第3章計算機(jī)控制系統(tǒng)的硬件《計算機(jī)控制技術(shù)》了解計算機(jī)控制系統(tǒng)的硬件，主機(jī)的結(jié)構(gòu)、參數(shù)、特點及應(yīng)用；

熟悉傳感器的工作原理及應(yīng)用，各類執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作原理。

學(xué)習(xí)目標(biāo)知識目標(biāo)能力目標(biāo)

能設(shè)計小型的智能儀表、PLC控制系統(tǒng)；會連接和測試PLC通信編程電纜；

能夠選擇合適的傳感器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)。思政育人目標(biāo)小組合作模式，培養(yǎng)學(xué)生如何協(xié)作完成任務(wù)，并延伸至作為機(jī)電專業(yè)學(xué)生未來成為一名電工應(yīng)具備的職業(yè)素養(yǎng)及團(tuán)結(jié)協(xié)作意識。3.1計算機(jī)主機(jī)內(nèi)容提要內(nèi)容提要PRECISPC與IPC1單片機(jī)與智能儀表2PLC3計算機(jī)主機(jī)的選擇4

計算機(jī)主機(jī)是整個計算機(jī)控制系統(tǒng)的核心，它的性能直接影響到系統(tǒng)的優(yōu)劣。計算機(jī)主機(jī)通過輸入裝置發(fā)送來的工業(yè)對象的生產(chǎn)工況參數(shù)，按照人們預(yù)先安排的程序，自動地進(jìn)行信息處理、分析和計算，并做出相應(yīng)的控制決策或調(diào)節(jié)，以信息的形式通過輸出裝置及時發(fā)出控制命令，以實現(xiàn)對被控對象的自動控制，實現(xiàn)良好的人機(jī)聯(lián)系。

傳感器信號調(diào)理器計算機(jī)被控對象輸入裝置輸出裝置驅(qū)動控制模塊執(zhí)行機(jī)構(gòu)3.1.1PC與IPC個人計算機(jī)，簡稱PC，指在大小、性能以及價位等多個方面適合于個人使用，并由最終用戶直接操控的計算機(jī)的統(tǒng)稱。它由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成，是一種能獨立運行，完成特定功能的設(shè)備。

臺式機(jī)、筆記本電腦和平板電腦等均屬于PC的范疇。IPC工業(yè)控制計算機(jī)（簡稱工控機(jī)，IPC）是一種面向工業(yè)控制、采用標(biāo)準(zhǔn)總線技術(shù)和開放式體系結(jié)構(gòu)的計算機(jī)。它最初是在個人計算機(jī)基礎(chǔ)上進(jìn)行改裝，加固并用于工業(yè)生產(chǎn)過程控制的計算機(jī)，現(xiàn)在已經(jīng)形成為一種專用的計算機(jī)系列。工控機(jī)按照小型化、模板化、組合化、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計。一個典型的工控機(jī)主要由一體化主板、無源母板、加固型的工業(yè)機(jī)箱以及工業(yè)電源等部分組成，如圖所示。與其它類型的計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的主計算機(jī)相比較，工控機(jī)具可靠性高、實時性好、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、系統(tǒng)開放性好等特點，在過程監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集等方面得到廣泛應(yīng)用。3.1.2

單片機(jī)與智能儀表1）

單片機(jī)單片微型計算機(jī)是將微處理器、存儲器及I/O接口電路等集成在一塊大規(guī)模集成電路芯片上構(gòu)成的微型計算機(jī)，簡稱為單片機(jī)。單片機(jī)的應(yīng)用從4位機(jī)開始，歷經(jīng)8位、16位、32位等。但在小型測控系統(tǒng)與智能化儀器儀表的應(yīng)用領(lǐng)域里，8位單片機(jī)因其品種多、功能強(qiáng)、價格廉，目前仍然是單片機(jī)系列的主流機(jī)種。

單片機(jī)的應(yīng)用軟件編寫可以采用面向機(jī)器的匯編語言，但這需要較深的計算機(jī)軟硬件知識，而且匯編語言的通用性與可移植性差。隨著高效率結(jié)構(gòu)化語言的發(fā)展，面向單片機(jī)結(jié)構(gòu)的高級語言越來越受歡迎，如KeilC51編程語言。

單片機(jī)除了具備一般微型計算機(jī)的功能外，為了提高實時控制能力，絕大部分單片機(jī)的芯片上還集成有定時器、計數(shù)器，某些單片機(jī)還帶有A/D轉(zhuǎn)換器等功能部件。單片機(jī)的設(shè)計主要是面向控制，因此，它的硬件結(jié)構(gòu)、指令系統(tǒng)和I/O接口能力等方面均有其獨特之處，其特點之一就是具有非常強(qiáng)的控制功能。以單片機(jī)為核心的控制系統(tǒng)，由于內(nèi)部資源有限，滿足不了控制功能的需求時，需要對單片機(jī)的資源進(jìn)行擴(kuò)展。如圖3-5所示，單片機(jī)通過總線，在外部擴(kuò)展了程序存儲器ROM、數(shù)據(jù)存儲器RAM、串/并行口、A/D轉(zhuǎn)換器及D/A轉(zhuǎn)換器，以滿足各種系統(tǒng)對控制功能的不同需求。2）

智能儀表單片機(jī)自問世不久，就被引進(jìn)了電子測量和儀器儀表領(lǐng)域，其作為核心控制部件很快取代了傳統(tǒng)儀器儀表的常規(guī)電子線路。借助單片機(jī)強(qiáng)大的軟件功能，可以很容易地將計算機(jī)技術(shù)與測量控制技術(shù)結(jié)合在一起，組成新一代的全新的微機(jī)化產(chǎn)品，即“智能儀表”，從而開創(chuàng)了儀器儀表的一個嶄新的時代。圖3-6是某型號智能儀表產(chǎn)品圖。

智能儀表具有功能強(qiáng)、性能好、自動化程度高、使用維護(hù)簡單和可靠性高等優(yōu)點。

智能儀表的主機(jī)電路是由單片機(jī)及其擴(kuò)展電路（程序存儲器EPROM、數(shù)據(jù)存儲器RAM及輸入輸出接口等）組成的。主機(jī)電路是智能儀表區(qū)別于傳統(tǒng)儀器的核心部件，用于存儲程序、數(shù)據(jù)，執(zhí)行程序并進(jìn)行各種運算、數(shù)據(jù)處理和實現(xiàn)各種控制功能。輸入電路和A/D轉(zhuǎn)換接口構(gòu)成了輸入通道，外部的輸入信號（被測量）先經(jīng)過輸入電路進(jìn)行變換、放大、整形和補(bǔ)償?shù)忍幚?，然后再?jīng)模擬量通道的A/D轉(zhuǎn)換接口轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號送入單片機(jī)；而D/A轉(zhuǎn)換接口及驅(qū)動電路則構(gòu)成了輸出通道，單片機(jī)輸出的數(shù)字量經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換成模擬量信號輸出，并經(jīng)過驅(qū)動與執(zhí)行電路去控制被控對象；鍵盤輸入接口、顯示器接口及打印機(jī)接口等用于溝通操作者與智能儀表之間的聯(lián)系，屬于人―機(jī)接口部件，通信接口則用來實現(xiàn)智能儀表與其它儀器或設(shè)備交換數(shù)據(jù)和信息，如可以通過通信接口RS-232實現(xiàn)與其它智能設(shè)備如PC進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，完成更復(fù)雜的測量與控制任務(wù)。智能儀表的軟件包括監(jiān)控程序和接口管理程序兩部分。其中，監(jiān)控程序主要是面向儀器操作面板、鍵盤和顯示器的管理程序。其內(nèi)容包括：通過鍵盤操作輸入并存儲所設(shè)置的功能、操作方式與工作參數(shù)；通過控制I/O接口電路對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集；對儀器進(jìn)行預(yù)定的設(shè)置；對所測試和記錄的數(shù)據(jù)與狀態(tài)進(jìn)行各種處理；以數(shù)字、字符、圖形等形式顯示各種狀態(tài)信息以及測量數(shù)據(jù)的處理結(jié)果等。接口管理程序主要面向通信接口，其作用是接收并分析來自通信接口總線的各種有關(guān)信息、操作方式與工作參數(shù)的程控操作碼，并通過通信接口輸出儀器的現(xiàn)行工作狀態(tài)及測量數(shù)據(jù)的處理結(jié)果來響應(yīng)計算機(jī)的遠(yuǎn)程控制命令。3.1.3PLC可編程序控制器（PLC）是在傳統(tǒng)的順序控制器的基礎(chǔ)上引入了微電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、自動控制技術(shù)和通信技術(shù)而形成的一代新型工業(yè)控制裝置，在開關(guān)量邏輯控制、運動控制、過程控制等方面已廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石油、化工、電力、機(jī)械制造、汽車、輕紡、及交通運輸文等各個行業(yè)。1)

PLC的組成PLC具有與通用的微型個人計算機(jī)相類似的硬件結(jié)構(gòu)，主要由中央處理器（CPU）、存儲器、輸入/輸出接口、智能接口模塊和編程器等部分構(gòu)成。

中央處理器是整個PLC的核心組成部分，是系統(tǒng)的控制中樞。它的主要功能是實現(xiàn)邏輯運算、數(shù)學(xué)運算，協(xié)調(diào)控制可編程控制器內(nèi)部的各部分工作；存儲器主要用于存放系統(tǒng)程序、用戶程序以及工作時產(chǎn)生的數(shù)據(jù)；輸入輸出接口是可編程序控制器與現(xiàn)場各種信號相連接的部件；編程器是PLC重要的外部設(shè)備，可以利用編程器輸入程序、調(diào)試程序和監(jiān)控程序運行，它是人機(jī)交互的接口；為了進(jìn)一步提高PLC的性能，各大PLC廠商除了提供以上輸入輸出接口外，還提供各種專用的智能接口模塊，用以滿足各種控制場合的要求。PLC的軟件系統(tǒng)由系統(tǒng)程序和用戶程序兩部分組成。系統(tǒng)程序包括監(jiān)控程序、編譯程序和診斷程序等，主要用于管理全機(jī)，將程序語言翻譯成機(jī)器語言，診斷機(jī)器故障等。PLC的用戶程序是設(shè)計人員根據(jù)控制系統(tǒng)的工藝控制要求，通過PLC編程語言的編制設(shè)計的。PLC的編程語言主要包括圖形化編程語言（梯形圖、功能塊圖和順序功能圖）和文本化編程語言（指令表和結(jié)構(gòu)化文本）。PLC主要是為現(xiàn)場控制而設(shè)計的，其人機(jī)界面主要由開關(guān)、按鈕、指示燈等組成，具有可靠性高、易于控制、系統(tǒng)設(shè)計靈活、能模擬現(xiàn)場調(diào)試、編程使用簡單、性價比高、有良好的抗干擾能力等特點。但是，PLC也有不易顯示各種實時圖表／曲線（趨勢線）和漢字、無良好的用戶界面、不便于監(jiān)控等缺點。

PLC的通信功能很強(qiáng)，P與計算機(jī)聯(lián)網(wǎng)，可以發(fā)揮各自所長。許多PLC都配備有計算機(jī)通信接口，通過總線將一臺或多臺PLC與計算機(jī)相連。計算機(jī)作為上位機(jī)可以提供良好的人機(jī)界面，進(jìn)行系統(tǒng)的監(jiān)控和管理，進(jìn)行程序編制、參數(shù)設(shè)定和修改、數(shù)據(jù)采集等，既能保證系統(tǒng)性能，又能使系統(tǒng)操作簡便，便于生產(chǎn)過程的有效監(jiān)督；而PLC用于現(xiàn)場設(shè)備的直接控制，作為下位機(jī)，執(zhí)行可靠有效的分散控制。2)PLC控制系統(tǒng)的特點3)計算機(jī)與PLC的連接

連接的作用通?？梢酝ㄟ^4種設(shè)備實現(xiàn)PLC的人機(jī)交互功能。這4種設(shè)備是：編程終端、顯示終端、工作站和個人計算機(jī)（PC）。編程終端主要用于編程和調(diào)試程序，其監(jiān)控功能較弱。顯示終端主要用于現(xiàn)場顯示。工作站的功能比較全，但是價格也高，主要用于配置組態(tài)軟件。連接的基礎(chǔ)(1）PC和PLC均應(yīng)具有異步通信接口，都是RS-232、RS-422或RS-485，否則，要通過轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)接以后才可以互連。(2）異步通信接口相連的雙方要進(jìn)行相應(yīng)的初始化工作，設(shè)置相同的波特率、數(shù)據(jù)位數(shù)、停止位數(shù)、奇偶校驗等參數(shù)。(3）用戶參考PLC的通信協(xié)議編寫計算機(jī)的通信部分程序，大多數(shù)情況下不需要為PLC編寫通信程序。PLC自帶的RS-485接口連接方式PC與PLC的聯(lián)網(wǎng)一般有兩種形式：一種是點對點方式，即一臺PC的COM接口與PLC的異步通信端口之間直接用電纜相連，連接方式如圖3-10所示；另一種是多點結(jié)構(gòu)，即一臺PC與多臺PLC通過一條通信總線連接。以PC為主站，PLC為從站，進(jìn)行主從式通信，連接方式如圖3-11所示。通信網(wǎng)絡(luò)可以有多種，如RS-422、RS-485以及各個公司的專門網(wǎng)絡(luò)或工業(yè)以太網(wǎng)等。3.1.4

計算機(jī)主機(jī)的選擇工控機(jī)具有可靠性高、實時性好、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、完善的I/O通道、系統(tǒng)開放性好、性能價格比高等特點，它既能滿足不同層次、不同控制對象的需要，又能在惡劣的工業(yè)環(huán)境中可靠地運行，因而，它廣泛應(yīng)用于各種控制場合，尤其是十幾個到幾十個回路的中等規(guī)模的控制系統(tǒng)中。單片機(jī)具有體積小、集成度高、功耗低、性能可靠、面向控制、功能強(qiáng)，抗干擾能力強(qiáng)、價格低廉、功能擴(kuò)展容易、使用方便靈活、易于產(chǎn)品化等諸多優(yōu)點，特別是強(qiáng)大的面向控制的能力，使它在工業(yè)控制、智能儀表、外設(shè)控制、家用電器、機(jī)器人、軍事裝置等方面得到了極為廣泛的應(yīng)用。采用PLC的控制系統(tǒng)或裝置具有可靠性高、適應(yīng)性強(qiáng)、通用性好、易于控制、系統(tǒng)設(shè)計構(gòu)成靈活、編程使用簡單、性價比高、安裝方便、擴(kuò)展容易、有良好的抗干擾能力等特點，使其不僅在順序程序控制領(lǐng)域中具有優(yōu)勢，而且在運動控制、過程控制、網(wǎng)絡(luò)通信領(lǐng)域方面也毫不遜色。在實際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)應(yīng)用規(guī)模、控制目的和控制需要等選用性能價格比高的計算機(jī)主機(jī)。對于小型控制系統(tǒng)、智能儀表及智能化接口，盡量采用單片機(jī)模式；對于新產(chǎn)品開發(fā)或用量較大，為降低成本，也可采用單片機(jī)模式；對于中等規(guī)模的控制系統(tǒng)，為加快系統(tǒng)的開發(fā)速度，可以選用PLC或IPC，應(yīng)用軟件可自行開發(fā)；對于大型的生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)，最好選用IPC、專用集散控制系統(tǒng)（DCS）或現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS），軟件可自行開發(fā)或購買現(xiàn)成的組態(tài)軟件。3.2傳感器與信號調(diào)理電路內(nèi)容提要內(nèi)容提要PRECIS傳感器的種類與選擇1信號調(diào)理電路與變送器23.2.1傳感器的種類與選擇1.傳感器的地位現(xiàn)代信息技術(shù)的三大支柱是信息的采集、傳輸和處理技術(shù)，即傳感技術(shù)、通信技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)，它們分別構(gòu)成了信息技術(shù)系統(tǒng)的“感官”、“神經(jīng)”和“大腦”。信息采集系統(tǒng)的首要部件是傳感器，且置于系統(tǒng)的最前端。在一個現(xiàn)代控制系統(tǒng)中，如果沒有傳感器，就無法監(jiān)測與控制表征生產(chǎn)過程中各個環(huán)節(jié)的各種參量，也就無法實現(xiàn)自動控制。傳感器是現(xiàn)代控制技術(shù)的基礎(chǔ)。傳感器主要應(yīng)用于生產(chǎn)過程的測量與控制、報警與環(huán)境保護(hù)、自動化設(shè)備和機(jī)器人、交通運輸和資源探測、醫(yī)療衛(wèi)生和家用電器等各個領(lǐng)域。2.傳感器的種類（1）電阻式傳感器

電阻式傳感器種類繁多，應(yīng)用廣泛。它的基本原理是將被測非電信號的變化轉(zhuǎn)換成電阻的變化。導(dǎo)電材料的電阻不僅與材料的類型、尺寸有關(guān)，還與溫度、濕度和變形等因素有關(guān)。不同導(dǎo)電材料，對同一非電物理量的敏感程度不同，甚至差別很大。因此，利用某種導(dǎo)電材料的電阻對某一非電物理量具有較強(qiáng)的敏感特性，就可制成測量該物理量的電阻式傳感器。常用的電阻傳感器有電位器式、電阻應(yīng)變式、熱敏電阻、氣敏電阻、光敏電阻、濕敏電阻等。利用電阻傳感器可以測量應(yīng)變、力、位移、荷重、加速度、壓力、轉(zhuǎn)矩、溫度、濕度、氣體成分及濃度等。圖3-13電阻式傳感器（2）電容式傳感器電容式傳感器是以各種類型的電容器作為敏感元件，將被測物理量的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化，再由測量電路轉(zhuǎn)換為電壓、電流或頻率的變化，以達(dá)到檢測的目的。因此，凡是能引起電容量變化的有關(guān)非電信號，均可用電容式傳感器進(jìn)行電測變換。根據(jù)變換原理的不同，電容式傳感器有變極距型、變面積型、變介質(zhì)型3種。該類傳感器不僅能測量荷重、位移、振動、角度、加速度等機(jī)械量，還能測量壓力、液位、物位、成分含量等熱工量。圖3-14是電容式差壓變送器產(chǎn)品圖。這種傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、動態(tài)特性好等一系列優(yōu)點，在機(jī)電控制系統(tǒng)中占有十分重要的地位。圖3-14電容式差壓變送器（3）電感式傳感器

電感式傳感器是利用線圈自感或互感系數(shù)的變化來實現(xiàn)非電信號測量的一種裝置。電感式傳感器一般分為自感式、互感式和電渦流式3大類。習(xí)慣上將自感式傳感器稱為電感式傳感器，而互感式傳感器由于是利用變壓器原理，又往往做成差動式，故常被稱為差動變壓器式傳感器。電感式傳感器能對位移、壓力、振動、應(yīng)變、流量等參數(shù)進(jìn)行測量。它具有結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、輸出功率大、輸出阻抗小、抗干擾能力強(qiáng)及測量精度高等一系列優(yōu)點，因此在機(jī)電控制領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。它的主要缺點是響應(yīng)速度較慢，不宜于快速動態(tài)測量。圖3-15是電感式傳感器產(chǎn)品圖。圖3-15電感式傳感器（4）壓電式傳感器壓電式傳感器利用某些電介質(zhì)材料具有壓電效應(yīng)而制成。當(dāng)有些電介質(zhì)材料在一定方向上受到外力（壓力或拉力）作用而變形時，在其表面上會產(chǎn)生電荷；當(dāng)外力去掉后，又回到不帶電狀態(tài)，這種將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能的現(xiàn)象，稱為壓電效應(yīng)。壓電材料常使用晶體材料，但自然界中多數(shù)晶體壓電效應(yīng)太微弱，沒有實用價值，只有石英晶體和人工制造的壓電陶瓷具有良好的壓電效應(yīng)。壓電傳感器主要用來測量力、加速度、振動等動態(tài)物理量。圖3-16是壓電式力和加速度傳感器產(chǎn)品圖。圖3-16壓電式傳感器（5）光電式傳感器

光電式傳感器是將光信號轉(zhuǎn)化為電信號的一種傳感器。它的理論基礎(chǔ)是光電效應(yīng)。光電效應(yīng)大致可分為如下3類。第一類是外光電效應(yīng)，即在光照射下，能使電子逸出物體表面，利用這種效應(yīng)做成的器件有真空光電管、光電倍增管等；第二類是內(nèi)光電效應(yīng)，即在光線照射下，能使物質(zhì)的電阻率改變，這類器件包括各類半導(dǎo)體光敏電阻；第三類是光生伏特效應(yīng)，即在光線作用下，物體內(nèi)產(chǎn)生電動勢的現(xiàn)象，此電動勢稱為光生電動勢，這類器件包括光電池、光敏二極管和光敏晶體管等，圖3-17是光電式傳感器產(chǎn)品圖。圖3-17光電式傳感器能提供較大電流的光伏電池組件（6）熱電式傳感器

熱電式傳感器主要用來檢測溫度變化。主要包括熱電偶傳感器和熱電阻傳感器。

熱電偶傳感器的測溫原理是熱電效應(yīng)。常用的熱電偶有鉑銠10-鉑、鎳鉻-鎳硅、鎳鉻-銅鎳等，因為K型熱電偶穩(wěn)定性好，價格便宜，因而在工業(yè)上廣泛應(yīng)用。圖3-18是熱電偶傳感器產(chǎn)品圖。

熱電阻傳感器測溫基于熱電阻現(xiàn)象，即導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻率隨溫度的變化而變化的現(xiàn)象。利用物質(zhì)的這一特性制成的溫度傳感器有金屬熱電阻傳感器和半導(dǎo)體熱電阻傳感器。

在工業(yè)上使用最多的熱電阻是鉑電阻和銅電阻，常用的分度號是Pt100和Cu50。圖3-18

熱電偶傳感器（7）數(shù)字式傳感器

機(jī)電控制系統(tǒng)對檢測技術(shù)提出了數(shù)字化、高精度、高效率和高可靠性等一系列要求。數(shù)字式傳感器能滿足這種要求。它具有很高的測量精度，易于實現(xiàn)系統(tǒng)的快速化、自動化和數(shù)字化，易于與微處理機(jī)配合，組成數(shù)控系統(tǒng)，在機(jī)械工業(yè)的生產(chǎn)、自動測量以及機(jī)電控制系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。常用的數(shù)字式傳感器有光柵式、碼盤式、磁柵式和感應(yīng)同步器等。圖3-19是數(shù)字式傳感器產(chǎn)品圖。圖3-19數(shù)字式傳感器3.傳感器的選用現(xiàn)代傳感器的原理與結(jié)構(gòu)千差萬別，即便對于相同種類的測量對象也可采用不同工作原理的傳感器，如何根據(jù)具體的測量條件、使用條件以及傳感器的性能指標(biāo)合理地選用傳感器是進(jìn)行某個物理量測量時首先要解決的問題。當(dāng)傳感器確定之后，與之配套的測量方法和測量設(shè)備也就可以確定了。測量結(jié)果的好壞，在很大程度上取決于傳感器的選用是否合理?？梢詮囊韵聨讉€方面來選用傳感器。（1）傳感器的類型（2）靈敏度（3）精度（4）線性度（5）穩(wěn)定性（6）頻率響應(yīng)特性3.2.2信號調(diào)理電路與變送器1.信號調(diào)理電路信號調(diào)理電路的作用是對傳感器輸出的電信號進(jìn)行加工和處理，轉(zhuǎn)換成便于輸送、顯示和記錄的電信號（電壓或電流）。例如，傳感器輸出信號是微弱的，就需要放大電路將微弱信號加以放大，以滿足過程通道的要求；為了與計算機(jī)接口方便，需要A-D轉(zhuǎn)換電路將模擬信號變換成數(shù)字信號等。常見的信號調(diào)理電路包括：電橋電路、調(diào)制解調(diào)電路、濾波電路、放大電路、線性化電路、A-D轉(zhuǎn)換電路、隔離電路等。（1）霍爾開關(guān)傳感器的信號調(diào)理電路圖3-20是霍爾開關(guān)傳感器的信號調(diào)理電路，主要由放大器、三極管等組成，其作用是將霍爾傳感器輸出的電壓信號轉(zhuǎn)換為高低電平信號輸出。圖3-20信號調(diào)理電路（2）光電隔離及電平轉(zhuǎn)換電路在大功率系統(tǒng)中，需要從電磁離合器等大功率器件的接點S輸入信號，這種情況下，為了使接點工作可靠，接點的兩端至少要加24V或24V以上的直流電壓，如圖3-21所示。一般的機(jī)電系統(tǒng)既包括弱電控制部分，又包括強(qiáng)電控制部分，所以工作環(huán)境中常常包含有電磁干擾。為了防止電網(wǎng)電壓等對測量回路的損壞，為了防止電磁等干擾造成的系統(tǒng)不正常運行，需要隔絕電氣方面的聯(lián)系，既實行弱電和強(qiáng)電隔離，又保證系統(tǒng)內(nèi)部控制信號的聯(lián)系，使系統(tǒng)工作穩(wěn)定，保證設(shè)備與操作人員的安全。2.變送器在工業(yè)控制領(lǐng)域，傳感器信號在進(jìn)入輸入裝置之前，首先要轉(zhuǎn)換成一種標(biāo)準(zhǔn)形式，通常是把傳感器的輸出信號轉(zhuǎn)換成4～20mA標(biāo)準(zhǔn)電流或1～5V標(biāo)準(zhǔn)電壓，實現(xiàn)這個轉(zhuǎn)換的是各種變送器。變送器實際就是把傳感器信號轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電信號的信號調(diào)理器。變送器的輸出信號一般與被測變量成線性比例關(guān)系。采用變送器的原因主要有2個：一是目前的計算機(jī)輸入裝置，如數(shù)據(jù)采集卡、遠(yuǎn)程I/O模塊以及PLC的模擬量輸入擴(kuò)展模塊等的輸入端口要求輸入標(biāo)準(zhǔn)電信號；二是計算機(jī)設(shè)計程序時便于對工程量進(jìn)行標(biāo)度變換。常用的變送器有溫度變送器、壓力變送器、流量變送器、液位變送器、差壓變送器、各種電量變送器等。系統(tǒng)設(shè)計人員可根據(jù)被測參數(shù)的種類、量程、被測對象的介質(zhì)類型和環(huán)境來選擇變送器的具體型號。3.3輸入與輸出裝置內(nèi)容提要內(nèi)容提要PRECIS數(shù)據(jù)采集卡1USB數(shù)據(jù)采集模塊2遠(yuǎn)程I/O模塊3反映被測量的電信號在進(jìn)入計算機(jī)之前需要進(jìn)行一系列轉(zhuǎn)換處理，變成計算機(jī)能識別接受的數(shù)字量；要驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作，計算機(jī)輸出的數(shù)字量還必須轉(zhuǎn)換成可對執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制的電信號。因此，構(gòu)成一個工業(yè)控制系統(tǒng)，還需要配備各種用途的I/O接口裝置，即輸入與輸出裝置。圖3-24表示了輸入與輸出裝置在計算機(jī)控制系統(tǒng)中的地位。傳感器信號調(diào)理器計算機(jī)被控對象輸入裝置輸出裝置驅(qū)動控制模塊執(zhí)行機(jī)構(gòu)3.3.1數(shù)據(jù)采集卡1.數(shù)據(jù)采集卡的功能基于數(shù)據(jù)采集卡的控制系統(tǒng)硬件與一般的計算機(jī)控制系統(tǒng)基本相同，它的特點是用數(shù)據(jù)采集卡作為輸入與輸出裝置。一個典型的數(shù)據(jù)采集卡的功能有模擬量輸入、模擬量輸出、數(shù)字I/O、計數(shù)器等，這些功能分別由相應(yīng)的電路來實現(xiàn)。（1）模擬量輸入（2）模擬量輸出（3）數(shù)字I/O（4）計數(shù)器2.數(shù)據(jù)采集卡的類型

數(shù)據(jù)采集卡實際上就是過程通道板卡，它在一塊印刷電路板上集成了模擬多路開關(guān)、程控放大器、采樣/保持器、A/D和D/A轉(zhuǎn)換器、地址譯碼、控制邏輯、光電隔離等接口電路和應(yīng)用電路。

基于PC總線的板卡是指計算機(jī)廠商為了滿足用戶需要，利用總線模板化結(jié)構(gòu)設(shè)計的通用功能模板。基于PC總線的板卡種類很多，其分類方法也有很多種。

按照板卡處理信號的不同可以分為模擬量輸入板卡(A-D卡)、模擬量輸出板卡(D-A卡)、開關(guān)量輸入板卡、開關(guān)量輸出板卡、脈沖量輸入板卡、多功能板卡等。輸入/輸出信息來源及用途信息種類相配套的接口板卡產(chǎn)品溫度、壓力、位移、轉(zhuǎn)速、流量等來自現(xiàn)場設(shè)備運行狀態(tài)的模擬電信號模擬量輸入信息模擬量輸入板卡限位開關(guān)狀態(tài)、數(shù)字裝置的輸出數(shù)碼、接點通斷狀態(tài)、“0”“1”電平變化數(shù)字量輸入信息數(shù)字量輸入板卡執(zhí)行機(jī)構(gòu)的執(zhí)行、記錄等（模擬電流/電壓）模擬量輸出信息模擬量輸出板卡執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動執(zhí)行、報警顯示、蜂鳴器等（數(shù)字量）數(shù)字量輸出信息數(shù)字量輸出板卡流量計算、電功率計算、轉(zhuǎn)速、長度測量等脈沖形式輸入信號脈沖量輸入信息脈沖計數(shù)/處理板卡操作中斷、事故中斷、報警中斷及其它需要中斷的輸入信號中斷輸入信息多通道中斷控制板卡前進(jìn)驅(qū)動機(jī)構(gòu)的驅(qū)動控制信號輸出間斷信號輸出步進(jìn)電機(jī)控制板卡串行/并行通信信號通信收發(fā)信息多口RS-232/RS-422通信板卡遠(yuǎn)距離輸入/輸出模擬（數(shù)字）信號模擬/數(shù)字量遠(yuǎn)端信息遠(yuǎn)程I/O板卡（模塊）數(shù)據(jù)采集卡的種類和用途3.數(shù)據(jù)采集卡的選擇對于采用工業(yè)控制計算機(jī)的控制系統(tǒng)，輸入/輸出通道硬件設(shè)計非常簡單，只需根據(jù)控制要求選擇合適的輸入/輸出板卡。在挑選數(shù)據(jù)采集卡時，用戶主要考慮的是根據(jù)需求選取適當(dāng)?shù)目偩€形式，適當(dāng)?shù)牟蓸铀俾?，適當(dāng)?shù)哪M輸入、模擬輸出通道數(shù)量，適當(dāng)?shù)臄?shù)字輸入、輸出通道數(shù)量等。并根據(jù)操作系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集的需求選擇適當(dāng)?shù)能浖?。主要選擇依據(jù)如下:（1）通道的類型及個數(shù)（2）最高采樣速度（3）總線標(biāo)準(zhǔn)（4）其它3.3.2USB數(shù)據(jù)采集模塊

工業(yè)控制等場合往往需要用PC或工控機(jī)對各種數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，如液位、溫度、壓力等，通常數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是通過串行口、并行口或內(nèi)部總線等與計算機(jī)連接的，但是它們都有一個共同的缺點，即安裝不太方便，靈活性受到限制。

USB總線的出現(xiàn)很好地解決了以上問題。目前USB接口已經(jīng)成為計算機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，它具有通用、高速、支持熱插拔等優(yōu)點，非常適合在數(shù)據(jù)采集中應(yīng)用。

USB數(shù)據(jù)采集模塊實際上就是采用USB總線與計算機(jī)通信的數(shù)據(jù)采集卡。同樣，它在一塊印刷電路板上集成了模擬多路開關(guān)、程控放大器、采樣/保持器、A/D和D/A轉(zhuǎn)換器、地址譯碼、控制邏輯、光電隔離等總線接口電路和應(yīng)用電路。USB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)有以下特點：1）速度快。USB有高速和低速兩種方式，主模式為高速模式，速率為12Mb/s。另外為了適應(yīng)一些不需要很大吞吐量和很高實時性的設(shè)備（如鼠標(biāo)），USB還提供低速方式，速率為1.5Mb/s。2）設(shè)備安裝和配置容易。安裝USB設(shè)備不必再打開機(jī)箱，加減已安裝過的設(shè)備無須關(guān)閉計算機(jī)。所有USB設(shè)備支持熱插拔，系統(tǒng)對其進(jìn)行自動配置，徹底拋棄了過去的跳線和拔碼開關(guān)設(shè)置。3）易擴(kuò)展。通過使用Hub擴(kuò)展，可連接多達(dá)127個外設(shè)。4）能夠采用總線供電。USB總線可提供最大5V電壓、500mA電流。該5V電源可用于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中耗電量不大的設(shè)備。5）使用靈活。USB共有4種傳輸模式：控制傳輸、同步傳輸、中斷傳輸、批量傳輸，以適應(yīng)不同設(shè)備的需要。3.3.3遠(yuǎn)程I/O模塊

遠(yuǎn)程I/O模塊可安裝在生產(chǎn)現(xiàn)場，就地完成A/D、D/A轉(zhuǎn)換、I/O操作，將現(xiàn)場的信號轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)信號，經(jīng)遠(yuǎn)程通信線路傳送給計算機(jī)進(jìn)行處理。

因各模塊均采用隔離技術(shù)，可方便地與通信網(wǎng)絡(luò)相聯(lián)，大大減少了現(xiàn)場接線的成本。目前的遠(yuǎn)程I/O模塊采用RS-485標(biāo)準(zhǔn)總線，通訊協(xié)議與模塊的生產(chǎn)廠家有關(guān)，但都是采用面向字符的通訊協(xié)議。

目前使用較多的遠(yuǎn)程I/O模塊是牛頓模塊。牛頓模塊具有組態(tài)簡單、采集的信號穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)、編程容易等眾多優(yōu)點，它被廣泛地應(yīng)用于工廠、礦山、學(xué)校、車間等需要數(shù)據(jù)采集的場合。牛頓模塊種類很多，有模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)字I/O模塊、熱電偶模塊、熱電阻測量模塊、協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊、協(xié)議中繼模塊、嵌入式控制模塊、無線通信模塊等。正是模塊的多樣性，才使得構(gòu)建系統(tǒng)時更加容易。實際上，在一般情況下用戶無需進(jìn)行硬件開發(fā)，只是選擇合適的模塊和變送器就行了，軟件可以通過組態(tài)實現(xiàn)，而對于特殊的需要則必須進(jìn)行專項的軟件開發(fā)。遠(yuǎn)程I/O模塊價格比較低，安裝也簡單，只需通過雙絞線將其連接在RS-485總線即可。3.4執(zhí)行機(jī)構(gòu)與驅(qū)動電路內(nèi)容提要內(nèi)容提要PRECIS執(zhí)行機(jī)構(gòu)1驅(qū)動電路2對生產(chǎn)裝置的控制通常是通過對執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)行控制來達(dá)到的。要想驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，一般要在計算機(jī)輸出裝置與執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間配置驅(qū)動電路。圖3-28表示了執(zhí)行機(jī)構(gòu)與驅(qū)動電路在計算機(jī)控制系統(tǒng)中的地位。傳感器信號調(diào)理器計算機(jī)被控對象輸入裝置輸出裝置驅(qū)動控制模塊執(zhí)行機(jī)構(gòu)3.4.1執(zhí)行機(jī)構(gòu)1.執(zhí)行機(jī)構(gòu)的作用在計算機(jī)控制系統(tǒng)中，必須將經(jīng)過采集、轉(zhuǎn)換、處理的被控參量（或狀態(tài)）與給定值（或事先安排好的動作順序）進(jìn)行比較，然后根據(jù)偏差來控制相關(guān)輸出部件，達(dá)到自動調(diào)節(jié)被控量（或狀態(tài)）的目的。例如，在機(jī)床加工工業(yè)中，經(jīng)?？刂齐妱訖C(jī)的正、反轉(zhuǎn)及其轉(zhuǎn)速，以完成進(jìn)刀、退刀及走刀的任務(wù)；在雷達(dá)天線位置跟蹤系統(tǒng)中，需要控制伺服閥油缸的位置；在各種溫濕度控制系統(tǒng)中，經(jīng)常需要控制閥門的開閉和開度，以控制液體和氣體的流量；在機(jī)器人控制系統(tǒng)中，經(jīng)常要控制各關(guān)節(jié)上伺服電動機(jī)的轉(zhuǎn)動方向和速度；在程控交換系統(tǒng)和配料過程控制系統(tǒng)中，經(jīng)常要控制繼電器、接觸器，以滿足各種動作的需要等。所有這些伺服電動機(jī)、電動機(jī)、閥門、繼電器、接觸器等輸出部件，統(tǒng)稱為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，也稱為執(zhí)行裝置或執(zhí)行器。執(zhí)行機(jī)構(gòu)的作用是接收計算機(jī)發(fā)出的控制信號，并把它轉(zhuǎn)換成調(diào)整機(jī)構(gòu)的動作，對生產(chǎn)過程實施控制，使生產(chǎn)過程按照預(yù)先規(guī)定的要求正常運行，即控制生產(chǎn)過程。2.執(zhí)行機(jī)構(gòu)的種類執(zhí)行機(jī)構(gòu)有各種各樣的形式，按所需能量的形式可分為氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)、液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)和電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)。氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、價格低、輸出推力大、防火防爆、動作可靠、維修方便等優(yōu)點；液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)具有輸出功率大、能傳送大扭矩和較大推力、控制和調(diào)節(jié)簡單，方便省力等優(yōu)點，但由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價格較貴，故較少使用；電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)具有體積小、種類多、使用方便、響應(yīng)速度快，容易與計算機(jī)連接等優(yōu)點，是工程上應(yīng)用最多、使用最方便的一種執(zhí)行器。在系統(tǒng)設(shè)計中，需根據(jù)系統(tǒng)的要求來選擇執(zhí)行機(jī)構(gòu)，例如對管道液體要實現(xiàn)連續(xù)的精確控制，必須選用氣動或電動調(diào)節(jié)閥，而對于要求不高的控制系統(tǒng)可選用電磁閥。（1）氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)

以壓縮空氣為動力的執(zhí)行機(jī)構(gòu)稱為氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)。氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要分為薄膜式與活塞式兩大類。薄膜式執(zhí)行機(jī)構(gòu)應(yīng)用最廣。

氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)適用于防火、防爆場合，因此廣泛應(yīng)用在化工、煉油生產(chǎn)中，在冶金、電力、紡織等工業(yè)部門。某氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)品如圖3-29所示。

圖3-29

氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)（2）電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)可直接接受來自工業(yè)控制機(jī)的輸出信號，實現(xiàn)控制作用。1）電磁式繼電器它是一種用小電流的通斷控制大電流通斷的常用開關(guān)控制器件，主要由線圈、鐵心、銜鐵和觸點四部分組成。繼電器的觸點是與線圈分開的，通過控制繼電器線圈上的電流可以使繼電器上的觸點斷開，從而使外部高電壓或大電流與微機(jī)隔離。電磁式繼電器線圈的驅(qū)動電源可以是直流的，也可以是交流的，電壓規(guī)格也有很多種。輸出觸點的電流、電壓也有很多種規(guī)格。電磁式繼電器的線圈、觸點可以使用各自獨立的電源，兩者之間相互絕緣，耐壓可達(dá)千伏以上。2）固態(tài)繼電器固態(tài)繼電器簡稱SSR（SolidStateRelay），它利用電子技術(shù)實現(xiàn)了控制電路與負(fù)載電路之間的電隔離和信號耦合，雖然沒有任何可動部件或觸點，卻能實現(xiàn)電磁繼電器的功能，故稱為固態(tài)繼電器。它實際上是一種帶光耦合器的無觸點開關(guān)。由于固態(tài)繼電器輸入控制電流小，輸出無觸點，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、無抖動和回跳、開關(guān)速度快、工作可靠、壽命長等優(yōu)點，因此,在微機(jī)控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，大有取代電磁式繼電器之勢。圖3-31所示為某型號固態(tài)繼電器。圖3-31固態(tài)繼電器圖3-30繼電器3）電磁閥電磁閥是在氣體或液體流動的管路中受電磁力控制開閉的閥體，如圖3-32所示。其廣泛應(yīng)用于液壓機(jī)械、空調(diào)系統(tǒng)、熱水器、自動機(jī)床等系統(tǒng)中。電磁閥由線圈、固定鐵心、可動鐵心和閥體等組成。當(dāng)線圈不通電時，可動鐵心受彈簧作用與固定鐵心脫離，閥門處于關(guān)閉狀態(tài)；當(dāng)線圈通電時，可動鐵心克服彈簧力的作用而與固定鐵心吸合，閥門處于打開狀態(tài)。這樣，就控制了液體和氣體的流動，再通過流動的液體或氣體推動油缸或汽缸來實現(xiàn)物體的機(jī)械運動。圖3-32電磁閥4）調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)閥是用電動機(jī)帶動執(zhí)行機(jī)構(gòu)連續(xù)動作以控制開度大小的閥門，又稱為電動閥，如圖3-33所示。由于電動機(jī)行程可完成直線行程也可