第2章计算机测控系统中的硬件习题与思考题1．上网搜索商品化的各种传感器、数据采集卡、远程I/O模块、工业控制计算机、智能仪器、PLC的技术资料，列出它们的型号、生产厂家、性能特点等。

2．模拟量有单端和差分两种输入方式，它们的区别是什么？各用在什么场合？3．工业控制计算机与普通个人计算机相比较，有何区别？4．智能仪器与传统仪器相比有哪些特点？5．PLC有哪些技术特点？可采用什么编程语言？6．查阅有关文献，学习各类电磁式继电器、固态继电器、大功率场效应管、晶闸管、电磁阀、调节阀、伺服电机、步进电机等执行机构的结构、工作原理等知识。

7．上网搜索商品化的电磁式继电器、固态继电器、大功率场效应管、晶闸管、电磁阀、调节阀、伺服电机、步进电机等执行器（机构）的技术资料，列出它们的型号、生产厂家、性能特点等。

8．试画出一种电动阀（调节阀）的驱动控制电路图，说明工作原理。

9．试画出2种直流电动机的驱动控制电路图，说明工作原理。

10．试画出2种交流伺服电动机的驱动控制电路图，说明工作原理。

11．试画出3种步进电机的驱动控制电路图，说明工作原理。

12．试画出1种交流型SSR控制单向交流电动机的线路示意图，说明工作原理。

解答（部分）1.上网搜索商品化的各种传感器、数据采集卡、远程I/O模块、工业控制计算机、智能仪器、PLC的技术资料，列出它们的型号、生产厂家、性能特点等。

略2．模拟量有单端和差分两种输入方式，它们的区别是什么？各用在什么场合？模拟量有单端和差分两种输入方式，如图1所示。

单端输入方式是指模拟量输入信号相对于模拟信号地（SG）而言只有一个输入信号端（SH），SH一般连接到运算放大器的其中一个输入端，而另一个输入端接模拟信号地。

单端输入以一个共同接地点为参考点。

这种方式适用于输入信号为高电平（大于1V），信号源与采集端之间的距离较短（小于15英尺），并且所有输入信号有一个公共接地端。

如果不能满足上述条件，则需要使用差分输入。

差分输入方式是指模拟量输入信号相对于模拟信号地而言有两个输入信号端，分别称之为输入信号高端（SH ）和输入信号低端（SL ），SH 与SL 分别连接到运算放大器的两个输入端，运放的实际输出取决于SH 与SL 的差值，故称之为差分输入或差动输入。

差分输入方式每个输入可以有不同的接地参考点，并且，由于消除了共模噪声的误差，抗干扰能力优于单端输入方式，所以差分输入的精度较高。

如果模拟量信号为标准信号（如1∽5V 、4∽20mA 等），则可以采用单端输入方式，也可以采用差动输入方式；如果模拟量输入信号为毫伏级的小信号，一般采用差动输入方式。

模拟量信号的极性：模拟量信号有单极性和双极性两种。

单极性模拟量信号在整个量程范围内只有一种极性（要么为正，要么为负），双极性模拟量信号在整个量程范围内可以为正，也可以为负。

例如，模拟量信号AI1的变化范围为0∽5V ，模拟量信号AI2的变化范围为-2.5∽+2.5V ，则信号AI1为单极性，信号AI2为双极性。

3．工业控制计算机与普通个人计算机相比较，有何区别？随着生产发展的需要以及电子技术的发展，STD 总线工业控制机已经不能满足工业控制的需要，因此，近几年来又兴起了工业PC 机。

所谓工业PC 机就是在原来个人计算机的基础上进行改造，使其在系统结构及功能模块的划分上更适合工业过程控制的需要。

基本上可以这样讲，工业PC 机一方面继承了个人计算机丰富的软件资源，使其软件开发更加方便；另一方面在结构上又采用了STD 总线工业控制机的优点，实现模块化。

正因为工业PC 机的这些优点，使得工业PC 机发展十分迅速，大有取代STD 总线工业控制机之势。

只是目前工业PC 机在价格上稍许偏高，但就其功能／价格比而言，仍然有其明显的优势。

工业PC 机与个人计算机相比，其差别在于：(1) 取消了PC 中的母板，将原来的大母板变成通用的底板总线插座系统；(2) 将母板分成几块PC 插件，如CPU 板、存储器板等；(3) 把原PC 电源改造成工业电源；(4) 采用密封机箱，并内部正压送风； +- SH SG （a ）单端输入 - + SH SL（b ）差分输入SG图1 模拟量的输入方式(5) 配以相应的工业应用软件。

工业PC与个人PC之间的差别如图3所示。

图3 工业PC与个人PC之间的差别4．智能仪器与传统仪器相比有哪些特点？智能仪器与传统仪器相比较，主要有以下几个特点：1）仪表的功能强由于仪器内部含有微处理器，它具有数据的处理和存储功能，在丰富的、功能强大的软件的支持下，仪器的功能较常规的仪器大为增强。

例如常规的频率计数器，能够测量频率、周期等参数，带有微处理器和A/D转换器的通用计数器还能测量电压、相位、上升时间、占空比、漂移及比率等多种电参数；又如传统的数字多用表只能测量交流与直流电压、电流及电阻，而带有微处理器的数字多用表，除此之外，还能测量被测量的最大/最小、极限、统计等多种参数。

仪器如果配上适当的传感器，还可测量温度、压力等非电参数。

2）仪器的性能好智能仪器中通过微处理器的数据存储和运算处理，能很容易地实现多种自动补偿、自动校正、多次测量平均等技术，以提高测量精度。

智能仪器中，对随机误差通常用求平均值的方法来克服，对系统误差，则根据误差产生的原因采用适当的方法处理。

在智能仪器中，很大一部分设计是软件设计，其设计与研制时间较短，硬件本身的一些缺陷或弱点可用软件方法克服，从而提高仪器的性能价格比。

3）智能仪器的自动化程度高常规仪器面板上的开关和旋钮均被键盘所代替。

仪器操作人员要做的工作仅是按键，省却了烦琐的人工调节。

智能仪器通常都能自动选择量程、自动校准，有的还能自动调整测试点，这样既方便了操作，又提高了测试精度。

4）使用维护简单、可靠性高智能仪器通常还具有很强的自测试和自诊断功能，有的还具有一定的容错功能，从而大大提高了仪器工作的可靠性，给仪器的使用和维护带来很大方便。

仪器中采用微处理器后能实现“硬件软化”，使许多硬件逻辑都可用软件取代。

例如，传统数字电压表的数字电路通常采用了大量的计数器、寄存器、译码显示电路及复杂的控制电路，而在智能仪器中，只要速度跟得上，这些电路都可用软件取代。

显然，这可使仪器降低成本、减小体积、降低功耗和提高可靠性。

智能仪器均采用面板显示，除了用简单的LED指示灯外，多用七段LED显示器来显示十进制数字和其他字符，有的用点阵式LED或CRT显示器来显示各种字符，面板显示字迹清晰、直观。

5．PLC有哪些技术特点？可采用什么编程语言？20世纪60年代末，美国DEC公司开发了第一台PLC，并成功应用于美国通用汽车公司的生产线上。

这台PLC采用了计算机的设计思想，但只能完成逻辑运算，因此，主要用于顺序控制。

进入70年代后，随着集成电路技术的发展，可编程序控制器具有了更多的功能。

它不但可以进行逻辑运算，还增加了数据的传送、处理和计算等功能。

同时，由于电子器件的集成规模的增加和体积的缩小，出现了小型PLC和超小型PLC。

PLC逐渐发展成为一种系列化、实用化和标准化的电子计算机工业控制装置。

1987年，国际电工委员会对可编程序逻辑控制器作了如下定义：“可编程序逻辑控制器是一种数字运算操作系统，专为在工业环境下应用而设计，它采用一类可编程序的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术操作等面向用户的指令，并通过数字式或模拟式输入输出，控制各种类型的机械或生产过程。

”可编程序控制器和与他相关的外接设备，都按照易于与工业控制系统紧密联系、具有进一步扩展功能的原则进行设计。

16位、32位以及更高性能的微处理器的出现，使微处理器的性价比快速提升。

PLC也得以迅速提高数据的处理能力。

为了完成更复杂的控制任务，有的PLC甚至采用了多处理器的架构。

各种可方便的与PLC组合的内置有微处理器的智能模块也大大扩展了PLC的功能。

通过组合相应的功能模块，PLC已经突破了传统的单纯控制功能的界限，变成了具有逻辑控制功能、过程控制功能、运动控制功能、数据处理功能、联网通信功能的多功能控制器。

PLC的技术特点：PLC是一种专为工业环境下设计的计算机控制器，归纳起来，它具有以下优点：1）可靠性特别高、抗干扰能力强，能适应各种恶劣的工业环境PLC采用了大规模集成电路，元器件和接线的数量大大地减少；采用了光电耦合隔离及各种滤波方法，有效地防止了干扰信号的进入；内部采用电磁屏蔽，防止辐射干扰；电源使用开关电源，防止了从电源引入干扰。

具有良好的自诊断功能。

对使用的元器件进行了严格的筛选和老化且设计时就留有充分的余地，充分地保证了元器件的可靠性；PLC采用了可靠性设计，如冗余设计、掉电保护、故障诊断和其他针对工业生产中恶劣的环境而使用的硬件等措施。

正因为如此，目前市场上主流的PLC其平均无故障时间都达到数万小时以上。

2）编程简单，易学、易懂PLC可采用的编程语言包括梯形图和助记符等。

PLC的梯形图与继电器电路的梯形图相似，直观易用。

而且，PLC采用软件编制程序来完成控制任务，通过修改程序就能适应生产上的改变。

因此，工程人员很容易接受和掌握。

3）采用模块化结构，系统组成灵活方便由于PLC采用的是模块式结构，一般由主模块（包含CPU的模块）、电源、各种输入输出模块构成，并可根据需要配备通信模块或远程I/O模块。

模块间的连接可通过机架底座或电缆来连接，因而十分方便。

PLC既具有可与工业现场的各种电信号相接的输入输出接口，同时还具有可与上位机相接的通信接口。

它可以根据需要进行规模上的或者控制功能上的扩展。

4）安装调试简单方便当用PLC构成控制系统时，只需将现场的各种设备与执行机构和PLC的I/O接口端子正确连接，用简单的编程方法将程序存入存储器内，即可正常工作。

如果是在现场，可以使用手持编程器直接对PLC进行编程调试；如果是在实验室也可以使用个人计算机与PLC相连接后进行编程调试。

而且，PLC的输入输出的接线端均有发光二极管指示，调试起来十分方便。

由于PLC不需要继电器、转换开关等，它的输出可直接驱动执行机构，中间一般不需要设置转换单元，因此大大简化了接线，减少设计及施工工作量。

同时PLC又能事先进行模拟调试，减少了现场的调试工作量，并且PLC的监视功能很强，模块化结构大大减小了维修量。

值得指出的是：由于PLC开发的时间相对比较早（20世纪60年代末），各PLC的生产厂家的技术都是相互封闭的，因此很难将不同厂家的PLC连接（集成）在一起。

现在PLC的生产厂家也注意到了PLC 的开放性问题，具有以太网接口的PLC以及以Windows CE（一种由MicroSoft开发的嵌入式操作系统）为操作系统的PLC已经面市。

PLC的编程语言：PLC依照给定的程序有步骤地进行工作。