材料加工设备与自动化第六章 工业控制计算机2.ppt

第六章工业控制计算机及集散控制系统2,4.3工业控制计算机接口模块,IPC工业控制机的构成,IPC工业控制机是由CPU模板、众多的接口板和外设组成的，本节主要介绍CPU、开关量输入/输出、模拟量的输入/输出模板、系统支持板的硬件组成、主要功能和工作原理。,CPU板CPU,新型的PC总线工业控制计算机的CPU板，一般采用单板结构，PC总线的CPU板均带有软硬盘驱动器接口、VGA彩色显示器接口、通信和网络接口、电子固态盘等，一块板就相当于一台计算机主机。PC-BUS的CPU主要采用Intel公司的80系列。随着CPU字长的增加，整机性能迅速增强。但成本也随之增高，可靠性却不一定在升高，有时甚至下降(因为根据可靠性理论，一个电路板所包含的元器件越多，在元器件可靠性不变时，其整体可靠性越低)。从这个意义上讲，通常用8位CPU可以完成的任务，就不一定要用16位或32位CPU去做，因为可靠性是工业控制计算机的主要指标。但是，集成度的增高，器件之间的接线减少，整体可靠性也有所增强。根据资料介绍，工业控制机的主板很少出现故障，而与现场直接相连的各种I/O模板，受现场恶劣环境的影响的故障率较高。因此，选用何种CPU还要从性能价格比等方面进行综合分析。,CPU板存储器,在商业个人计算机中，存储器容量往往愈大愈好，从成本考虑，主要采用动态存储器DRAM，而有些工业控制机并非如此。工业应用中，程序量往往不大，为提高可靠性起见，往往将程序固化在EPROM中运行，现场运行的工控机往往不用软硬驱动器。因此希望应用程序开发完成后尽可能把不变的程序部分固化在EPROM中，而只把可变的数据保存在RAM申，为了可靠起见，常采用静态SRAM;也是为了可靠，SRAM容量不是愈大愈好，而是够用即可，不要冗余过多。为了保存SRAM储存的数据。常常采用后备电池保护。由于SRAM没有转动的机械部分，不受温度、灰尘、振动等影响。因此工业控制机中常采用由SRAM和ROM组成的半导体磁盘(ROM.disk/RAMdisk)代替在工业现场环境中运行不甚可靠的软硬磁盘。,CPU板人-机界面,CPU主板一般都配有显示器、键盘、打印机等接口。这些人机接口板主要是完成与外接显示器、键盘、打印机等外设的信息交流，但工业控制计算机运行时并不一定非得配用人机接口。因为，当工业控制机运行时，有时并不需要显示数据或信息，也不需要人工键入指令、打印报表等，正象可编程控制器(PLC)一样。一旦通电就自动按照程序去完成某些测控操作，我们称之为“黑”模式。通常PC-BUS的CPU板均设有人机接口，而STD-BUS的CPU板不一定具有人机接口。STD的人机接口板可配用LED数字显示器和触摸式键盘。LED数字显示器的显示内容简单。信息量少，但寿命极长(可达50000h)触摸键盘可以防止灰尘、油污等干扰因素，可靠性较高，在工业现场运行时比较理想。,开关量输入输出板（DI/DO板）,工业控制机中开关量的输入输出是最基本的模板。开关量信号包括按钮或行程开关的接通与断开、电动机的启动和停止、阀门的打开和关闭等。这些信号的共同特点是以二进制逻辑1和0出现的，这些开关信号的电气接口形式较多，例如:TTL电平(5V)、非TTL电平、无源开关、有源开关、晶体管。可控硅和继电器等，开关量输入/输出模板简称DI/DO板(Digit-input/Digitoutput)。开关量I/O模板的典型结构见图,开关量输入输出板（DI/DO板）,开关量I/O模板的典型接口实际上是由三部分组成的，即PC总线接口逻辑、输入缓冲器或输出锁存器、I/O电气接口。各种开关量I/0模板的前两部分往往大同小异，所不同的主要在于I/0电气接口，即信号调理电路。此外，某些模板可能只有输入功能或只有输出功能，也就是说输入模板有输入缓冲器和输入信号调理电路，而输出模板则只有输出锁存器及输出驱动电路。,开关量输入输出板（DI/DO板）,总线接口逻辑的主要功能是:由地址总线选定I/0板及板上某个口，在控制总线的协调下将外部信号从输入缓冲器中读入数据缓冲器，再经数据总线送给CPU板；对输出板则信息流方向与输入操作相反。通常PC总线涉及I/0时，其数据和地址总线多为16位。开关量I/0模板的I/0功能转换部分主要是简单的输入缓冲器和输出锁存器。输入缓冲器是对外部输入的信号起缓冲、加强以及选通作用，CPU需通过缓冲器在输入口地址选通作用下读入数据。输出锁存器的作用是锁存CPU送来的输出数据，供外部设备使用。,开关量输入输出板（DI/DO板）,I/0电气接口的主要功能是信号调理。对输入信号要进行转换、保护、滤波、隔离和消抖动等处理，使现场输入的信号经过调理之后转换成计算机可以接收的逻辑信号；对输出信号要进行隔离、驱动和保护等，把计算机的逻辑输出信号转换成能驱动现场电磁线圈和显示、记录装置的电功率信号。,开关量输入输出板（DI/DO板）,(1)信号转换电路图7-15(a)为电压或电流输入转换电路，可根据输入电压或电流信号的大小选择分压电阻R1和R2，输出为TTL电平。图7-15(b)为开关触点型信号输入电路。可将开关触点的通/断变成电平信号5V/OV输出。(2)滤波电路工业现场中的输入信号经长线传输。往往夹杂着一些干扰信号，必须采取措施，将干扰信号去掉。以保证计算机正确读入信号。通常，干扰信号持续时间很短。多为脉冲量，因此，可采用RC滤波电路，如图7-15(c)所示。这种电路的输出和输入信号之间会有一定时间延迟，可根据现场需要调整RC网络的时间常数。(3)保护电路为防止输入信号中因过电压、瞬态尖峰电压。反极性信号损坏接口元件，常采用保护电路。如图7-15(d)所示。图中稳压二极管G(也可换用压敏电阻J)起瞬时尖峰保护。二极管D起反极性保护，R为限流电阻。,开关量输出板（DO板）,开关量的输出主要是驱动问题，即如何以低电平的计算机信号，带动高电平的电气负载，如继电器、电磁铁等，常用的有下列几种：1、TTL电平三态门输出和集电极开路输出电路这类电路主要采用缓冲器，如74LS245、74LS244、74LS240等等，常常将其输出端经上拉电阻接至5V，以提高输出电平的幅度，如图7-17(a)所示，这种电路的输出负载是电压型负载，可以用来驱动小功率晶体管或类似负载，其输出为高电平、低电平、高阻抗三态。集电极开路输出电路也称之为OC门电路。见图7-17(b)。它的输出级是一个集电极开路的晶体三极管。多个这种电路输出端并联，便具有“线与”功能，可用于数据总线系统中。组成电路时必须外加一个接至电源的负载R才能正常工作。导通和截止时这个电路的输出端电平分别为0.8V以下和电源电压，负载能力也比TTL电平三态门输出电路强。可用作高压驱动器和显示器中。,开关量输出板（DO板）,开关量的输出主要是驱动问题，即如何以低电平的计算机信号，带动高电平的电气负载，如继电器、电磁铁等，常用的有下列几种：2、门电路外加功率驱动级许多应用场合均要求有一定的功率驱动能力。图7-17(c)为中功率驱动电路，其驱动能力50500mA/DC。若负载呈电感性。则输出端必须加装吸收反电势的保护二极管。电路也可以换用大功率晶体管，构成具有大电流输出负载的电路，特别是采用高增益的专用达林顿复合管。增益可达500以上。,电气隔离,为了切断工业现场对计算机的干扰，常采用电气隔离技术。开关量I/0模板常采用继电器隔离和光电耦合器隔离电路，这样既可以切断计算机与工业生产现场之间的直接电气联系，又可将输入或输出信号正确地传递给计算机或执行器，如图7-19所示。继电器是采用电机电的方式完成隔离的;光电耦合器是采用电光电的方式完成隔离的。显然，继电器的动作和发光管的点亮都需要能量。一般现场干扰信号都是通过电磁感应或电容等方式窜入输入信号电路中的，其内阻较大无法提供足够的能量使继电器动作或使发光管点亮。通常，继电器式隔离的响应速度慢，线圈本身会产生电磁噪声(反电动势)，并且继电器体积大，功耗也大;光电耦合器的响应快。可靠性高、成本低、体积小、抗震动。两种耦合都可完成电平转换，信号传输是单向的。,可控硅输出电路,在工业生产的高速包装、灌装和自动计量秤等设备中，电动机及电磁铁等生产机械需要频繁地启停，一般的交流接触器和继电器很难胜任;另外在化工和食品的品质化验设备中，也有些电热调功装置需要进行无触点的控制，因此，可控硅作为一种电力电子元件得到了广泛应用。可控硅有单向和双向之分，单向可控硅用于控制直流电压或对交流电压的整流，双向可控硅主要用于交流电的控制。可控硅可由脉冲电流触发，也可由电平触发，只有在导通电流小于维持电流时才自动关断。在工业计算机的开关量输出模板中，常直接使用由可控硅及其控制电路组合在一起的无触点大功率开关，又称固态继电器(简写SSR)。它是一种四端有源器件，其中两端为输入控制端，另外两端是输出端。同可控硅元件一样，SSR分为单向直流固态继电器(DCSSR)和双向交流固态继电器(ACSSR)。,可控硅输出电路,AC型SSR有过零型和随机开启型。过零型(即Z型)具有零电压开启、零电流关断特性;而随机开启型(即P型)具有快速开启性能，图7-20为SSR组成框图。SSR可直接用TTL电路驱动，通常采用光电耦合器来实现输入和输出端间的电气隔离，隔离绝缘电压可达250OV以上。SSR要有保护电路，常用快速熔断丝和断路器作为过流保护;过压保护可用压敏电阻，其阈值可按电源电压有效值的1.61.9倍选取。,可控硅输出电路,随机开启型交流固态继电器(ACSSR)在其输入端施加合适的控制信号时，输出端立即导通，只有在控制信号撤销后，当负载电流低于双向可控硅维持电流时输出才关断;而过零型SSR的输入端施加控制电压后，要等交流电压过零时才能导通，所以，有可能造成最大为半个市电周期(对于50Hz市电，半个周期为10ms)的延迟。这种SSR用作大电流负载的开关，因其无机械触点，较之电磁继电器可靠性高、寿命长、抗干扰能力强、速度快，所以，它已愈来愈广泛地应用于工业过程控制系统中。,模拟量输入模板（AI板）,工业测控中温度、压力、流量、液位等均为模拟量，模拟量输入模板接受由现场送来的模拟量信号，对其量程、零点进行校正和调整之后，必须将模拟量转换变成二进制数据，计算机方能进行处理。典型模拟输入模块的原理框图见图7-21。对于15V的标准电压信号可直接进行A/D转换，对mV、V或mA、A级的小信号，一般应先进行放大。而后进行A/D转换。为了抗干扰还必须对输入信号进行滤波和隔离，将其转换为数字量，转换为工程单位，然后经I/O总线传送给微处理器。非电量的转换、信号形式的变换、放大、滤波、线性化、共模抑制及隔离等等，都是信号调理的主要功能。,模拟量输入模板（AI板）,1.隔离放大器模板上含有16个用户可组态的模拟量输入通道。每一通道均有l个隔离放大器。隔离放大器含有:滤波器、低漂移的通道参考电压、可编程放大器、信号隔离器、开路检测电路。隔离放大器还包括用于在线校正的基准电源。每一个通道均可接受电压输入或电阻输入信号。每个通道均有超限和开路检测，当采用热电偶输入时，还可以进行冷端温度补偿。,模拟量输入模板（AI板）,2.多路开关由隔离放大器输出的信号，其中包括基准电压和冷端补偿信号，经多路开关的选择之后进入A/D转换器。在模拟信号的输入接口中，A/D转换器和高性能放大器一般都较贵，从上百元到几千元。所以在大部分应用中，常用多通道选择开关和一个A/D转换器来实现几路甚至几十路模拟信号的变换，多通道选择开关可以实现分时地接通每路模拟信号。利用多通道选择开关后。A/D转换器为多路信号所分享。在一般的工业控制应用中，大部分的信号变化都比较慢，采样频率不成问题，但对于快速变化的模拟量输入应注意分时转换的影响。,模拟量输入模板（AI板）,3.限幅、滤波工业现场中的各种模拟输入信号很容易受到现场干扰，通常在信号进入模板(信号调理板或A/D板)前需要进行滤波和限幅。大信号(05V或010V)见图(a)，稳压管D1和D2一般选择稳压值比Vi大2V左右，采用漏电流小的管子;对于工业现场慢变化信号，R1R4一般选用lOk，C1C3选用lOF的钽电容。小信号(热电偶信号或其他小电压信号)见图(b)，D1和D2一般选用漏电流较小的硅二极管。,模拟量输入模板（AI板）,3.限幅、滤波热电阻信号见图(c）。热电阻信号经过电桥电路调理后，送到前置放大器时，应D1和D2将差分输入信号限幅。或者用D3和D4实现对地限幅。图(d)是一种简单有较的方法。对于双端输入的大、小信号均适用，现场使用方便、价格低、效果不错，具体做法是在输入信号的正端或负端均接一支电容到模板的模拟地，如果A/D是光电隔离型的，AG即是A/D极的外部电源的模拟地;如果A/D不是光电隔离型的，AG即为总线上的辅助电源地。,模拟量输入模板（AI板）,4.A/D转换A/D转换器是将连续变化的模拟信号转换为离散的数字信号。（1）)双积分型A/D转换器这种转换器的电路简单、抗干扰性好。精度高。但转换时间长、速度比较慢。双积分A/D转换速度在1050次/s之间。（2）逐次逼进型A/D转换器这种转换器的转换速度较快，在(1100s)以内，分辨率可达18位，转换时间固定。不随输入信号的变化而变化。因为转换速度快。而在每次转换期间希望保持输入信号不变。所以需要采样/保持电路、抗干扰能力较差，如果在一直流信号上有一交流干扰信号。而每次采样都采一瞬时值。所以每次采样的数值都会发生变化，因此会带来误差。（3）V/F型A/D转换器这种转换器的分辨率比较高。速度较慢;对工频干扰有一定的抑制能力;因频率信号易于传输。最适合在远距离测量系统中应用;仅用一位光电隔离器即可实现隔离，这是其他形式的A/D转换器所不具备的。,模拟量输出模板（AO板）,计算机的输出一般为数字量，需要经过数/模转换(D/A)变成模拟电压或电流，再经功率放大以驱动伺服电机、调节阀和模拟记录仪等，完成闭环控制。模拟量输出模板原理如图所示。它由输入输出总线接口、模板存储器、寄存器、数/模转换器、采样/保持器、模拟量输出电路、控制逻辑、反馈选择、模/数转换器等几部分组成。由输入/输出总线送来的控制量输出信号经总线接口送往存储器。存储器是一个双口RAM，它是处理器模板与模拟量输出电路之间的缓冲器，可以同时读写，以提高工作速度。由双口RAM输出的数据送入寄存器，然后经数/模转换为模拟量之后，经采样保持电路保持，最后由模拟量输出电路输出。,模拟量输出模板（AO板）,1.D/A转换器在实际应用中，D/A转换有两种方法。一种方法是每一路采用一个D/A转换器。它的工作原理是:输入数据缓冲器将输入到各路的N位数据进行缓冲驱动后，同时传送到N路D/A转换器的输入端，究竟作为哪一路D/A的有效数据，由通道选择器产生的选通信号决定。这种方式比较简单，各路D/A的转换器有相对的独立性，由于每路D/A转换器都有寄存器，所以，一旦有数据存入某路D/A转换器，它就把该数一直保存到有新的数据输入，这样可达到较高的精度。但所需D/A芯片多、不经济。,模拟量输出模板（AO板）,另一种方法称为多路复用方式，它只用一个D/A转换器，用多路模拟开关加多个采样保持放大器(每路一个)来实现，从图7-25可以看出，当某一路开关合上后，D/A转换器就输出一个模拟电压，同时对该路的采样保持电容C充电，直到采样放大器输出值和D/A转换器输出值相等(这里假定采样放大器的放大系数为1);当开关断时，电容将保持这个电压值，直到D/A转换器有新的输出。其实，保持电容不可能将这个电压值长期地保存下去，由于运算放大器的输入阻抗、模拟开关的漏电阻以及电容器本身的漏电阻等因素，会使电容保持的电压慢慢地衰减，这样就需要定时刷新，刷新周期根据采样保持的衰减程度以及系统要求的精度范围而定。也就是说，刷新周期应小于采样保持器输出电压值衰减到允许的精度范围所用的时间。,模拟量输出模板（AO板）,多路复用方式的优点是成本低，但电路结构复杂、精度差、可靠性下降，而且按时刷新需要占用主机时间。随着D/A转换器芯片价格的不断下降，微型计算机系统多数采用多路独立方式，尤其是工业控制机的D/A模板大都采用多路独立方式。2.V/I转换器一般D/A转换器都是以电压方式输出，而在工业控制应用中，常常需要以电流方式输出，其原因是:一方面电流输出有利于长距离传输，减少传输中的信号衰减和干扰；另一方面许多常规工业仪表是以电流形式配接的，按工业自动化仪表的标准，DDZ-、DDZ-S型仪表的输出为420mA。因此，D/A的输出常常要配接V/I转换器，以适应工业仪表的要求。,模拟量输出模板（AO板）,2.V/I转换器目前，常用两种V/I转换电路。一种为负载共地方式；另一种为负载共电源方式，分别如图(a)、(b)所示。下面以图7(a)电路为例加以说明:这是一个输入为15V，输出为420mA的典型V/I转换电路，其中K为运算放大器，T2为中功率晶体管，R1和R2为输入电阻，R3和R4为反馈电阻，R5为限流电阻，R6为偏置电阻，RF为电流反馈采样电阻，RL为负载电阻；Vi为输入电压；I0为输出电流。由于运算放大器的输入阻抗很高，反馈采样电阻RF采到的电流信号以电压的形式加到运算放大器输入端，并且极性与输入信号反相，所以，这是一个并联电流负反馈线路，而且采样反馈的信号正是要输出的电流信号，因此，这个输出电路具恒流作用，有很强的驱动能力，适当选取各电阻数值可使当Vi=15V时I0=420mA。,模拟量输出模板（AO板）,3.模拟量输出驱动在工业过程控制中，有许多控制执行机构例如伺服电机、调节阀等需要连续变化的控制信号。计算机把输出的二进制数送到输出接口，进行锁存及D/A转换后变成连续信号，该信号再经功率放大器放大后驱动执行机构。一般的D/A转换器的输出只有几到几十毫瓦，如果执行机构需要上百瓦的驱动功率。则必须在D/A转换后加一个功率放大器。常用的功率运算放大器有PAO3(可输出30A/72V)，LM675(可输出1.25A/20V)。如果执行机构所需的驱功率很大，则要利用伺服放大器，伺服放大器可输出连续功率用于驱动电动机或电磁阀等。伺服放大器的输入控制信号可以是模拟信号(如420mA的控制电流)，也可以用数字信号。伺服放大器输出的功率与输入信号的数值成比例关系。,脉宽调制PWM,脉宽调制PWM(Pulse-Width-Modulator)技术是一种功率输出方式。PWM的功率放大部分由固体开关(如功率晶体管、功率MOSFET或晶闸管等)组成。这个功率开关控制负载驱动功率的全通或全闭。由于控制开关闭合和开通的频率是固定的，这样，加在负载上的平均电压或电流可以通过调整每个周期内开通的时间长度来控制，如图7-27所示。每个周期内的开通时间与断开时间的比称为占空比(Duty-Ratio)。采用PWM来控制输出功率效率很高，因为功率放大部分由功率开关实现，它们功耗小，温升低。PWM方式直接采用开关量输出或脉冲量输出接口，省去了D/A转换电路，既提高了输出控制精度。又降低了成本。在应用PWM方式控制连续型功率驱动器时，要适当地选择开关的通断频率。太快了不必要，但太慢了又影响输出的平稳性。这一点要根据具体的被控设备或过程对象的时间特性而定。,智能I/O板,I/0模板的智能化是工业测控输入、输出及接口的一种发展趋势，目前，已有智能化的开关量输入、打印、脉宽调速、A/D转换等模板问市。所谓智能化模板，就是在I/0信号与主机CPU之间再增设一个廉价的单片微处理器，如8051、PICl6F877等，可将I/0的信息进行预处理后再向主CPU转送(如大量的开关量变位和高精度高速度的A/D转换等)，也可代替主CPU完成输出(如PWM、打印等占用主CPU机时过多的操作)，以减轻主CPU的负担，并加快对I/0的响应和输出。采用智能化I/0板可以提高工业控制机的操作实时性和性能价格比，也可减少软件编程，易实现软件的组态化。,1.智能DI板在工业控制中常遇到开关变位的监测问题。所谓变位，就是开关信号由onoff或由offon。例如电站系统需要监视成百上千个开关，希望任一个或多个开关变位时能尽快地(23ms以内)检测到变位的信息并作出处理。对这样一个大数量变位信号采集问题，通常会立即想到两种处理方法:(1)中断方法，每次变位发生时立即引起一次中断，且在中断服务程序中将变位信息取走并处理，如果每个开关对应一个中断源，这种做法显然不可取；如果若干个开关共用一个中断源，还要解决开关由onoff和由offon都能产生中断以及提供开关信号的查询位和变位性质的查询位等问题，这样硬件开销很大。(2)CPU查询方法，CPU不断地扫描各开关，查到有变位时立即转入处理，如果开关数量少，这种做法所做的处理较简单，时间限制也不严，CPU尚可负担；如果开关数目大，CPU处理较繁，还要兼带处理其他相关任务，时间限制又严，则CPU将不堪重负。如果将查询和中断结合起来，例如在I/0板上用一个廉价的处理器(