机电一体化工业控制机

1、2 工业控制机2.1 工业控制机的种类与选择工业控制机的种类与选择v2.1.1 工业控制机概述工业控制机概述v工业控制机也称工业计算机工业控制机也称工业计算机ipc(industrial personal computer)。v它主要应用于工业过程测量、控制、数据采它主要应用于工业过程测量、控制、数据采集等。集等。v对工业控制机的要求是：具有温度、湿度适用范围大，防尘、防腐蚀、防振动冲击能力；较好的电磁兼容性和抗干扰能力和共模抑制能力；保证平均无故障工作时间，尽量缩短故障修复时间，以达到很高的运行效率。 v为适应工业现场的要求，工业控制机已经普遍采用如下措施： v(1)特殊设计的高可靠性电源装

2、置，除了能适应较宽的电压波动范围外，还能承受瞬间冲击，保证在电网不稳、电气干扰较大的环境中可靠运行；v(2)高功率双冷风扇配置，解决高温下的散热问题，并使机箱内部空气保持正压，以减少粉尘侵入；v(3)全钢结构标准机箱(带滤网)和减振，加固压条装置，在振动较大的环境中仍能可靠运行；v(4)采用大母板结构，留给用户尽可能多的插槽供i/o扩展用。总线驱动能力加强，一台工控机上可插入多达1012块i/o模板。v(5)采用标准化部件，元器件经过严格筛选，确保整机质量。 v国内工控机产品主要分为pc总线工控机、std总线工控机、vme总线工控机等。 v美国ibm、ics、intel、action、moto

3、rola等公司的工控机在国内企业中均有所应用，但销量不大。影响较大的是台湾研华公司(advantech)、康泰克公司(contec)、康拓公司等，此外还有台湾威达、大众、研祥等公司的产品，但市场份额较小。 v典型的工控机系统的组成部分有：v(1)工控机主机：包括主板、显示板、磁盘驱动器、无源多槽isa/pci底板、电源和机箱等。v(2)输入接口模板：包括模拟量输入、数字量输入、频率量输入等。v(3)输出接口模块：包括模拟量输出、数字量输出、脉冲量输出等。v(4)通讯接口模板：包括串行通信接口模板(rs-232、rs-422、rs-485等)与网络通信模板(arcnet网板或ethernet网板

4、)，还需配现场总线通信板等。v(5)信号调理单元：对工业现场各类输入信号进行预处理，包括对输入信号的隔离、放大、多路转换、统一电平信号等处理，对输出信号进行隔离、驱动、电压转换成电流信号等。信号处理单元由模块或模板构成，一般具有独立的机箱、供电电源、接线端子。现场输入输出信号可直接连接到信号调理模块的端子上。v(6)远程采集模块：将现场信号直接就地处理，然后通过现场总线与工控机通信相连。目前采用较好的现场总线类型有can总线、lon总线、profi bus、bit link总线以及rs-485串行通信总线等。v(7)工控软件包：包括数据采集、控制、监视、画面显示、趋势显示、报表、报警、通信等功

5、能，采用的平台为msdos、windows、实时多任务操作系统。 工控机系统构成原理图 2.1.2 工业控制机的分类工业控制机的分类v按工业控制机的总线分类： v(1)pc总线工控机：pc总线工控机是基于通用计算机发展起来的工业控制机，其总线类型有：isa总线、vesa局部总线(vl-bus)、pci总线、pc104总线等，主机cpu类型有80386、80486、pentium等。v(2)std总线工控机：采用std总线，主机cpu类型有80386、80486、pentium等，另外与std总线相类似的有ste总线工控机。v(3)vme总线工控机：采用vem总线，主机cpu类型以motolor

6、a公司的m68000、m68020、m68030为主。v(4)多总线工控机：采用multbus总线，以intel工控机为代表，主机cpu类型有80386、80486、pentium等。v按工业控制机结构形式分：v(1)普通结构工业控制机(图2-2)。v(2)盒式工控机(box-pc)(图2-3)v盒式工控机具有体积小、重量轻等特点，可以挂在工厂车间的墙壁上，或固定于台架上。v(3)超薄工业控制机(panel-pc)v此外还有工业笔记本电脑、便携工业电脑等。v新型工业控制计算机，如ipc90，其特点是：v(1)windows监控画面与实时性相结合：为了利用windows的友好人机界面，同时弥补其

7、实时性较差的不足，采用了多处理机并行结构，挂接在pc总线上。v(2)vme工业结构与pc总线相结合：采用vme直插式结构。每一模块均带有小型的指示面板，易于运行监视及部件维修更换，但仍保持pc总线体系；这样，pc资源优势仍得以保持，vme的直插式结构也得以采纳。v(3)标准化的模块式体系结构模块：按不同的功能分为主控模块、显示模块、网络(工业网络)模块、软盘模块、硬盘模块、模拟量、数字量输入、输出模块、通用智能i/o模块等不同标准部件，相互独立，维修方便。 v(4)ipc与plc接线方式结合：具有多种信号调理模块，可安装在带有独立电源的信号调理单元中。信号调理模块一端带有类似plc的接线端子，

8、供与现场信号接线相接。另一端通过多芯电缆与主机相连，使ipc机的现场信号接线方式变得与plc一样方便。v(5)标准的通信网络，便于构成dcs系统：主机模块上带有标准的通信网络模块(ieee 8902.3协议)和固化程序，便于连网操作。其本身已可独立构成功能强大的系统，通过连网可构成更大、功能更强的控制系统。2.1.3工业控制机的选择工业控制机的选择v在工控机的选择上主要应该考虑的问题： v(1)选择合适的主机档次(cpu档次)v(2)根据不同的应用场合选择合适的型式v(3)内存、外存配置2.2 工业控制机的总线工业控制机的总线v总线，就是在模块与模块之间或者设备与设备之间传送一组公用共享信号线

9、。v总线的功能就是完成不同计算机之间、计算机内部各部件之间的各类信息传送，v这些信息包括地址、数据和控制信息，所对应的总线为地址总线ab、数据总线db以及控制总线cb。v地址总线ab主要完成系统地址信号的传送，一般为单向传送总线，信号通常从处理器(或称为cpu)发出，送往总线上所连各部件。v数据总线db为总线上所连各模块提供移动数据的通道，因此，这些信号线被称为数据总线，通常用于传送数据信息，为双向传送总线。数据总线一般由8根、16根、32根或64根独立的信号线组成，线的数目也就是数据总线的宽度，数据总线的宽度是决定整个系统性能的一个关键因素。 v控制总线cb上传输的一般为辅助完成各项操作的控

10、制信号，包括辅助数据传输、进行总线仲裁、执行中断控制等。 2.2.1 std总线总线vstd总线(standard bus)是1978年被prolog公司和mostek公司首先采用的广泛应用于工业过程控制的计算机系统。这种总线能够支持任何8位或16位的微处理器，成为小型插件板系统的标准总线，已被国际上数百家制造厂商所采用。1987年，std总线已被批准为ieee961标准。v特点 v(1)小板结构，高度的模块化“轻、薄、短、小”是20世纪80年代以来国际上的技术发展趋势；对于工业控制机，小型化是发展潮流。vstd总线采用功能模板概念，即按功能划分模板。一台工业控制计算机按功能划分成cpu板、存

11、储器板、a/d板、d/a板，以及开关输入/输出等功能模板，不同用户根据各自应用系统的功能要求选择不同的功能模板组装各自的应用系统。vstd总线采取开放式的系统结构，系统的组成没有固定的模式和标准机型，而是提供大量的功能模板。用户可根据自己的需要购置各种功能模板和软件，像搭积木一样拼装自己的控制系统。开放式的系统结构也提高了系统的维修性，目前可以做到平均维修时间小于5min。v(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。这是std总线与众不同的特点。传统的微机总线都有几条信号线是未定义的。例如，q总线，multbus、s-100总线分别有15、7、16条信号线未定义，未定义

12、信号线常常带来不兼容性问题。std总线则不同，它的所有信号线均有严格定义，用户均不得更改，否则，它就不是“标准”的了。这种严格的标准化带来的好处是广泛的兼容性。因此，不同厂家的产品通常是兼容的，丰富的产品供货来源给用户带来了方便。这也是std总线迅速发展的原因之一。v (3)面向i/o的设计，非常适合工业控制应用：许多高性能的总线(如vmebus、multbus、furturebus等)其总线设计是面向系统性能的提高，即提高系统的吞吐量或处理能力，std总线是面向i/o的总线系统。许多总线只有很少的i/o扩展能力，ibm pc/xt/at也只有几个i/o扩展槽。例如，一个底板上甚至可以有20块

13、i/o模板扩展能力，且有众多的i/o模板可供用户选择和组合，以满足各种领域的要求。特别是它采用简便的i/o接口设计，使得i/o接口设计成为一件简单易行的事情，所以，许多从市场上买不到的专用接口都可以由最终用户自行设计。拥有众多i/o功能的支持，这是std总线的优势之一。v(4)高可靠性：std总线作为工业标准的微机总线具有很高的可靠性。为了适应工业控制的恶劣环境，产品的印制布线、元器件老化筛选、模板的在线测试检查、科学的质量保证体系、电源的高抗干扰性能等方面都做了大量研究工作，采取了许多保证措施。2.2.2 ibm pc总线和总线和at总线总线vpc总线类型有：xt总线、isa总线、eisa总

14、线、vesa总线(vl-bus)以及pci总线。visa总线就是at总线，它是在xt总线基础上扩充设计的16位总线，其寻址空间最大16mb，操作速度为8mhz，数据传输率为16mb/s。veisa(extend industrial standard architecture)总线是一个32位总线，它支持总线主控，其数据传输率可达32mb/s。v当前pc机主要以isa总线(at总线)、pci总线为主流，这主要有以下几个方面的理由：v(1)isa总线结构的i/o接口卡种类最多，且已经过多年研究和应用证明其技术已成熟。v(2)isa总线已被绝大多数工业pc机人员所接受和掌握，这是其发展的人才来源。

15、v(3)isa总线性能基本能够满足多数工业控制领域的需求。v(4)isa总线产品价格便宜，这容易被大多数工控系统设计人员所接受。v(5)在要求速度高的外设使用中，可采用pci总线，一般总线底板具有45个pc插槽。 2.2.3 pci总线总线vpci总线的英文全称为 peripheral component interconnect special interest group，简写为pcisig，也称为外部设备互连。vpci局部总线具有如下特点。v(1)高性能vpci是一套整体的系统解决方案，不仅可以提高网络接口卡和硬盘等设备的性能，还能满足全活动影像、图形及各种高速外围设备的要求。pci局部

16、总线以33mhz的时钟频率操作，采用32位数据总线，可支持多组外围部件及附加卡，数据传送速率可达132mb/s。规范中规定pci总线可选择64位总线，从而使pci总线的最高传输速率可达264mb/s。v(2)线性突发传输vpci支持突发数据传输周期，可确保总线不断满载数据。外围设备一般从内存某个地址开始顺序处理数据，这种线性或顺序的寻址方式，意味着可以从某一个地址起读出或写入大量数据，然后，每次只需将地址自动加1，便可处理数据流内下一个字节的数据。pci总线线性突发传输可以有效地运用总线的带宽进行这种数据传送，以减少无谓的地址操作，这对使用高性能图形设备尤为重要。v(3)减少存取延迟v对于支持

17、pci总线的设备，可减小存取延迟，能够大幅度减少外围设备取得总线控制权所需的时间，以保证数据传输的畅通。例如，对于连接局部网络的以太网控制器，其缓冲区随时需要从网络接收大量信息，由于要等待使用总线的允许，从而使以太网接口卡往往无法及时在缓冲区溢出之前迅速将数据送给中央处理器，网络接口卡被迫将接收的信息存储在额外的内存区。v(4)采用总线主控和同步操作vpci总线所具有的主控和同步操作功能有利于提高pci总线性能。总线主控是大多数总线都具有的功能，目的是让任何一个具有处理能力的外围设备暂时接管总线，以加速执行高吞吐量、高优先级的任务。pci总线独特的同步操作功能可保证微处理器能够与这些总线主控器

18、同时操作，而不必等待后者的完成。v(5)不受处理器限制vpci总线以一种独特的中间缓冲器方式，独立于处理器，并将中央处理器子系统与外围设备分开。一般来说，在中央处理总线上增加更多的设备或部件，只会降低性能和可靠程度。而有了这种缓冲器的设计方式，用户可随意增添外围设备，以扩充计算机系统而不必担心在不同时钟频率下会导致性能的下降。这种独立于处理器的总线设计还可保证不会因处理器技术的变化而导致其他互连外设系统的设计变得过时。v(6)适用于各种机型vpci局部总线适用于各种规格的计算机系统，如桌面式计算机、便携式计算机以及服务器等。通过支持3.3v的电源环境，pci局部总线应用在便携式计算机中。在服务

19、器环境下，pci总线具有支持分级式外围设备的特性，可使一个pci接口支持一组级连的pci局部总线；也可以设置为多组pci总线的服务器增添额外的扩展插槽，提供更多的i/o接口，并将高带宽与低带宽的数据分隔开来。v(7)兼容性强vpci总线与isa、eisa及mca总线完全兼容，方便用户选用外围设备。v(8)预留扩展空间vpci总线预留了充足的扩展空间。例如，它支持64位地址/数据多路复用，pci插槽能同时插32位和64位插卡，并且，它们之间的相互通信对用户来说是透明的，从而达到真正的前后兼容。pci还提供了自动配置功能，从而保证用户在安装pci接口卡时，无需手工调整跨接线。v(9)低成本、高效率

20、vpci的芯片采用超大规模集成电路，节省布线空间，为计算机的小型化和多功能化提供了良好的实现条件。pci部件采用地址/数据线复用，使pci部件连接其他部件的引脚数减至50以下。v(10)向前扩展性vpci局部总线既符合当今的技术要求，又能满足未来的需要，是一种较好的局部总线标准。pci的高性能、高效率、与现有标准兼容和充裕的开发潜力，使其成为开发当今高性能agp总线接口的基础。2.2.4 现场总线现场总线v现场总线是应用在生产现场、在微机化测量控制设备之间实现双向串行多点数字通信的系统，也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。v(1)现场总线系统的结构特点v现场总线系统打破了传统控制系

21、统的结构形式。传统模拟控制系统采用一对一的设备连线，按控制回路分别进行连接。位于现场的测量变送器与位于控制室的控制器之间，控制器与位于现场的执行器、开关、驱动器之间均为一对一的物理连接。v(2)现场总线系统的技术特点v现场总线系统在技术上具有以下特点：v系统的开放性v开放是指对相关标准的一致性、公开性，强调对标准的共识与遵从。一个开放系统，是指它可以与世界上任何地方遵守相同标准的其他设备或系统连接。通信协议一致公开，各不同厂家的设备之间可实现信息交换。现场总线开发者就是要致力于建立统一的工厂底层网络的开放系统。用户可按自己的需要和考虑，把来自不同供应商的产品组成大小随意的系统。通过现场总线构筑

22、自动化领域的开放互连系统。v互可操作性与互用性v互可操作性是指实现互连设备间、系统间的信息传送与沟通；而互用则意味着不同生产厂家的性能类似的设备可实现相互替换。v现场设备的智能化与功能自治性v它将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成，仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能，并可随时诊断设备的运行状态。v系统结构的高度分散性v现场总线已构成一种新的全分散性控制系统的体系结构。从根本上改变了现有dcs集中与分散相结合的集散控制系统体系，简化了系统结构，提高了可靠性。v对现场环境的适应性v工作在生产现场前端，作为工厂网络底层的现场总线，是专为现场环境而设计的，可支持双绞线、

23、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等，具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现供电与通信，并可满足本质安全防爆要求等。v(3)现场总线的优点v节省硬件数量与投资：由于现场总线系统中分散在现场的智能设备能直接执行多种传感控制报警和计算功能，因而可减少变送器的数量，不再需要单独的调节器、计算单元等，也不再需要dcs系统的信号调理、转换、隔离等功能单元及其复杂接线，还可以用工控pc机作为操作站，从而节省了一大笔硬件投资，并可减少控制室的占地面积。v节省安装费用：现场总线系统的接线十分简单，一对双绞线或一条电缆上通常可挂接多个设备，因而电缆、端子、槽盒、桥架的用量大大减少，连线设计与接头校对的工作量也

24、大大减少。当需要增加现场控制设备时，无需增设新的电缆，可就近连接在原有的电缆上，既节省了投资，也减少了设计、安装的工作量。据有关典型试验工程的测算资料表明，可节约安装费用60以上。v节省维护开销：由于现场控制设备具有自诊断与简单故障处理的能力，并通过数字通讯将相关的诊断维护信息送往控制室，用户可以查询所有设备的运行，诊断维护信息，以便早期分析故障原因并快速排除，缩短了维护停工时间，同时由于系统结构简化，连线简单而减少了维护工作量。v用户具有高度的系统集成主动权：用户可以自由选择不同厂商所提供的设备来集成系统。避免因选择了某一品牌的产品而被“框死”了使用设备的选择范围，不会为系统集成中不兼容的协

25、议、接口而一筹莫展。使系统集成过程中的主动权牢牢掌握在用户手中。v提高了系统的准确性与可靠性：现场总线设备的智能化、数字化，与模拟信号相比，它从根本上提高了测量与控制的精确度，减少了传送误差。同时，由于系统的结构简化，设备与连线减少，现场仪表内部功能加强，减少了信号的往返传输，提高了系统的工作可靠性。v此外，由于它的设备标准化，功能模块化，因而还具有设计简单，易于重构等优点。2.2.4.1 几种有影响的现场总线技术几种有影响的现场总线技术v(1)基金会现场总线v基金会现场总线(ff，foundation fieldbus)是在过程自动化领域得到广泛支持和具有良好发展前景的技术。其前身是以美国f

26、isher-rosemount公司为首，联合foxboro、横河、abb、西门子等80家公司制订的isp协议和以honeywell公司为首，联合欧洲等地的150家公司制订的 world fip协议。 v(2)lon worksvlon works是又一具有强劲实力的现场总线技术。它是由美国echelon公司推出并由它与摩托罗拉、东芝公司共同倡导，于1990年正式公布而形成的。它采用了iso/osi模型的全部七层通讯协议，采用了面向对象的设计方法，通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置，其通信速率为0.31.5mb/s，直接通信距离可达2700m(78kb/s，双绞线)；支持双绞线、同轴电缆、

27、光纤、射频、红外线、电力线等多种通信介质，并开发了相应的本质安全防爆产品，被誉为通用控制网络。v(3) profibusvprofibus是德国国家标准din19245和欧洲标准en50170的现场总线标准。由profibus-dp，profibus-fms，profibus-pa组成了profibus系列。dp型用于分散外设间的高速数据传输，适合于加工自动化领域的应用。fms意为现场信息规范，profibus-fms适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低压开关等。 v(4)canvcan是控制局域网络(control area network)的简称，最早由德国 bosch公司推出，用于汽

28、车内部测量与执行部件之间的数据通信。其总线规范现已被iso国际标准组织制订为国际标准。由于得到了motorola，intel，philip，siemens，nec等公司的支持，它广泛应用在离散控制领域。can协议也是建立在国际标准组织的开放系统互连模型基础上的，不过，其模型结构只有三层，即只取osi底层的物理层、数据链路层和顶层的应用层。其信号传输介质为双绞线。通信速率最高可达1mb/s(40m)，直接传输距离最远可达10km(5kb/s)。可挂接设备数最多可达110个。vcan的信号传输采用短帧结构，每一帧的有效字节数为8个，因而传输时间短，受干扰的概率低。当节点严重错误时，具有自动关闭的功

29、能，以切断该节点与总线的联系，使总线上的其他节点及其通信不受影响，具有较强的抗干扰能力。v(5)hartvhart是 highway addressable remote transducer的缩写。最早由 rosemount公司开发并得到80多家著名仪表公司的支持，于1993年成立了hart通信基金会。这种被称为可寻址远程传感器高速通道的开放通信协议，其特点是在现有模拟信号传输线上实现数字信号通信，属于模拟系统向数字系统转变过程中的过渡性产品，因而在当前的过渡时期具有较强的市场竞争能力，得到了较快发展。 2.3 工业工业pc机机v2.3.1 工业工业pc机的组成和特点机的组成和特点v工业 p

30、c(ipc)是以 pc总线(isa，vesa，pci总线)为基础构成的工业计算机。其总线结构便于维护、扩充和模块化。vipc主机结构包括：加固型机箱，无源总线底板、工业电源，all-in-one主机板、显示板、5.25in软盘驱动器，3.5in软盘驱动器；硬盘一个，cd-rom驱动器，显示器，键盘以及鼠标等。2.3.1.1工业控制机结构 v(1)19in标准工业机箱(符合iea rs-310)，全钢结构，适合工业环境，具有防电磁干扰能力。v(2)pc/at总线，或pci总线兼容的无源总线底板，有6槽、8槽、12槽、14槽、20槽几种。v(3)磁盘驱动器框架能容纳1个软盘、1个硬盘、l个cd-r

31、om驱动器。v(4)双冷却风扇分别安装在前面板及后面板电源单元中，由于前风扇为进风，后面风扇为排风，在设计上使得进风量大于排风量，从而保证了机箱内的正压力，防止灰尘侵入，也防止腐蚀性气体进入。v(5)前风扇处安装有可拆卸式过滤罩，用于空气过滤。v(6)防尘和保证运行安全的带锁门：在前面板安装一个带锁门，门内装有磁盘驱动器，电源开关，复位开关和指示灯。平常工作时将门关闭，锁好，以防止灰尘侵入，对磁盘工作予以保护，同时也防止了他人的误动作影响主机的运行，保证了运行的安全。v(7)防振可调节夹钳可调节上下高度，带有橡胶缓冲体，用于模板压紧，提高抗振能力。v(8)指示灯：1个led指示电源上电(绿色)，1个led指示键锁状态(keyboard-lock)，1个led指示硬盘驱动器在工作(红色)。v(9)电源开关(on/off)，复位开关(reset)，键盘锁键(keyboard-lock)。v(10)喇叭阻抗8。v(11)供电电源有200w