机电系统绪论

1、,机电系统原理及应用 3,郗安民、刘 颖、狄春良编著 机械工业出版社,机电系统原理及应用,第一章 绪论,第一节 机电系统的基本概念 第二节 电气原理图的画法及阅读方法 第三节 液压和气压传动（略） 第四节 可编程序控制器的基本知识,第一节 机电系统的基本概念,一、定义 机电一体化是在机构的主功能、动力功能、信息处理功能和控制功能上引进了电子技术，并将机械装置和电子设备以及软件等有机结合起来构成系统的总称。 二、内容 机电一体化技术 包括技术原理和使机电一体化产品得以实现、使用和 发展的技术。 机电一体化产品 机械系统与电气系统、微电子系统相互置换和有机结 合，从而赋予新的功能和性能的新一代产品。（机电 系统）。,三、按功能分类 1.在原有机械本体上采用电子控制设备实现高性能 和多功能 (数控机床、机器人） 2.用电子设备局部置换机械机构 (电子缝纫机,电子打印机) 3.在信息机器中与电子设备有机结合的机构 (电报机,传真机,复印机,录象机) 4.用电子设备全面置换机械机构的信息处理机构 (石英电子钟,电子计算机) 5.在检测系统中与电子设备有机结合的机构 (自动探伤机,CT扫描仪) 6

2、.利用电子设备代替机械工作 (电火花机床,线切割机床),四、五大要素, 动力 计算机 传感器 执行机构 机械结构,五、相关技术,1. 机械技术 (材料、刚度、标准化、可靠性） 2.传感技术（精确、灵敏、可靠、智能） 3.信息处理技术（计算机、PLC等） 4.驱动技术（电、液、气动技术） 5.接口技术（数/模转换） 6.软件技术（标准化、模块化、固化）,第二节 电气原理图的画法及阅读方法,一、电气控制线路作用： 1.实现对电力拖动系统的起动、反向、制动 和调速等性能的控制。 2.实现对拖动系统的保护。 3.满足生产工艺要求,实现生产加工自动化。,二、三类电气图 1.电气原理图 表示电气控制线路的工作原理，以及各电器 元件的作用和相互关系，而不考虑各元件的实际安 装位置和连线情况。 2.电气设备安装图 表示各种电气设备在机械设备和电气控制柜 中的实际安装位置。 3.电气设备接线图 表示各电气设备之间实际连线情况。 （同一电器各部分要画在一起）,三、电气原理图绘制规则 使用国家统一规定的电气图形符号和文字符号 1.主电路用粗实线绘在左侧; 控制电路用细线绘在右侧。 2.同一电器的导电部件可以

3、不画在一起,但文 字相同。 3.触点均按“平常态”画出(即:未通电或未受 外力的状态)。,第四节 可编程序控制器的基本知识,可编程序控制器：一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。采用可编程序控制器用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制等操作指令，并通过数字、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。 1.程序可变，有柔性； 2.外部接线少，可靠性高，环境适应性强； 3.功能多；具有数、模、输入、输出、逻辑、算术运 算、计时、计数、顺序控制、功率驱动、PID调节等; 4.编程简单，易于掌握； 5.结构紧凑，性价比高。,特点：,一、系统组成 CPU模块 输入模块 输出模块 编程器 1.CPU模块 由微处理器和存 储器组成。 作用：采集输入信号， 执行用户程序， 刷新系统输出。 存储器存储用户程 序和数据。,PLC组成：,图 1-10,2.I/O模块 作用：传递信号，电平转换与隔离。 输入模块 开关量输入模块：接收来自按钮、开关、压力继电器 等的开关量输入信号。 模拟量输入模块：接收来自电位器、测速发电机等的 连续变化的模拟量电流电压信号。 输出模块 开关量输出模块

4、：控制接触器、电磁阀、指示灯等输 出设备。 模拟量输出模块：控制调节阀、变频器等执行装置。,3.编程器与编程软件 编程器:用来生成用户程序,并监视用户程序执行情况。 应用：手持式编程器一般用于小型PLC编程，或现场 调试和维护。 编程软件：使用该软件可在计算机上直接生成和编辑 用户程序。 发展趋势：用编程软件取代手持式编程器。 4.电源 PLC内部的开关电源为各模块提供不同电压等级的直 流电源。 小型PLC可为输入电路和外部的电子传感器提供DC24V 电源，驱动PLC负载的直流电源一般由用户提供。,二、PLC结构形式,按结构不同分类：,1.整体式PLC 小型PLC一般采用整体式 结构:将CPU模块、I/O模块、 电源装在一个箱形机壳内。 S7-200称为CPU模块。 特点：体积小，价格低。 应用：小型控制系统。,S7-200CPU模块外形图,2.模块式PLC 大、中型PLC一般采用模块式 结构:由机架和模块组成。有不同槽数的机架供选用。模 块多时，可增设扩展模块。 特点：硬件组态方便灵活， I/O 点数、 I/O模块种类及块数 等选择余地大。维修时更换 模块、判断故障方便。 应用：较复

5、杂、要求较高的 系统。,图 1-12,工作原理：将用户程序通过编程器预先存入控制器的存 储器中，工作时反复不断地循环扫描程序，当条 件满足时立即执行。 扫描：初始化后反复不停地分阶段处理各种不同的 的任务，这种周而复始的循环 工作模式称为扫描工作模式。 1.读取输入 CPU以字节为单位读写输入/输出 过程映像寄存器。 读取输入阶段，PLC把所有外部数 字量输入电路的I/O状态读入输入 过程映像寄存器。,三、PLC的工作原理,返回扫描周期,图 1-13,外接输入电路闭合 对应的映像寄存器状态为1 外接输入电路断开 对应的映像寄存器状态为0 2.执行用户程序 RUN工作模式下，CPU从第一条程序开始，逐条顺序地 执行用户程序。 CPU执行指令时，从I/O映像寄存器或别的元件的映像 寄存器读出其状态，根据指令要求执行相应的逻辑运 算，运算结果写入线圈相应的映像寄存器，因此，各 映像寄存器的内容随程序的执行而变化。 程序执行阶段，即使外部输入信号状态发生变化，输 入过程映像寄存器的状态也不会变。变化的输入信号 状态在下一个扫描周期被读入。,3.通信处理 通信处理阶段，CPU处理从通信接口和智能

6、模块接收 到的信息。 4.CPU自诊断测试 包括定期检查CPU模块的操作和扩展模块的状态是否 正常等。 5.改写输出 CPU执行完用户程序后，将输出过程映像寄存器的 0/1状态传送到输出模块并锁存。信号经输出模块隔离 和功率放大后，驱动外部负载。 输出过程映像寄存器状态为1 外部负载通电工作 输出过程映像寄存器状态为0 外部负载断电,6.中断程序的处理 若程序中使用了中断，中断事件发生时，CPU停止扫 描，立即执行中断程序。 7.扫描周期 PLC在RUN工作状态时,执行一次图1-13所示的扫描操 作所需的时间。典型值为1-100ms。 8.输入/输出滞后时间 定义:指PLC的外部输入信号发生变化的时刻至它控制的 有关外部输出信号发生变化的时刻之间的时间间隔。 组成：输入电路滤波时间、输出电珞的滞后时间和因扫描工作方式产生的滞后时间。 PLC总的响应延迟时间一般只有几毫秒至几十毫秒。,四、PLC的编程语言 系统软件：由厂家固化在ROM中 应用软件：由用户根据具体生产要求编写 编程语言分类 ： 梯形图、语句表、控制系统流程图、逻辑表达式等。 1.梯形图 类似继电器控制电路图，沿用继电器线路

7、的一些符号。,继电器控制电路,梯形图,PLC软件：,梯形图特点： 1）按自上而下、从左至右的顺序排列，每一个继电器线圈为一个逻辑行，形成一个阶梯，起始于左母线，结束于右母线； 2）继电器是概念化的，实质是变量存储器中的位触发器； 3）某一编号的继电器线圈只出现一次，但其触点可无限使用； 4）梯形图是一个程序，左右母线间并无真实电流流过； 5）图中不出现输入继电器的线圈； 6）输出继电器得电表示其状态，还需通过输出模块的功率开关驱动现场元件； 7）PLC内部继电器（如M0.3）不能作为输出使用，它只是内部运算用的中间存储单元； 8）PLC按扫描方式顺序执行梯形图， 不会出现几条支路同时动作的 现象。,梯形图,2.语句表 用指令的助记符编程,类似于计算机汇编语言。 指令格式：操作码 操作数 如：LD I0.1 和 O Q0.3,操作码 助记符表示，指示CPU要完成的某种操作功能 。,操作数 操作码指定的操作 对象或操作所需的 数据。,五、CPU的存储区,1.输入过程映像寄存器（I） PLC接收外部输入的数字量信号的窗口。PLC将外部信号 的状态读入并存储在输入过程映像寄存器中。 外部输入电

8、路接通 对应映像寄存器为ON（1状态) 外部输入电路断开 对应映像寄存器为OFF (0状态) I、Q、V、M、S、SM、L均可以按位、字节、字和双字来存取。 2.输出过程映像寄存器（Q) 扫描周期的末尾,CPU将输出过程映像寄存器的数据传送给输出模块，再由后者驱动外部负载。 梯形图中Q.的线圈“通电” 继电器型输出模块 中对应的硬件继电器的常开触点闭合 接在标号为 Q.的端子的外部负载工作; 反之，外部负载断电。,3.变量存储区（V） V存储器在程序执行过程中存放中间结果，或用来保 存与工序或任务有关的其他数据。 4位存储区(M) 作为控制继电器存储中间操作状态或其它控制信息。 5.定时器存储区(T) 用于存储定时器累计的时基增量值。 定时器位用来描述定时器延时动作的触点状态。 定时器位为1状态 梯形图中对应定时器的常开触 点闭合，常闭触点断开； 定时器位为0状态 触点的状态相反。 6.计数器存储区(C) 存放计数输入端累计的脉冲数。,7.高速计数器( HC )高速计数器 用来累计比CPU的扫描速率更快的事件。 地址由区域标示符HC和高速计数器号组成，如HC2。 8.累加器(AC) 可

9、以象存储器那样使用的读/写单元。可以按字节、字 和双字来存取累加器中的数据。 存取数据的长度由指令决定。 9.特殊存储器（SM） 用于CPU与用户之间交换信息，例如SMO.0一直为ON， SM0.1仅在执行用户程序的第一个扫描周期时为1状态等。 部分特殊存储器的功能见附录。,10.局部存储器（L) 局部变量表中的存储器称为局部存储器，可以作为暂 时存储器，或用于子程序传递它的输入、输出参数。 局部变量表：S7一200将主程序、子程序和中断程序统 称为POU（程序组织单元），各POU都有自己的局部变量表。 11.模拟量输入（AI） S7-200用A/D转换器将连续变化的模拟量，转换为1个字 长(16位)的数字量，用区域标识符AI、表示数据长度的W和 起始字节的地址表示模拟量输入的地址。 12模拟量输出(AQ) S7 -200将1个字长的数字用D/A转换器转换为模拟量，用 区域标识符AQ、表示数据长度的W和字节的起始地址来表示 存储模拟量输出的地址。,13.顺序控制继电器(S) 顺序控制继电器( SCR)位用于组织设备的顺序操作， SCR提供控制程序的逻辑分段C。 14.常数的表示方法与范围 常数值可以是字节、字或双字，CPU以二进制方式存 储常数，常数也可以用十进制、十六进制ASC码(例如 Text)或浮点数（例如2.0 )的形式表示。 15.实数 又称浮点数，可以表示为1.m 。 ANSI/IEEE 754-1985标准格式的32位实数,可表示为浮 点数1.m ，式中 指数e=E十127为整数。 (1e254 ),图1-18 浮点数的格式,16字符串的格式 字符串由若干个ASC码字符组成，每个字符占1B。 字符串的第一个字节 定义了字符串的长度(OS-254 )， 即字符的个数。,图1-18

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