1、机电一体化系统设计本课程的特点1、涉及的知识面广，大多为新知识2、机电结合，综合应用3、部分内容与其它课程有交叉参考书目1、机电一体化技术概览 万遇良 北京工业大学出版社2、现代控制与驱动技术谢少荣 蒋蓁 罗均 林中华 化学工业出版社3、现场总线控制 周明 中国电力出版社4、电磁干扰排查及故障解决的电磁兼容技术 （法）米切尔.麦迪安 著 刘萍 魏东兴 等译 中国电力出版社5、电磁兼容原理与应用（加拿大）大卫A.韦斯顿 著 杨自佑 王守三 译 机械工业出版社 答疑时间每周五 14：0015：00第1章 机电一体化技术概述1.1 机电一体化含义机电一体化:MECHATRONICS MECHANIC
2、S+ELECTRONICS 机电一体化是机械的主功能，动力功能，信息功能和控制功能上引进微电子技术，并将机械装置与电子装置用相关软件有机结合而构成系统的总称。1.2机电一体化系统的基本构成机电一体化系统的基本构成1.2.1 机电一体化系统的构成机电一体化系统的构成通常认为由五个部分组成：通常认为由五个部分组成：l机械系统（机构）机械系统（机构）l电子信息处理系统（电子计算机）电子信息处理系统（电子计算机）l动力系统（动力源）动力系统（动力源）l传感检测系统（传感器）传感检测系统（传感器）l执行元件系统（电动机等）执行元件系统（电动机等）五个部分组成的机电一体化系统可以分为：五个部分组成的机电一
3、体化系统可以分为：半闭环、闭环两种控制方式。半闭环、闭环两种控制方式。闭环：对最终执行元件进行直接控制。半闭环：对中间元件进行控制，从而推算出最终元件的状态。1.2.2 机电一体化系统的功能构成机电一体化系统的功能构成构成功能的目的：处理工业三大要素信息、能量、物质功能构成 1、变换（加工、处理）功能 2、传递（移动、输送）功能 3、储存（保持、积蓄、记录）功能机电一体化系统要素与人体要素的比较机电一体化系统要素功能人体要素控制器（计算机）控制（信息存储、处理、传送）头脑网络信息传递神经检测、传感器计测（信息收集与变换）感官执行元件驱动（操作）肌肉动力源提供动力（能量）内脏机构构造骨骼1.2.
4、3机电一体化系统构成要素的联接机电一体化系统构成要素的联接为实现各子系统或要素之间物质、能量或信息交换而进行的连接就是接口。按功能分，接口有两种：输入/输出接口和变换、调整接口 具有变换调整功能的接口（4种）1、零接口：不进行任何变换和调整，本子系统的输出即为另一子系统的输入，这种接口只起到连接的作用。如插头、座，输送管线，传动轴等。2、无源接口：只用无源要素进行变换、调整的接口。如变速箱、变压器、可变电阻、透镜等。3、有源接口：含有有源要素，可以主动进行匹配的接口。如电磁离合器、放大器、光电耦合器等 4、智能接口：带有微处理器，可以进行程序编制或可适应性地改变接口条件。如自动变速装置、通用输
5、入/输出集成电路，STD总线等 根据输入/输出功能有如下接口形式1、机械接口：由输入/输出部位的形状、尺寸、精度、配合、规格等进行机械联接的接口。如联轴器，管接头，法兰盘等。2、物理接口：受通过接口的物质、能量、信息的具体形态和物理条件约束的接口。如受电流、电压、电容、扭矩、频率、气压等约束的接口。3、信息接口：受规格、标准、法律、语言、符号等逻辑、软件约束的接口。如RS232，GB，ISO，ASCII，FORTRAN，C+等 4、环境接口：对周围环境条件（温度、湿度、磁场、振动、水、气、灰、火、放射）有保护作用的接口。如防尘接头，防水开关等 1.2.4 机电一体化系统的评价机电一体化系统的评
6、价系统的内部功能与系统的价值系统的内部功能与系统的价值系统内部功能评价参数系统价值高低主功能系统误差小大抗干扰能力强弱废物输出少多变换效率高低动力功能输入能量少多能源内装外设控制功能控制输入/输出口个数多少手动操作少多网络功能强弱构造功能尺寸、重量小、轻大、重强度高低计测功能精度高低机电一体化系统的评价内容高性能化省能化机电一体化系统高附加值化主功能低价格化高可靠性化计测功能动力功能智能化构造功能轻薄短小化控制功能网络化1.3 机电一体化与其他技术的区别 不是机、电的简单叠加不是机、电的简单叠加与机电学的区别与机电学的区别 与并行工程的区别与并行工程的区别 与自动控制的区别与自动控制的区别 与
7、计算机应用的区别与计算机应用的区别第第2章章 机电一体化产品的设计机电一体化产品的设计2.1 机电一体化设计的特点2.1.1 机电一体化方案设计方面1、“柔性”自动化方案的应用机电一体化水平的不断发展，使得产品的“柔性”化程度不断提高四种方案比较：方案1方案2方案3方案42、高性能电子化器件与微电子器件的采用3、机电一体化系统设计的考虑方法 （1）机电互补法（取代法）（2）结合法（融合法）（3）组合法4、机器装置轻型、小型化2.2 机械传动设计方面机械传动设计方面1、通常采用分离驱动源的传动方式，传动、通常采用分离驱动源的传动方式，传动链不是全刚性结合链不是全刚性结合 信息处理功能的分离信息处
8、理功能的分离 传动参数传动参数2、信息处理功能的分离、信息处理功能的分离例：要完成工作部分不同的转速要求可以采用的方法有：（1）（2）（3）2.2机电一体化系统设计与现代设计方法机电一体化系统设计与现代设计方法设计程序 明确设计思想 分析综合要求 划分功能模块 决定性能参数 调研类似产品 拟定总体方案 方案对比定型 编写总体设计论证书总体设计中应注意：（1）以机电互补原则进行功能划分，即明确哪的功能由机械设计实现，哪些功能由电子技术的硬、软件实现，这样能发挥机电所长，简化结构、充分体现机电一体化效果。（2）用图表说明功能要求与动作顺序要求（3）分析产品专用性与批量（4）重点明确产品的简要特性（
9、5）分析产品的自动化程度及其适用性（6）环境条件要求（7）动力源特性分析（8）机、电、液传动的最佳匹配（9）可靠性分析（10）结构尺寸及空间布置分析（11）特殊功能分析、低速稳定性、抖动要求、快速响应性与定位精度要求等2.1.2 设计准则设计准则在保证目的功能要求与适当寿命的前提下不断降低成本 降低成本一方面是从用户需求出发降低成本，二是从制造厂的立场出发降低成本。平均故障间隔MTBF(Mean Time Between Failures-到产品发生故障止，或从一个故障被排除后到下一个故障发生时的平均时间。2.1.4现代设计方法现代设计方法常用的设计方法有：相似设计法、虚拟设计法、反求设计法、
10、有限元设计法、可靠性设计法、动态分析设计法、优化设计法等。2.1.5 机电一体化设计过程机电一体化设计过程第第3章章 机电一体化系统的控制技术机电一体化系统的控制技术3.1 计算机控制的特点计算机控制的特点对系统的噪声及参数变化不敏感，只要这种噪声几参数的变化不变成数字量进入控制系统，它对系统就没有什么影响。数据处理速度快、精度高对重复性工作的处理很方便利用程序的循环可以用程序很容易地完成模拟控制难以实现的控制工作系统可靠度高多处理器、分布式控制（DCS）使用专用集成电路提高处理效率、增强可靠性、降低成本，同时有利于保护知识产权。提高系统智能化水平，增强系统柔性。信息存贮量大数据可以长时间保存
11、数据可以高速长距离传输数据检索速度快、方便控制系统电压低、功耗小3.2 计算机控制的类型计算机控制的类型1、模拟仪表控制系统 控制系统的主要特点是传感器及执行器的信号传输均以模拟量的形式出现。这种控制系统信号的精度不高，容易受到干扰。2、集中式数字控制系统（DDCDirect Digital Control）由计算机（单片机、PLC、微机等）直接对众多的现场仪表进行控制，控制器内部传输的是数字信号 3、集散控制系统（DCSDistributed Control System）集散控制系统（DCS）又称为分布式控制系统，其控制为分散的，但管理则是集中的。主要构成包含：现场控制单元其作用是对受控对
12、象的信号进行采集、处理、并对受控对象进行控制，这一部分是分散的。人机接口人与计算机之间进行信息交互的界面即通道。由此人可以实现对全局信息的了解、监控，也可以实现对某一设备的参数的更改，对系统组态的监控。通信网络设备之间信息交互的通道。计算机接口实现上位机与现场设备之间信息的交互，可以实现电平的转换，信号制式的转换。计算机功能强大，用来对全局进行监控。DCS控制系统的主要特点可以表述为：适应性好 可以满足不同企业的要求灵活性强 根据企业的规模及生产情况，可以对DCS系统进行组配，有很强的灵活性。可靠性高 通过冗余技术，可以保证在某一部分出现故障。备用机立即投入运行，从而提高系统可靠性。DCS的问
13、题 各厂家生产的DCS系统标准不一致，产品不兼容，这主要是标准不一致引起的导致各厂有自己的协议。目前正在向标准网络通信接近。4、现场总线控制系统（FCS）现场总线实际上是用一条总线将若干台现场仪表或执行机构连接在一起，用于过程自动化和制造自动化，使现场通信网络与控制系统的集成。第第4章章 现场总线控制系统现场总线控制系统FCS现场总线控制系统 Fieldbus Control System(FCS)定义：现场总线指安装在制造过程区域的现场装置，与控制室内的自动化装置之间的数字式、串行、多点的数据总线。基本内容包括：以串行通信方式取代传统的4-20mA的模拟信号。一条现场总线可为众多可寻址现场设
14、备实现多点连接。支持底层的现场智能设备与高层的系统利用公用传输介质交换信息。4.1 现场总线技术的主要特点现场总线技术的主要特点l数字化信号传输 现场仪表之间：现场仪表与上层工作站之间以及工作站之间的信息交换均为数字信息。l开放式、互操作性、互换性、可集成性 技术及标准是全开放式的，面向所有制造商及用户，特别强调互操作性、互换性，因而设备具有很好的可集成性。l可靠性高、可维护性好 采用总线方式而非传统的一对一的I/O线，减少了接点数目，减少了接触不良造成的故障，可以通过总线对仪表的参数进行设定。l降低系统成本 有资料表明，仅系统的布线、安装、维护费用可以比传统的DCS减少66%的成本。4.2
15、几种常见的现场总线几种常见的现场总线（1）FF 基金会现场总线 FFFieldbus Foundation主要的自动化设备供应商：AB、ABB、Foxboro、Honeywell、Fuji等。主要应用领域：化工、石油、污水处理等。（2）PROFIBUSProcess Field Bus分为三种：PROFIBUSDP(Decentralized Periphery)分散外围设备 用于设备级控制系统与分散式I/O的通信（现场级）。PROFIBUSPA(Process Automation)过程自动化，可用于有爆炸危险的环境。PROFIBUSFMS(Fieldbus Massage Specific
16、ation)现场总线报文规范 车间级监控网络，令牌结构，常用于楼宇自动化。目前PROFIBUS在德国及欧洲市场居首位。PROFIBUS是以西门子公司为首研制的，目前全世界支持PROFIBUS的产品已超过1500多种。（3）Lon Works采用Lon Talk协议。Lon Works的核心是神经元芯片（Neuron）多用于楼宇自动化、保安系统、办公设备、供暖通风、消防、救生、安全、照明等领域。（4）CANController Area Network控制器局域网络。由Bosch公司牵头。起初专为汽车工业设计，现在发展用于各种行业，但不能用于防爆区。这种总线系统目前广泛地被应用于汽车的控制系统。
17、（5）HARTHighway Addressable Remote Transducer可寻址远程传感器高速通道最早由Rosemount公司开发，现得到80多家仪表生产商的支持。HART能由总线供电，可满足本安防爆要求。严格讲HART不属于现场总线。（6）其它现场总线World FIP、P-Net、AS-i(Actuator Sensor Interface)、Device Net、CC-Link、Control Net、Swift Net(主要用于航空航天)、Interbus另外还有目前刚刚兴起的基于以太网(Ethernet)的PROFINET4.3 现场总线与互联网的区别现场总线与互联网的
18、区别现场总线强调实时性，一般控制系统响应时间为0.010.5s，制造自动化系统响应时间为0.52s，而互联网中响应时间一般在26s。工厂自动化系统中，通信方式使用了广播和交组方式。互联网中两个自主系统只建立暂时一对一方式。现场总线强调在恶劣条件下数据传送的完整性，在可燃或易爆环境中的本质安全性。互联网信息流通量大，现场总线信息流通量不大，但要变为物质流、能量流、动作流，要求必须十分可靠。4.4 现场总线的标准 1、ISO的现场总线标准 国际标准化组织ISO（International Standardization Organization）制定了现场总线标准的基础。ISO 7498-1996
19、，简称为OSI(Open System Interconnection)，将通信任务划分为七层。七层分别为：OSIRM(Open System Interconnection Reference Model)开放系统互联参考模型 行规(profile)行规应用层 面 向 用 户 面 向 网 络 上层协议 低层协议表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层2、IEC标准ISO-OSI是为计算机互联而设计的，用于开放系统互联的模型。IEC(国际电工委员会)于1999年底通过了“工业控制系统用现场总线”国际标准。IEC61158，通过了8类现场总线作为其标准，但8类互不兼容。类型1 IEC技术报告（即
20、FF-H1）类型2 Control Net(美Rockwell支持)类型3 Profibus(德Siemens支持)类型4 P-Net(丹麦Process Data 支持)类型5 FF HSE(原 FF-H2、Fisher-Rosemount 支持)类型6 Swift Net(美Boeing支持)类型7 World FIP(法 Adstom支持)类型8 Interbus(德Phoenix Coutact支持)类型9 Foundation Fieldbus(FF),FMS类型10 Profinet4.5 PROFIBUS现场总线技术 4.5.1 PROFIBUS概貌 由三个兼容部组成：PROFI
21、BUSDP、PROFIBUSPA、PROFIBUSFMSPROFIBUSDP：取代24VDC或4-20mA信号传输。DPDecentralized PeripheryPROFIBUSPA：专为过程自动化设计，可使传感器和执行器连在一根总线上，并有本安规范。PROFIBUSPA可以用双绞线供电技术进行数据通信。PAProcess Automation PROFIBUSFMS FMSFieldbus Message Specification 是一种由于工厂自动化车间级监控和现场设备层数据通信与控制的现场技术。PROFIBUS-DP 使用第一层、第二层和用户接口，第三层到第七层未加定义。用户接口规
22、定了用户及系统以及不同设备可调用的功能，并详细说明了各种不同PROFIBUS-DP设备的设备行为，还提供了传输可选用的RS485传输技术或光缆传输技术。PROFIBUS-FMS 定义了第一、二和七层。应用层包括现场总线报文规范（Fieldbus Message Specification-FMS）和地层接口（Lower Layer Interface-LLI）。LLI协调不同的通信关系并向FMS提供与设备无关的访问第二层的技术。第二层（Fieldbus Data Link-FDL）可完成总线存取控制和数据的可靠性，他还为PROFIBUS-FMS提供RS485传输技术或光缆传输技术。PROFIB
23、US-PA 数据的传输采用扩展的PROFIBUS-DP协议。另外还使用了描述现场设备行为的PA行规。通过使用段耦合器，PROFIBUS-PA设备能很方便地集成到PROFIBUS-DP网络中。PROFIBUS-DP和PROFIBUS-FMS系统使用了同样的传输技术和统一的总线存取协议，因此两种系统可以在同一根电缆上同时操作。4.5.2 PROFIBUS协议结构 4.5.3 PROFIBUS在工厂自动化系统中的位置在工厂自动化系统中的位置1、现场设备层 连接现场设备，如分散式I/O、传感器、驱动器、执行机构、开关设备等，完成现场设备控制及设备间连锁控制。2、车间监控层 完成车间主生产设备之间的连接
24、，完成车间级设备监控。车间级监控网络可采用PROFIBUSFMS。3、工厂管理层 通过集线器可以使车间操作员工作站与车间办公4.5.4 PROFIBUS控制系统配置的几种形式控制系统配置的几种形式1）总线接口型 现场设备不具备PROFIBUS接口，则采用分散式I/O作为总线接口，与现场设备连接。若设备能分组则更能发挥现场总线的优点。2）单一总线型 现场设备都有PROFIBUS接口。这是理想的情况。对于一个新建的工厂，或新设计的设备来说容易实现。3）混合型 部分现场设备有PROFIBUS功能，部分没有。4.5.5 PROFIBUS的传输技术的传输技术PROFIBUS中的传输技术包括用于DP和FM
25、S的RS 485传输技术和光纤传输，以及用于PA的IEC61158-2传输技术。这些传输技术的共同特点是：l在总线段的开头和结尾必须有总线终端器。l每段可以有最多32个站。l中继器没有站地址，但它们被计算在每段的站数中。用于-DP传输技术这种传输技术使用屏蔽双绞铜线作为传输介质，总线上的站点共用一根导线对。这种总线的传输速率为9.6Kbit/s到12Mbit/s，称之为高速总线（H2总线）。在运行中全部设备均须选用同一传输速度。安装提示全部设备都与总线相连接。在每个总线段中最多可以接32个站（主站或从站）。每段的头和尾各接有一个有源总线终端器。为确保操作不发生错误，两个总线终端器必须永远保持有
26、电源。如果站的数量超过32个或需要扩大网络区域，则必须使用中继器（repeater,总线放大器）来连接各个总线段。电缆的最大长度取决于传输速率。电缆的特殊长度可以使用中继器来增加，但一般串联使用的中继器不超过3个。RS-485传输技术的基本特性网络拓扑线性总线，在总线两端有有源的总线终端器。波特率1.5Mbit/s时允许使用短接线。介质屏蔽双绞电缆，根据周围环境条件（EMC）也可不用屏蔽。站点数不带中继器，每分段32个站;带中继器，可多到127个站(地址空间0-127；地址127为广播地址，可用0-126)插头连接器防护等级为IP20：最好为9针D型插头防护等级为IP65/67：M12圆形连接
27、器；符合IEC947-5-2Han-Brid连接器；符合DESINA建议Siemens混合连接器电缆长度与传输速率的关系波特率（Kbit/s）9.619.293.75187.5500150012000距离/段（m）1200120012001000400200100总线的连接连接RS485的9针D型插座-DP 及-FMS总线终端器用于-PA的IEC61158-2传输技术能满足化工和石化工业的要求可保持本质安全性并使现场设备通过总线供电是位同步协议，可进行无电流的连续传输，通常称之为H1传输以下列原则为依据：每段只有一个电源，作为供电装置当站点发送信息时，不向总线供电每个站点现场设备在稳态下消耗常
28、量基本电流现场设备作用如同无源的电流吸收装置主总线两端起无源线性终端作用为了提高可靠性，设计时可采用冗余的总线段为了调制的目的，每个总线站点至少需用10mA的基本电流才使设备起动。-PA总线终端器IEC61158-2传输技术安装要点 分段耦合器将IEC61158-2传输技术总线段与RS-485传输技术总线段连接。耦合器使RS-485信号与 IEC61158-2信号相匹配。它们为现场设备的远程电源供电，供电装置可限制IEC61158-2总线的电流和电压。PROFIBUS-PA的网络拓扑有树型和线型结构，或是两种拓扑的混合现场配电箱仍继续用来连接现场设备并放置总线终端电阻器。采用树型结构时，连在现
29、场总线分段的全部现场设备都并联地接在现场配电箱上。建议使用如下参考电缆，也可使用更粗截面导体的其它电缆。电缆设计双绞线屏蔽电缆导线面积（额定值）0.8mm2(AWG18)回路电阻（直流）44/km阻抗（31.25KHz时）10020%39 KHz时衰减3dB/km电容不平衡度2nF/km主总线电缆的两端各有一个无源终端器，内有串联的RC元件。当总线站极性反向连接时，它对总线的功能不会有任何影响。连接到一个段上的站数目最多为32个。如果使用本质安全型及总线供电，站的数量将进一步受到限制。即使不需要本质安全性，远程供电装置电源也受到限制。光纤传输技术 光纤类型核心直径（m）范围多模玻璃光纤62.5
30、/1252-3km单模玻璃光纤9/12515km塑料光纤980/100080mHCS 光纤200/230约500m行规（Profiles）：由制造商和用户制定的有关设备和系统的特征、功能特性和行为的规范。行规分为：通用应用行规：有用于不同应用的实现选项。如：PROFIsafe 行规、冗余行规、时间标签（Time Stamp）行规。专用应用行规：为特定的应用开发的。如PROFIdrive，SEMI或PA Devices行规。系统和主站行规：描述可供现场设备使用的特定的系统性能。4.5.6 PROFIBUS-DP行规行规Profibus-DP行规明确定义了用户数据怎样在总线各站之间传递。但用户数据
31、不是由Profibus-DP传输协议来说明的，它的含义是在行规中具体说明的。另外，行规还具体规定了Profibus-DP如何用于应用领域。利用行规可使不同厂商所生产的不同设备互换使用。NC/RC行规(3.052)该行规介绍了人们怎样通过Profibus-DP对操作机和装配机器人进行控制。编码器行规(3.062)本行规介绍了回转式，转角式和线性编码器与Profibus-DP的联接，这些编码器带有单转或多转分辨率。变速传动行规(3.071为文件编号)传动技术设备的主要生产厂共同制定了PROFIDRIVE行规。行规具体规定了传动设备怎样被参数化，以及设定值和实际值怎样进行传递，也包括了速度控制和定位
32、必须的规格参数。操作员控制和过程监视行规（HMI）该行规具体说明了通过Profibus-DP把这些设备与更高一级自动化部件的连接。4.5.7 PROFIBUS-PA行规行规Profibus-PA行规保证了不同厂商所生产的现场设备的互换性和互操作性，它是Profibus-PA的一个组成部分。PA行规的任务是保证被选用的各种类型现场设备有相同的通信功能，并提供这些设备功能和设备行为的一切必要的规格。PA行规已对所有通用的测量变送器和其它选择的一些设备类型作了具体规定，如：测压力、液位、温度和流量的变送器，数字量输入和输出，模拟量输入和输出，阀门，定位器。设备行为由规定的标准化的变量来描述，变量取决于特定的测量变送器。4.5.8 PROFIBUS-FMS行规行规控制器间的通信（3.002）此通信行规定义了用于可编程控制器（PLC）之间通信的FMS服务。根据控制器的类型，对每台控制所支持的服务、参数和数据类型作了具体规定。楼宇自动化行规（3.011）该行规提供了一个特定的分支和服务，作为楼宇自动化中的公共基础。并对楼宇自动化系统使用FMS进行监视、闭环和开环控制、操作控制、报警处理及系统档案管理作了描述。低压开关设备（3.032）是面向行业的FMS行规，具体说明了通过FMS在通信过程中低压开关设备的应用行为。
