28第七章工业控制微型计算机Word下载.docx

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7.3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

据自己的需要进行选用。

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。

7.4

3.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部分组成。

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基

础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。

4.常用工控总线（STD／VME／IPC工控机）

7.3.1STD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

窃取和复用技术改进后的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，国内曾经有数十个STD工控机厂家。

7.5MC6800／MC68000工控机

5.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

系列工控机及其过程通道。

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

计算机技术的发展，该系列工控机于20世纪90年代初期已

基本上退出工控领域。

6.MC68000

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。

7.6IPC

工业个人计算机简称IPC（IndustrialPersonalComputer），它

和IBMPC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，有一个相对长的发展历程。

在发展期间，众多

IPC商家克服了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行板卡设计。

（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，以形成机箱内的正压，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。

7.7IPC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

机系统的核心组成部分之一。

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工作站及嵌

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.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总线型底板分离，底板

一般有多个PCMCIA、ISA、PCI插槽；

（4）机箱内安装的吹风机的容量大于抽风机的容量，机箱内为

正压，且风口有过滤网，避免粉尘进入机箱；

（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，可防止外人进行操作。

图7-2台式IPC的外观结构

7.8盘装式IPC

盘装式IPC的结构如图7-3所示。

（1）内部是全钢结构，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

7.9IPC

IPC工作站的结构如图7-4所示。

（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）内部结构和功能与台式IPC完全类似。

7.10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、板卡尺寸则不同。

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

（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

箱内为正压，空气对流畅通；

（3）8槽CompactPCI总线底板，可以扩展；

（4）板卡的机械规范符合IEEE1101.1／1101.10标准，类

似VME规范；

（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。

7.11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96mm×

90mm）、3.5英寸嵌入式IPC（尺寸为146

mm×

102mm）和5.25英寸嵌入式IPC（尺寸为203mm146

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的电气规范兼容，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。

8.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

有比较宽的调整范围，输出电压、电流的偏差也比较小，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：

315mm×

260mm。

（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。

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。

7.12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

（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

（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，

对输入输出信号进行隔离、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模块进行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行通信；

（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。

目前大部分控制软件以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

7.13IPC总线工业控制计算机常用板卡介绍

9.IPC总线工业控制计算机的概念

7.3.2总线

计算机总线是CPU与计算机其他部分进行信息传递的公

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。

7.3.3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，单位时间内可传送的数据量越大。

ISA总

线频率都是8.33MHz，PCI总线频率是33.3MHz或66MHz。

（3）总线数据传输率:

表示单位时间内传送数据量的大小

（数据传输率=总线宽度的字节数×

总线频率，单位是MB／s）。

7.14ISA总线

7.15PCI总线

PCI（PeripheralComponentInterconnect，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66MHz，数据处

理能力32位时是264MB／s，64位时是528MB／s，非常适

合在高速计算机和高速数据通信中应用。

10.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。

7.3.4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。

7.3.5I／O

工控机的接口板卡一般由三部分组成：

PC总线接口部分、

板卡功能实现部分和信号调理部分。

模拟量板卡功能实现部分

主要包括信号的采样、隔离、放大、A／D和D／A电路及接

口控制逻辑。

开关量板卡功能实现部分主要包括数据的输入

缓冲和输出锁存以及隔离电路等。

它们的PC总线接口部分是

相同的。

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、数字量输出及计数定时功能。

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100kHz，12位分辨率及

2500V直流隔离保护。

PCI-1713的特点如下：

2500V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100kHz；

每个输入通道的增益可编程；

卡上4KB

采样FIFO缓冲器；

支持软件、内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7-14PCI-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2500V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范围：

0~5

V、0~10V、±

5V、±

10V、0～20mA或4～20mA。

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；

多种输出范围；

PCI总线和输出之间2500V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，需要进行预先处理，

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，对输入输出信号进行隔离、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、放大及多通道转换板等。

研华公司生产的ADAM-3000系列模块是目前市场上较经济、

可现场进行配置的隔离信号调理模块。

这些模块易于安装，

并且可以避免大的环流、马达噪声和其他电气干扰对仪器及过

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部分。

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