28第七章工业控制微型计算机.doc

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第七章 工业控制微型计算机
一、授课年 月 日 第28次
二、教学目的：1、掌握工业控制计算机的特点
2、掌握总线式工控机的组成结构
3、了解常用工控总线
4、了解IPC的主要外部结构形式
5、了解工业控制计算机I／O接口信号板卡
三、教学的重点与难点：重点：总线式工控机的组成结构。
难点：工业控制计算机I／O接口信号板卡。
四、教学容与过程：
第七章 工业控制微型计算机
7.1 工业控制计算机的特点
1. 适应工业环境， 抗干扰能力强， 可靠性高
工业环境条件恶劣，情况复杂，存在着高温、高湿、震动、粉尘等情况，电磁干扰源多且复杂，这些都会给控制系统造成极大的危害。 工业生产要求所使用的系统可靠性高，否那么， 会造成巨大的损失。因此，IPC必须具有良好的抗干扰能力和很高的可靠性。
2. 模块化板卡结构
IPC充分利用了PC的硬件和操作环境，采用了模块化的硬件板卡结构。如取消了PC中的母板，将原来的大母板上的总线插槽局部分成了通用的底板总线插座系统和变成PC插卡式主板，
3. 各种工业控制计算机机箱
为了适应工业现场的安装要求，IPC机箱有各种尺寸的立式、卧式、壁挂式机箱可供选择。IPC机箱采用全钢密封结构， 采取了很多措施以适合工业环境，具有防电磁干扰能力；还采用部正压送风，具有良好的散热和防尘效果。机箱还配备了抗干扰、具有自动保护功能的工业电源。
4. 丰富的工业应用软件
　　为了实现工业控制，IPC在继承了PC丰富的软件资源外， 有许多专业软件公司开发了很多工业控制软件，这些软件由专业人员开发并经过实际运行考验，可靠性高，用户可以直接根据自己的需要进展选用。为了使控制效果更直观生动， 这些控制软件都采用了组态技术和多媒体技术。用户也可以利用厂商提供的驱动程序， 开发满足自己需要的控制程序。
5. 应用广泛
7.2 总线式工控机的组成结构
工控机系统由工控机系统硬件和工控机系统软件两局部组成。工控机系统硬件由工控机和执行机构、 测量环节(传感器)组成。工控机由工业微机(如WC)和工业过程通道组成。 图7－1是总线型工控机系统的硬件结构图。工业控制微机和商用微机的组成原理十分相似。工控机系统硬件是在工业控制微机的根底上增加了过程通道板卡，以实现工业过程信号的输入和输出。
7.3 常用工控总线(STD／VME／IPC工控机)
7.3.1 STD总线工控机
　　STD工控机基于STD总线，该总线由PRO-LOG公司于1978年推出，其正式标准为IEEE961。8位STD工控机支持绝大多数的8位微处理器。 16位STD工控机基于采用总线周期窃取和复用技术改良后的16位STD总线。32位STD工控机只是作为一种技术推出过， 但作为一种产品，还未真正进入市场，就已被迫退出市场。我国于20世纪80年代中后期引入STD工控机技术，国曾经有数十个STD工控机厂家。
7.3.2 MC6800／MC68000工控机
　　1. MC6800系列工控机
我国于20世纪70年代末期和80年代初期引进MC6800系列工控机与其过程通道。MC6800工控机系统在20世纪80年代初期得到应用。 由于MC6800工控机是8位微机，随着计算机技术的开展， 该系列工控机于20世纪90年代初期已根本上退出工控领域。
2. MC68000系列工控机
MC68000系列工控机采用的是VME总线，通常又称为VME工控机。 VME工控机主要提供了MC68000系列CPU的主机、外设和过程通道。VME工控机的主机系统都是32位的微机，相应的微处理器主要有MC68000、 MC68010、MC68020、MC68040等。
7.3.3 IPC总线工控机
工业个人计算机简称IPC(Industrial Personal Computer)，它和IBM PC保持了硬件和软件上的兼容。IPC拥有丰富的硬件资源、软件资源和PC用户资源， 使得IPC已经成为工控机的主流。由IPC组成的各类工业控制微机系统在我国的各行各业得到了广泛的应用，因此提高了我国的生产自动化水平。从PC到今天的IPC，有一个相对长的开展历程。在开展期间，众多IPC商家克制了PC机无法直接应用于工业控制领域的诸多缺陷， 主要表现在以下各方面：
(1) 采用总线式结构取代PC机的大母板结构， 便于维修和维护。 
(2) 采用工业级元器件进展板卡设计。 
(3) 采用全钢结构工业标准台式机箱或插箱式机箱， 箱体密封， 并设有一大一小两个
风扇， 以形成机箱的正压， 防止粉尘进入。 
(4) 开发和设计了适用于工业控制的系列过程板卡。 
　 (5) 主板增设了看门狗、 RS-485通信口等工业控制所必须的功能。
7.4 IPC的主要外部结构形式
工业PC简称IPC，是用得最广泛的一种工业微机，也是工控机系统的核心组成局部之一。 目前，市场上的IPC多种多样，主要包括台式IPC、盘装式IPC、插箱式IPC、IPC工作站与嵌入式IPC等。 不同类型的IPC， 其性能、 价格和适用场合是不同的。
7.4.1 台式IPC
　　台式IPC的结构如图7-2所示。 其主要特点如下： 
　　(1) 类似于台式个人电脑的结构，但机箱为19英寸工业标准的全钢结构； 
　　(2) 机箱不带显示器， 需外接CRT或液晶显示器； 
　　(3) 总线型结构，主板和ISA／PCI总线型底板别离，底板一般有多个PCMCIA、ISA、PCI插槽；
(4) 机箱安装的吹风机的容量大于抽风机的容量，机箱为正压， 且风口有过滤网，防止粉尘进入机箱； 
(5) 使用工业级电源； 
　　(6) 电源开关配有保护仓，防止没有授权的人员开关电源。 键盘设置有硬件锁，可防止外人进展操作。
图7-2 台式IPC的外观结构
7.4.2 盘装式IPC
　　盘装式IPC的结构如图7-3所示。 其主要特点如下： 
　　(1) 部是全钢结构，外壳是防火塑料； 
　(2) 质量轻、体积小、可以直接安装在控制屏上； 
　(3) 采用TFT型LCD显示器，和主机构成一体化结构； 
　(4) 使用触摸屏作为信息输入工具； 
　(5) 完善的接口功能：串口、并口、USB接口，配有少量PCMCIA、ISA、 PCI插槽； 
　 　 (6) 集成网卡功能。
图7-3 盘装式IPC的外观结构
7.4.3 IPC工作站
IPC工作站的结构如图7-4所示。 其主要特点如下： 
(1) 全钢盘装式结构(19英寸)， 可以安装在控制屏或机柜上； 
(2) 主机箱、 TFTLCD显示屏和触摸屏做成一体化结构； 
(3) 面板上嵌入有专用键盘； 
　(4) 部结构和功能与台式IPC完全类似。
7.4.4 插箱式IPC
　　插箱式IPC有ISA总线和PCI总线两种类型。基于不同的总线，其底板、总线、板卡尺寸那么不同。 两种插箱式IPC的板卡在结构上不能互换。
基于PCI总线的插箱式IPC的主要特点如下：
(1) 采用19英寸标准插箱式机箱，全钢结构； 
(2) 机箱上下侧都安装有风机，一个抽风，一个吹风，机箱为正压，空气对流畅通； 
(3) 8槽Compact PCI总线底板， 可以扩展； 
(4) 板卡的机械规符合IEEE1101.1／1101.10标准， 类似VME规； 
　　(5) 使用气密式连接器(针座式)， 接触效果好， 符合IEC-1076国际标准。
7.4.5 嵌入式IPC
　　在众多嵌入式IPC中， 较有代表性的当数PC／104嵌入式IPC(尺寸为96 mm×90 mm)、3.5英寸嵌入式IPC(尺寸为146 mm×102 mm)和5.25英寸嵌入式IPC(尺寸为203 mm×146 mm)。图7-7分别表示PC／104和3.5英寸嵌入式IPC的外形结构。 嵌入式IPC不用插板滑道和总线底板，模块之间采用层叠式封装。PC／104与ISA的电气规兼容，厂商能用与台式PC机同样的ISA芯片和外设芯片系列开发出各类PC／104产品。
7.5.1 工业控制计算机的组成
(1) 加固型工业机箱：由于工控机应用于较恶劣的工业现场环境，因此对机箱采取了一系列的加固措施，以达到防振、 防冲击的效果。机箱一般都采用全钢结构，具有良好的电磁屏蔽能力。
(2) 工业电源：工控机的电源要求具有防浪涌冲击、 过压过流保护功能，抗干扰能力强。工控机的电源有多种型号可供选择。为了适应工业现场电压波动大的特点， 工控机电源都具有比拟宽的调整围， 输出电压、电流的偏差也比拟小， 平均无故障时间(MTBF)长， 一般为6~10万小时。
(3) 无源底板：无源底板是用来安装各种板卡的基板。采用4层PCB板，带有电源层和接地层，用以抗干扰和减少阻抗。 板上有用于电源指示的LED，分别指示不同的电压，根据LED的亮或暗就能反映电压的正常与否。无源底板上有多个总线插槽， 可安装ISA、EISA、PCI总线的各种板卡。 无源底板上的插槽数最多可以达到20个。一个14槽的无源底板如图7－9所示， 其尺寸为： 315 mm×260 mm。 
　(4) 主机板(CPU卡)：CPU卡是工控机的核心部件， 目前有80486、 80586、 Pentium／Celeron系列等各类CPU板卡。 板上所有元件性能都达到了工业级标准， 并且是一体化主板。 板上有CPU插座，各种接口插座，
(5) 外部存储器: 外存储器有软盘驱动器、硬盘和CD-ROM，可根据需要配置。 
　　(6) 显示器: 显示器有普通显示器和液晶(LCD)显示器， 其尺寸和分辨率可根据需要选择。 
　　(7) 键盘: 一般采用101标准键盘或触摸式功能键盘。 
　　(8) 鼠标: 有机械式或光电式之分。 
　　(9) 打印机: 有针式打印机、喷墨打印机和激光打印机， 用于数据报表、工艺流程画面等的打印。
7.5.2 工业控制计算机系统的组成
　　(1) 工控机主机：包括机箱、电源、无源底板、CPU卡、 显示器、磁盘驱动器、键盘、鼠标等；
(2) 输入接口板卡：包括模拟量输入、开关量输入板卡等；
(3) 输出接口板卡：包括模拟量输出板卡、开关量输出板卡等；
(4) 通信接口模块：包括串行通信接口模块(RS-232、 RS-422、RS-485等)、网络通信模块(如以太网模块、光纤模块、 无线调制解调器模块等)等；
(5) 信号调理模块：完成对工业现场各种输入信号的预处理，对输入输出信号进展隔离、驱动，还能完成信号的转换等；
(6) 远程数据采集模块：可以直接安装在工业现场，能够通过多通道I／O模块进展数据采集和过程监控，可以将现场信号通过现场总线与工控机进展通信； 
(7) 工控软件包：支持数据采集、监视、控制、报警、 画面显示、通信等功能。目前大局部控制软件以Windows操作系统为平台，也有以实时多任务操作系统为平台的，可根据实际需要选择。
图7-11 工业控制计算机系统组成框图
7.6 IPC总线工业控制计算机常用板卡介绍
7.6.1 IPC总线工业控制计算机的概念
　　1. 总线
计算机总线是CPU与计算机其他局部进展信息传递的公共通道， 通常传递三种信号：地址、数据和控制信号。工控机早期使用的总线是STD总线，目前常用的总线有ISA总线、 EISA总线、 PCI总线等。
2. 总线指标
(1) 总线宽度: 总线宽度是指总线一次操作可以传输的数据位数，STD总线是8位，ISA总线是16位， PCI总线是32位或64位。 
(2) 总线频率: 总线频率是指总线工作时的最高时钟频率。 时钟频率越高，单位时间可传送的数据量越大。ISA总线频率都是8.33 MHz，PCI总线频率是33.3 MHz或66 MHz。
(3) 总线数据传输率: 表示单位时间传送数据量的大小(数据传输率=总线宽度的字节数×总线频率，单位是MB／s)。
3. ISA总线
4. PCI总线
PCI(Peripheral Component Interconnect，外围部件互连)总线以其64位处理能力和即插即用的特性，取得了在新型微机系统中的应用地位，是目前微机系统常用的总线。它有两种数据宽度：32位和64位，总线频率最高可达66 MHz， 数据处理能力32位时是264 MB／s，64位时是528 MB／s，非常适合在高速计算机和高速数据通信中应用。 
7.6.2 工业控制计算机I／O接口信号板卡
　　I／O接口是计算机与外界交换信息的桥梁， 通过I／O接口， 完成外部信息输入计算机和计算机控制功能。 
　　1. 接口信号的分类
　工业控制需要处理和控制的信号可分为模拟量、数字量和开关量。
1) 模拟量信号
2) 开关量信号
3) 数字量信号
　数字量是指用多位二进制形式表示的数或用ASCII码表示的字符。 对数字量信号的处理方法与开关量类似， 其区别是数字量是多位二进制而开关量是一位二进制。
2. I／O接口信号板卡
工控机的接口板卡一般由三局部组成： PC总线接口局部、 板卡功能实现局部和信号调理局部。模拟量板卡功能实现局部主要包括信号的采样、隔离、放大、A／D和D／A电路与接口控制逻辑。 开关量板卡功能实现局部主要包括数据的输入缓冲和输出锁存以与隔离电路等。它们的PC总线接口局部是一样的。 现在工控机生产厂商已把模拟量、 数字量的控制功能在一块板卡上实现， 这就是数据采集控制卡。
1) 数据采集控制卡
数据采集控制一般完成以下一个或多个功能： 模拟量输入、 模拟量输出、数字量输入、 数字量输出与计数定时功能。 此类板卡有各种型号和类型， 用户可根据需要选择。
2) 模拟量输入输出板卡
　 (1) PCI-1713(32路隔离模拟量输入卡)：PCI-1713是一款PCI总线的隔离高速模拟量输入卡,如图7-13所示。它提供了32个模拟量输入通道，采样频率可达100 kHz，12位分辨率与2500 V直流隔离保护。 
PCI-1713的特点如下： 
　　2500 V直流隔离保护；32路单端或16路差分模拟量输入， 或组合输入方式；12位A／D转换分辨率；A／D转换器的采样速率可达100 kHz；每个输入通道的增益可编程；卡上4 KB采样FIFO缓冲器；支持软件、部定时器触发或外部触发。 
　　PCI-1713主要应用在信号隔离、工业过程监测和控制、 变送器／传感器接口、多路直流电压测量等方面。
图7-14 PCI-1720结构图
(2) PCI-1720(4路隔离D／A输出卡)：PCI-1720是一款PCI总线的4路12位隔离数字量／模拟量的输出卡, 如图7-14所示。 它能够在输出和PCI总线之间提供2500 V直流隔离保护， 非常适合需要有高电压保护的工业现场。 
用户可以单独将四个通道的输出设为不同的围： 0~5 V、 0~10 V、±5 V、±10 V、0～20 mA或4～20 mA。 该板卡还使用了PCI控制器来完成卡与PCI总线的接口，使其具有即插即用功能。
PCI-1720的特点如下： 
　　4路12位D／A输出； 
　　多种输出围； 
　　PCI总线和输出之间2500 V直流隔离； 
　　系统重启动后保持输出设置和输出值； 
　　便于接线DB-37接口。 
　　PCI-1720主要应用在过程控制、 可编程电压源、 可编程电流环、 伺服控制等方面。
(3) 数字量输入输出板卡：
在工业现场，除了模拟量信号以外，还有大量的开关量信号。开关量信号的电气接口形式较多，如继电器触点信号和开关信号、TTL电平或非TTL电平等。对某些开关量输出信号， 还需要大功率驱动器来实现对工业设备的驱动控制。 
(4) 信号调理模块：在工业现场，有各种各样的输入输出信号，它们是不能直接与计算机连接的，需要进展预先处理， 以满足计算机和控制的要求，信号调理模块就是完成这些功能的。它可以实现将输入信号转变成适合计算机要求的信号， 如将电流信号转变成电压信号，对输入输出信号进展隔离、 驱动等。信号调理模块的主要类型有： 全隔离直流输入输出模块、交流电压、电流输入调整模块、 放大与多通道转换板等。
研华公司生产的ADAM-3000系列模块是目前市场上较经济、 可现场进展配置的隔离信号调理模块。 这些模块易于安装， 并且可以防止大的环流、马达噪声和其他电气干扰对仪器与过程信号的影响和破坏。 
　　(5) 远程数据采集和控制模块：远程数据的采集和控制是控制系统中的一个重要组成局部。远程数据的采集可通过通信来完成。近几年推出了通信模块系列，可提供包括以太网、 串行总线、 光纤、 无线等网络连接。 
五、课堂小结：
1、工业控制计算机的特点
2、总线式工控机的组成结构
3、常用工控总线
4、IPC的主要外部结构形式
5、工业控制计算机I／O接口信号板卡
六、布置作业：
思考题
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