活性?？煽啃愿咄ㄟ^冗余技術(shù)，可以保證在某一部分出現(xiàn)故障。備用機立即投入運行，從而提高系統(tǒng)可靠性。DCS控制系統(tǒng)的主要特點可以表述為：44DCS的問題各廠家生產(chǎn)的DCS系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)不一致，產(chǎn)品不兼容，這主要是標(biāo)準(zhǔn)不一致引起的導(dǎo)致各廠有自己的協(xié)議。目前正在向標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)通信接近。DCS的問題454、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）現(xiàn)場總線實際上是用一條總線將若干臺現(xiàn)場儀表或執(zhí)行機構(gòu)連接在一起，用于過程自動化和制造自動化，使現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)與控制系統(tǒng)的集成。4、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）46第4章現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS

現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FieldbusControlSystem(FCS)定義：現(xiàn)場總線指安裝在制造過程區(qū)域的現(xiàn)場裝置，與控制室內(nèi)的自動化裝置之間的數(shù)字式、串行、多點的數(shù)據(jù)總線。第4章現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS

現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)47基本內(nèi)容包括：①以串行通信方式取代傳統(tǒng)的4-20mA的模擬信號。②一條現(xiàn)場總線可為眾多可尋址現(xiàn)場設(shè)備實現(xiàn)多點連接。③支持底層的現(xiàn)場智能設(shè)備與高層的系統(tǒng)利用公用傳輸介質(zhì)交換信息?；緝?nèi)容包括：484.1現(xiàn)場總線技術(shù)的主要特點

數(shù)字化信號傳輸現(xiàn)場儀表之間：現(xiàn)場儀表與上層工作站之間以及工作站之間的信息交換均為數(shù)字信息。開放式、互操作性、互換性、可集成性技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)是全開放式的，面向所有制造商及用戶，特別強調(diào)互操作性、互換性，因而設(shè)備具有很好的可集成性。可靠性高、可維護性好采用總線方式而非傳統(tǒng)的一對一的I/O線，減少了接點數(shù)目，減少了接觸不良造成的故障，可以通過總線對儀表的參數(shù)進行設(shè)定。降低系統(tǒng)成本

有資料表明，僅系統(tǒng)的布線、安裝、維護費用可以比傳統(tǒng)的DCS減少66%的成本。4.1現(xiàn)場總線技術(shù)的主要特點

數(shù)字化信號傳輸494.2幾種常見的現(xiàn)場總線

（1）FF基金會現(xiàn)場總線FF——FieldbusFoundation主要的自動化設(shè)備供應(yīng)商：AB、ABB、Foxboro、Honeywell、Fuji等。

主要應(yīng)用領(lǐng)域：化工、石油、污水處理等。4.2幾種常見的現(xiàn)場總線

（1）FF基金會現(xiàn)場總線50（2）PROFIBUS——ProcessFieldBus分為三種：PROFIBUS——DP(DecentralizedPeriphery)分散外圍設(shè)備用于設(shè)備級控制系統(tǒng)與分散式I/O的通信（現(xiàn)場級）。PROFIBUS——PA(ProcessAutomation)過程自動化，可用于有爆炸危險的環(huán)境。PROFIBUS——FMS(FieldbusMassageSpecification)現(xiàn)場總線報文規(guī)范車間級監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，令牌結(jié)構(gòu)，常用于樓宇自動化。目前PROFIBUS在德國及歐洲市場居首位。PROFIBUS是以西門子公司為首研制的，目前全世界支持PROFIBUS的產(chǎn)品已超過1500多種。（2）PROFIBUS——ProcessFieldBus51（3）LonWorks采用LonTalk協(xié)議。LonWorks的核心是神經(jīng)元芯片（Neuron）多用于樓宇自動化、保安系統(tǒng)、辦公設(shè)備、供暖通風(fēng)、消防、救生、安全、照明等領(lǐng)域。（3）LonWorks52（4）CANControllerAreaNetwork——控制器局域網(wǎng)絡(luò)。由Bosch公司牽頭。起初專為汽車工業(yè)設(shè)計，現(xiàn)在發(fā)展用于各種行業(yè)，但不能用于防爆區(qū)。這種總線系統(tǒng)目前廣泛地被應(yīng)用于汽車的控制系統(tǒng)。（4）CAN53（5）HARTHighwayAddressableRemoteTransducer——可尋址遠程傳感器高速通道最早由Rosemount公司開發(fā)，現(xiàn)得到80多家儀表生產(chǎn)商的支持。HART能由總線供電，可滿足本安防爆要求。嚴(yán)格講HART不屬于現(xiàn)場總線。（5）HART54（6）其它現(xiàn)場總線WorldFIP、P-Net、AS-i(ActuatorSensorInterface)、DeviceNet、CC-Link、ControlNet、SwiftNet(主要用于航空航天)、Interbus另外還有目前剛剛興起的基于以太網(wǎng)(Ethernet)的PROFINET（6）其它現(xiàn)場總線554.3現(xiàn)場總線與互聯(lián)網(wǎng)的區(qū)別

現(xiàn)場總線強調(diào)實時性，一般控制系統(tǒng)響應(yīng)時間為0.01~0.5s，制造自動化系統(tǒng)響應(yīng)時間為0.5~2s，而互聯(lián)網(wǎng)中響應(yīng)時間一般在2~6s。工廠自動化系統(tǒng)中，通信方式使用了廣播和交組方式?；ヂ?lián)網(wǎng)中兩個自主系統(tǒng)只建立暫時一對一方式。現(xiàn)場總線強調(diào)在惡劣條件下數(shù)據(jù)傳送的完整性，在可燃或易爆環(huán)境中的本質(zhì)安全性。互聯(lián)網(wǎng)信息流通量大，現(xiàn)場總線信息流通量不大，但要變?yōu)槲镔|(zhì)流、能量流、動作流，要求必須十分可靠。4.3現(xiàn)場總線與互聯(lián)網(wǎng)的區(qū)別

現(xiàn)場總線強調(diào)實時性，一般控制564.4現(xiàn)場總線的標(biāo)準(zhǔn)1、ISO的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO（InternationalStandardizationOrganization）制定了現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)。ISO7498-1996，簡稱為OSI(OpenSystemInterconnection)，將通信任務(wù)劃分為七層。七層分別為：OSIRM(OpenSystemInterconnectionReferenceModel)開放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型4.4現(xiàn)場總線的標(biāo)準(zhǔn)1、ISO的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)57

行規(guī)(profile)行規(guī)應(yīng)用層

面向用戶面向網(wǎng)絡(luò)

上層協(xié)議

低層協(xié)議表示層會話層傳輸層網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)鏈路層物理層行規(guī)(profile)行規(guī)應(yīng)用層面表示層會話層傳輸層網(wǎng)582、IEC標(biāo)準(zhǔn)ISO-OSI是為計算機互聯(lián)而設(shè)計的，用于開放系統(tǒng)互聯(lián)的模型。IEC(國際電工委員會)于1999年底通過了“工業(yè)控制系統(tǒng)用現(xiàn)場總線”國際標(biāo)準(zhǔn)。IEC61158，通過了8類現(xiàn)場總線作為其標(biāo)準(zhǔn)，但8類互不兼容。類型1IEC技術(shù)報告（即FF-H1）類型2ControlNet(美Rockwell支持)類型3Profibus(德Siemens支持)類型4P-Net(丹麥ProcessData支持)類型5FFHSE(原FF-H2、Fisher-Rosemount支持)類型6SwiftNet(美Boeing支持)類型7WorldFIP(法Adstom支持)類型8Interbus(德PhoenixCoutact支持)類型9FoundationFieldbus(FF),FMS類型10Profinet2、IEC標(biāo)準(zhǔn)594.5PROFIBUS現(xiàn)場總線技術(shù)4.5.1PROFIBUS概貌由三個兼容部組成：PROFIBUS—DP、PROFIBUS—PA、PROFIBUS—FMS①PROFIBUS—DP：取代24VDC或4-20mA信號傳輸。—DP——DecentralizedPeriphery②PROFIBUS—PA：專為過程自動化設(shè)計，可使傳感器和執(zhí)行器連在一根總線上，并有本安規(guī)范。PROFIBUS—PA可以用雙絞線供電技術(shù)進行數(shù)據(jù)通信?！狿A——ProcessAutomation

4.5PROFIBUS現(xiàn)場總線技術(shù)4.5.1PROF60③PROFIBUS—FMS—FMS——FieldbusMessageSpecification是一種由于工廠自動化車間級監(jiān)控和現(xiàn)場設(shè)備層數(shù)據(jù)通信與控制的現(xiàn)場技術(shù)。③PROFIBUS—FMS61PROFIBUS-DP使用第一層、第二層和用戶接口，第三層到第七層未加定義。用戶接口規(guī)定了用戶及系統(tǒng)以及不同設(shè)備可調(diào)用的功能，并詳細(xì)說明了各種不同PROFIBUS-DP設(shè)備的設(shè)備行為，還提供了傳輸可選用的RS485傳輸技術(shù)或光纜傳輸技術(shù)。PROFIBUS-DP62PROFIBUS-FMS定義了第一、二和七層。應(yīng)用層包括現(xiàn)場總線報文規(guī)范（FieldbusMessageSpecification-FMS）和地層接口（LowerLayerInterface-LLI）。LLI協(xié)調(diào)不同的通信關(guān)系并向FMS提供與設(shè)備無關(guān)的訪問第二層的技術(shù)。第二層（FieldbusDataLink-FDL）可完成總線存取控制和數(shù)據(jù)的可靠性，他還為PROFIBUS-FMS提供RS485傳輸技術(shù)或光纜傳輸技術(shù)。PROFIBUS-FMS63PROFIBUS-PA數(shù)據(jù)的傳輸采用擴展的PROFIBUS-DP協(xié)議。另外還使用了描述現(xiàn)場設(shè)備行為的PA行規(guī)。通過使用段耦合器，PROFIBUS-PA設(shè)備能很方便地集成到PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)中。PROFIBUS-PA64PROFIBUS-DP和PROFIBUS-FMS系統(tǒng)使用了同樣的傳輸技術(shù)和統(tǒng)一的總線存取協(xié)議，因此兩種系統(tǒng)可以在同一根電纜上同時操作。PROFIBUS-DP和PROFIBUS-FMS系統(tǒng)使用了同654.5.2PROFIBUS協(xié)議結(jié)構(gòu)4.5.2PROFIBUS協(xié)議結(jié)構(gòu)664.5.3PROFIBUS在工廠自動化系統(tǒng)中的位置

1、現(xiàn)場設(shè)備層連接現(xiàn)場設(shè)備，如分散式I/O、傳感器、驅(qū)動器、執(zhí)行機構(gòu)、開關(guān)設(shè)備等，完成現(xiàn)場設(shè)備控制及設(shè)備間連鎖控制。2、車間監(jiān)控層完成車間主生產(chǎn)設(shè)備之間的連接，完成車間級設(shè)備監(jiān)控。車間級監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)可采用PROFIBUS—FMS。3、工廠管理層通過集線器可以使車間操作員工作站與車間辦公4.5.3PROFIBUS在工廠自動化系統(tǒng)中的位置

1、現(xiàn)67機電一體化系統(tǒng)設(shè)計(同名78)課件684.5.4PROFIBUS控制系統(tǒng)配置的幾種形式

1）總線接口型現(xiàn)場設(shè)備不具備PROFIBUS接口，則采用分散式I/O作為總線接口，與現(xiàn)場設(shè)備連接。若設(shè)備能分組則更能發(fā)揮現(xiàn)場總線的優(yōu)點。2）單一總線型現(xiàn)場設(shè)備都有PROFIBUS接口。這是理想的情況。對于一個新建的工廠，或新設(shè)計的設(shè)備來說容易實現(xiàn)。3）混合型部分現(xiàn)場設(shè)備有PROFIBUS功能，部分沒有。4.5.4PROFIBUS控制系統(tǒng)配置的幾種形式

1）總線694.5.5PROFIBUS的傳輸技術(shù)

PROFIBUS中的傳輸技術(shù)包括用于DP和FMS的RS485傳輸技術(shù)和光纖傳輸，以及用于PA的IEC61158-2傳輸技術(shù)。這些傳輸技術(shù)的共同特點是：在總線段的開頭和結(jié)尾必須有總線終端器。每段可以有最多32個站。中繼器沒有站地址，但它們被計算在每段的站數(shù)中。4.5.5PROFIBUS的傳輸技術(shù)

PROFIBUS中的70用于-DP傳輸技術(shù)這種傳輸技術(shù)使用屏蔽雙絞銅線作為傳輸介質(zhì)，總線上的站點共用一根導(dǎo)線對。這種總線的傳輸速率為9.6Kbit/s到12Mbit/s，稱之為高速總線（H2總線）。在運行中全部設(shè)備均須選用同一傳輸速度。用于-DP傳輸技術(shù)這種傳輸技術(shù)使用屏蔽雙絞銅線作為傳輸介質(zhì)，71安裝提示全部設(shè)備都與總線相連接。在每個總線段中最多可以接32個站（主站或從站）。每段的頭和尾各接有一個有源總線終端器。為確保操作不發(fā)生錯誤，兩個總線終端器必須永遠保持有電源。如果站的數(shù)量超過32個或需要擴大網(wǎng)絡(luò)區(qū)域，則必須使用中繼器（repeater,總線放大器）來連接各個總線段。電纜的最大長度取決于傳輸速率。電纜的特殊長度可以使用中繼器來增加，但一般串聯(lián)使用的中繼器不超過3個。安裝提示全部設(shè)備都與總線相連接。72RS-485傳輸技術(shù)的基本特性網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚€性總線，在總線兩端有有源的總線終端器。波特率≤1.5Mbit/s時允許使用短接線。介質(zhì)屏蔽雙絞電纜，根據(jù)周圍環(huán)境條件（EMC）也可不用屏蔽。站點數(shù)不帶中繼器，每分段32個站;帶中繼器，可多到127個站(地址空間0-127；地址127為廣播地址，可用0-126)插頭連接器防護等級為IP20：最好為9針D型插頭防護等級為IP65/67：M12圓形連接器；符合IEC947-5-2Han-Brid連接器；符合DESINA建議Siemens混合連接器RS-485傳輸技術(shù)的基本特性網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚€性總線，在總線兩端有73機電一體化系統(tǒng)設(shè)計(同名78)課件74電纜長度與傳輸速率的關(guān)系波特率（Kbit/s）9.619.293.75187.5500150012000距離/段（m）1200120012001000400200100電纜長度與傳輸速率的關(guān)系波特率（Kbit/s）9.619.275機電一體化系統(tǒng)設(shè)計(同名78)課件76機電一體化系統(tǒng)設(shè)計(同名78)課件77總線的連接連接RS485的9針D型插座總線的連接連接RS485的9針D型插座78機電一體化系統(tǒng)設(shè)計(同名78)課件79-DP及-FMS總線終端器-DP及-FMS總線終端器80用于-PA的IEC61158-2傳輸技術(shù)能滿足化工和石化工業(yè)的要求可保持本質(zhì)安全性并使現(xiàn)場設(shè)備通過總線供電是位同步協(xié)議，可進行無電流的連續(xù)傳輸，通常稱之為H1傳輸以下列原則為依據(jù)：用于-PA的IEC61158-2傳輸技術(shù)能滿足化工和石化工業(yè)81每段只有一個電源，作為供電裝置當(dāng)站點發(fā)送信息時，不向總線供電每個站點現(xiàn)場設(shè)備在穩(wěn)態(tài)下消耗常量基本電流現(xiàn)場設(shè)備作用如同無源的電流吸收裝置主總線兩端起無源線性終端作用為了提高可靠性，設(shè)計時可采用冗余的總線段為了調(diào)制的目的，每個總線站點至少需用10mA的基本電流才使設(shè)備起動。每段只有一個電源，作為供電裝置82-PA總線終端器-PA總線終端器83IEC61158-2傳輸技術(shù)安裝要點分段耦合器將IEC61158-2傳輸技術(shù)總線段與RS-485傳輸技術(shù)總線段連接。耦合器使RS-485信號與IEC61158-2信號相匹配。它們?yōu)楝F(xiàn)場設(shè)備的遠程電源供電，供電裝置可限制IEC61158-2總線的電流和電壓。PROFIBUS-PA的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溆袠湫秃途€型結(jié)構(gòu)，或是兩種拓?fù)涞幕旌犀F(xiàn)場配電箱仍繼續(xù)用來連接現(xiàn)場設(shè)備并放置總線終端電阻器。采用樹型結(jié)構(gòu)時，連在現(xiàn)場總線分段的全部現(xiàn)場設(shè)備都并聯(lián)地接在現(xiàn)場配電箱上。建議使用如下參考電纜，也可使用更粗截面導(dǎo)體的其它電纜。IEC61158-2傳輸技術(shù)安裝要點分段耦合器將IEC6184電纜設(shè)計雙絞線屏蔽電纜導(dǎo)線面積（額定值）0.8mm2(AWG18)回路電阻（直流）44Ω/km阻抗（31.25KHz時）100Ω±20%39KHz時衰減3dB/km電容不平衡度2nF/km電纜設(shè)計雙絞線屏蔽電纜導(dǎo)線面積（額定值）0.8mm2(AW85主總線電纜的兩端各有一個無源終端器，內(nèi)有串聯(lián)的RC元件。當(dāng)總線站極性反向連接時，它對總線的功能不會有任何影響。連接到一個段上的站數(shù)目最多為32個。如果使用本質(zhì)安全型及總線供電，站的數(shù)量將進一步受到限制。即使不需要本質(zhì)安全性，遠程供電裝置電源也受到限制。主總線電纜的兩端各有一個無源終端器，內(nèi)有串聯(lián)的RC元件。當(dāng)總86光纖傳輸技術(shù)光纖類型核心直徑（μm）范圍多模玻璃光纖62.5/1252-3km單模玻璃光纖9/125>15km塑料光纖980/1000<80mHCS?光纖200/230約500m光纖傳輸技術(shù)光纖類型核心直徑（μm）范圍多模玻璃光纖62.87行規(guī)（Profiles）：由制造商和用戶制定的有關(guān)設(shè)備和系統(tǒng)的特征、功能特性和行為的規(guī)范。行規(guī)分為：通用應(yīng)用行規(guī)：有用于不同應(yīng)用的實現(xiàn)選項。如：PROFIsafe行規(guī)、冗余行規(guī)、時間標(biāo)簽（TimeStamp）行規(guī)。專用應(yīng)用行規(guī)：為特定的應(yīng)用開發(fā)的。如PROFIdrive，SEMI或PADevices行規(guī)。系統(tǒng)和主站行規(guī)：描述可供現(xiàn)場設(shè)備使用的特定的系統(tǒng)性能。

4.5.6PROFIBUS-DP行規(guī)

行規(guī)（Profiles）：由制造商和用戶制定的有關(guān)設(shè)備和系統(tǒng)88Profibus-DP行規(guī)明確定義了用戶數(shù)據(jù)怎樣在總線各站之間傳遞。但用戶數(shù)據(jù)不是由Profibus-DP傳輸協(xié)議來說明的，它的含義是在行規(guī)中具體說明的。另外，行規(guī)還具體規(guī)定了Profibus-DP如何用于應(yīng)用領(lǐng)域。利用行規(guī)可使不同廠商所生產(chǎn)的不同設(shè)備互換使用。Profibus-DP行規(guī)明確定義了用戶數(shù)據(jù)怎樣在總線各站之89NC/RC行規(guī)(3.052)該行規(guī)介紹了人們怎樣通過Profibus-DP對操作機和裝配機器人進行控制。編碼器行規(guī)(3.062)本行規(guī)介紹了回轉(zhuǎn)式，轉(zhuǎn)角式和線性編碼器與Profibus-DP的聯(lián)接，這些編碼器帶有單轉(zhuǎn)或多轉(zhuǎn)分辨率。NC/RC行規(guī)(3.052)90變速傳動行規(guī)(3.071—為文件編號)傳動技術(shù)設(shè)備的主要生產(chǎn)廠共同制定了PROFIDRIVE行規(guī)。行規(guī)具體規(guī)定了傳動設(shè)備怎樣被參數(shù)化，以及設(shè)定值和實際值怎樣進行傳遞，也包括了速度控制和定位必須的規(guī)格參數(shù)。操作員控制和過程監(jiān)視行規(guī)（HMI）該行規(guī)具體說明了通過Profibus-DP把這些設(shè)備與更高一級自動化部件的連接。變速傳動行規(guī)(3.071—為文件編號)914.5.7PROFIBUS-PA行規(guī)

Profibus-PA行規(guī)保證了不同廠商所生產(chǎn)的現(xiàn)場設(shè)備的互換性和互操作性，它是Profibus-PA的一個組成部分。PA行規(guī)的任務(wù)是保證被選用的各種類型現(xiàn)場設(shè)備有相同的通信功能，并提供這些設(shè)備功能和設(shè)備行為的一切必要的規(guī)格。4.5.7PROFIBUS-PA行規(guī)

Profibus-P92PA行規(guī)已對所有通用的測量變送器和其它選擇的一些設(shè)備類型作了具體規(guī)定，如：測壓力、液位、溫度和流量的變送器，數(shù)字量輸入和輸出，模擬量輸入和輸出，閥門，定位器。設(shè)備行為由規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)化的變量來描述，變量取決于特定的測量變送器。PA行規(guī)已對所有通用的測量變送器和其它選擇的一些設(shè)備類型作了934.5.8PROFIBUS-FMS行規(guī)

控制器間的通信（3.002）此通信行規(guī)定義了用于可編程控制器（PLC）之間通信的FMS服務(wù)。根據(jù)控制器的類型，對每臺控制所支持的服務(wù)、參數(shù)和數(shù)據(jù)類型作了具體規(guī)定。樓宇自動化行規(guī)（3.011）該行規(guī)提供了一個特定的分支和服務(wù)，作為樓宇自動化中的公共基礎(chǔ)。并對樓宇自動化系統(tǒng)使用FMS進行監(jiān)視、閉環(huán)和開環(huán)控制、操作控制、報警處理及系統(tǒng)檔案管理作了描述。低壓開關(guān)設(shè)備（3.032）是面向行業(yè)的FMS行規(guī)，具體說明了通過FMS在通信過程中低壓開關(guān)設(shè)備的應(yīng)用行為。4.5.8PROFIBUS-FMS行規(guī)

控制器間的通信（394機電一體化系統(tǒng)設(shè)計本課程的特點1、涉及的知識面廣，大多為新知識2、機電結(jié)合，綜合應(yīng)用3、部分內(nèi)容與其它課程有交叉機電一體化系統(tǒng)設(shè)計本課程的特點95參考書目1、《機電一體化技術(shù)概覽》萬遇良北京工業(yè)大學(xué)出版社2、《現(xiàn)代控制與驅(qū)動技術(shù)》謝少榮蔣蓁羅均林中華化學(xué)工業(yè)出版社3、《現(xiàn)場總線控制》周明中國電力出版社4、《電磁干擾排查及故障解決的電磁兼容技術(shù)》（法）米切爾.麥迪安著劉萍魏東興等譯中國電力出版社5、《電磁兼容原理與應(yīng)用》（加拿大）大衛(wèi)A.韋斯頓著楊自佑王守三譯機械工業(yè)出版社

參考書目1、《機電一體化技術(shù)概覽》萬遇良北京工業(yè)大學(xué)出版96答疑時間每周五14：00—15：00答疑時間每周五14：00—15：0097第1章機電一體化技術(shù)概述1.1機電一體化含義機電一體化:MECHATRONICSMECHANICS+ELECTRONICS機電一體化是機械的主功能，動力功能，信息功能和控制功能上引進微電子技術(shù)，并將機械裝置與電子裝置用相關(guān)軟件有機結(jié)合而構(gòu)成系統(tǒng)的總稱。第1章機電一體化技術(shù)概述1.1機電一體化含義981.2機電一體化系統(tǒng)的基本構(gòu)成

1.2.1機電一體化系統(tǒng)的構(gòu)成通常認(rèn)為由五個部分組成：機械系統(tǒng)（機構(gòu)）電子信息處理系統(tǒng)（電子計算機）動力系統(tǒng)（動力源）傳感檢測系統(tǒng)（傳感器）執(zhí)行元件系統(tǒng)（電動機等）五個部分組成的機電一體化系統(tǒng)可以分為：半閉環(huán)、閉環(huán)兩種控制方式。1.2機電一體化系統(tǒng)的基本構(gòu)成

1.2.1機電一體化系統(tǒng)的99閉環(huán)：對最終執(zhí)行元件進行直接控制。半閉環(huán)：對中間元件進行控制，從而推算出最終元件的狀態(tài)。閉環(huán)：對最終執(zhí)行元件進行直接控制。100機電一體化系統(tǒng)設(shè)計(同名78)課件101機電一體化系統(tǒng)設(shè)計(同名78)課件1021.2.2機電一體化系統(tǒng)的功能構(gòu)成構(gòu)成功能的目的：處理工業(yè)三大要素信息、能量、物質(zhì)功能構(gòu)成1、變換（加工、處理）功能2、傳遞（移動、輸送）功能3、儲存（保持、積蓄、記錄）功能1.2.2機電一體化系統(tǒng)的功能構(gòu)成構(gòu)成功能的目的：處理工業(yè)103機電一體化系統(tǒng)要素與人體要素的比較機電一體化系統(tǒng)要素功能人體要素控制器（計算機）控制（信息存儲、處理、傳送）頭腦網(wǎng)絡(luò)信息傳遞神經(jīng)檢測、傳感器計測（信息收集與變換）感官執(zhí)行元件驅(qū)動（操作）肌肉動力源提供動力（能量）內(nèi)臟機構(gòu)構(gòu)造骨骼機電一體化系統(tǒng)要素與人體要素的比較機電一體化系統(tǒng)要素功能人體1041.2.3機電一體化系統(tǒng)構(gòu)成要素的聯(lián)接為實現(xiàn)各子系統(tǒng)或要素之間物質(zhì)、能量或信息交換而進行的連接就是接口。按功能分，接口有兩種：輸入/輸出接口和變換、調(diào)整接口1.2.3機電一體化系統(tǒng)構(gòu)成要素的聯(lián)接為實現(xiàn)各子系統(tǒng)或要素之105具有變換調(diào)整功能的接口（4種）1、零接口：不進行任何變換和調(diào)整，本子系統(tǒng)的輸出即為另一子系統(tǒng)的輸入，這種接口只起到連接的作用。如插頭、座，輸送管線，傳動軸等。2、無源接口：只用無源要素進行變換、調(diào)整的接口。如變速箱、變壓器、可變電阻、透鏡等。具有變換調(diào)整功能的接口（4種）1063、有源接口：含有有源要素，可以主動進行匹配的接口。如電磁離合器、放大器、光電耦合器等4、智能接口：帶有微處理器，可以進行程序編制或可適應(yīng)性地改變接口條件。如自動變速裝置、通用輸入/輸出集成電路，STD總線等3、有源接口：含有有源要素，可以主動進行匹配的接口。如電磁離107根據(jù)輸入/輸出功能有如下接口形式1、機械接口：由輸入/輸出部位的形狀、尺寸、精度、配合、規(guī)格等進行機械聯(lián)接的接口。如聯(lián)軸器，管接頭，法蘭盤等。2、物理接口：受通過接口的物質(zhì)、能量、信息的具體形態(tài)和物理條件約束的接口。如受電流、電壓、電容、扭矩、頻率、氣壓等約束的接口。根據(jù)輸入/輸出功能有如下接口形式1083、信息接口：受規(guī)格、標(biāo)準(zhǔn)、法律、語言、符號等邏輯、軟件約束的接口。如RS232，GB，ISO，ASCII，F(xiàn)ORTRAN，C++等4、環(huán)境接口：對周圍環(huán)境條件（溫度、濕度、磁場、振動、水、氣、灰、火、放射）有保護作用的接口。如防塵接頭，防水開關(guān)等3、信息接口：受規(guī)格、標(biāo)準(zhǔn)、法律、語言、符號等邏輯、軟件約束1091.2.4機電一體化系統(tǒng)的評價

系統(tǒng)的內(nèi)部功能與系統(tǒng)的價值系統(tǒng)內(nèi)部功能評價參數(shù)系統(tǒng)價值高低主功能系統(tǒng)誤差小大抗干擾能力強弱廢物輸出少多變換效率高低動力功能輸入能量少多能源內(nèi)裝外設(shè)控制功能控制輸入/輸出口個數(shù)多少手動操作少多網(wǎng)絡(luò)功能強弱構(gòu)造功能尺寸、重量小、輕大、重強度高低計測功能精度高低1.2.4機電一體化系統(tǒng)的評價

系統(tǒng)的內(nèi)部功能與系統(tǒng)的價110機電一體化系統(tǒng)的評價內(nèi)容機電一體化系統(tǒng)的評價內(nèi)容111高性能化省能化機電一體化系統(tǒng)高附加值化主功能低價格化高可靠性化計測功能動力功能智能化構(gòu)造功能輕薄短小化控制功能網(wǎng)絡(luò)化高性能化省能化機電一體化系統(tǒng)高附加值化主功能低價格化高可靠性1121.3機電一體化與其他技術(shù)的區(qū)別不是機、電的簡單疊加與機電學(xué)的區(qū)別

與并行工程的區(qū)別與自動控制的區(qū)別

與計算機應(yīng)用的區(qū)別1.3機電一體化與其他技術(shù)的區(qū)別不是機、電的簡單疊加113第2章機電一體化產(chǎn)品的設(shè)計2.1機電一體化設(shè)計的特點2.1.1機電一體化方案設(shè)計方面1、“柔性”自動化方案的應(yīng)用機電一體化水平的不斷發(fā)展，使得產(chǎn)品的“柔性”化程度不斷提高四種方案比較：第2章機電一體化產(chǎn)品的設(shè)計2.1機電一體化設(shè)計的特點114方案1方案1115方案2方案2116方案3方案3117方案4方案41182、高性能電子化器件與微電子器件的采用3、機電一體化系統(tǒng)設(shè)計的考慮方法（1）機電互補法（取代法）（2）結(jié)合法（融合法）（3）組合法4、機器裝置輕型、小型化2、高性能電子化器件與微電子器件的采用119

2.2機械傳動設(shè)計方面1、通常采用分離驅(qū)動源的傳動方式，傳動鏈不是全剛性結(jié)合

信息處理功能的分離

傳動參數(shù)

2.2機械傳動設(shè)計方面120機電一體化系統(tǒng)設(shè)計(同名78)課件121機電一體化系統(tǒng)設(shè)計(同名78)課件1222、信息處理功能的分離例：要完成工作部分不同的轉(zhuǎn)速要求可以采用的方法有：（1）2、信息處理功能的分離例：要完成工作部分不同的轉(zhuǎn)速要求可以采123（2）（2）124（3）（3）1252.2機電一體化系統(tǒng)設(shè)計與現(xiàn)代設(shè)計方法

設(shè)計程序①明確設(shè)計思想②分析綜合要求③劃分功能模塊④決定性能參數(shù)⑤調(diào)研類似產(chǎn)品⑥擬定總體方案⑦方案對比定型⑧編寫總體設(shè)計論證書2.2機電一體化系統(tǒng)設(shè)計與現(xiàn)代設(shè)計方法

設(shè)計程序126總體設(shè)計中應(yīng)注意：（1）以機電互補原則進行功能劃分，即明確哪的功能由機械設(shè)計實現(xiàn)，哪些功能由電子技術(shù)的硬、軟件實現(xiàn)，這樣能發(fā)揮機電所長，簡化結(jié)構(gòu)、充分體現(xiàn)機電一體化效果。（2）用圖表說明功能要求與動作順序要求（3）分析產(chǎn)品專用性與批量（4）重點明確產(chǎn)品的簡要特性（5）分析產(chǎn)品的自動化程度及其適用性總體設(shè)計中應(yīng)注意：（1）以機電互補原則進行功能劃分，即明確哪127（6）環(huán)境條件要求（7）動力源特性分析（8）機、電、液傳動的最佳匹配（9）可靠性分析（10）結(jié)構(gòu)尺寸及空間布置分析（11）特殊功能分析、低速穩(wěn)定性、抖動要求、快速響應(yīng)性與定位精度要求等（6）環(huán)境條件要求1282.1.2設(shè)計準(zhǔn)則

在保證目的功能要求與適當(dāng)壽命的前提下不斷降低成本降低成本一方面是從用戶需求出發(fā)降低成本，二是從制造廠的立場出發(fā)降低成本。平均故障間隔MTBF(MeanTimeBetweenFailures--到產(chǎn)品發(fā)生故障止，或從一個故障被排除后到下一個故障發(fā)生時的平均時間。

2.1.2設(shè)計準(zhǔn)則

在保證目的功能要求與適當(dāng)壽命的前提下不1292.1.4現(xiàn)代設(shè)計方法

常用的設(shè)計方法有：相似設(shè)計法、虛擬設(shè)計法、反求設(shè)計法、有限元設(shè)計法、可靠性設(shè)計法、動態(tài)分析設(shè)計法、優(yōu)化設(shè)計法等。2.1.4現(xiàn)代設(shè)計方法

常用的設(shè)計方法有：相似設(shè)計法、虛擬設(shè)1302.1.5機電一體化設(shè)計過程

2.1.5機電一體化設(shè)計過程

131機電一體化系統(tǒng)設(shè)計(同名78)課件132第3章機電一體化系統(tǒng)的控制技術(shù)

3.1計算機控制的特點對系統(tǒng)的噪聲及參數(shù)變化不敏感，只要這種噪聲幾參數(shù)的變化不變成數(shù)字量進入控制系統(tǒng)，它對系統(tǒng)就沒有什么影響。數(shù)據(jù)處理速度快、精度高對重復(fù)性工作的處理很方便——利用程序的循環(huán)可以用程序很容易地完成模擬控制難以實現(xiàn)的控制工作系統(tǒng)可靠度高——多處理器、分布式控制（DCS）使用專用集成電路提高處理效率、增強可靠性、降低成本，同時有利于保護知識產(chǎn)權(quán)。提高系統(tǒng)智能化水平，增強系統(tǒng)柔性。信息存貯量大數(shù)據(jù)可以長時間保存數(shù)據(jù)可以高速長距離傳輸數(shù)據(jù)檢索速度快、方便控制系統(tǒng)電壓低、功耗小第3章機電一體化系統(tǒng)的控制技術(shù)

3.1計算機控制的特點1333.2計算機控制的類型

1、模擬儀表控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)的主要特點是傳感器及執(zhí)行器的信號傳輸均以模擬量的形式出現(xiàn)。這種控制系統(tǒng)信號的精度不高，容易受到干擾。3.2計算機控制的類型

1、模擬儀表控制系統(tǒng)1342、集中式數(shù)字控制系統(tǒng)（DDC—DirectDigitalControl）由計算機（單片機、PLC、微機等）直接對眾多的現(xiàn)場儀表進行控制，控制器內(nèi)部傳輸?shù)氖菙?shù)字信號2、集中式數(shù)字控制系統(tǒng)（DDC—DirectDigital1353、集散控制系統(tǒng)（DCS—DistributedControlSystem）集散控制系統(tǒng)（DCS）又稱為分布式控制系統(tǒng)，其控制為分散的，但管理則是集中的。3、集散控制系統(tǒng)（DCS—DistributedContr136主要構(gòu)成包含：現(xiàn)場控制單元——其作用是對受控對象的信號進行采集、處理、并對受控對象進行控制，這一部分是分散的。人機接口——人與計算機之間進行信息交互的界面即通道。由此人可以實現(xiàn)對全局信息的了解、監(jiān)控，也可以實現(xiàn)對某一設(shè)備的參數(shù)的更改，對系統(tǒng)組態(tài)的監(jiān)控。通信網(wǎng)絡(luò)——設(shè)備之間信息交互的通道。計算機接口——實現(xiàn)上位機與現(xiàn)場設(shè)備之間信息的交互，可以實現(xiàn)電平的轉(zhuǎn)換，信號制式的轉(zhuǎn)換。計算機——功能強大，用來對全局進行監(jiān)控。主要構(gòu)成包含：137DCS控制系統(tǒng)的主要特點可以表述為：適應(yīng)性好可以滿足不同企業(yè)的要求靈活性強根據(jù)企業(yè)的規(guī)模及生產(chǎn)情況，可以對DCS系統(tǒng)進行組配，有很強的靈活性?？煽啃愿咄ㄟ^冗余技術(shù)，可以保證在某一部分出現(xiàn)故障。備用機立即投入運行，從而提高系統(tǒng)可靠性。DCS控制系統(tǒng)的主要特點可以表述為：138DCS的問題各廠家生產(chǎn)的DCS系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)不一致，產(chǎn)品不兼容，這主要是標(biāo)準(zhǔn)不一致引起的導(dǎo)致各廠有自己的協(xié)議。目前正在向標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)通信接近。DCS的問題1394、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）現(xiàn)場總線實際上是用一條總線將若干臺現(xiàn)場儀表或執(zhí)行機構(gòu)連接在一起，用于過程自動化和制造自動化，使現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)與控制系統(tǒng)的集成。4、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）140第4章現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS

現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FieldbusControlSystem(FCS)定義：現(xiàn)場總線指安裝在制造過程區(qū)域的現(xiàn)場裝置，與控制室內(nèi)的自動化裝置之間的數(shù)字式、串行、多點的數(shù)據(jù)總線。第4章現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS

現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)141基本內(nèi)容包括：①以串行通信方式取代傳統(tǒng)的4-20mA的模擬信號。②一條現(xiàn)場總線可為眾多可尋址現(xiàn)場設(shè)備實現(xiàn)多點連接。③支持底層的現(xiàn)場智能設(shè)備與高層的系統(tǒng)利用公用傳輸介質(zhì)交換信息。基本內(nèi)容包括：1424.1現(xiàn)場總線技術(shù)的主要特點

數(shù)字化信號傳輸現(xiàn)場儀表之間：現(xiàn)場儀表與上層工作站之間以及工作站之間的信息交換均為數(shù)字信息。開放式、互操作性、互換性、可集成性技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)是全開放式的，面向所有制造商及用戶，特別強調(diào)互操作性、互換性，因而設(shè)備具有很好的可集成性?？煽啃愿摺⒖删S護性好采用總線方式而非傳統(tǒng)的一對一的I/O線，減少了接點數(shù)目，減少了接觸不良造成的故障，可以通過總線對儀表的參數(shù)進行設(shè)定。降低系統(tǒng)成本

有資料表明，僅系統(tǒng)的布線、安裝、維護費用可以比傳統(tǒng)的DCS減少66%的成本。4.1現(xiàn)場總線技術(shù)的主要特點

數(shù)字化信號傳輸1434.2幾種常見的現(xiàn)場總線

（1）FF基金會現(xiàn)場總線FF——FieldbusFoundation主要的自動化設(shè)備供應(yīng)商：AB、ABB、Foxboro、Honeywell、Fuji等。

主要應(yīng)用領(lǐng)域：化工、石油、污水處理等。4.2幾種常見的現(xiàn)場總線

（1）FF基金會現(xiàn)場總線144（2）PROFIBUS——ProcessFieldBus分為三種：PROFIBUS——DP(DecentralizedPeriphery)分散外圍設(shè)備用于設(shè)備級控制系統(tǒng)與分散式I/O的通信（現(xiàn)場級）。PROFIBUS——PA(ProcessAutomation)過程自動化，可用于有爆炸危險的環(huán)境。PROFIBUS——FMS(FieldbusMassageSpecification)現(xiàn)場總線報文規(guī)范車間級監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，令牌結(jié)構(gòu)，常用于樓宇自動化。目前PROFIBUS在德國及歐洲市場居首位。PROFIBUS是以西門子公司為首研制的，目前全世界支持PROFIBUS的產(chǎn)品已超過1500多種。（2）PROFIBUS——ProcessFieldBus145（3）LonWorks采用LonTalk協(xié)議。LonWorks的核心是神經(jīng)元芯片（Neuron）多用于樓宇自動化、保安系統(tǒng)、辦公設(shè)備、供暖通風(fēng)、消防、救生、安全、照明等領(lǐng)域。（3）LonWorks146（4）CANControllerAreaNetwork——控制器局域網(wǎng)絡(luò)。由Bosch公司牽頭。起初專為汽車工業(yè)設(shè)計，現(xiàn)在發(fā)展用于各種行業(yè)，但不能用于防爆區(qū)。這種總線系統(tǒng)目前廣泛地被應(yīng)用于汽車的控制系統(tǒng)。（4）CAN147（5）HARTHighwayAddressableRemoteTransducer——可尋址遠程傳感器高速通道最早由Rosemount公司開發(fā)，現(xiàn)得到80多家儀表生產(chǎn)商的支持。HART能由總線供電，可滿足本安防爆要求。嚴(yán)格講HART不屬于現(xiàn)場總線。（5）HART148（6）其它現(xiàn)場總線WorldFIP、P-Net、AS-i(ActuatorSensorInterface)、DeviceNet、CC-Link、ControlNet、SwiftNet(主要用于航空航天)、Interbus另外還有目前剛剛興起的基于以太網(wǎng)(Ethernet)的PROFINET（6）其它現(xiàn)場總線1494.3現(xiàn)場總線與互聯(lián)網(wǎng)的區(qū)別

現(xiàn)場總線強調(diào)實時性，一般控制系統(tǒng)響應(yīng)時間為0.01~0.5s，制造自動化系統(tǒng)響應(yīng)時間為0.5~2s，而互聯(lián)網(wǎng)中響應(yīng)時間一般在2~6s。工廠自動化系統(tǒng)中，通信方式使用了廣播和交組方式?；ヂ?lián)網(wǎng)中兩個自主系統(tǒng)只建立暫時一對一方式?，F(xiàn)場總線強調(diào)在惡劣條件下數(shù)據(jù)傳送的完整性，在可燃或易爆環(huán)境中的本質(zhì)安全性?；ヂ?lián)網(wǎng)信息流通量大，現(xiàn)場總線信息流通量不大，但要變?yōu)槲镔|(zhì)流、能量流、動作流，要求必須十分可靠。4.3現(xiàn)場總線與互聯(lián)網(wǎng)的區(qū)別

現(xiàn)場總線強調(diào)實時性，一般控制1504.4現(xiàn)場總線的標(biāo)準(zhǔn)1、ISO的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO（InternationalStandardizationOrganization）制定了現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)。ISO7498-1996，簡稱為OSI(OpenSystemInterconnection)，將通信任務(wù)劃分為七層。七層分別為：OSIRM(OpenSystemInterconnectionReferenceModel)開放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型4.4現(xiàn)場總線的標(biāo)準(zhǔn)1、ISO的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)151

行規(guī)(profile)行規(guī)應(yīng)用層

面向用戶面向網(wǎng)絡(luò)

上層協(xié)議

低層協(xié)議表示層會話層傳輸層網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)鏈路層物理層行規(guī)(profile)行規(guī)應(yīng)用層面表示層會話層傳輸層網(wǎng)1522、IEC標(biāo)準(zhǔn)ISO-OSI是為計算機互聯(lián)而設(shè)計的，用于開放系統(tǒng)互聯(lián)的模型。IEC(國際電工委員會)于1999年底通過了“工業(yè)控制系統(tǒng)用現(xiàn)場總線”國際標(biāo)準(zhǔn)。IEC61158，通過了8類現(xiàn)場總線作為其標(biāo)準(zhǔn)，但8類互不兼容。類型1IEC技術(shù)報告（即FF-H1）類型2ControlNet(美Rockwell支持)類型3Profibus(德Siemens支持)類型4P-Net(丹麥ProcessData支持)類型5FFHSE(原FF-H2、Fisher-Rosemount支持)類型6SwiftNet(美Boeing支持)類型7WorldFIP(法Adstom支持)類型8Interbus(德PhoenixCoutact支持)類型9FoundationFieldbus(FF),FMS類型10Profinet2、IEC標(biāo)準(zhǔn)1534.5PROFIBUS現(xiàn)場總線技術(shù)4.5.1PROFIBUS概貌由三個兼容部組成：PROFIBUS—DP、PROFIBUS—PA、PROFIBUS—FMS①PROFIBUS—DP：取代24VDC或4-20mA信號傳輸?！狣P——DecentralizedPeriphery②PROFIBUS—PA：專為過程自動化設(shè)計，可使傳感器和執(zhí)行器連在一根總線上，并有本安規(guī)范。PROFIBUS—PA可以用雙絞線供電技術(shù)進行數(shù)據(jù)通信?！狿A——ProcessAutomation

4.5PROFIBUS現(xiàn)場總線技術(shù)4.5.1PROF154③PROFIBUS—FMS—FMS——FieldbusMessageSpecification是一種由于工廠自動化車間級監(jiān)控和現(xiàn)場設(shè)備層數(shù)據(jù)通信與控制的現(xiàn)場技術(shù)。③PROFIBUS—FMS155PROFIBUS-DP使用第一層、第二層和用戶接口，第三層到第七層未加定義。用戶接口規(guī)定了用戶及系統(tǒng)以及不同設(shè)備可調(diào)用的功能，并詳細(xì)說明了各種不同PROFIBUS-DP設(shè)備的設(shè)備行為，還提供了傳輸可選用的RS485傳輸技術(shù)或光纜傳輸技術(shù)。PROFIBUS-DP156PROFIBUS-FMS定義了第一、二和七層。應(yīng)用層包括現(xiàn)場總線報文規(guī)范（FieldbusMessageSpecification-FMS）和地層接口（LowerLayerInterface-LLI）。LLI協(xié)調(diào)不同的通信關(guān)系并向FMS提供與設(shè)備無關(guān)的訪問第二層的技術(shù)。第二層（FieldbusDataLink-FDL）可完成總線存取控制和數(shù)據(jù)的可靠性，他還為PROFIBUS-FMS提供RS485傳輸技術(shù)或光纜傳輸技術(shù)。PROFIBUS-FMS157PROFIBUS-PA數(shù)據(jù)的傳輸采用擴展的PROFIBUS-DP協(xié)議。另外還使用了描述現(xiàn)場設(shè)備行為的PA行規(guī)。通過使用段耦合器，PROFIBUS-PA設(shè)備能很方便地集成到PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)中。PROFIBUS-PA158PROFIBUS-DP和PROFIBUS-FMS系統(tǒng)使用了同樣的傳輸技術(shù)和統(tǒng)一的總線存取協(xié)議，因此兩種系統(tǒng)可以在同一根電纜上同時操作。PROFIBUS-DP和PROFIBUS-FMS系統(tǒng)使用了同1594.5.2PROFIBUS協(xié)議結(jié)構(gòu)4.5.2PROFIBUS協(xié)議結(jié)構(gòu)1604.5.3PROFIBUS在工廠自動化系統(tǒng)中的位置

1、現(xiàn)場設(shè)備層連接現(xiàn)場設(shè)備，如分散式I/O、傳感器、驅(qū)動器、執(zhí)行機構(gòu)、開關(guān)設(shè)備等，完成現(xiàn)場設(shè)備控制及設(shè)備間連鎖控制。2、車間監(jiān)控層完成車間主生產(chǎn)設(shè)備之間的連接，完成車間級設(shè)備監(jiān)控。車間級監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)可采用PROFIBUS—FMS。3、工廠管理層通過集線器可以使車間操作員工作站與車間辦公4.5.3PROFIBUS在工廠自動化系統(tǒng)中的位置

1、現(xiàn)161機電一體化系統(tǒng)設(shè)計(同名78)課件1624.5.4PROFIBUS控制系統(tǒng)配置的幾種形式

1）總線接口型現(xiàn)場設(shè)備不具備PROFIBUS接口，則采用分散式I/O作為總線接口，與現(xiàn)場設(shè)備連接。若設(shè)備能分組則更能發(fā)揮現(xiàn)場總線的優(yōu)點。2）單一總線型現(xiàn)場設(shè)備都有PROFIBUS接口。這是理想的情況。對于一個新建的工廠，或新設(shè)計的設(shè)備來說容易實現(xiàn)。3）混合型部分現(xiàn)場設(shè)備有PROFIBUS功能，部分沒有。4.5.4PROFIBUS控制系統(tǒng)配置的幾種形式

1）總線1634.5.5PROFIBUS的傳輸技術(shù)

PROFIBUS中的傳輸技術(shù)包括用于DP和FMS的RS485傳輸技術(shù)和光纖傳輸，以及用于PA的IEC61158-2傳輸技術(shù)。這些傳輸技術(shù)的共同特點是：在總線段的開頭和結(jié)尾必須有總線終端器。每段可以有最多32個站。中繼器沒有站地址，但它們被計算在每段的站數(shù)中。4.5.5PROFIBUS的傳輸技術(shù)

PROFIBUS中的164用于-DP傳輸技術(shù)這種傳輸技術(shù)使用屏蔽雙絞銅線作為傳輸介質(zhì)，總線上的站點共用一根導(dǎo)線對。這種總線的傳輸速率為9.6Kbit/s到12Mbit/s，稱之為高速總線（H2總線）。在運行中全部設(shè)備均須選用同一傳輸速度。用于-DP傳輸技術(shù)這種傳輸技術(shù)使用屏蔽雙絞銅線作為傳輸介質(zhì)，165安裝提示全部設(shè)備都與總線相連接。在每個總線段中最多可以接32個站（主站或從站）。每段的頭和尾各接有一個有源總線終端器。為確保操作不發(fā)生錯誤，兩個總線終端器必須永遠保持有電源。如果站的數(shù)量超過32個或需要擴大網(wǎng)絡(luò)區(qū)域，則必須使用中繼器（repeater,總線放大器）來連接各個總線段。電纜的最大長度取決于傳輸速率。電纜的特殊長度可以使用中繼器來增加，但一般串聯(lián)使用的中繼器不超過3個。安裝提示全部設(shè)備都與總線相連接。166RS-485傳輸技術(shù)的基本特性網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚€性總線，在總線兩端有有源的總線終端器。波特率≤1.5Mbit/s時允許使用短接線。介質(zhì)屏蔽雙絞電纜，根據(jù)周圍環(huán)境條件（EMC）也可不用屏蔽。站點數(shù)不帶中繼器，每分段32個站;帶中繼器，可多到127個站(地址空間0-127；地址127為廣播地址，可用0-126)插頭連接器防護等級為IP20：最好為9針D型插頭防護等級為IP65/67：M12圓形連接器；符合IEC947-5-2Han-Brid連接器；符合DESINA建議Siemens混合連接器RS-485傳輸技術(shù)的基本特性網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚€性總線，在總線兩端有167機電一體化系統(tǒng)設(shè)計(同名78)課件168電纜長度與傳輸速率的關(guān)系波特率（Kbit/s）9.619.293.75187.5500150012000距離/段（m）1200120012001000400200100電纜長度與傳輸速率的關(guān)系波特率（Kbit