工业控制计算机基本构造原理

1、工业控制计算机基本构造原理,一、何为工控机,工控机（Industrial Personal Computer，IPC） 工业控制计算机，是一种采用总线结构，对生产过程及机电设备、工艺装备进行检测与控制的工具总称。,一、何为工控机,工控机具有重要的计算机属性和特征: 如具有计算机CPU、硬盘、内存、外设及接口，并有操作系统、控制网络和协议、计算能力、友好的人机界面。 工控行业的产品和技术非常特殊，属于中间产品，是为其他各行业提供可靠、嵌入式、智能化的工业计算机。,二、工控机的组成与特点,1、工控机的硬件组成,2.1 工控机的硬件组成,（1）主机板 由中央处理器（CPU）、存储器（RAM、ROM）

2、等部件组成，主机板是工控机的核心。 （2）系统总线 系统总线分为内部总线和外部总线。 内部总线：工控机内部各组成部分进行信息传输的通道，是一组信号线的集合（PC系列总线、PCI总线）。 外部总线：是工控机与其他计算机或者智能设备进行信息传送的公共通道（RS-232C、RS-485等）。 （3）人机接口 人机接口包括显示器、键盘、打印机以及专用操作显示台等。,2.1工控机的硬件组成,（4）系统支持板 监控定时器：“看门狗”（Watchdog）； 电源掉电检测； 保护重要数据的后备存储器； 实时日历时钟； （5）磁盘系统 可用半导体虚拟磁盘，也可以用通用配置的机械硬盘。 （6）通信接口 通信接口是

3、工控机与其他计算机或者智能设备进行信息传送的接口（ RS-232C、RS-485接口、USB接口）。,2.1工控机的硬件组成,（7）输入/输出通道（I/O） 输入/输出通道是工控机和生产过程之间信号传递和变换的连接通道。 包括：模拟量输入（AI）通道、模拟量输出（AO）通道、数字量（或开关量）输入（DI）通道、数字量（或开关量）输出（DO）通道。 （8）其他硬件组成 加固型工业机箱、工业电源、打印机等。,2.1工控机的硬件组成-主要配件,工控机机箱： 全钢机箱（一般0.81.2mm厚度）是按标准设计的，抗冲击、抗振动、抗电磁干扰，内部可安装同PC-bus兼容的无源底板。 （一）高度一般分1U（

4、44mm*430mm*XX），2U（88mm*430mm*XX），3U，4U，5U，6U，7U，8U等，一个1U的高度是44mm，其他高度依次类推； （二）长度：国际标准的长度有两种450mm与505mm，根据客户的具体要求还可以扩分其他长度，比如：480mm，500mm，520mm，530mm，600mm等,2.1工控机的硬件组成-主要配件,电源： 早期在以Intel 奔腾处理器为主的之前的工控机主要使用为AT开关电源，与PC机一样主要采用的是ATX电源，平均无故障运行时间达到250，000小时。,2.1工控机的硬件组成-主要配件,无源底板： 是为各种板卡包括主板卡、显卡、声卡、网卡等）提供

5、电源的。 日常维护要注意三点：不能在底板带电的情况下拨插板卡，插拨板卡时不可用力过猛，过大，用酒精等清洗底板时，要注意防止工具划伤底板。插槽内不能积灰尘，否则会导致接触不良，甚至短路。,2.1工控机的硬件组成-主要配件,主板： 工控机主板是专为在高、低温特殊环境中，长时间运行而设计的，它在运用中所要注意的是：不能带电插拨（内存条，板卡后面的鼠标、键盘等），带电插拨会导致插孔损坏，不能用，严重的甚至会使主板损坏。,2.1工控机的硬件组成-主要配件,主板：,2.1工控机的硬件组成-主要配件,主板：,串行接口 (串口) ：是指数据一位一位地顺序传送，其特点是通信线路简单，只要一对传输线就可以实现双向

6、通信， 并行接口（并口）：指采用并行传输方式来传输数据的接口标准。数据的各位同时进行传送，其特点是传输速度快，但当传输距离较远、位数又多时，就导致通信线路复杂且成本提高。,2.1工控机的硬件组成-主要配件,CPU： 多采用的是桌面式系统处理器，如早期的有386486586PIII，现主流为P4、酷睿等处理器，部分高端应用下会应用至强（Xeon）处理器、安腾（Itanium）处理器，用户可视自己的需要任意选配。,2.1工控机的硬件组成-主要配件,硬盘（2.5英寸、3.5英寸）： 硬盘接口分为IDE、SATA、SCSI、光纤通道和SAS五种。不要随意拆卸硬盘,避免振动、挤压。尽量不要在硬盘运行时关

7、闭计算机电源，这样突然关机会导致硬盘磁道损坏，数据丢失。不要随意触动硬盘上的跳线装置。,2.1工控机的硬件组成-主要配件,内存（随机存储器RAM）： 内存又称主存，是CPU能直接寻址的存储空间，由半导体器件制成。内存的特点是存取速率快。现在主流内存为DDR3、DDR4。,2.1工控机的硬件组成-主要配件,2.1工控机的硬件组成-主要配件,2.1工控机的硬件组成-常见外形,2.1工控机的硬件组成-常见外形,2.2 工控机的软件组成,（1）系统软件 系统软件包括实时多任务操作系统、引导程序、调度执行程序。 例如：iRMX86实时多任务操作系统、VRTX/OS嵌入式实时多任务操作系统、Windows

8、操作系统等。 （2）支持软件 介于操作系统软件和应用软件之间，为了解决当前操作系统下应用软件的使用性和兼容性。是一类软件的泛称。包括：汇编语言、高级语言、编译程序、调试程序、诊断程序等。 （3）应用软件 应用软件是系统设计人员针对某个生产过程而编制的控制和管理程序。通常包括过程输入输出程序、过程控制程序、人-机接口程序、打印显示程序和公共子程序等。,2.3 工控机的特点,可靠性高 实时性好 环境适应性强 输入/输出模板配套好 系统通信功能强 系统扩充性和开放性好 控制软件包功能强 后备措施齐全和具备冗余性,三、工控机主要类别,工业控制计算机的主要类别有： IPC（PC总线工业电脑） PLC（可

9、编程控制器） DCS（分散型控制系统） FCS（现场总线系统） CNC（数控系统）,3.1 IPC（即基于PC总线的工业电脑）,主要的组成部分为工业机箱、无源底板及可插入其上的各种板卡组成，如CPU卡、I/O卡等。并采取全钢机壳、机卡压条过滤网，双正压风扇等设计及EMC（electro magnetic compatibility）技术以解决工业现场的电磁干扰、震动、灰尘、高/低温等问题。,3.1 IPC（即基于PC总线的工业电脑）,IPC特点： 可靠性：工业PC具有在粉尘、烟雾、高/低温、潮湿、震动、腐蚀和快速诊断和可维护性，其MTTR（平均故障恢复时间）一般为5min，MTTF（平均故障间

10、隔（失效）时间）10万小时以上，而普通PC的MTTF仅为1000015000小时。 实时性，工业PC对工业生产过程进行实时在线检测与控制，对工作状况的变化给予快速响应，及时进行采集和输出调节（看门狗功能这是普通PC所不具有的），遇险自复位，保证系统的正常运行。,3.1 IPC（即基于PC总线的工业电脑）,IPC特点： 扩充性，工业PC由于采用底板+CPU卡结构，因而具有很强的输入输出功能，最多可扩充20个板卡，能与工业现场的各种外设、板卡如与道控制器、视频监控系统、车辆检测仪等相连，以完成各种任务。 兼容性，能同时利用ISA与PCI及PICMG资源，并支持各种操作系统，多种语言汇编，多任务操作

11、系统。,3.1 IPC（即基于PC总线的工业电脑）,3.1 IPC（即基于PC总线的工业电脑）,3.1 IPC（即基于PC总线的工业电脑）,3.2 可编程序控制器（PLC）,PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作电子系统。它采用一种可编程的存储器，在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，通过数字式或模拟式的输入输出来控制各种类型的机械设备或生产过程。,3.2可编程序控制器（PLC）,可编程控制器是计算机技术与自动化控制技术相结合而开发的一种适用工业环境的新型通用自动控制装置，是作为传统继电器的替换产品而出现的。 随着微电子技术和计算机技术的迅猛发展

12、，可编程控制器更多地具有了计算机的功能，不仅能实现逻辑控制，还具有了数据处理、通信、网络等功能。由于它可通过软件来改变控制过程，而且具有体积小、组装维护方便、编程简单、可靠性高、抗干扰能力强等特点，已广泛应用于工业控制的各个领域，大大推进了机电一体化的进程。,3.2可编程序控制器（PLC）,PLC控制器本身的硬件采用积木式结构，有母板，数字I/O模板，模拟I/O模板，还有特殊的定位模板，条形码识别模板等模块，用户可以根据需要采用在母板上扩展或者利用总线技术配备远程I/O从站的方法来得到想要的I/O数量。,PLC在实现各种数量的I/O控制的同时，还具备输出模拟电压和数字脉冲的能力，使得它可以控制

13、各种能接收这些信号的伺服电机，步进电机，变频电机等，加上触摸屏的人机界面支持，PLC可以满足在过程控制中任何层次上的需求。,3.3 分布式控制系统（DCS）,分布式控制系统（DCS，Distributed Control System）是一种高性能、高质量、低成本、配置灵活的分散控制系统系列产品，可以构成各种独立的控制系统、分散控制系统DCS、监控和数据采集系统（SCADA），能满足各种工业领域对过程控制和信息管理的需求。系统的模块化设计、合理的软硬件功能配置和易于扩展的能力，能广泛用于各种大、中、小型电站的分散型控制、发电厂自动化系统的改造以及钢铁、石化、造纸、水泥等工业生产过程控制。,3.

14、4 现场总线系统（FCS）,现场总线系统（FCS，Fieldbus Control System）是全数字串行、双向通信系统。系统内测量和控制设备如探头、激励器和控制器可相互连接、监测和控制。在工厂网络的分级中，它既作为过程控制（如PLC，LC等）和应用智能仪表（如变频器、阀门、条码阅读器等）的局部网，又具有在网络上分布控制应用的内嵌功能。由于其广阔的应用前景，众多国外有实力的厂家竞相投入力量，进行产品开发。现今，国际上已知的现场总线类型有四十余种，比较典型的现场总线有：FF，Profibus，LONworks，CAN，HART，CC-LINK等。,3.4现场总线系统（FCS）,现场总线系统（

15、FCS）是连接智能现场设备和自动化系统的全数字、双向、多站的通信系统。主要解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题 。,3.4 现场总线系统（FCS）,现场总线的本质体现在以下六个方面： 现场通信网络 用于过程自动化和制造自动化的现场设备或现场仪表互连的现场通信网络。 现场设备互联 依据实际需要使用不同的传输介质把不同的现场设备或者现场仪表相互关联。 互操作性 用户可以根据自身的需求选择不同厂家或不同型号的产品构成所需的控制回路，从而可以自由地集成FCS。,3.4现场总线系统（FCS）,分散功能块 FCS 废弃了D

16、CS 的输入/输出单元和控制站, 把DCS 控制站的功能块分散地分配给现场仪表, 从而构成虚拟控制站，彻底地实现了分散控制。 通信线供电 通信线供电方式允许现场仪表直接从通信线上摄取能量, 这种方式提供用于本质安全环境的低功耗现场仪表, 与其配套的还有安全栅。 开放式互联网络 现场总线为开放式互联网络，既可以与同层网络互联，也可与不同层网络互联，还可以实现网络数据库的共享。,3.5 数控系统（CNC）,数控系统（CNC，Computer numerical control），中文全称为计算机数字控制系统。 根据计算机存储器中存储的控制程序，执行部分或全部数值控制功能，并配有接口电路和伺服驱动装

17、置的专用计算机系统。 采用微处理器或专用微机的数控系统，由事先存放在存储器里系统程序（软件）来实现控制逻辑，实现部分或全部数控功能，并通过接口与外围设备进行联接，称为计算机数控，简称CNC系统。,3.5 数控系统（CNC）,数控机床是以数控系统为代表的新技术对传统机械制造产业的渗透形成的机电一体化产品。 其技术范围覆盖很多领域： 1）机械制造技术； 2）信息处理、加工、传输技术； 3）自动控制技术； 4）伺服驱动技术； 5）传感器技术； 6）软件技术等。,四、工业控制计算机的总线结构,2. 总线式工业控制计算机的优点：,3. 工控机的应用：,设计标准化、生产模块化、维护方便,可靠性高、实时性好

18、、功能丰富、配套完善、 扩充灵活、开发周期短,中小型控制系统中担当主要控制装置； 作为大型网络控制系统中最基层的一种控制单元。,1. 计算机总线的特点：,引言,4.1总线结构概述,总线概述 总线是一组信号线的集合，是连接一个或多个部件的一组电缆的总称，是一种传送规定信息的公共通路，它定义了各引线的信号、电气和机械特性。通常包括地址总线、数据总线和控制总线 利用总线可以实现芯片内部、印制电路板各部件之间、机箱内各模板之间、主机与外部设备之间或系统与系统之间的连接与通信。,4.1总线结构概述,总线标准 总线是指芯片之间、模板之间及系统之间，通过总线进行连接和传输信息时，应遵守的一些协议和规范。总线

19、标准包括硬件和软件两个方面。 不同的标准，形成不同类型和同一类型不同版本的总线。,4.1总线结构概述,总线结构连接的优越性 系统结构由面向CPU变为面向总线 有利于硬件、软件模块化设计与生产 结构清晰，便于灵活组态、扩充、改进、升级和维护 符合同一总线标准的产品兼容性强 满足用户不同需要，容易构成各种用途的计算机系统,4.2 总线的分类,3.内部总线,内部总线是指总线式计算机系统内部各个功能模板之间的信息通路，通过机箱内的无源底板插槽，完成系统内各插件模板之间的信息传送，因此称为板级总线，也常称为系统总线。,通常意义下的计算机总线概念即是指系统总线。采用系统总线标准设计、组装的计算机模板与设备

20、的兼容性很强。因接插件的机械尺寸、各引脚的信号定义、逻辑关系、时序要求和驱动能力等都遵守统一总线标准。,4.2 总线的分类,4.外部总线,并行总线的特点是多位数据同时传输，其优点是传输速度快、接口简单；缺点是电缆线数多、成本较高。,计算机系统与系统之间或计算机系统与外设之间的信息通路，常称为通信总线。,串行总线的特点是多位数据一位一位地顺序传输，其优点是电缆线数少、适合于远距离通信；缺点是传输速度慢、接口复杂。,5.现场总线,用于过程自动化和制造自动化最底层的现场设备或现场仪表互连的通信网络，是现场通信网络与控制系统的集成。,4.2 总线的分类,4.外部总线,并行总线的特点是多位数据同时传输，其优点是传输速度快、接口简单；缺点是电缆线数多、成本较高。,计算机系统与系统之间或计算机系统与外设之间的信息通路，常称为通信总线。,串行总线的特点是多位数据一位一位地顺序传输，其优点是电缆线数少、适合于远距离通信；缺点是传输速度慢、接口复杂。,5.现场总线,用于过程自动化和制造自动化最底层的现场设备或现场仪表互连的通信