第12章IPC与PLC

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1、第12章 工业控制机与可编程控制器 学习目标：,1.掌握工控机的硬件与软件组成。 2.了解工控机中总线技术和模板化结构相辅相成 的功能特点. 3.认识总线式工控机的系统组成与主要模板。 4.掌握可编程控制器的结构组成. 5.了解可编程控制器的编程语言、工作过程和功 能特点。 6.认识S7-200系列PLC的系统组成与主要模块。,返回总目录,本章主要内容,引言 12.1 工控机结构组成 12.2 工控机总线结构 12.3 工控机功能特点 12.4 IPC产品简介 12.5 PLC结构组成 12.6 PLC编程语言 12.7 PLC工作过程 12.8 PLC功能特点 12.9 PLC产品简介 本章

2、小结 思考题,引言,在采用计算机控制系统的工业生产过程中，特别是对于具有一定规模的工程项目而言，出于可靠性实时性好、功能丰富配套完善与扩充灵活开发周期短的考虑，人们更愿意选用专用于工业控制的现成的通用控制计算机。 工业控制机IPC与可编程控制器PLC是应用十分广泛但结构显著不同的两种计算机控制系统。它们不仅在中小型控制系统中担当主要控制装置，而且还可以作为大型网络控制系统中最基层的一种控制单元。,12.1 工控机结构组成,12.1.1 硬件组成 12.1.2 软件组成,12.1.1 硬件组成,为了提高IPC的通用性、灵活性和扩展性，IP的各部件均采用模板化结构，即在一块无源的并行底板总线上，插

3、接多个功能模板即组成了一台IPC的硬件装置。其硬件组成框图如图11-1所示，除了构成计算机基本系统的CPU、RAM/ROM主机、人机接口、系统支持、磁盘系统、通信接口板外，还有AI、AO、DI、DO等数百种工业I/O接口板可供选择。其选用的各个模板彼此通过内部总线相连，而由CPU通过总线直接控制数据的传送和处理。下面分别介绍各个组成部分。,图12-1 IPC的硬件组成框图,1内部总线和外部总线 内部总线是IPC内部各组成部分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PC总线、STD总线，以及VME总线和MULTIbus等总线。 外部总线是IPC与其它计算机或智能设备进行信息传

4、送的公共通道。常用的外部总线有RS-232C、RS-485和IEEE488通信总线等。,2主机板 主机板由中央处理器（CPU）、内存储器（RAM、ROM） 等部件组成，它是IPC的核心,3人-机接口 人机接口是人与计算机交流的一种外设。它由标准的PC键盘、鼠标、显示器和打印机等组成。,4系统支持板 IPC的系统支持板主要包括如下部分： （1）程序运行监视系统，即看门狗定时器：当系统出现异常时能使系统自动恢复运行。 （2）电源掉电检测：其目的是为了及时检测到电源掉电后，立即保护当时的重要数据和各寄存器的状态。 （3）保护重要数据的后备存储器：采用带有后备电池的SRAM、NOVRAM、EEPROM

5、，能在系统掉电后保证数据不丢失。,（4）实时日历时钟：用于定时自动执行某些控制功 能和自动记录某个控制是在何时发生的。,5磁盘系统 磁盘系统有半导体虚拟磁盘以及通用的软磁盘和硬磁盘。,6通信接口 通信接口是IPC和其它计算机或智能外设的接口，常用的接口有RS232C、RS-485和IEEE488等接口。,7输人输出模板 输入输出模板是IPC和生产过程之间信号传递和变换的连接通道。它包括模拟量输入（AI或A/D）模板、模拟量输出（AO或D/A）模板，数字量输入（DI）模板、数字量输出（DO）模板等种类。 由于输入或输出均涉及到生产现场被控参数的种类、个数、精度、干扰等等，因而其该类模板是系统中性

6、能差异最大、品种类型最多、也是用户选择最为丰富的一种。在前几章（第2、3、4、8章）讨论过的接口电路技术就是此类模板的构成基础，也是选用这类模板性能指标的理论依据。,12.1.2 软件组成,工控机的硬件构成了工业控制机系统的设备基础，要真正实现生产过程的计算机控制，必须为硬件提供或研制相应的计算机软件，即把人的知识逻辑与控制思维加入计算机中，才能实现控制任务。在工业控制系统中，软件可分为系统软件、工具软件和应用软件三大部分，有时也将工具软件归于系统软件。,1系统软件 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，包括实时多任务操作系统、引导程序、调度执行程序等，其中操作系统是系统

7、软件最基本的部分，如MS-DOS和Windows等系统软件。,2.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，借以提高软件生产效率，改善软件产品质量。,3应用软件 应用软件是系统设计人员针对某个生产过程现时编制的控制和管理程序，它往往涉及应用领域的专业知识。它包括过程输入程序、过程控制程序、过程输出程序、人一机接口程序、打印显示程序和控制程序等。当今工业自动化的发展趋势是计算机控制技术的控制与管理一体化，以便适应不断变化的市场需求。而工业控制的应用软件就起着关键性的作用，因此它应具有通用性、开放性、实时性、多任务性和

8、网络化的特点。 现在许多专业化公司开发生产了商品化的工业控制软件，如数据采集软件、工控组态软件、过程仿真软件等，这些都为应用软件的开发提供了绝佳的使用平台。,12.2工控机总线结构,12.2.1 内部总线 12.2.2 外部总线,12.2.1 内部总线,内部总线是指IPC内部各个功能模板之间的信息通路，它是构成完整的计算机系统的内部信息枢纽，也称为系统总线。尽管各种总线的引线数目不同，但按功能都是分为数据总线DB、地址总线AB、控制总线CB和电源总线PB四大部分。,内部总线是一块置于机箱内的无源底板上的多组并列插槽，各插槽上的同号引脚是电气相连的，从而完成插入槽内的各功能模板之间的信息传送（可

9、参见后面的图11-4）。显然，内部总线对计算机设计者和用户都是十分重要的一种设计标准。采用总线标准设计、组装的计算机模板与设备的兼容性很强，因为接插件的机械尺寸、各引脚的信号定义、逻辑关系、时序要求和驱动能力等都遵守统一的总线标准。 由于历史的原因，存在着多种总线标准。目前工控领域里应用最广的两种总线是STD总线和PC总线。,1. STD总线 STD总线是美国PRO-LOG公司1978年推出的一种工业控制计算机的标准系统总线，STD是Standard的缩写。该总线结构简单，全部56根引脚线都有确切的定义。STD总线定义了一个8位微处理器总线标准，其中有8根数据线、16根地址线、22根控制线和1

10、0根电源线，可以兼容各种通用的8位微处理器，如8080、8085、6800、Z80、NSC800等。通过采用周期窃取和总线复用技术，还可以定义16根数据线、24根地址线，使STD总线升级为8位/16位微处理器兼容总线，可以容纳16位微处理器，如8086、68000、80286、80386等。,表12-1列出了STD总线的56根引脚分配，其中：电源线和辅助电源线为引脚16和5356，数据总线为引脚714、地址总线为引脚1530、控制总线为引脚3152。,表12-1 STD总线56根引脚分配,1987年，STD总线被国际标准化会议定名为IEEE961。随着32位微处理器的出现，通过采用附加金手指或

11、系统总统与局部总线转换等技术，1989年美国的EAITECH公司又开发出对32位微处理器兼容的STD32总线。 STD总线IPC由于具有小模板结构、开放式结构和兼容式总线结构的几大优点，以及价格较低，因而成为20世纪八、九十年代的主流机型。,2PC总线 PC总线是IBM PC总线的简称，PC总线因IBM PC及其兼容机的广泛普及而成为全世界用户承认的一种事实上的标准。PC总线IPC，或称为工业PC机即IPC，即是脱胎于IBM PC机发展起来的。,IBM PC总线共有62根引脚线，其CPU是Intel公司准16位的8088或16位的8086，随着CPU的更新换代，PC总线也随之扩充，诸如支持80

12、286CPU的ISA总线、支持80486和奔腾系列的PCI、VESA总线等。,表12-2 PC总线62根引脚分配,表12-2列出了PC总线的62根引脚分配，其中：电源线和辅助电源线为11根，数据总线为8根，地址总线为20根，控制总线为21根，另外还有外态线2根，即I/O（I/O通道检查）、I/O CH RDY（I/O通道准备好）。 PC总线IPC由于既兼顾了STD总线IPC的抗干扰性能，又与PC机及其不断升级的硬软件资源完全兼容，因而近年来已成为工控领域中的主流机型。,12.2.2 外部总线,外部总线是指计算机与计算机之间、计算机与远程终端之间、计算机与外部设备以及测量仪器仪表之间的信息通路，

13、常称为通信总线。通信总线的数据传输方式可以是并行的，也可以是串行的，可分别称为并行通信总线和串行通信总线。详见第10章。,12.3 工控机功能特点,IPC是一种专用于工业场合下的控制计算机。一方面工业环境常常处于高温、高湿、腐蚀、振动、冲击、灰尘，以及电磁干扰严重、供电条件不良等等恶劣环境中；一方面工业生产过程因行业、原料、产品的不同，而使生产过程、工艺要求也五花八门。这些都是工业自动化控制中要解决的重要课题。由于IPC采用了总线技术和模板化结构，再加上采取了多重抗干扰措施，因而使IPC系统具有其它计算机系统无法比拟的功能特点。,1.可靠性和可维修性好 可靠性和可维修性是生产过程中两个非常重要

14、的先决因素，它们决定着系统在控制上的可用程度。可靠性的简单含义是指设备在规定的时间内运行不发生故障，可维修性是指工业控制机发生故障时，维修快速、简单方便。,IPC把计算机系统的各种功能分解到每一块只具备单一功能的模板上。而模板结构的小型化，使之机械强度好，抗震动能力强；模板功能的单一，便于对系统故障的诊断与维修，甚至可作到模板的带电插拔；模板的线路设计布局合理，即由总线缓冲模块到功能模块、再到I/O驱动输出模块，使信号流向基本为直线到达，降低了信号间的相互干扰；另外在结构配置上还采取了许多措施，如密封机箱正压送风、使用工业电源、带有看门狗系统支持板等等。所有这一切多重抗干扰措施都大大提高了系统

15、的可靠性和可维护性。,2通用性和扩展性好 通用性和扩展性也是生产过程中两个重要的因素，它们关系着系统在控制领域中的使用范围。通用性的简单含义是指适合于各种行业、各种工艺流程或设备的自动化控制，扩展性是指当工艺变化或生产扩大时，IPC能灵活地扩充或增加功能。,IPC针对各种控制对象进行分析与综合后，设计出几大类上百个不同功能的输入输出模板，足以满足各种需求。比如某工控公司的模拟量输入模板有如下几种主要产品：二阶有源低通滤波器板，4路/8路热电阻信号调理板，16路差分输入I/V变换板，32路单端输入I/V变换板，64路带光隔模拟量输入扩展板，等等。,所以通过对模板品种和数量的选择与组合，并插入底板

16、总线插槽，就十分方便地配置成不同生产过程所需IPC。其灵活性、通用性和扩展性显而易见。,3软件丰富编程趋向组态 IPC已配备完整的操作系统、适合生产过程控制的工具软件以及各种控制软件包。工业控制软件正向结构化、组态化方向发展，详情见第13章。,4控制实时性强 IPC配有实时操作系统和中断系统，因而具有时间驱动和事件驱动能力，能对生产过程的工况变化实时地进行监视和控制。,5精度和速度适当 一般生产过程，对于精度和运算速度要求并不苛刻。通常字长为832位，速度在每秒几万次至几百万次。但随着自动化程度的提高，对于精度和运算速度的要求也在不断提高，IPC相应地也配有不同层次的机型。,总之，总线式IPC具有小型化、化、标准化模板化、组合的设计特点，能满足不同层次、不同控制对象的需要，又能在恶劣的工业环境中可靠地运行。因而，它广泛应用于各种控制场合，尤其是中等规模的控制系统中。