第2部分工业控制计算机及模块

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1、第1章 计算机控制系统概述 第2章 工业控制计算机及模块 第3章 远程数据采集与控制 第4章 输入输出通道的抗干扰设计 第5章 计算机控制系统设计与实现 计算机控制系统 课件 计算机控制系统 课件 2 2 工控机的总线结构 2 1 工控机的组成与特点 2 3 工控机的主要类型及其选型 2 4 工控机I O模块 第2章 工业控制机及模块 工控机的组成与特点 工业控制计算机 简称工控机 也称为工业计算机IPC Industrial Personal Computer 它主要用于工业过程测量 控制 数据采集等工作 以工控机为核心的测量和控制系统 处理来自工业系统的 输入信号 再根据控制要求将处理结果

2、输出到执行机构 去控 制生产过程 同时对生产进行监督和管理 典型的工控机由加固型工业机箱 工业电源 无源底板 主机板 显示板 硬盘驱动器 光盘驱动器 各类输入 输出接 口模块 显示器 键盘 鼠标 打印机等组成 工控机硬件组成1 2 1 系统总线 系统总线可分为内部总线和外部总线 内部总线是工控机内部各组成部分之间进 行信息传送的公共通道 是一组信号线的集合 常用的内部总线有IBM PC总线和STD 总线 外部总线是工控机与其它计算机和智能设备进行信息传送的公共通道 常用外 部总线有RS 232C RS485和IEEE 488通信总线 主机板 工业控制机的核心 由中央处理器 CPU 存储器 RA

3、M ROM 和I O接口等 部件组成 主机板的作用是将采集到的实时信息按照预定程序进行必要的数值计算 逻辑判断 数据处理 及时选择控制策略并将结果输出到工业过程 无源底板 底板也称之为背板 Back Plane 以总线结构形式 如STD ISA PCI总线等 设 计成多插槽的底板 以提供系统总线与I O设备的接口 人 机接口 人 机接口包括显示器 键盘 打印机以及专用操作显示台等 通过人 机接口设备 操作员与计算机之间可以进行信息交换 通信接口 通信接口是工业控制机与其它计算机和智能设备进行信息 传送的通道 常用RS 232C和RS485 IEEE 488接口 为方便 主机系统集成 USB总线

4、接口技术正日益受到重视 RS485技术参数 数据传输速率 1 MB s 接在总线上的设备 包括作为主控器的微型机 15个 设备间的最大距离 20 m 整个系统的电缆总长度 220 m 输入 输出模板 是工控机和生产过程之间进行信号传递和变换的连接通道 包括模 拟量输入通道 AI 模拟量输出通道 AO 数字量 开关量 输入通道 DI 数字量 开关量 输出通道 DO 系统支持 系统支持功能主要包括 监控定时器 俗称 看门狗 Watchdog 电源掉电监测 后备存 储器 实时日历时钟 磁盘系统 半导体虚拟磁盘 软盘 硬盘或USB磁盘 系统软件 用来管理IPC的资源 并以简便的形式向用户提供服务 如早

5、期的MS DOS 实时多任务操作系统 引导程序 调度执行程序 如Unix Windows 美国Intel公司的RMX86实时多任务操作系统 嵌入式系统操作系统Linux Windows CE VxWorks Palm OS等 工具软件 工具软件是技术人员从事软件开发工作的辅助软件 包括汇编语言 高 级语言 编译程序 编辑程序 调试程序 诊断程序等 应用软件 是系统设计人员针对某个生产过程而编制的控制和管理程序 通常包括 过程输入输出程序 过程控制程序 人 机接口程序 打印显示程序和公共子 程序等 工控机应用软件2 可靠性高 实时性好 环境适应性强 丰富的输入输出模板 系统扩充性和开放性好 控制

6、软件包功能强 系统通信功能强 冗余性 工控机的特点3 机箱散热设计 风扇 机箱散热设计 散热孔 机箱接缝处的EMC设计 机箱表面的特殊设计 IPC工控机的总线结构 2 2 微机系统采用由大规模集成电路LSI芯片为核心构成的插 件板 多个不同功能的插件板与主机板共同构成微机系统 构成系统的各类插件板之间的互联和通信通过系统总线来完 成 这里的系统总线不是指中央处理器内部的三类总线 而 是指系统插件板交换信息的板级总线 这种系统总线就是一 种标准化的总线电路 它提供通用的电平信号来实现各种电 路信号的传递 同时 总线标准实际上是一种接口信号的标 准和协议 内部总线是指微机内部各功能模块间进行通信的

7、总线 也 称为系统总线 它是构成完整微机系统的内部信息枢纽 工业控制计算机采用内部总线母板结构 母板上各插槽的 引脚都连接在一起 组成系统的多功能模板插入接口插槽 由内部总线完成系统内各模板之间的信息传送 从而构 成完整的计算机系统 各种型号的计算机都有自身的内部 总线 目前工控领域应用较多的内部总线有STD总线 ISA总线 和PCI总线等 内部总线1 ISA 总线 IBM PC总线是针对 Intel8088微处理器而设计的 其第一个标准是 PC XT 总线 它定义了8位数据线和 20位地址和若干条控制线 共 62引脚 为了和Intel 80286 16位机兼容 对 XT 总线在电气和机械特性

8、上作了较大的扩充 在原来 62引脚的基 础上又增加了一个 36引脚插座而形成 AT 总线 AT 总线将数据总线扩展为16位 地址总线扩展到 24位 将中断扩充到 15个并提供了中断共享功能 而 DMA 通道 也扩充到 8个 AT总线也称 ISA IndustryStandard Architecture 总线标准 1989年 COMPAQ 公司联合 HP AST 等 9家计算机公司 在 ISA 总线基础上 推出了适应 32位微处理器的系统总线标准 EISA Extended IndustrialStandard Architecture 连结器是一个两层槽设计 既能接受ISA卡 又能接受EIS

9、A卡 顶 层与ISA卡相连 低层则与EISA 卡相连 尽管EISA总线保持与ISA兼容的8MHz时 钟速率 但它们支持一种突发式数据传送方法 可以以三倍于ISA总线的速率传送 数据 大型网络服务器的设计大多选用EISA总线 ISA总线插槽有一长一短两个插口 长插口有62个引脚 以A31 A1和B31 B1表示 分别列于插槽的两面 短插口有36个引脚 以C18 C1和D18 D1表示 也分别列于插槽的两面 ISA总线插槽如图所示 D18D1 C18C1 B31B1 A31A1 ISA总线插槽 PC XT总线插槽 PCI总线 PCI总线 Peripheral Component Interconn

10、ect 外围部件互连总线 是介 于CPU芯片级总线与系统总线之间的一级总线 外设通过局部总线与CPU 的数据传输率得以大大提高 PCI总线支持64位数据传送 多总线主控模 块和线性猝发读写和并发工作方式 PCI引脚信号如表2 2所示 其主要特点如下 PCI总线时钟为33MHz 与CPU时钟无关 总线带宽为32位 可扩充 到64位 PCI传输率高 最大传输率为133MB s 266MB s 能提高硬盘 网 络界面卡的性能 充分发挥影像 图形及各种高速外围设备的性能 PCI采用数据线和地址线复用结构 减少了总线引脚数 从而节省线路 空间 降低设计成本 地址和 数据线 接口控制 信号 中断信号 64

11、位总线 扩展信号 接口控制 支持高速缓 存信号 边界扫描信 号 系统 仲裁 出错报告 必需的可选的 图2 2 PCI总线引脚 CPCI总线 CPCI Compact PCI 紧凑型 PCI 基于无源底板结构 ISA PCI总线工控机采用金手指连接器存在许多缺点 不良的散热设计 不良的连接方式 不标准的模板尺寸和有限的插槽数等 可维护性和可靠性难以满足工业控制的要求 应用的数量很小 目前主 要作为控制系统的检测和管理机使用 基于Wintel架构的CPCI总线工控机 是为高可靠性应用而设计的 其抗 震性 热插拔 热切换 散热性 防腐和电磁屏蔽性能较好 广泛应用于 可维护性和可靠性要求较高的电信和工

12、业自动化工业领域的关注 但CPCI 总线工控机无源背板定义并不完全统一 导致不能互操作 其规模和产品 竞争能力受到限制 价位还偏高 其市场占有率还不大 目前仍然处于贵族 产品阶段 需要进一步进行大众化开发 CPCI的三大核心技术 PCI局部总线 欧式插卡机械结构 针孔连接器 2mm引脚与插座连接器 特点 耐用性 抗震性 通风性 外部总线是指用于计算机与计算机之间或计 算机与其它智能外设之间的通信线路 常用的外 部总线有IEEE 488并行总线 RS 232C串行总线 和RS485通信总线等 外部总线2 盘式 上架式 工业控制机 PANEL PC 此种机型将主机 电源 光驱 通信接口和I O插槽

13、等集成为 一体化工业PC机 是一种紧凑型的IPC机 非常适于作机电一 体化的控制器 2 3 工控机的主要类型及其选型 现在市场上最为常见的研华工控机IPC 610就是标准的4U高 度19英寸上架式机箱 可以应用在标准的机柜之中 工控机主要类型2 一般来说 对于1U或2U的工控机 由于机箱体积有限 但 CPU的功耗日益加大 最新的P4CPU功耗已超过100W 因此 内部散热风流设计变成了厂商面临的最大问题 而机构散热设 计的功力在很大程度上反映了一个厂商的技术实力 对于大于4U 7U的机箱结构设计 由于机箱的体积变大 在 狭小机箱中面临散热因素已不是主要考虑因素 因此如何合理 的利用机箱空间在有

14、限的空间内提供更多的驱动器托架 如何 提供多个扩展卡槽位 如何支持双CPU卡 如何抗振动 如何 易于维护等因素变成机构设计的主要考虑因素 盒式 挂壁 工业控制机 BOX PC 此种机型体积小 质量轻 可以挂在工厂中车间的墙壁上 或固定于机床的附壁上 适合工厂环境中的小型数据采 集控制使用 6槽 壁挂式紧紧凑型工控机 适用于对对工控机体积积要求较为严较为严 格的场场合 由于小机箱内部体积所限 采 用的风扇功率也不能太大 故小机 箱的散热设计应着重考虑两个最 重要的散热对象 CPU和硬盘 壁挂式 桌上式机箱IPC 7120 特点 接口前置 平板工控机 工业平板电脑 应应用场场合 多媒体查询终 端

15、游戏机等 工业一体化工作站 应应用场场合 调度自动化系统 操作员工作站 工程师工作 站 紧凑式Compact PCI工控机 可热插拔冗余电源 可热插拔风扇 欧规卡连接 支持前后I O连接 可编程自动化控制器 PAC 开放的硬件平台 完整的模块及软件支持 分布式独立控制 总线式结构 特性 同时满足 PLC 和 PC 要求的坚固可靠和强大运 算性能两方面的要求 支持 IEC 61131 3 国际编程标准 运动控制功能 确定性 I O 双以太网端口 直接VGA接口 可扩展远程 I O 选择合适的主机档次 根据应用场合的不同 选择合适的IPC机型号 内存 外存配置 根据 经济合理 留有扩充余地 的原则

16、选择 合适的IPC机 根据应用需求选择合适的工控机 2 工控机I O模块 采用工控机对生产现场的设备进行控制 首先要将各种测量的参 数读入计算机 计算机要将处理后的结果进行输出 经过转换后以控 制生产过程 因此 对于一个工业控制系统 除了IPC主机外 还应 配备各种用途的输入输出 I O 接口部件 I O接口的基本功能是连 接计算机与工业生产控制对象 进行必要的信息传递和变换 工业控制需要处理和控制的信号主要有模拟量信号和数字量信号 开关量信号 两类 2 4 输入 输出信息来源及用途信息种类相应的接口模板产品 来自现场设备运行状态的模拟电信号温度 压力 位移 速度 流量等 模拟量输入信息模拟量输入模板 执行机构的控制执行 记录等 模拟电流 电压 模拟量输出信息模拟量输出模板 限位开关状态 数字装置的输出数码 接 点断通状态 0 1 电平变化 数字量输入信息数字量输入模板 执行机构的驱动执行 报警显示蜂鸣器 其他 数字量 数字量输出信息数字量输出模板 流量计算 电功率计算 速度 长度测量 等脉冲形式输入信号 脉冲量输入信号脉冲计数 处理模板 操作中断 事故中断 报警中断及其它需 要中断的