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第2章工业控制计算机(IPC),2.1工控机2.2可编程控制器2.3嵌入式系统,2.1工控机,工控机(IndustrialPersonalComputerIPC)：亦即工业控制计算机、工业计算机，是以计算机为核心的测量和控制系统，处理来自工业系统的输入信息，再根据控制要求将处理结果输出到执行机构，去控制生产过程，同时对生产进行监督和管理。工控机是指对工业生产过程及其机电设备、工艺装备进行测量与控制用的计算机，它作为一个工业控制器在工业环境中可靠运行。,2.1.1工控机IPC的组成与特点,1工控机的硬件组成常规构件：加固型工业机箱、工业电源、主板机、显示板、硬盘驱动器、光盘驱动器、各类输入/输出接口模块、显示器、键盘、鼠标、打印机等。各个部件均采用模块化结构。,构件外观图,（2）工控机的结构,硬件:主机板（CPU、内存储器）、系统总线、过程输入输出通道、人机接口、通信设备、系统支持板、磁盘系统。,主机板主机板是工业控制机的核心，由中央处理器（CPU）、存储器（RAM、ROM）和I/O接口等部件组成。主机板的作用是将采集到的实时信息按照预定程序进行必要的数值计算、逻辑判断、数据处理，及时选择控制策略并将结果输出到工业过程。,系统总线系统总线可分为内部总线和外部总线。内部总线是工控机内部各组成部分之间进行信息传送的公共通道，是一组信号线的集合。常用的内部总线有IBMPC总线和STD总线。外部总线是工控机与其它计算机和智能设备进行信息传送的公共通道，常用外部总线有RS-232C、RS485和IEEE-488通信总线。,通信接口通信接口是工业控制机与其它计算机和智能设备进行信息传送的通道。常用IEEE-488、RS-232C和RS485接口。为方便主机系统集成，USB总线接口技术正日益受到重视。,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。通过人-机接口设备，操作员与计算机之间可以进行信息交换。,输入/输出模板是工控机和生产过程之间进行信号传递和变换的连接通道。包括模拟量输入通道（AI）、模拟量输出通道（AO）、数字量（开关量）输入通道（DI）、数字量（开关量）输出通道（DO）。,系统支持系统支持功能主要包括：A监控定时器：俗称“看门狗”（Watchdog）,B电源掉电监测,C后备存储器,D实时日历时钟。,磁盘系统半导体虚拟磁盘，软盘,硬盘或USB磁盘,工业控制机的软件可分为：系统软件、支持软件、应用软件三部分。,系统软件用来管理IPC的资源，并以简便的形式向用户提供服务,工具软件是技术人员从事软件开发工作的辅助软件，包括汇编语言、高级语言、编译程序、编辑程序、调试程序、诊断程序等,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工控机的软件组成,3工控机的特点,可靠性高，实时性好，环境适应性强，丰富的输入输出模板，系统扩充性和开放性好，系统通信功能强，控制软件包功能强，冗余性,1总线概述,总线标准实际上是一种接口信号的标准和协议,2.1.2IPC的总线结构,总线分为几种：中央处理器内部的总线、计算机内部各组成部分之间的总线、计算机与外部设备之间的总线。,总线的定义：是一组传送规定信息的信号线的集合。通过它们可以把各种数据和命令传送到各自要去的地方。,总线主要功能有：数据传输、中断、多主设备支持、错误处理等。,1总线概述,总线的产生：为了使插件与插件间、系统与系统间能够正确连接，就必须对连接各插件或各系统的基础总线，制定出严格的规约，即总线标准，为各厂商设计和生产插件模块提供统一的依据。,总线的分类（1）按功能或信号类型划分，主要有三类总线：数据总线、地址总线、控制总线（2）根据总线传送信号的形式划分：并行总线、串行总线（3）根据总线的用途和应用环境划分：内部总线、外部总线,功能或信号类型总线,内部总线是指微机内部各功能模块间进行通信的总线。它是构成完整微机系统的内部信息枢纽.,2内部总线,目前应用较多的内部总线：STD总线、ISA总线和PCI总线。,（1）ISA总线介绍,20世纪80年代初期，IBM在推出微机系统IBMPC/XT时定义了一种8位数据宽度的总线结构，称为XT总线。随着IBM采用80286CPU，又定义了与XT总线兼容的16位的AT总线。ISA总线(IndustrialStandardArchitecture)即AT总线，它是在8位的XT总线基础上扩展而成的16位的总线体系结构。,ISA总线插槽ISA总线插槽有长、短两个插口。长插口有62个引脚，以A31A1和B31B1表示，分别列于插槽两侧；短插口有36个引脚，以C18C1和D18D1表示，分别列于插槽两侧。,B31,B1,A31,A1,ISA主板,（2）PCI总线,PCI总线(PeripheralComponentInterconnect，外围部件互连总线)于1991年由Intel公司首先提出，并由PCISIG(SpecialInterestGroup：一个包括Intel、IBM、Compaq、Apple和DEC等100多家公司在内的组织集团)来发展和推广。由于PCI总线先进的结构特性及其优异的性能，使之成为现代微机系统总线结构中的佼佼者，并被多数现代高性能微机系统所广泛采用。,总线宽度为32位（5V），可升级为64位（3.3V）；传输率高，总线支持无限猝发读写方式和并行工作方式；采用数据线和地址线复用结构，多路复用的引脚信号标识为AD0AD63，减少了总线引脚数；PCI总线与CPU异步工作：PCI总线的工作频率固定为33MHz，与CPU的工作频率无关，使PCI总线不受处理器的限制；提供了即插即用功能，允许PCI局部总线扩展卡和元件进行自动配置；PCI总线有5V和3V两种插槽类型，每种插槽的全部引脚号均为194(A1/B1A94/B94)，32位卡只用162号，64位卡则占用全部194号引脚。,PCI总线的主要特点,PCI卡,（3）CompactPCI总线,CompactPCI总线标准由PICMG于1995年正式发布。CompactPCI：坚实的PCI。,（4）PC/104总线,PC/104总线是一种专门为嵌入式控制而定义的工业控制总线。PC/104总线实质上就是一种紧凑型的IEEE-P996。,（5）STD总线,STD总线即StandardBus，是一种规模最小，面向工业控制，设计周密的8位系统总线。STD总线的性能特点:1）STD总线支持8位微处理器。2）总线的基本组成STD总线是一种小型的、面向工业控制及测量的总线，全部总线只有56，即：逻辑电源总线6根和辅助电源总线4根，双向数据总线8根，地址总16根，控制总线22根。3）支持多处理器系统可实现分布式、主机式及多主STD总线多处理器系统。,4）总线数据传输的控制方式:STD总线是同步总线，采用同步方式传输数据。5）中断功能:STD总线最初只定义了两根中断控制线，系统的中断功能不强。6）CMOS化7）局部总线扩展能力8）支持网络的功能9）模板尺寸:4.5英寸6.5英寸（11.4cm16.5cm），是总线一模板式测控系统中最小的，具有机械强度高、抗振动及抗冲击能力强的特点。10）可靠性高,STD-486主板,2.1.3工控机IPC的外部总线,外部总线是指用于计算机与计算机之间或计算机与其它智能外设之间的通信线路。常用的外部总线有IEEE-488并行总线、RS-232C串行总线和RS485通信总线,16条信号线和8条地线，16根信号线可分成3组：8根双向数据总线、3根数据字节传送控制总线、5根接口管理总线，均为低电平有效,（1）IEEE-488并行通信总线,（）RS-232C串行通信总线,25引脚图,9引脚图,引脚图,原理图及电气特性,由计算机到MODEM的信号DTR数据终端准备好，通知MODEM计算机已接通电源，并准备好。RTS请求发送，通知MODEM现在要发送数据。由MODEM到计算机的信号DSR数据设备准备好：通知计算机MODEM已接通电源，并准备好。CTS发送清零。通知计算机MODEM已经做好了接收数据的准备。DCD数据信号检测。通知计算机MODEM已与对端的MODEM建立连接了。RI振铃指示器。告知计算机对端的电话已经在振铃了。数据信号TXD发送数据。RXD接收数据。,信号含义,RS-485接口标准采用二线差分平衡传输,（）RS-422/RS-485串行通信接口,D,R,TTL,TTL,D,R,TTL,TTL,RS-485与RS-232C的比较,（4）通用串行总线USB(UniversalSerialBus),USB是新一代的多媒体PC机的外设接口，是用于扩充PC体系结构的工业标准。管脚定义：,（5）ARINC429总线,ARINC429总线协议是美国航空电子工程委员会1977年7月提出。ARINC429总线是数字式信息传输系统DITS。,2.1.4IPC工控机输入/输出模板,模板应具有通用性：符合总线标准可选接口地址可选输入输出方式,模板分类,（1）模拟量输入模板，（2）模拟量输出模板，（3）数字量输入输出模板，（4）其它功能模板：信号调理板、通信模板、计数器定时器模板、步进电机控制模板，（5）远程IO模块。,部分IO模板的用途对照表,1模拟量输入输出模板,（1）模拟量输入模板主要指标输入信号量程分辨率精度输入信号类型输入通道数转换速率可编程增益支持软件,（2）模拟量输出模板主要技术指标,分辨率稳定时间输出电平输入编码编程接口和支持软件,部分模拟量输入输出模板产品,2数字量输入输出模板,分类：数字量输入模板DI数字量输出模板DO数字输入输出模板DIO,部分数字量输入输出模板产品,ADVANTECH（台湾研华）,CONTEC（康泰克）,康拓公司,PCL-723,24DI，有中断,PCL-722,144DIO，TTL电平,PCL-720,PCL-725,32DI，TTL电平32DO，TTL电平,8DI，隔离8路继电器输出,PIO-16/16L（PC）H,PIO-32/32T，（PC）,PIO-48D（PC）,IPC-5132,IPC-5136,PIO-96W（PC）,IPC-5137,IPC-5387,NUDAM模块,I-7017模拟量输入模块,I-7021模拟量输出模块,2.1.5IPC工控机的主要产品,依据采用总线的不同，工控机的产品主要有:PC总线工控机、STD总线工控机、VME总线工控机IPC选型:（1）主机档次，（2）IPC机型号，（3）内存、外存配置，,工控机示意图,西门子工控机,研华工控机,工控机示意图,1工控机的组成部分,工业控制计算机的典型结构主要由以下几部分组成：,全钢机箱无源底板工业电源CPU卡其他配件,全钢机箱,工控机箱的要求：导热、抗震、电磁屏蔽。IPC的全钢机箱是按标准设计的，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。工控机箱对尺寸有较严格的要求，一般设计分为卧式和壁挂式两种，机架上有固定服务器的螺孔，以便固定。,支持母板的4U高上架式机箱主要特点:支持300WATXPFCPS/2电源前置3个半高驱动器前置USB和PS/2及I/O接口前置报警LED,研华IPC-610MB-H,“U”的含义,“U”是一种表示机架式服务器外部尺寸的单位，是unit的缩略语，详细尺寸由美国电子工业协会（EIA）决定。1U就是4.445cm，也就是说所谓“1U的PC服务器”，就是外形满足EIA规格、厚度为4.445cm的产品。将服务器放置到机架上，有利于日常的维护及管理。首先，放置服务器不占用过多空间；其次，连接线等也能够整齐地收放到机架里，可以减少堆积在地面上的连接线，从而防止脚踢掉电线等事故的发生。,无源底板,无源底板的插槽由ISA和PCI总线的多个插槽组成，ISA或PCI插槽的数量和位置根据需要有一定选择，该板为四层结构，中间两层分别为地层和电源层，这种结构方式可以减弱板上逻辑信号的相互干扰和降低电源阻抗。底板可插接各种板卡，包括CPU卡、显示卡、控制卡、I/O卡等。,无源底板图,工业电源,工控机电源为AT开关电源，平均无故障运行时间达到250，000小时。,CPU卡,IPC的CPU卡有多种，根据尺寸可分为长卡和半长卡，根据处理器可分为386、486、586、PII、PIII主板，用户可