机电一体化工业控制机

1、42工业控制机2.1工业控制机的种类与选择 2.1.1工业控制机概述工业控制机也称工业计算机IPC(lndustrialPersonal Computer) o:它主要应用于工业过程测量、控制、数据采O: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。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： (1)特殊设计的高可靠性电源装置，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； (2)

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； (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； (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。(5)采用标准化部件，元器件经过严格筛选，确保整机质量。: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。:美国IBM、ICS、Intel、Action> Motorola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 (Adv

3、antech)>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。典型的工控机系统的组成部分有：召(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。 (2)输入菽口模板：包括模拟量输入、数字量输入、频率量输入等。 (3)输岀接口模块：包括模拟量输出、数字量输出、脉冲量输岀等。 (4)通讯接口模板：包括串行通信接口模板(RS232、RS-422. RS-485 *)写阀络通信秩板(Arcnet网板或Ethernet询板)，还需呢现场总线通信 板等。 (5)信号调理单元：对工业现场各类输入信号进行预

4、处理，包括对输入信 写的隔离、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， 二0殳貝右独立的机箱、供电电源、接线端子。现场输入输出信号可直接 连接到/言号调理檢贞的端了上。审鱷船II劉加艸a魁现縱护控PROFI BUS、BIT LINK总线以及RS-485串行通信总线等。彳壬务槟作系统。主机通倍|棋姒*输人H慣拟董禹II抚丰st辅人丨就丰惟输和现场信号 执行部件 现场信号按行部件局城陶|腔挖级网堵通怕显眾器工控机主执打卬机°II>RS-4SSII _J£ | w jV远程采集模決工控机系统构成原理

5、图2.1.2工业控制机的分类按业控制机的总线分类： (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 WL,其总线类型有：ISA总线、VESA局部总线(VLBUS)、PCI总线、 PC104总线等，主机CPU类型有80386、80486、Pentium等。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。以Intell控机为代表，主机CPU(3)VME总线工控机：采用VEM总线，主机CPU类型以Motolora公司的 M68000、M68020、M68030为主。 (4)多总线工控机:采

6、用MultBus总线, 类型有80386、80486、Pentium等。按工业控制机结构形式分： (1)普通结构工业控制机(图2-2)。 (2)盒式工控机(Box-PC)(ffi2-3)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。超薄工业控制机(Panel-PC)此外还有工业笔记本电脑、便携工业电脑等。鼻 新型工业控制计算机，如IPC90,其特点是：:Windows监控Hi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。:. (2)VMEli结构与PC总线相结合：采用VME直插

7、式结构。每一模块均 制有小型的指示面板，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。 (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 轨、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。« (4)1 PC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, 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P

8、LC样方便。(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 2各模块(IEEE 8902.3协议)和固化程序，便于连网操作。其本:i已可独立 构成功罷强犬的系统，通过连网可构成更大、功能更强的控制系统。213工业控制机的选择在工控机的选择上主要应该考虑的问题: 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式(3)内存、外存配置2.2工业控制机的总线: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。: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，:这些信息包括地址、数据和控制信息，所对 应的总线为地址

9、总线AB、数据总线DB以及 控制总线CB。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 所连各部彳牛。）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，（ 为双向传送总灸。薮振总發一展由8根、16根、32根歲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。控制总线CB上传输的一般为辅助完成各项操作的控制信号， 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 STD总线(Standard

10、 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。特点;i'、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；对于匸 业控制机，小型化是发展潮流。STD总线采用功能模板概念，即按功能划分模板。一台I】业控制计算机按功能划分成CPU板、存储器 板、A/D板、D/A板，以及开关输入/输出等功能模板，不同用户根据各口应用系统的功能要求选

11、择不同 的功能模板组装各口的应用系统。一STD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； m 口应旳加r 口飭歪亜必幣夂铀丁h台匕腊心口舲祁，像搭积木一样拼装口己的控制系统。开放式的系鑼 维修时间小于5min。xj、构也提嵩了勺(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。J 衿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, 果辭篦霉遞篠翱不華詡鶴

12、甑蔬端鱒黔魏来總釐幕疆蠶发展聾 因之一。X(3) 而向I/O的设计，非常适合匸业控制应用：许多高性能的总线(如VMEBus、MultBus、Furturebus 等)鬓总线设计是而向系统性能的提高，即提高系统的吞吐量或处理能力，STD总线是而向I/O的总线系 统。许多总线只有很少的I/O扩展能力,IBMPC/XT/AT也只有儿个I/O扩展槽。例如，一个底板上其室： 可以有20块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口行设计

13、。拥有众多I/O功能的支持，这是STD总线的优势之一。高可靠性：STD总线作为业标准的微机总线具有很高的可靠性。为了适应匚业控制的恶劣环境， 产品的卬制布线、兀器件老化筛选、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。52.2.2 IBM PC总线和AT总线 PC总线类型有：XT总线、ISA总线、EISA总线、VESA总线(VL-BUS)以及PCI总线。 ISA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/s0 EISA(Extend Industria

14、l 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/So当前PC机主要以ISA总线(AT总线)、PCI总线为主流，这主 要有以下儿个方面的理由： (1)I8A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。 (2)ISA总线已被绝大多数工业PC机人员所接受和掌握，这是 箕发展的人才来源。 (3)ISA总线性能基本能够满足多数工业控制领域的需求。 (4)QA匮线产品价格便宜，这容易被大多数工控系统设计人 员崭接受。(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.

15、3 PCI总线 PCI总线的英文全称为PeripheralComponent Interconnect Special InterestGroup,简写为PCISIG,也称为外部设备互 连。PCI局部总线具有如下特点。高性能PCI是套整体的系统解决方案，不仅可以捉高网络接口卡和破盘等设备的性能，还能满足全沾动影像、图形及各种离速外用设备的要求=PCI 局部总线以33MHZ的时钟频率操作，采用32位数据总线，可支持多组外閘部件及附加卡,数据传送速率可达132Mb/So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/sc线性突发传输驚總m耽妣険、鳩縣細讎脇瞇翻

16、1廉理綁谛翳澀1敝pci 支；可以从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，这对使用岛性能却形设备尤为重要：(3)减少存取延迟区勰齬錫錢絲籍罷霍譎籀翳黔的允许,从而使以太网接口卡往往无法及时在缓冲区溢出对于支持PCI总线的设备,可减小存取延迟,能够人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 部网络的以人网控制器，其缓冲区随时需要从网络接收Ahi： 之前迅速将数据送给中央处理器m im二采用总线主控和同步操作PCI总线所八仃的主控和同步操作功能仔利捉高PCI总线性能。总纟戈上控是人女数总线都具有的功能，h的是让任何个具有处理能力的外皿

17、设备暂时接管总线，以加速执行岛吞吐比高优先级的任务° pci总建独特的同步操作功能町保证微处理器能够9这业总线丄控器同时操作，而 不必辱待后者的完成。(5)不受处理器限制PCI总线以种独特的中间缓冲器方式，独立于处理器，并将中央处理器广系统9外曲设备分开。般來说，在中央处理总线上增加更多的设备 鹦购歸飜孚齬餐輟胡麻魏總勰謀缆辺麗矚魏怨讎施耀叙勲魏鞍継紆不同椚频率下 (6)适用于各种机型:PCI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。在服务器环境卜，PCI总线具有支持分级式外 围设备

18、的特性，可使一个PCI接口支持一组级连的PC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。(7)兼容性强 PCI总线与ISA、EISA及MCA总线完全兼容，方便用户选用外围设备。 (8)预留扩展空间PCI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还提供了口动 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。 (9)低成木、高效率:PCI的芯斥采用超大规模集成电路，节省布线空

19、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以卜。 (10)向前扩展性PCI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。 ( (1)现场总线系统的结构特点:现场总线系统打破了传统控制系统的结构形式。传 统模拟控制系统采用一对一的设备

20、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。(2)现场总线系统的技术特点现场总线系统在技术上具有以下特点： 系统的开放性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，是拒它可以与世界上任何地方遵守 和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 貂議錢总鼬驕關鯛瞬蠶莲蠢匸二二-:二 互可操作性与互用性 现场设备的智能化与功能自治性 系统结构的岛度分

21、散性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律篦琴番送彳嶽栗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系，简化了系统结构，捉高了可壽性。对现场环境的适应性蔚猗鉀翻熬作辭矗聽輟黔总釦蠶勰魏魏蠶甕翩薜蠶曼碣磐、射现场总线的优点lit；鵜魁勰跚蠶鯛复杂接线述可以用工控PC机作为操作站，从诵省了-大笔硬节省女装费用：现场总线系统的接线分简单，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I

22、作量也犬大减少。当需要增加现场 松*2仏1 亍需增设新的电缆，妙就近连接在原直的电缆上，既节省了投资，也减少了设计、安装的 一工程酹测量资料表明，可¥约晏婆费用60%以上。型试验节省维护开销：由于现场控制设备具有口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，缩短了维护停匸时间，同时由于系统结构简化，连线简单而减少了维护工作量。用户具有高度的系统集成主动权：用户可以口展。使系右选择不同厂商所提供的设备来集成系统。避免因选择 争范乩 不会为系统集成中不兼容的协议、接口血一筹 勺手中。

23、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 了测星与控制的精确度，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。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:基金会现场总线: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Fisher- Rosemount 公司为首，联合Foxboro、横河、 ABB、西门子等8

24、0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。 (2)Lon Works Lon 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 031.5Mb/s，直接通信距离可达2700m(78Kb/s,双绞线)； 支持双绞线、同轴电缆、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

25、，被誉为通 用控制网络。 (3) PROFIBUSPROFIBUS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。 (4)CAN CAN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

26、际标准组织制订为国际标准。由于得到了 Motorola, Intel, Philip, Siemens, NEC等公司俯支持，它广泛应用在 离散控制领域。CAN拣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 据链路层和顶层的廊用层。其信号传输介质为双绞线。通佶速WiW可 迭1Mb/s(40m),直接传输距禺最远可达10km(5Kb/s)o可崔接设备数最 多可达110个。 CAN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，具有自动关闭的功能， 以切断该节点与总线的联系，使总线

27、上的其他节点及其通信不受影响， 具有较强的抗千扰能力。 (5)HARTHART是 Highway Addressable Remote得到80多家著名仪表公司的支持，于1993年成立了Transducer的缩与。最早由Rosemount公司开发并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，得到了较机发展。2.3工业PC机2.3.1工业PC机的组成和特点:工业 PC(IPC)是以 PC总线(ISA, VESA, PCI总线)

28、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。 IPC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。2.3.1.1X业控制机结构 (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。:.(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。 (3)磁盘驱动器框架能容纳1个软盘、1个硬盘、I个CD-ROM驱动器。(4)双冷却风扇分别安装在询而板及后而

29、板电源单元中，由于前风扇为进风，后而风扇为排风，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。 (5)前风扇处安装有可拆卸式过滤罩，用于空气过滤。« (6)防尘和保证运行安全的带锁门：在前而板安装一个带锁门，门内装有磁盘驱动器，电源开关，复位 开关和指示灯。平常匸作时将门关闭，第好，以防止灰尘侵入，对磁盘工作予以保护，同时也防止了他 人的误动作影喇圭机的运行，保证了运行的安全。(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。(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)。 (9)电源开关(ON/OFF),复位开关(RESET),键盘锁键(Keyboard-lock)。 (10)喇叭阻抗80。:(11)供电电源有200w、250w、300w等工业开关电源.输出十5V： 30A, -5V： 0.5A, +12V： 12A,