常用的工业控制计算机总线课件

第五章工业控制计算机及其接口技术5.1概述5.1.1工业控制计算机的概念与特点1.工业控制计算机的概念

一般的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。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不比较恶劣的条件下使用，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。第五章工业控制计算机及其接口技术5.1概述1.工1工业控制计算机与计算机系统相比较，具有以下主要特点：

(1)具有丰富的过程输入/输出(I/O)功能

工业控制计算机是与工业生产控制系统紧密结合，主要面向机电一体化产品和成套装置控制应用的要求，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。

工业控制计算机与计算机系统相比较，具有以下主要2(2)实时性高所谓的“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。(2)实时性高3(3)具有高可靠性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，非正常停机往往会造成还很大的损失，这就要求工业控制机可靠性尽可能的高。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。(3)具有高可靠性4(4)环境适应性强

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。

(5)有丰富的应用软件

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。(4)环境适应性强(5)有丰富的应用软件5

(6)技术综合性要求高

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。以上是工业控制计算机和其它类型计算机相比的区别(6)技术综合性要求高65.1.2微型计算机系统总线的概念

总线：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，通过它可以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数据总线、地址总线和控制总线。5.1.2微型计算机系统总线的概念总线：微型计算机系统7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。控制总线是用来确定数据总线上信息流时间序列的。微型计算机系统总线是影响计算机性能的瓶颈。

数据总线上传送的是数据信息。地址总线是单向的。控制总线是用来85.1.3常用的工业控制计算机总线

1.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。5.1.3常用的工业控制计算机总线1.IBMPC9工业标准结构ISA工业标准结构ISA102.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，而从PC/104被定义为IEEE-P996.1就可以看出，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"X3.9"的ISA总线板卡。

2.PC104总线11PC104模块PC104模块12PC104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，而这些应用场合，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，这就需要建立嵌入式PC机的标准，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受到一定的局限。PC104总线工业控制计算机的应用标准结构133.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*114)，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

3.STD总线STD总线的特点：(2)严格的标准化，广14STD9048680486DX4-100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。STD90486154.PCI总线

PCI总线由INTEL公司在1991年首先提出，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年6月1日开始生效．

PCI总线是一种高性能的32/64位总线。它具有以下几个特点：(1)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。4.PCI总线PCI总线由INTEL公司在1991年首16（2）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。

(3)PCI的开放性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．

（2）低成本(3)PCI的开放性175.2工业控制计算机产品的种类及其选择5.2.1工业控制计算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，使工业控制计算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。5.2工业控制计算机产品的种类及其选择5.2.1工业控制18(3)各类高性能I／O模板作为成熟的工业化产品与工业控制计算机配套使用，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，使工业控制计算机本身的性能指标不断得以提高，使工业控制计算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面市，使采用工业控制计算机作为节点机，再经联网组合，构成高性能集散控制系统(DCS)的方案成为可能。通过网络形式，将多台工业控制计算机相连，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。(3)各类高性能I／O模板作为成熟的工业化产品与工业控制计195.2.2工业控制计算机的种类1.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。5.2.2工业控制计算机的种类1.加固型工业控制计算机20典型产品为研华公司的6xx系列产品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216xx系列产品外形6xx系列产品外形22常用的工业控制计算机总线课件23冷却系统冷却系统24内部结构内部结构25驱动器安装架驱动器安装架26外形尺寸外形尺寸27ISA总线无源底板ISA总线无源底板28ISA+PCI总线无源底板ISA+PCI总线无源底板29CPU卡CPU卡30常用的工业控制计算机总线课件312.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。2.面板式工业控制机(PanelComputer)32常用的工业控制计算机总线课件333.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英寸--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l9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。3.工业工作站这是一种将IPC主机、显示器34常用的工业控制计算机总线课件35常用的工业控制计算机总线课件364CompactPCI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。4CompactPCI工业控制计算机CompactPC37常用的工业控制计算机总线课件38常用的工业控制计算机总线课件39常用的工业控制计算机总线课件40常用的工业控制计算机总线课件41常用的工业控制计算机总线课件42CompactPCI与传统工业PC相对比，具有以下几个特性：维护性：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,就是说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。CompactPCI与传统工业PC相对比，具有以下几个特性：43抗震性：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。抗震性：44通风性：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。通风性：455.2.3工业控制计算机的选择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5.2.3工业控制计算机的选择1选择合适的主机档次(CP465.3工业控制机接口模板及应用5.3.1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。5.3工业控