1、2022-6-4计算机控制技术1PC总线的工业控制机简介总线的工业控制机简介 工业个人计算机工业个人计算机Industrial Personal Computer（简称（简称IPC）是一种加固的增强型个人计算机，）是一种加固的增强型个人计算机，是指对工业生产过程及其机电设备、工艺装备进是指对工业生产过程及其机电设备、工艺装备进行测量与控制用的计算机，简称工控机，它可以行测量与控制用的计算机，简称工控机，它可以作为一个工业控制器在工业环境中可靠运行。作为一个工业控制器在工业环境中可靠运行。 早在早在20世纪世纪80年代初期，美国年代初期，美国AD公司就推出了公司就推出了类似类似IPC的的MAC-
2、150工控机，随后美国工控机，随后美国IBM公司公司正式推出工业个人计算机正式推出工业个人计算机IBM7532。由于。由于IPC的的性能可靠、软件丰富、价格低廉，而在工控机中性能可靠、软件丰富、价格低廉，而在工控机中异军突起，后来居上，应用日趋广泛。异军突起，后来居上，应用日趋广泛。2022-6-4计算机控制技术2基于基于PCPC总线的板卡与工控机组成的总线的板卡与工控机组成的计算机控制系统计算机控制系统 该类系统是一种非常典型的该类系统是一种非常典型的DDC（Direct Digital Control ）控制系统，工控机通过基控制系统，工控机通过基于于PC总线的板卡进行实时数据采集，并按总
3、线的板卡进行实时数据采集，并按照一定的控制规律实时决策，产生控制指照一定的控制规律实时决策，产生控制指令，并通过板卡输出，对生产过程直接进令，并通过板卡输出，对生产过程直接进行控制。行控制。 该类系统具有组成灵活，成本低等特点，该类系统具有组成灵活，成本低等特点，广泛应用于工业生产的各个领域。是目前广泛应用于工业生产的各个领域。是目前在工业上用得比较多的一类系统。在工业上用得比较多的一类系统。 2022-6-4计算机控制技术3工控机示意图工控机示意图西门子工控机西门子工控机研华工控机研华工控机2022-6-4计算机控制技术42022-6-4计算机控制技术52022-6-4计算机控制技术6202
4、2-6-4计算机控制技术72022-6-4计算机控制技术82022-6-4计算机控制技术91. 工业工业PC的结构的结构 工业控制机的典型结构如图工业控制机的典型结构如图8.1所示，主要所示，主要有以下几部分组成。有以下几部分组成。图图8.1 工控机典型结构图工控机典型结构图 全钢机箱全钢机箱 无源底板无源底板 工业电源工业电源 CPU卡卡 其他配件其他配件下一页2022-6-4计算机控制技术10CPU板板返回2022-6-4计算机控制技术112022-6-4计算机控制技术12无源底板无源底板返回2022-6-4计算机控制技术132022-6-4计算机控制技术142. 工业工业PC的特点的特点
5、(1) 专门为工业工程控制现场设计的工业专门为工业工程控制现场设计的工业PC机有机有以下特点：以下特点： 支持各种模块化支持各种模块化CPU卡和所有的卡和所有的IBM-PC/XT/AT总线接口板。总线接口板。 所有卡采用高度集成芯片，以减少故障率，所有卡采用高度集成芯片，以减少故障率，并均为模块化并均为模块化插板式，以便安装插板式，以便安装更换和升更换和升级换代。所有的卡使用专用的固定架将插板压级换代。所有的卡使用专用的固定架将插板压紧，防止震动引起的接触不良。紧，防止震动引起的接触不良。 开放性好，兼容性好，吸收了开放性好，兼容性好，吸收了PC机的全部机的全部功能，可直接运行功能，可直接运行
6、PC机的各种应用软件。机的各种应用软件。2022-6-4计算机控制技术152. 工业工业PC的特点的特点(2)采用和采用和PC/AT总线兼容的无源底板。它使用带有总线兼容的无源底板。它使用带有电源层和地的电源层和地的4层电路板，有效地提高了系统地抗干扰能层电路板，有效地提高了系统地抗干扰能力。无源底板带有力。无源底板带有4，6，8，12，14或或20槽。槽。机箱采用全钢机构，可防止电磁干扰；采用机箱采用全钢机构，可防止电磁干扰；采用150W-350W带除尘过滤器的工业开关电源，具有足够地带除尘过滤器的工业开关电源，具有足够地负载驱动能力。机箱内装有双风扇，正压对流排风，并负载驱动能力。机箱内装
7、有双风扇，正压对流排风，并装有滤尘网用以防尘。软盘、硬盘驱动器安装采用橡皮装有滤尘网用以防尘。软盘、硬盘驱动器安装采用橡皮缓冲防震，并有防尘门。缓冲防震，并有防尘门。可内装电子盘以取代机械磁盘，使可内装电子盘以取代机械磁盘，使PC机在工业环机在工业环境下的操作具有高速境下的操作具有高速高可靠性。高可靠性。2022-6-4计算机控制技术163. 常用的工业控制机简介常用的工业控制机简介 当前国内外工控机型号很多，下面简要介绍主要常用的当前国内外工控机型号很多，下面简要介绍主要常用的工控机：工控机： 工控机的生产厂家很多，国外有美国工控机的生产厂家很多，国外有美国IBM、ICS 、德国、德国西门子
8、、日本康泰克等，这些产品可靠性好、市场定位西门子、日本康泰克等，这些产品可靠性好、市场定位高。高。 我国台湾地区是工控机的主要生产区，其品牌主要有研我国台湾地区是工控机的主要生产区，其品牌主要有研华、威达、艾讯、磐仪、大众、博文等厂家，其中，研华、威达、艾讯、磐仪、大众、博文等厂家，其中，研华是世界三大工控厂商之一，在中国大陆及台湾市场均华是世界三大工控厂商之一，在中国大陆及台湾市场均有较高的市场占有率。有较高的市场占有率。 国内也有很多工控机品牌，如研祥、华控、康拓、艾雷国内也有很多工控机品牌，如研祥、华控、康拓、艾雷斯、北京华北等。斯、北京华北等。2022-6-4计算机控制技术178.1.
9、2 基于基于PC总线的板卡简介总线的板卡简介 基于基于PC总线的板卡是指计算机厂商为了满足总线的板卡是指计算机厂商为了满足用户需要，利用总线模板化结构设计的通用功用户需要，利用总线模板化结构设计的通用功能模板。能模板。 基于基于PC总线的板卡种类很多，其分类方法也总线的板卡种类很多，其分类方法也有很多种。按照板卡处理信号的不同可以分为有很多种。按照板卡处理信号的不同可以分为模拟量输入板卡（模拟量输入板卡（A/D卡）、模拟量输出板卡卡）、模拟量输出板卡（D/A卡）、开关量输入板卡、开关量输出板卡）、开关量输入板卡、开关量输出板卡、脉冲量输入板卡、多功能板卡等，其中多卡、脉冲量输入板卡、多功能板卡
10、等，其中多功能板卡可以集成多个功能，。下面以研华功能板卡可以集成多个功能，。下面以研华PCI系列测控板卡为例介绍一下不同种类的典系列测控板卡为例介绍一下不同种类的典型板卡的性能和特点。型板卡的性能和特点。2022-6-4计算机控制技术181. 模拟量输入板卡（模拟量输入板卡（A/D卡）卡） 基于基于PC总线的总线的A/D板卡是基于板卡是基于PC系列总线，如系列总线，如ISA、PCI等总线标准设计的，板卡通常有单端等总线标准设计的，板卡通常有单端输入和差分输入以及两种方式组合输入三种。输入和差分输入以及两种方式组合输入三种。板卡内部通常设置一定的采样缓冲器，对采样板卡内部通常设置一定的采样缓冲器
11、，对采样数据进行缓冲处理，缓冲器的大小也是板卡的数据进行缓冲处理，缓冲器的大小也是板卡的性能指标之一。在抗干扰方面，性能指标之一。在抗干扰方面，A/D板卡通常板卡通常采取光电隔离技术，实现信号的隔离。板卡的采取光电隔离技术，实现信号的隔离。板卡的模拟信号采集精度和速度指标通常由板卡所采模拟信号采集精度和速度指标通常由板卡所采用的用的A/D转换芯片决定。转换芯片决定。2022-6-4计算机控制技术19 例如研华例如研华PCI-1710数据数据采集卡，如图所示。该采集卡，如图所示。该板卡具有板卡具有32路单端或路单端或16路差分模拟量输入或组路差分模拟量输入或组合方式输入等三种输入合方式输入等三种
12、输入方 式 ， 它 带 有方 式 ， 它 带 有 2 5 0 0 VDC 隔离保护；采用隔离保护；采用12位位A/D转换器，采样数转换器，采样数率可达率可达100kHZ；板载；板载4K采样采样FIFO缓冲器；每缓冲器；每个输入通道的增益可编个输入通道的增益可编程。程。图图 研华研华PCI-1713数据采集卡数据采集卡2022-6-4计算机控制技术202. 模拟量输出板卡（模拟量输出板卡（D/A卡）卡） 模拟量输出板卡完成数字量到模拟量的模拟量输出板卡完成数字量到模拟量的转换，转换，D/A转换板卡同样依据其采用的转换板卡同样依据其采用的D/A转换芯片的不同，其转换性能指标有转换芯片的不同，其转换
13、性能指标有很大的差别。很大的差别。D/A转换除了具有分辨率、转换除了具有分辨率、转换精度等性能指标外，还有建立时间、转换精度等性能指标外，还有建立时间、温度系数等指标约束。模拟量输出板卡温度系数等指标约束。模拟量输出板卡通常还要考虑输出形式以及负载能力。通常还要考虑输出形式以及负载能力。2022-6-4计算机控制技术21 例如研华例如研华PCI-1720模拟模拟量输出卡，如图所示。量输出卡，如图所示。PCI-1720 提供了四个用提供了四个用于于 PCI 总线的总线的 12 位隔位隔离数字量到模拟量输出。离数字量到模拟量输出。它是过程控制、伺服控它是过程控制、伺服控制和可编程电压源最好制和可编
14、程电压源最好的解决方案。由于能够的解决方案。由于能够在输出和在输出和 PCI 总线之间总线之间提供提供 2500 VDC 的隔离的隔离保护，保护，PCI-1720 非常适非常适合需要高电压保护的工合需要高电压保护的工业场合，该板卡具有业场合，该板卡具有4路输出通道。路输出通道。研华研华PCI-1720模拟量输出卡模拟量输出卡2022-6-4计算机控制技术223. 数字量输入数字量输入/输出板卡（输出板卡（I/O板卡）板卡） 数字量输入输出接口相对简单，一般都数字量输入输出接口相对简单，一般都需要缓冲电路和光电隔离部分，输入通需要缓冲电路和光电隔离部分，输入通道需要输入缓冲器和输入调理电路，输道
15、需要输入缓冲器和输入调理电路，输出通道需要有输出锁存器和输出驱动器。出通道需要有输出锁存器和输出驱动器。 2022-6-4计算机控制技术23 例如研华例如研华PCI-1760光隔光隔开关量输入输出卡提供了开关量输入输出卡提供了8路数字量输入通道和路数字量输入通道和8路路继电器输出通道。与传统继电器输出通道。与传统卡比较，卡比较，PCI-1760 为每为每个数字量输入通道增加了个数字量输入通道增加了可编程的数字滤波器。此可编程的数字滤波器。此功能使相应输入通道的状功能使相应输入通道的状态不会更新，直到高态不会更新，直到高/低低信号保持了用户设定的一信号保持了用户设定的一段时间后才改变。这样有段时
16、间后才改变。这样有助于保持系统的可靠性。助于保持系统的可靠性。 PCI-1760数字量输入输出数字量输入输出卡卡2022-6-4计算机控制技术244. 脉冲量输入板卡脉冲量输入板卡 工业控制现场有许多高速的脉冲信号，如旋工业控制现场有许多高速的脉冲信号，如旋转编码器、流量检测信号等，这些都要脉冲转编码器、流量检测信号等，这些都要脉冲量输入板卡或一些专用测量模块进行测量。量输入板卡或一些专用测量模块进行测量。脉冲量输入板卡可以实现脉冲数字量的输出脉冲量输入板卡可以实现脉冲数字量的输出和采集，并可以通过跳线器选择计数、定时、和采集，并可以通过跳线器选择计数、定时、测频等不同工作方式。考虑到现场强电
17、的干测频等不同工作方式。考虑到现场强电的干扰，该类型板卡多采用光电隔离技术，使计扰，该类型板卡多采用光电隔离技术，使计算机与现场信号之间全部隔离，来提高板卡算机与现场信号之间全部隔离，来提高板卡测量的抗干扰能力。测量的抗干扰能力。 2022-6-4计算机控制技术25 例如研华例如研华PCI-1780计数计数/定时定时卡，如图所示，是基于卡，如图所示，是基于PCI总线设计的接口卡，该卡使总线设计的接口卡，该卡使用了用了AM9513芯片，能够通芯片，能够通过过CPLD实现计数器实现计数器/定时器定时器功能，此外，该卡还提供功能，此外，该卡还提供8个个16位计数器通道，该卡具有位计数器通道，该卡具有
18、8通道可编程时钟资源，通道可编程时钟资源，8路路TTL数字量输出数字量输出/8路路TTL数字数字量输入，最高输入频率达量输入，最高输入频率达20MHz，多种时钟可以选择，多种时钟可以选择，可编程计数器输出，计数器可编程计数器输出，计数器门选通功能。门选通功能。 PCI-1780 8通道定时通道定时/计数卡计数卡 TTL电平信号被利用的最多是因为通常数据表电平信号被利用的最多是因为通常数据表示采用二进制规定，示采用二进制规定，+5V等价于逻辑等价于逻辑“1”，0V等价于逻辑等价于逻辑“0”，这被称做，这被称做TTL（Transistor-Transistor Logic 晶体管晶体管-晶体管逻辑
19、电平）晶体管逻辑电平）信号系统，这是计算机处理器控制的设备内部信号系统，这是计算机处理器控制的设备内部各部分之间通信的标准技术。各部分之间通信的标准技术。 TTL输出高电平输出高电平2.4V，输出低电平，输出低电平0.4V。在。在室温下，一般输出高电平是室温下，一般输出高电平是3.5V，输出低电平，输出低电平是是0.2V2022-6-4计算机控制技术26 CMOS电平电平 输出输出 L： 0.9*Vcc。输入输入 L： 0.7*Vcc. RS232 标准逻辑标准逻辑1的电平为的电平为-3-15V，逻辑，逻辑0的电的电平为平为+3+15V，注意电平的定义反相了，注意电平的定义反相了一次。一次。2
20、022-6-4计算机控制技术272022-6-4计算机控制技术288.1.3 基于基于PC总线的板卡与工控机组成的计总线的板卡与工控机组成的计算机控制系统的组成和特点算机控制系统的组成和特点 工业现场生产过程中的各种工况参数（温度、工业现场生产过程中的各种工况参数（温度、压力、流量、成分、位置、转速等）由传感器压力、流量、成分、位置、转速等）由传感器或一次测量仪表进行检测，然后经变送器把它或一次测量仪表进行检测，然后经变送器把它们统一变换成们统一变换成420mA的电信号的电信号,经过模数转经过模数转换器转换成数字量送入计算机。计算机则对被换器转换成数字量送入计算机。计算机则对被测信号按一定的控
21、制规律（如测信号按一定的控制规律（如PID规律）进行规律）进行计算，计算出送给控制执行机构的控制量。控计算，计算出送给控制执行机构的控制量。控制量由计算机输出，经制量由计算机输出，经I/O接口送往输出通道，接口送往输出通道，形成闭环控制。形成闭环控制。 2022-6-4计算机控制技术291. 组成（组成（1） 基于工控机和板卡组成的计算机控制基于工控机和板卡组成的计算机控制系统由硬件和软件两部分组成。系统由硬件和软件两部分组成。（1）硬件部分）硬件部分 控制计算机控制计算机 控制计算机是控制系统的核心，可以对输控制计算机是控制系统的核心，可以对输入的现场信息和操作人员的操作信息进行入的现场信息
22、和操作人员的操作信息进行分析、处理，根据预先确定的控制规律，分析、处理，根据预先确定的控制规律，实时发出控制指令，控制和管理其他的设实时发出控制指令，控制和管理其他的设备。考虑到工业控制领域较恶劣的环境，备。考虑到工业控制领域较恶劣的环境，一般选用工业控制计算机。一般选用工业控制计算机。2022-6-4计算机控制技术301. 组成（组成（2） I/O通道通道 输入输出（输入输出（I/O）通道在计算机控制系统中，）通道在计算机控制系统中，完成传感器输出信号和工业控制计算机之间，完成传感器输出信号和工业控制计算机之间，或工业控制计算机和驱动元件之间信号的转换或工业控制计算机和驱动元件之间信号的转换
23、和匹配的功能，称接口电路。它使工业控制计和匹配的功能，称接口电路。它使工业控制计算机能正确地接受被控对象工作状态的检测信算机能正确地接受被控对象工作状态的检测信号，而且能实时地准确地对驱动元件进行控制。号，而且能实时地准确地对驱动元件进行控制。 2022-6-4计算机控制技术311. 组成（组成（3） 参数检测参数检测 被控对象需要检测的参数分为模拟量参数和被控对象需要检测的参数分为模拟量参数和开关量参数两类。对于模拟量参数的检测，开关量参数两类。对于模拟量参数的检测，主要选用合适的传感器，通过传感器将这类主要选用合适的传感器，通过传感器将这类参数转换为成正比例的模拟量电信号。开关参数转换为成
24、正比例的模拟量电信号。开关量参数检测常用的元件有行程开关、光电开量参数检测常用的元件有行程开关、光电开关、接近开关、继电器或接触器的吸合释放关、接近开关、继电器或接触器的吸合释放等开关型元件来完成，通过这些元件向计算等开关型元件来完成，通过这些元件向计算机输入开关量电信号。机输入开关量电信号。2022-6-4计算机控制技术321. 组成（组成（4） 输出驱动输出驱动 被控对象的输出驱动，按输出信号形式被控对象的输出驱动，按输出信号形式不同，也可分为模拟量信号输出驱动和不同，也可分为模拟量信号输出驱动和开关量输出驱动两种。模拟量信号输出开关量输出驱动两种。模拟量信号输出驱动主要用于伺服系统控制、
25、变频控制驱动主要用于伺服系统控制、变频控制和调节阀等，开关量输出驱动主要用于和调节阀等，开关量输出驱动主要用于控制只有两种工作状态的驱动元件的运控制只有两种工作状态的驱动元件的运行。行。 2022-6-4计算机控制技术331. 组成（组成（5） 人机接口人机接口 人机接口是操作人员和计算机控制系统人机接口是操作人员和计算机控制系统之间信息交换的设备，是计算机控制系之间信息交换的设备，是计算机控制系统中必不可少的部分，主要由键盘、鼠统中必不可少的部分，主要由键盘、鼠标和显示器等组成。直接使用键盘和鼠标和显示器等组成。直接使用键盘和鼠标等输入控制命令和指令数据，使用显标等输入控制命令和指令数据，使
26、用显示器显示运行状态和故障并帮助查找和示器显示运行状态和故障并帮助查找和诊断故障，以及运行中间数据的检查、诊断故障，以及运行中间数据的检查、运行过程的统计等。运行过程的统计等。2022-6-4计算机控制技术34（2）软件部分）软件部分 计算机控制系统的软件由系统软件和用计算机控制系统的软件由系统软件和用户程序两部分组成。系统软件有计算机户程序两部分组成。系统软件有计算机操作系统、监控程序、用户程序开发支操作系统、监控程序、用户程序开发支撑软件，如开发语言、编译软件、调试撑软件，如开发语言、编译软件、调试工具等。用户程序是指控制系统中与控工具等。用户程序是指控制系统中与控制对象或控制任务相应的控
27、制程序。应制对象或控制任务相应的控制程序。应用程序一般都由用户自己根据控制系统用程序一般都由用户自己根据控制系统的目标、资源配备情况开发完成。的目标、资源配备情况开发完成。2022-6-4计算机控制技术352. 特点特点 基于基于PC总线的计算机控制系统是一个典型总线的计算机控制系统是一个典型的的DDC系统，因此它具有以下特点：系统，因此它具有以下特点：（1）时间上具有离散性）时间上具有离散性 计算机计算机DDC系统对生产过程的有关参量进行系统对生产过程的有关参量进行控制时，是以定时采样和阶段控制来代替常控制时，是以定时采样和阶段控制来代替常规仪表的连续测量和连续控制的。因此，确规仪表的连续测
28、量和连续控制的。因此，确定合适的采样周期和定合适的采样周期和A/D、D/A转换器的字转换器的字长是提高系统控制精度、减少转换误差的关长是提高系统控制精度、减少转换误差的关键。键。2022-6-4计算机控制技术36（2）采用分时控制方式）采用分时控制方式 DDC系统中的一台计算机要控制多个回路，为系统中的一台计算机要控制多个回路，为此，该类系统采用此，该类系统采用“分时分时”控制的方法，即将控制的方法，即将某一回路的采样和某一回路的采样和A/D转换、运算、输出控制转换、运算、输出控制三部分的时间与其前后回路错开，放在不同的三部分的时间与其前后回路错开，放在不同的控制时间里。这样，既保证了控制过程
29、的正常控制时间里。这样，既保证了控制过程的正常进行，又能充分利用系统中的各种设备，提高进行，又能充分利用系统中的各种设备，提高了控制效率。了控制效率。 2022-6-4计算机控制技术37（3）具有人机对话功能）具有人机对话功能 计算机控制系统的人机对话是一种计算计算机控制系统的人机对话是一种计算机控制系统必须具备的操作者和计算机机控制系统必须具备的操作者和计算机系统互相联系的功能。操作者通过输入系统互相联系的功能。操作者通过输入设备向计算机送入控制命令，计算机系设备向计算机送入控制命令，计算机系统则通过输出设备送出有关信息。一般统则通过输出设备送出有关信息。一般的计算机的计算机DDC系统除了普
30、通的各种指示系统除了普通的各种指示外，还都通过相应接口连接显示屏、打外，还都通过相应接口连接显示屏、打印机、控制键盘、越限报警装置等。印机、控制键盘、越限报警装置等。2022-6-4计算机控制技术38（4）控制方案灵活）控制方案灵活 对于一个模拟系统，控制算法是由硬件对于一个模拟系统，控制算法是由硬件实现的，硬件确定后控制算法也就确定实现的，硬件确定后控制算法也就确定了，而计算机了，而计算机DDC控制系统的控制算法控制系统的控制算法是由软件实现的。通过改变程序即可达是由软件实现的。通过改变程序即可达到改变控制算法的目的，不仅方便灵活，到改变控制算法的目的，不仅方便灵活，并且还可实现复杂的控制规
31、律。对于多并且还可实现复杂的控制规律。对于多回路控制系统，计算机回路控制系统，计算机DDC系统具有价系统具有价格优势，路数越多，这种优势越明显。格优势，路数越多，这种优势越明显。 2022-6-4计算机控制技术39（5）危险集中）危险集中 由于这类系统中一台计算机控制几十个由于这类系统中一台计算机控制几十个回路，所以一旦计算机的软件或硬件出回路，所以一旦计算机的软件或硬件出现故障将会使整个系统瘫痪。现故障将会使整个系统瘫痪。DDC系统系统的计算机直接与生产过程连接，而工业的计算机直接与生产过程连接，而工业现场的环境恶劣，干扰频繁，直接威胁现场的环境恶劣，干扰频繁，直接威胁着计算机的可靠运行。因
32、此，不仅需要着计算机的可靠运行。因此，不仅需要计算机本身具有较高的可靠性，必须采计算机本身具有较高的可靠性，必须采取抗干扰措施来提高系统的可靠性，使取抗干扰措施来提高系统的可靠性，使之能适应各种工业现场之能适应各种工业现场 。2022-6-4计算机控制技术40数据采集仪数据采集仪2022-6-4计算机控制技术412022-6-4计算机控制技术42U的概念 规定的尺寸是服务器的宽（规定的尺寸是服务器的宽（48.26cm19英寸）英寸）与高（与高（4.445cm的倍数）。由于宽为的倍数）。由于宽为19英寸，英寸，所以有时也将满足这一规定的机架称为所以有时也将满足这一规定的机架称为“19英英寸机架寸机架”。 厚度以厚度以4.445cm为基本单位。为基本单位。1U就是就是4.445cm，2U则是则是1U的的2倍为倍为8.89cm。也就是说所谓也就是说所谓“1U的的PC服务器服务器”，就是外形，就是外形满足满足EIA规格、厚度为规格、厚度为4.445cm的产品。设计的产品。设计为能放置到为能放置到19英寸机柜的产品一般被称为机架英寸机柜的产品一般被称为机架服务器。服务器。 2022-6-4计算机控制技术432022-6-4计算机控制技术44
