機電一體化系統(tǒng)設計

1、機電一體化系統(tǒng)設計,本課程的特點1、涉及的知識面廣，大多為新知識2、機電結合，綜合應用3、部分內容與其它課程有交叉,參考書目,1、《機電一體化技術概覽》 萬遇良 北京工業(yè)大學出版社2、《現代控制與驅動技術》謝少榮 蔣蓁 羅均 林中華 化學工業(yè)出版社3、《現場總線控制》 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》 （法）米切爾.麥迪安 著 劉萍 魏東興 等

2、譯 中國電力出版社5、《電磁兼容原理與應用》（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,答疑時間,每周五 14：00—15：00,第1章 機電一體化技術概述,1.1 機電一體化含義機電一體化:MECHATRONICS MECHANICS+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，并將

3、機械裝置與電子裝置用相關軟件有機結合而構成系統(tǒng)的總稱。,1.2機電一體化系統(tǒng)的基本構成,1.2.1 機電一體化系統(tǒng)的構成通常認為由五個部分組成：機械系統(tǒng)（機構）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。,,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)。,,,,,

4、1.2.2 機電一體化系統(tǒng)的功能構成,構成功能的目的：處理工業(yè)三大要素信息、能量、物質功能構成 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,機電一體化系統(tǒng)要素與人體要素的比較,,1.2.3機電一體化系統(tǒng)構成要素的聯(lián)接,為實現各子系統(tǒng)或要素之間物質、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、調整接口,,具有變換調整功能的接口（

5、4種）1、零接口：不進行任何變換和調整，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、調整的接口。如變速箱、變壓器、可變電阻、透鏡等。,,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

6、,,根據輸入/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、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。,,3、信息接口：受規(guī)格、標準、法律、語言、符號等邏輯、軟件約束的接口。如RS232，GB，ISO，ASCII，FORTRAN，C++等 4、環(huán)境接口：對周圍環(huán)

7、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，防水開關等,1.2.4 機電一體化系統(tǒng)的評價系統(tǒng)的內部功能與系統(tǒng)的價值,,機電一體化系統(tǒng)的評價內容,,1.3 機電一體化與其他技術的區(qū)別,不是機、電的簡單疊加與機電學的區(qū)別 與并行工程的區(qū)別 與自動控制的區(qū)別 與計算機應用的區(qū)別,第2章 機電一體化產品的設計,2.1 機電一體化設計的特點2.1.1 機電一體化方案設計方面1、“柔性”自動化

8、方案的應用機電一體化水平的不斷發(fā)展，使得產品的“柔性”化程度不斷提高四種方案比較：,方案1,,方案2,,方案3,,方案4,,,2、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)設計的考慮方法 （1）機電互補法（取代法） （2）結合法（融合法） （3）組合法4、機器裝置輕型、小型化,,2.2 機械傳動設計方面1、通常采用分離驅動源的傳動方式，傳動鏈不是全剛性結合 信息處理功能的分離 傳動參數,,,,,2、信

9、息處理功能的分離,例：要完成工作部分不同的轉速要求可以采用的方法有：（1）,,（2）,,（3）,2.2機電一體化系統(tǒng)設計與現代設計方法,設計程序 ①明確設計思想 ②分析綜合要求 ③劃分功能模塊 ④決定性能參數 ⑤調研類似產品 ⑥擬定總體方案 ⑦方案對比定型 ⑧編寫總體設計論證書,總體設計中應注意：,（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計實現，哪些功能由電子技術的硬、軟件實現，這樣能

10、發(fā)揮機電所長，簡化結構、充分體現機電一體化效果。（2）用圖表說明功能要求與動作順序要求（3）分析產品專用性與批量（4）重點明確產品的簡要特性（5）分析產品的自動化程度及其適用性,,（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）結構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、快速響應性與定位精度要求等,2.1.2 設計準則,在保證目的功能要求與適當壽命的前提

11、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(Mean Time Between Failures --到產品發(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。,2.1.4現代設計方法,常用的設計方法有：相似設計法、虛擬設計法、反求設計法、有限元設計法、可靠性設計法、動態(tài)分析設計法、優(yōu)化設計法等。,2.1.5 機電一體化設計過程,,,,第3章 機電一體化系統(tǒng)

12、的控制技術,3.1 計算機控制的特點對系統(tǒng)的噪聲及參數變化不敏感，只要這種噪聲幾參數的變化不變成數字量進入控制系統(tǒng)，它對系統(tǒng)就沒有什么影響。數據處理速度快、精度高對重復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權。提高系統(tǒng)智能化水平，增強系統(tǒng)柔性。信息存貯量大

13、數據可以長時間保存數據可以高速長距離傳輸數據檢索速度快、方便控制系統(tǒng)電壓低、功耗小,3.2 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。這種控制系統(tǒng)信號的精度不高，容易受到干擾。,,2、集中式數字控制系統(tǒng)（DDC—Direct Digital Control） 由計算機（單片機、PLC、微機等）直接對眾多的現場儀表進行控制，控制器內部傳輸的是數字信號,,3

14、、集散控制系統(tǒng)（DCS—Distributed Control System） 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。,,主要構成包含： 現場控制單元——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。由此人可以實現對全局信息的了解、監(jiān)控，也可以實現對某一設備的參數的更改，對系統(tǒng)組態(tài)的監(jiān)控。通信網絡

15、——設備之間信息交互的通道。計算機接口——實現上位機與現場設備之間信息的交互，可以實現電平的轉換，信號制式的轉換。計算機——功能強大，用來對全局進行監(jiān)控。,,DCS控制系統(tǒng)的主要特點可以表述為：適應性好 可以滿足不同企業(yè)的要求靈活性強 根據企業(yè)的規(guī)模及生產情況，可以對DCS系統(tǒng)進行組配，有很強的靈活性?？煽啃愿?通過冗余技術，可以保證在某一部分出現故障。備用機立即投入運行，從而提高系統(tǒng)可靠性。,,DCS的問題

16、 各廠家生產的DCS系統(tǒng)標準不一致，產品不兼容，這主要是標準不一致引起的導致各廠有自己的協(xié)議。目前正在向標準網絡通信接近。,,4、現場總線控制系統(tǒng)（FCS） 現場總線實際上是用一條總線將若干臺現場儀表或執(zhí)行機構連接在一起，用于過程自動化和制造自動化，使現場通信網絡與控制系統(tǒng)的集成。,第4章 現場總線控制系統(tǒng)FCS,現場總線控制系統(tǒng) Fieldbus Control System(FCS)定義：現場總線指安裝在制

17、造過程區(qū)域的現場裝置，與控制室內的自動化裝置之間的數字式、串行、多點的數據總線。,,基本內容包括：①以串行通信方式取代傳統(tǒng)的4-20mA的模擬信號。②一條現場總線可為眾多可尋址現場設備實現多點連接。③支持底層的現場智能設備與高層的系統(tǒng)利用公用傳輸介質交換信息。,4.1 現場總線技術的主要特點,數字化信號傳輸 現場儀表之間：現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字信息。開放式、互操作性、互換性、可集成性

18、 技術及標準是全開放式的，面向所有制造商及用戶，特別強調互操作性、互換性，因而設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進行設定。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。,4.2 幾種常見的現場總線,（1）FF 基金會現場總線 FF——Fi

19、eldbus Foundation主要的自動化設備供應商：AB、ABB、Foxboro、Honeywell、Fuji等。 主要應用領域：化工、石油、污水處理等。,,（2）PROFIBUS——Process Field Bus分為三種：PROFIBUS——DP (Decentralized Periphery) 分散外圍設備 用于設備級控制系統(tǒng)與分散式I/O的通信（現場級）。PROFIBUS——P

20、A (Process Automation) 過程自動化，可用于有爆炸危險的環(huán)境。PROFIBUS——FMS (Fieldbus Massage Specification) 現場總線報文規(guī)范 車間級監(jiān)控網絡，令牌結構，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的產品已超過1500多種

21、。,,（3）Lon Works采用Lon Talk協(xié)議。Lon Works的核心是神經元芯片（Neuron）多用于樓宇自動化、保安系統(tǒng)、辦公設備、供暖通風、消防、救生、安全、照明等領域。,,（4）CANController Area Network——控制器局域網絡。由Bosch公司牽頭。起初專為汽車工業(yè)設計，現在發(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)目前廣泛地被應用于汽車的控制系統(tǒng)。,,（5）HARTHighwa

22、y Addressable Remote Transducer——可尋址遠程傳感器高速通道最早由Rosemount公司開發(fā)，現得到80多家儀表生產商的支持。HART能由總線供電，可滿足本安防爆要求。嚴格講HART不屬于現場總線。,,（6）其它現場總線World FIP、P-Net、AS-i (Actuator Sensor Interface)、Device Net、CC-Link、Control Net、Swift Net (

23、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(Ethernet) 的PROFINET,4.3 現場總線與互聯(lián)網的區(qū)別,現場總線強調實時性，一般控制系統(tǒng)響應時間為0.01~0.5s，制造自動化系統(tǒng)響應時間為0.5~2s，而互聯(lián)網中響應時間一般在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)網中兩個自主系統(tǒng)只建立暫時一對一方式。現場總線強調在惡劣條件下數據傳送的完整性，在可燃或易爆環(huán)境中的本質安

24、全性。互聯(lián)網信息流通量大，現場總線信息流通量不大，但要變?yōu)槲镔|流、能量流、動作流，要求必須十分可靠。,4.4 現場總線的標準,1、ISO的現場總線標準 國際標準化組織ISO（International Standardization Organization）制定了現場總線標準的基礎。 ISO 7498-1996，簡稱為OSI (Open System Interconnection)，將通信任務劃分為七層。

25、 七層分別為： OSIRM (Open System Interconnection Reference Model)開放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型,,,,,,,,2、IEC標準ISO-OSI是為計算機互聯(lián)而設計的，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)用現場總線”國際標準。IEC61158，通過了8類現場總線作為其標準，但8類互不兼容。類型1 IEC技術報告（即FF-H1）類

26、型2 Control Net (美Rockwell支持)類型3 Profibus (德Siemens支持)類型4 P-Net ( 丹麥Process Data 支持)類型5 FF HSE (原 FF-H2、Fisher-Rosemount 支持)類型6 Swift Net (美Boeing支持)類型7 World FIP (法 Adstom支持)類型8 Interbus (德Phoenix Co

27、utact支持)類型9 Foundation Fieldbus (FF), FMS類型10 Profinet,4.5 PROFIBUS現場總線技術,4.5.1 PROFIBUS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——Decentralized Periphery②PROFIBUS—PA：專為

28、過程自動化設計，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進行數據通信。 —PA——Process Automation,,③PROFIBUS—FMS —FMS——Fieldbus Message Specification 是一種由于工廠自動化車間級監(jiān)控和現場設備層數據通信與控制的現場技術。,,PROFIBUS-DP 使用第一層、第二層和用

29、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)以及不同設備可調用的功能，并詳細說明了各種不同PROFIBUS-DP設備的設備行為，還提供了傳輸可選用的RS485傳輸技術或光纜傳輸技術。,,PROFIBUS-FMS 定義了第一、二和七層。應用層包括現場總線報文規(guī)范（Fieldbus Message Specification-FMS）和地層接口（Lower Layer Interface-LLI）。 LLI協(xié)

30、調不同的通信關系并向FMS提供與設備無關的訪問第二層的技術。 第二層（Fieldbus Data Link-FDL）可完成總線存取控制和數據的可靠性，他還為PROFIBUS-FMS提供RS485傳輸技術或光纜傳輸技術。,,PROFIBUS-PA 數據的傳輸采用擴展的PROFIBUS-DP協(xié)議。另外還使用了描述現場設備行為的PA行規(guī)。通過使用段耦合器， PROFIBUS-PA設備能很方便地集成到PROFIBUS-DP網絡中。,

31、,PROFIBUS-DP和PROFIBUS-FMS系統(tǒng)使用了同樣的傳輸技術和統(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。,4.5.2 PROFIBUS協(xié)議結構,4.5.3 PROFIBUS在工廠自動化系統(tǒng)中的位置,1、現場設備層 連接現場設備，如分散式I/O、傳感器、驅動器、執(zhí)行機構、開關設備等，完成現場設備控制及設備間連鎖控制。2、車間監(jiān)控層 完成車間主生產設備之間的連接，完成車間級設備監(jiān)控。車

32、間級監(jiān)控網絡可采用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,,,4.5.4 PROFIBUS控制系統(tǒng)配置的幾種形式,1）總線接口型 現場設備不具備PROFIBUS接口，則采用分散式I/O作為總線接口，與現場設備連接。若設備能分組則更能發(fā)揮現場總線的優(yōu)點。2）單一總線型 現場設備都有PROFIBUS接口。這是理想的情況。對于一個新建的工廠，或新設計的設備來說容易實現。3

33、）混合型 部分現場設備有PROFIBUS功能，部分沒有。,4.5.5 PROFIBUS的傳輸技術,PROFIBUS中的傳輸技術包括用于DP和FMS的RS 485傳輸技術和光纖傳輸，以及用于PA的IEC61158-2傳輸技術。這些傳輸技術的共同特點是：在總線段的開頭和結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中。,用于-DP傳輸技術,這種傳輸技術使用屏蔽雙絞銅線作為傳輸介質，總線

34、上的站點共用一根導線對。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）。在運行中全部設備均須選用同一傳輸速度。,安裝提示,全部設備都與總線相連接。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。如果站的數量超過32個或需要擴大網絡區(qū)域，則必須使用中繼器（repeater, 總線放大器）來連接各個總線

35、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。,,RS-485傳輸技術的基本特性,,,電纜長度與傳輸速率的關系,,,,,總線的連接,連接RS485的9針D型插座,,,-DP 及-FMS總線終端器,,用于-PA的IEC61158-2傳輸技術,能滿足化工和石化工業(yè)的要求可保持本質安全性并使現場設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

36、則為依據：,,每段只有一個電源，作為供電裝置當站點發(fā)送信息時，不向總線供電每個站點現場設備在穩(wěn)態(tài)下消耗常量基本電流現場設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，設計時可采用冗余的總線段為了調制的目的，每個總線站點至少需用10mA的基本電流才使設備起動。,-PA總線終端器,,IEC61158-2傳輸技術安裝要點,分段耦合器將IEC61158-2傳輸技術總線段與RS-485傳輸技術總線段連接。耦合

37、器使RS-485信號與 IEC61158-2信號相匹配。它們?yōu)楝F場設備的遠程電源供電，供電裝置可限制IEC61158-2總線的電流和電壓。PROFIBUS-PA的網絡拓撲有樹型和線型結構，或是兩種拓撲的混合現場配電箱仍繼續(xù)用來連接現場設備并放置總線終端電阻器。采用樹型結構時，連在現場總線分段的全部現場設備都并聯(lián)地接在現場配電箱上。建議使用如下參考電纜，也可使用更粗截面導體的其它電纜。,,,主總線電纜的兩端各有一個無源終端器，內有串

38、聯(lián)的RC元件。當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目最多為32個。如果使用本質安全型及總線供電，站的數量將進一步受到限制。即使不需要本質安全性，遠程供電裝置電源也受到限制。,光纖傳輸技術,,行規(guī)（Profiles）：由制造商和用戶制定的有關設備和系統(tǒng)的特征、功能特性和行為的規(guī)范。行規(guī)分為： 通用應用行規(guī)：有用于不同應用的實現選項。如：PROFIsafe 行規(guī)、冗余行規(guī)、時間標簽（Time

39、Stamp）行規(guī)。 專用應用行規(guī)：為特定的應用開發(fā)的。如PROFIdrive，SEMI或PA Devices行規(guī)。 系統(tǒng)和主站行規(guī)：描述可供現場設備使用的特定的系統(tǒng)性能。,4.5.6 PROFIBUS-DP行規(guī),,Profibus-DP行規(guī)明確定義了用戶數據怎樣在總線各站之間傳遞。但用戶數據不是由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如何用于應用領

40、域。利用行規(guī)可使不同廠商所生產的不同設備互換使用 。,,NC/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)介紹了回轉式，轉角式和線性編碼器與Profibus-DP的聯(lián)接，這些編碼器帶有單轉或多轉分辨率。,,變速傳動行規(guī) (3.071—為文件編號) 傳動技術設備的主要生產廠共同制定了PROFIDRIVE行規(guī)。行規(guī)具體規(guī)定了傳動設備怎樣

41、被參數化，以及設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。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把這些設備與更高一級自動化部件的連接。,4.5.7 PROFIBUS-PA行規(guī),Profibus-PA行規(guī)保證了不同廠商所生產的現場設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)的任務是保證被選用的各種類型現場設備有相同的通信功能，并提供這些設

42、備功能和設備行為的一切必要的規(guī)格。,,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，數字量輸入和輸出，模擬量輸入和輸出，閥門，定位器。設備行為由規(guī)定的標準化的變量來描述，變量取決于特定的測量變送器。,4.5.8 PROFIBUS-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。根據控制器的類型，對每臺控制所支持的服務