机电一体第6章工业控制计算机及其接口技术.ppt

工业控制计算机及其接口技术 第六章 6 1 1工业控制计算机的概念与特点 机电一体化系统中的计算机软 硬件占着相当重要的地位 它往往代表着系统的先进性和智能特征 因而 把机电一体化系统中的微机软 硬件称之为智能组成要素 一般的微型机往往在实验室 办公室或在家庭中使用 而机电一体化系统中的微型机通常在条件比较恶劣的条件下使用 因此 必须采用工业控制机或按工业环境要求设计的微型机 其要求是可靠性高 抗干扰能力强 环境适应能力好 工业控制计算机的概念 一般地 把适合于工业环境使用的微型计算机系统称之为工业控制计算机 一般也叫IPC IndustryPersonalComputer 严格说来 所谓工业控制计算机 是指那些满足下述条件的计算机系统 能够提供各种数据采集和控制功能 能够和工业对象的传感器 执行机构直接接口 能够在苛刻的工业环境下可靠运行 工业控制计算机与一般计算机系统相比较 具有以下主要特点 1 具有丰富的过程输入 输出 I O 功能2 实时性高3 具有高可靠性4 环境适应性强 5 有丰富的应用软件 6 技术综合性要求高 以上是工业控制计算机和其它类型计算机相比的区别 工业控制计算机是与工业生产控制系统紧密结合的一部分 主要面向机电一体化产品和成套装置控制应用的要求 它是与生产工艺过程和机械设备相匹配的一个有机组成部分 它必须与控制仪表 显示仪表 检测仪表 执行器以及联锁保护系统联用 才能完成对各种设备和工艺装置的控制 因此 除了计算机的基本部分如CPU 存储器外 还必须有丰富的过程输入 输出设备 相对于数据处理机 和完善的外部设备 这些是工业控制机能否投入运行的重要条件 所谓的 实时 是指信号的输入 计算和输出都要在一定的时间内完成 亦即 及时 超出这个时限 就失去了控制的时机 控制也就失去了意义 工业控制机必须具有时间驱动和事件驱动的能力 要能对生产过程工况变化实时地进行监视和控制 当过程参数出现偏差甚至故障时 能迅速响应 予以判断 及时处理 为此 通常需配有实时操作系统 完善的中断系统等 没有这些就无法很好地执行工业控制任务 工业生产过程通常是昼夜连续的 一般的生产装置要几个月甚至一年才大修一次 电网 钢铁 列车 非正常停机往往会造成很大的损失 这就要求工业控制机的可靠性尽可能地高 因此它要求 低故障率 一般来说 要求工业控制机的平均故障间隔时间 MTBF 不应低于数千甚至上万小时 短的故障修复时间 MTTR 可采用冗余技术 更换模板容易 能够热拔插 运行效率高 一定时间内 例如一年 运行时间占整个时间的比率一般要求99 以上 工业现场环境恶劣 工业控制计算机必须采取必要的措施 适应高温 高湿 腐蚀 振动冲击 灰尘等环境 例如 工业现场环境下电 磁干扰严重 供电条件不良 工业控制机必须有极高的电磁兼容性 有高抗干扰能力和共模抑制能力 工业控制软件正向结构化 组态化发展 工业控制计算机一般与PC机兼容 在PC机上运行的软件一般都可以在工业控制计算机上运行 工业控制计算机应用是系统工程问题 除了要解决计算机的基本部分以外 还需要解决它如何与被测控对象的接口 如何适应复杂的工业环境 如何与工艺过程与企业管理相结合等一系列问题 6 1 2微型计算机系统总线的概念 总线 是微型计算机系统中信号线的集合 是一种传送规定信息的公共通道 有时亦称数据公路 通过它可把各种数据和命令传送到各自要去的地方 在微型计算机系统中广泛采用三总线的结构形式及数据总线 地址总线和控制总线 数据总线上传送的是数据信息通常8位微处理器有8位数据总线 16位微处理器有16位数据总线 32位的微处理器则有32位数据总线 当然 也有例外 如采用复用等办法 地址总线是单向的微处理器要用地址确切指定的与之通信的外部硬件 每一个存储单元有一个地址 每一个接口也有一个地址 控制总线用来确定数据总线上信息流时间序列 微型计算机系统总线是影响计算机性能的瓶颈 6 1 3常用的工业控制计算机总线 IBMPC总线和AT总线PC104总线STD总线PCI总线 IBMPC总线和AT总线 IBMPC总线是IBMPC XT个人计算机采用的微型机总线 它是针对Intel8088微处理器设计的 它有62条信号线 以适应8088的8位数据线和20位地址线 这种总线是用户在IBMPC XT机的大母板上扩展I O模板的I O总线 为了和Intel80286等高性能16位微处理器兼容 IBM公司在PC总线基础上增加了一个36个引脚的AT扩展插座而形成16位的AT总线 IBM AT及其兼容机机箱中 通常在母板上分别设置几个AT插槽和PC插槽 这种结构也称之为IBM公司的ISA IndustrialStandardArchitecture 结构 即工业标准结构 工业标准结构ISA PC104总线 PC 104是一种专门为嵌入式控制而定义的工业控制总线 近年来在国际上广泛流行 被IEEE协会定义为IEEE P996 1 我们知道 IEEE P996是PC和PC AT工业总线规范 从PC 104被定义为IEEE P996 1可以看出 PC 104实质上是一种紧凑型 小型化的IEEE P996 其型号定义和PC AT基本一致 但电气和机械规范却完全不同 是一种优化的 小型堆栈式结构的嵌入式控制系统 PC 104模块本质上就是尺寸缩小为3 8 3 9 90 96mm 的ISA总线板卡 PC104模块 PC104总线工业控制计算机的应用 标准结构的IPC机有许多局限性 主要问题是体积和功耗太大 在许多嵌入式应用中 例如航空航天产品 智能仪器仪表 医疗设备 通信设备 机电一体化产品等 无法胜任 因而在80年代末产生了采用基于模块化设计方法的嵌入式工业PC系统 PC 104总线模块系统已成为嵌入式PC机的标准 大量应用于工业设备 仪器 医疗设备 通信设备等嵌入式应用场合 这些场合 既需要PC机的软硬件环境 又需要模块化 标准化 小型化和低功耗的设计 这需要建立嵌入式PC机标准 以便缩短产品的开发周期 降低开发成本 减少设备投资 从而降低产品或系统的价格 虽然PC 104总线工控机的功耗低 但其驱动能力差 4mA 其扩展能力和维护性也受到限制 使其在工业过程控制和自动化领域的应用范围也受到一定局限 STD总线 STD总线是一种面向工业控制的总线 STD总线是由Pro Log公司作为工业标准发明的 1987年 STD总线被批准为IEEE961标准 STD总线是56条信号线的并行底板总线 它实际上是由四条小总线组成的 这些小总线是 8根双向数据线 16根地址线 22根控制总线和10根电源及地线 STD总线的特点 1 小板结构 165 114mm 高度的模块化 轻 薄 短 小 2 严格的标准化 广泛的兼容性 STD总线模板设计有严格的标准化要求 3 面向I O的设计 非常适合工业控制应用 4 高可靠性 STD9048680486DX4 100或5X86 133CPU板 4MB 64MB DRAM 实时时钟 硬件看门狗 两串一并 两硬两软 打印机接口 复位按扭 与PC AT全兼容 PCI总线 PCI总线由Intel公司在1991年提出 并在同年联合世界上多家公司成立了PCISIG 致力于促进PCI局部总线工业标准的建立和发展 1992年 PCISIG发布了PCI局部总线规范1 0 经修改后 于93年发布了规范2 0 95年发布了规范2 1 并于95 6 1开始生效 PCI总线是一种高性能的32 64位总线 具有以下特点 高性能数据传送速率可高达132MB s 远远超过标准ISA总线8MB s的速率 低成本优化了芯片内部连接 采用多路复用结构减少了引脚数 对目标设备仅47根信号线 对主设备仅49根信号线 高开放性PCI是一种标准的 开放式总线标准 PCI互配置空间规范能保证全系统的自动配置 实现即插即用PnP 这极大地增加了系统的易用性 6 2工业控制计算机产品的种类及其选择 6 2 1工控机广泛应用的主要原因 1 工业控制计算机与PC AT软件兼容 使原PC机上的庞大软件资源 原则上不加修改就能移到工业控制计算机上运行 节省了用户大量的开发时间 减少了培训费用 使工控机一上市后就拥有大量的新老用户 2 由于开放性结构和软硬件标准公开 既使制造厂商乐于合作或向其靠拢 也便于用户自行开发 从而使其应用范围不断地扩大 促使产品种类更加丰富 3 各类高性能I O模板作为成熟的工业化产品与工控机配套使用 性能价格比不断提高 使用户可在短时间内很快构成所需的应用控制系统 投入实际运行 创造了很好的效益 4 由于电子技术的不断进步 使工控机本身的性能指标不断得以提高 使工控机的可靠性远远高于一般的PC机 现已能适应工业环境的基本要求 5 通信 网络技术的引入 特别是实时工业网络产品的出现 使采用工控机作为节点机 再经联网组合 可构成高性能集散控制系统 DCS 通过网络 将多台工控机相连 能完成较复杂的控制任务 同时通过网络连接 组成模块化的多级系统体系 具有可靠性高 灵活性强的持点 更便于构成 管控一体化 的体系 具有很强的实用价值 6 2 2工业控制计算机的种类 1 加固型工业控制计算机2 面板式工业控制机3 工业工作站4 CompactPCI工业控制计算机 加固型工业控制计算机 目前流行的一般工业控制计算机多采用全钢标准机架机箱 基本配置与一般PC机相同 芯片采用工业级芯片 采用无源母板和ALL IN ONE主板 留有多个槽口供插入各类I O模扳作扩展之用 选用工业级抗干扰电源 机箱带防震夹 采用半导体虚拟存储器磁盘卡和加保护膜的键盘 这些结构上的改造提高了工业控制计算机对工业现场环境的适应性 但就其本质而言还只是一般PC机的改良型 还必须在可靠性 抗干扰能力及模板设计等方面采取新的措施 IPC 610全钢结构的机箱满足EIARS 310C19 架装标准 它能安装多款14槽ISA或PCI总线无源底板和多款工业电源 构成多款IPC系统 突出的特点是防尘 抗震 抗冲击 并能适应工业环境下很宽的温度变化要求 机箱前面板上带防尘网的风扇向箱体内吹风 使箱体内产生正压用以防尘 机箱的前门带锁 可防止电源开关 复位开关等被误操作 增加了安全性 典型产品为研华公司的6xx系列产品 IPC 6xx系列产品外形 冷却系统 内部结构 驱动器安装架 外形尺寸 ISA总线无源底板 ISA PCI总线无源底板 CPU卡 面板式工业控制机 PanelComputer 这是一种紧凑型的工业控制机 它是一种将主机 显示器 触模式屏幕 可代替键盘 电源 软盘驱动器和串行接口集中在一起的一体化工业控制机 具有体积小巧 重量轻的特点 显示器为超薄型显示器 彩色显示器有TFT型及STN型 单色显示器有LCD和EL型之分 这种紧凑型工业控制机非常适合于应用在对计算机系统体积要求比较高的机电一体化系统中 工业工作站 这是一种将IPC主机 显示器 操作面板集为一体的IPC机 主机采用主流CPU 显示器可采用一般的14 20英寸彩色CRT显示器 也可采用LCD显示器 操作面板为操作式键盘 采用19英寸架装结构 工业工作站具有很强的信息处理能力和大量的I O扩展槽 可以作为中小型控制系统的工作站或主机 CompactPCI工业控制计算机 CompactPCI是compactperipheralcomponentinterconnect的英文缩写 意思是 坚实的PCI 简单地说 CompactPCI是PCI总线的电气和软件标准加欧式卡的工业组装标准 它是当今最新的一种工业计算机标准 CompactPCI与传统工业PC对比 具有以下几个特性 维护性抗震性通风性 从传统工业PC系统上更换一块板卡常常是相当耗时的 用户需松开并移去机箱盖 从板卡上断开所有连接 换卡 重新连线 重新上机箱盖 由于板卡与外围设备之间可能会有一些内部连接电缆 而换卡时必须将这些连线断开 因此这一过程是很容易出错的 所以在维护性方面 传统工业PC系统无法做到像CompactPCI系统这样简洁而高效 另一方面 CompactPCI设计为可以从前面板拔插板卡 更换CompactPCI板卡非常简单 无需拆下机箱盖 此外 如果I O接线都是通过后面板时 前面CompactPCI板卡上没有任何连线 更换板卡非常快捷简便 维护时间将会大大缩短 CompactPCI支持热插拔技术 即不用关闭计算机系统电源来插拔或更换计算机配件 支持热切换 传统工业PC不能对系统中的外围设备板上提供可靠而安全的支持 插于其中的板卡只固定于一点 卡的顶端和底部也没有导轨支持 因此卡与槽的连接处也容易在震动中接触不良 CompactPCI卡牢牢地固定在机箱上 顶端和底部均有导轨支持 前面板紧固装置将前面板与周围的机架安全地固定在一起 卡与槽的连接部分通过针孔连接器紧密地连接 由于卡的四面均将其牢牢地固定地其位置上 因此即使在剧烈的冲击和振动场合也能保证持久连接而不会接触不良 传统的工业PC机箱内空气流动不畅 不能有效散热 空气流通为无源底板 板卡支架和磁盘驱动器所阻塞 冷空气不能在所有板卡间循环流动 热空气也不能立刻排出机箱外 电子设备和电路板可能会因这些冷却问题而损坏 导致电路板变形 断线以及元件寿命缩短等 CompactPCI系统为系统中所有的发热板卡提供了顺畅的散热路径 冷空气可以随意在板卡间流动 并将热量带走 集成在板卡底部的风扇系统也加速了散热过程 由于良好的机械设计带来通畅的散热路径 CompactPCI系统极少出现散热方面的问题 6 2 3工业控制计算机的选择原则 1 选择合适的主机档次 CPU档次 2 根据不同的应用场合选择合适的型号3 内存 外存配置 6 3工业控制机接口模板及应用 6 3 1概述应用工业控制计算机对设备进行控制时 首先要把各种测量参数送入计算机中 计算机对这些采样数据进行一系列计算处理后将结果数据输出 计算机的输出结果是以数字量的形式输出的 通常还必须转换成可对过程进行控制的模拟量 因此 构成一个工业控制系统 除了工业控制计算机主机之外 还需要配备各种用途的I O接口产品 在采用工业控制计算机作为控制系统核心时 通常是选用专业厂家生产的I O接口模板 常用的各类接口模板 6 3 2模拟量输入 输出模板 1 HY 6020系列模板HY 6020系列A D D A板是为普及应用计算机进行数据采集 信号分析 设备控制而设计的 主要应用于大专院校的教学实验室 工厂的产品质量分析室 一般工业现场等领域 该板可直接插入IBM PCXT AT总线兼容的微机计算机内任一总线扩展槽中 构成数据采集及控制系统 HY 6020模板的性能 HY 6020型A D D A板 32路单端模拟输入通道 A D分辨率为12Bit 模拟输入电压范围 5V或0 5V 软件触发方式 1路模拟输出通道 D A分辨率12Bit 模拟输出电压范围 5V或0 5V HY 6020系列模板外形 2 HY 6020系列板组成 HY 6020系列板原理框图 性能及技术指标 3 工作原理概述 HY 6020系列板的A D转换触发工作方式 采用软件触发 而数据的传输方式有两种 查询方式和中断方式 模拟电压信号通过输入 输出插座分别接到模拟输入多路开关上 在软件操作下选通某一输入通道该通道模拟输入信号被送至放大器及A D转换器 通过编程向HY 6020 HY 6022的D A电路分别写入低八位和高四位数据后该板将输出与之相对应的模拟电压信号 当开机或复位计算机时D A电路自动清零 4 信号输入插座定义 6 安装与拆除方法 HY 6020系列板禁止带电插拔接插和拔下引线插头 开关的设置及跳线器选择都必须在断电的情况下进行 本模板的基地址选择范围是512 1016 0200H 03F8H 当开关置ON位时该位有 效置OFF位时该位无效 模板基地址计算公式如下 板基地址 512 0200H 所有有效位之和例板基地址 512 128 640或 0200H 80H 0280H 6 设置与编程 1 板卡基地址选择 2 寄存器描述及板内地址分配 1 模拟输入通道选择寄存器 板基地址 0 写 不用C4 C0模拟输入通道选择信号 HY 6020系列模板模拟输入通道选择 2 A D转换结果寄存器A D转换结果低八位寄存器 板基地址 1 读 A D转换结果高四位寄存器 板基地址 2 读 不用AD11 AD8 A D转换结果高四位 3 A D完成位寄存器 板基地址 5 读 4 D A输出寄存器 5 板内地址分配 3 编程方法举例1 A D编程 下面C语言例程为软件触发A D和软件查询方式完成A D转换功能 模拟输入范围为 5V增益为1 include include includevoidmain void intbaseA dbyte num floatvalue baseA 0 x280 板基地址 640 for num 0 num 32 num outp baseA num 切换输入通道并触发A D do 查询A D完成位 while inp baseA 5 2 D A编程 6 3 3数字量输入 输出模板 1HY 6160数字量输入 输出模板HY 6160板是IBM PCXT AT总线兼容的数字量输入 输出板 该板可以直接插入到IBM PCXT AT总线兼容机内的任一总线扩展槽中使用 HY 6160板为用户提供了32个数字量输入通道 32个数字量输出通道和一个外部事件中断通道 每8个输入或输出通道为一组 每组通道占用一个I O地址 每个通道输出的信号与TTL电平兼容 中断申请信号为TTL电平 数字量输出通道上电清零 HY 6160数字量输入 输出模板 2HY 6160数字量输入 输出模板技术指标 数字量输入通道数 32路 数字量输入组数 4组 8Bit 组 数字量输出通道数 32路 数字量输出组数 4组 8Bit 组 输入 输出信号电平范围 TTL电平兼容输入低电平VIL 2 0V 最小值 输出低电平VOL 2 4V 最小值 输出高电平电流 IOH 400mA 最大值 输出低电平电流 IOL 8mA 最小值 中断申请信号通道数 1路 中断优先级 IRQ2或IRQ3 中断申请信号有效电平 TTL电平兼容 中断允许信号通道数 1路 中断允许信号有效电平 低电平有效 TTL电平兼容 用途 利用HY 6160板可以构成状态监测 事件输入 电动机 加热器控制 BCD码输入 输出等系统 通过外接HY系列的端子板 可以大大扩展HY 6160板的功能 满足各种应用领域的要求 直接应用于工业现场和实验室 6 3 4多功能定时 计数模板 1HY 6210多功能定时 计数模板HY 6210板是IBM PCXT AT总线兼容的可编程定时 计数和数字量输入 输出板 该板可以直接插入到IBM PCXT AT总线兼容机内的任一总线扩展槽中使用 实现脉冲量计数 定时控制或现场开关量状态监测及控制执行机构工作等功能 该板还提供了一路中断请求申请信号 可选择定时 计数器0的输出或用户数字量输入或8255的C口请求 HY 6210板的典型应用为数字量输入 输出 频率测量 马达控制信号发生器 事件计数等 2性能定时器 计数器部分 定时 计数器通道 3路 定时 计数器长度 16位 内部时钟频率 2MHz数字量部分 数字量输入 输出通道数 24路 双向可编程 数字量输入 输出频率 0 1MHz 中断允许信号通道数 1路 中断级别 IRQ2 IRQ7可选择 中断申请信号有效电平 高 低电平可选 中断允许 软件控制 3技术指标定时器 计数器部分外部时钟输入频率 0 2MHz定时 计数器输出脉冲频率 0 001Hz 1MHz占空比 0 100 定时 计数器信号输入电平特性 高电平 VIH 2 0V高电平电流 IIH 20mA定时 计数器信号输出电平特性 高电平 VOH 2 4V高电平电流 IOH 2 0mA 4功能事件及频率检测 周期及脉冲信号测量 可编程脉冲信号发生器 电机控制 频率发生器 开关量状态监测 数字量部分 输入信号及中断请求信号电平特性 高电平 VIH 2 0V高电平电流 IIH 40mA 输出信号及中断请求信号电平特性 高电平 VOH 2 4V高电平电流 IOH 2 0mA 技术指标 在HY6210板上有两片可编程芯片 一片8253可编程定时 计数器和一片8255可编程数字量输入 输出芯片 其中8253可编程定时 计数器有三个独立的可编程定时 计数器 为用户提供了3个16位可编程定时 计数器 8255可编程数字量输入 输出芯片为用户提供了24路可编程数字量输入 输出 5 组成与工作原理 HY 6210多功能定时 计数模板组成与原理框图 6 3 5工业控制机及其接口模板应用举例 全自动汽车安全性能检测线测控系统 全自动汽车安全性能检测线测控系统 1 应用背景2 汽车安全性能检测的项目3 汽车安全检测线的布局4 自动测控系统硬件的构成与实现5 自动测控系统软件的构成 应用背景 目前我国汽车安全性能检测实行定期检测 过去对机动车的安全检测基本采用眼看 耳听 手摸等人工经验判断的方法 近十余年以来 已经实现了汽车安全检测的仪器化 而采用计算机 智能化仪器仪表和网络技术研制 推广先进的汽车安全检测系统 可以大大地提高检测精度和准确性 并能有效地降低检测时间和检测人员的劳动强度 汽车安全性能检测的项目 1 汽车尾气排放量检测 2 车速表精度检测 3 前照灯性能检测 4 喇叭声级 5 侧滑量检测 6 汽车轴重与总重量测试 7 制动力检测 汽车尾气排放量检测 检测汽车尾气中有毒物质的排放浓度 使用排放分析仪检测 通常汽油车检测CO和HC的含量 柴油车检测烟度 车速表精度检测 检测汽车车速表指示精度 使用车速表试验台检测 前照灯性能检测 检测汽车前照灯亮度 光轴偏移角等参数 通常使用自动式汽车前照灯测试仪检测 分左右灯检测 喇叭声级 检测汽车喇叭声音的大小 采用声级计检测 90 115dB A 侧滑量检测 检测汽车前轮的侧滑量大小 采用侧滑试验台检测 汽车轴重与总重量测试 检测汽车各轴轴重与总重量 为制动力检测作准备 使用轴重测试仪测量 每次测量一个轴的重量 制动力检测 检测汽车各个车轮的制动力和手制动力 判定汽车制动性能是否合格 使用制动试验台测试 每次测量一个轴上的两个车轮的制动力 汽车安全检测线的布局 平面图 自动测控系统硬件的构成与实现 1 检测功能划分 2 系统硬件配置计算机 数据采集系统 车辆位置与检测设备的监测和控制 检测指示装置 3 系统硬件构成图 检测功能划分 将检测功能与设备划分成三个区 1区 负责车辆信息登记 2区 包括排放 车速 灯光 喇叭 侧滑检测 3区 包括轴重 制动力检测和检测结果打印 数据库管理 计算机 采用3台工业控制计算机 每台计算机配有10 100M的网卡 采用总线型或星形拓扑结构将三台计算机联网 三台计算机编号为1 2 3 分别完成对应的3个功能区的工作 数据采集是保证检测数据准确性的关键 信号从各传感器直接引出 这样可增加系统的可靠性 即使设备其他部分发生故障 系统也不致停顿 2 3 控制工作站扩展槽各插有一块具有12位A D的模拟量接口模板 信号的调理 将模拟信号转换成数字信号 首先要对传感器信号进行预处理 使各传感器信号转换为统一的0 5V的模拟量 信号传输过程中会叠加干扰 采用模拟滤波和数字滤波相结合的方法消除干扰 模拟滤波主要滤掉50Hz的交流干扰 数字滤波则消除尖峰干扰 使过程曲线平滑 采用防脉冲干扰复合滤波法 数据采集系统 在自动检测线中 车辆位置与检测设备的监测和控制是保证自动检测线按正确逻辑运作的关键 监测汽车在检测线上位置的传感器采用用高质量远红外光电开关 根据各个光电传感器的输出状态判断车辆的位置 控制车速表试验台和制动试验台举升器升降及电机起停 采用开关量输出信号 通过控制继电器和交流接触器来实现控制 开关量的输入输出由插在2 和3 计算机扩展槽内的数字量输入输出接口卡提供 车辆位置与检测设备的监测和控制 为了给试车员提供指示 检测线用高亮度LED发光块组成显示灯牌 指挥司机的操作并实时显示检测数据 LED显示牌采用8031单