第2章 工业控制计算机

第二章工业控制计算机计算机控制系统在工业生产过程中应用广泛，控制计算机是计算机控制系统的主要组成部分，因而如何依据不同的需求选择合适的控制计算机是实现计算机控制的基础。本章主要从以下四部分介绍工业控制计算机的结构、特点、选择和有关的总线技术：

2.1、控制计算机的主要类型；

2.2、IPC工控机的组成与特点；

2.3、IPC总线结构；

2.4、MODBUS通信协议。2.1控制计算机的主要类型控制器（计算机控制系统的主要部分）的种类主要有：

1.可编程控制器

2.可编程调节器

3.总线式工控机

4.单片微型计算机

5.嵌入式处理器 6.嵌入式微控制器 7.数字信号处理器DSP

8.ARM处理器1.可编程控制器（PLC）——是计算机技术与继电逻辑控制结合的产物： 低端为常规继电逻辑控制的替代装置， 高端为一种高性能的工业控制计算机。组成：CPU、存储器、输入组件、输出组件、电源及编程器等组成。1.可编程控制器（PLC）特点：数字运算操作的电子系统,专为工业环境下应用而设定；可编程序的存储器，在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出；应用广泛，在顺序程序控制领域中具有优势，而且在运动控制、过程控制、网络通信领域方面也毫不逊色；系统构成灵活，扩展容易，编程简单，调试容易，抗干扰能力强。外观如图2-1所示。图2-1可编程控制器2.可编程调节器可编程调节器又称单回路调节器、智能调节器、数字调节器，主要由微处理单元、过程I／O（输入/输出）单元、面板单元、通信单元、硬手操单元和编程单元等组成。外观如图2-2所示。图2-2可编程调节器3.总线式工控机总线式工控机，是基于总线技术和模块化结构的一种专用于工业控制的通用性计算机，一般称为工业控制计算机，简称为工业控制机或工控机IPC（IndustrialPersonalComputer）。总线式工控机设计特点：小型化、模板化、组合化、标准化能满足不同层次、不同控制对象的需要，又能在恶劣的工业环境中可靠地运行。应用广泛：广泛应用于各种控制场合，尤其是十几到几十个回路的中等规模的控制系统中。图2-3总线式工控机

单片微型计算机(SingleChipMicrocomputer)简称单片机，它是将CPU、存储器、串并行I/O口、定时/计数器、甚至A/D转换器、脉宽调制器、图形控制器等功能部件全都集成在一块大规模集成电路芯片上，构成了一个完整的具有相当控制功能的微控制器。具有较完善的接口，集成度高（见嵌入式微控制器）。

4.单片微型计算机5.嵌入式处理器嵌入式系统是将专用微型计算机嵌入被控设备中的专用计算机系统，适用于应用系统对体积、功能、可靠性、成本、功耗等综合性能要求严格的场合。具有以下特点：1）对实时和多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响应时间，从而使内部代码和实时操作系统的执行时间减少到最低限度。2）具有功能很强的存储区保护功能。3）可扩展的处理器结构。4）嵌入式微处理器的功耗很低。

6.嵌入式微控制器嵌入式微控制器（Micro-controllerUnit，简称MCU）一般以某种微处理器内核为核心，根据某些典型的应用，在芯片内部集成了ROM/EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时/计数器、看门狗、I/O口、串行口、脉宽调制输出、A/D、D/A、FLASHRAM、EEPROM等各种必要功能部件和外设。具有较完善的接口，集成度高。7.数字信号处理器DSP数字信号处理技术是当今的一个热门领域，世界上各大半导体公司纷纷推出适用于不同场合的DSP芯片。在控制领域，比较有代表性的是TI公司的TMS320F240x系列。具有运算功能强大、速度快的特点。8.ARM处理器ARM（AdvancedRISCMachines），既可以认为是一个公司的名称，也可以认为是对一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名词。具有界面设计灵活的特点2.2IPC工控机的组成与特点

工业控制计算机,简称工控机,也称为工业计算机IPC。（IndustrialPersonalComputer）。它主要用于工业过程测量、控制、数据采集等工作。以工控机为核心的测量和控制系统，处理来自工业系统的输入信号，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。主要内容有以下四部分:

1.工控机硬件组成

2.工控机的软件组成

3.工控机的特点

4.IPC工控机的发展方向2.2.1IPC工控机硬件组成主机板（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。图2-4工控机硬件组成结构图1.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。2.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。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。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。5.输入/输出模板输入/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）。6.系统支持系统支持功能主要包括：

①监控定时器：俗称“看门狗”（Watchdog）。②电源掉电监测：③后备存储器：④实时日历时钟7.磁盘系统半导体虚拟磁盘，软盘,硬盘或USB磁盘。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。4.通信接口2.2.2IPC工控机的软件组成软件是工业控制机的程序系统，可分为系统软件、支持软件、应用软件三部分。1.系统软件:

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。2.工具软件:

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。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。2.2.3IPC工控机的特点IPC工控机主要有以下六个特点：

1.可靠性高

2.丰富的输入输出模板

3.实时性好

4.开放性好

5.连续工作时间长

6.便于安装2.3IPC总线结构总线概述内部总线2.3.1总线概述1.标准——一种接口信号的标准和协议。2.定义：一组信号线的集合，包括引线的信号、电气、机械特性等，是微机系统内部各组成部分之间、不同的计算机之间建立信号联系，进行信息传送的通道。3.分类:内部总线（系统总线）和外部总线（通信总线）。总线按功能或信号类型可划分为三类总线：数据总线、地址总线、控制总线。4.功能：数据传输、中断、多主设备支持、错误处理等功能。2.3.2内部总线

内部总线是指微机内部各功能模块间进行通信的总线，也称为系统总线。它是构成完整微机系统的内部信息枢纽。常用的内部总线主要有STD总线、VME总线、ISA总线和PCI总线。1．STD总线2．VME总线3．ISA总线4．PCI总线1．STD总线1）、总线标准

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。1．STD总线2）、STD总线性能的特点支持8位微处理器；基本组成：小型、面向工业控制及测量，供56线；支持多处理器，分布式、主机式、多主总线式；中断功能（最初2根）；CMOS化；局部总线扩展能力；支持网络功能；模板尺寸小：4.5英寸×6.5英寸（11.4cm×16.5cm）可靠性高2．VME总线（1）VME总线，VersamodelEurocard由Motorola公司1981年推出的第一代32位工业开放标准总线，其主要特点是VME总线的信号线模仿Motorola公司生产的68000系列单片机信号线，由于其应用的广泛性被IEEE收为标准，即IEEE1014-1987,其标准文件为VMEbusspecificationRevC.1。（2）VME总线的插板一般有两种尺寸，一种是3U高度的带一个总线接口J1，高×长为100mm*160mm，另一种是6U高度的带2个总线接口J1、J2，高×长为233mm×160mm。（3）一般每块VME总线的插板上的接口J1、J2都有96针，每一个接口都是3排，按A、B、C排列，每排32针，J1一般用于直接与VME总线相连，J2的中间列用于扩展地址总线或数据总线，另外两列可由用户定义及I/O、磁盘驱动及其他外设等。因此VME总线已对未来的应用扩展预留了信号针，这也是VME总线将来可以灵活升级的原因。3．ISA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。后来，在大多数Pentium系列的PC机主板上仍保留3～4个ISA总线扩充槽，即可以插入8位ISA卡，又可以插入16位ISA卡。

ISA总线插槽有一长一短两个插口，长插口有62个引脚，以A31～A1和B31～B1表示，分别列于插槽的两面；短插口有36个引脚，以C18～C1和D18～D1表示，也分别列于插槽的两面。ISA总线插槽如图所示。ISA总线插槽4．PCI总线

PCI总线（PeripheralComponentInterconnect，外围部件互连总线）具有先进的结构特性及其优异的性能，是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。（1）PCI总线的主要特点：

1）传输率高；

2）采用数据线和地址线复用结构，减少了总线引脚数；

3）总线支持无限猝发读写方式和并行工作方式；

4）总线宽度为32位（5V），可升级为64位（3.3V）；

5）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；

6）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。（2）PCI总线的功能特性：连接到PCI总线上的设备分为两类：主控设备（Master）和目标设备（Target）。PCI支持多主控设备，主控设备可以控制总线、驱动地址、数据及控制信号；目标设备不能启动总线操作，只能依赖于主控设备向它进行传递或从中读取数据（3）PCI总线引脚信号定义，如图2-9所示。图2-9PCI总线引脚2.3.3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。1．IEEE-488并行通信总线２．RS-232C串行通信总线3．RS-485标准总线

图2-10IEEE-488并行通信总线

1．IEEE-488并行通信总线目前RS-232C是PC机与通信工业中应用最广泛的一种串行接口，在IBMPC机上的COM1、COM2接口就是RS-232C接口。利用RS-232C串行通信接口可实现两台个人计算机的点对点的通信；通过RS-232C口可与其他外设（如打印机、智能调节仪、PLC等）近距离串行连接；通过RS-232C口连接调制解调器可远距离地与其他计算机通信；将RS-232C接口转换为RS-422或485接口，可实现一台个人计算机与多台现场设备之间的通信。２．RS-232C串行通信总线

RS-232标准定义了主、辅两个通信信道，辅助信道的传输速度比主信道低，其他功能与主信道相同。在实际应用中，通常只使用一个主通信信道，因此就产生了简化的。RS-232的9针D型插头，如图2-11所示。RS-232C的连接插头早期用25针EIA连接插头座，现在用9针的EIA连接插头座，引脚分配如表如表2-1所示：包括数据线、状态线、联络线。

端脚方向符号功能25针9针23输出TXD发送数据32输入RXD接收数据47输出RTS请求发送58输入CTS为发送清零66输入DSR数据设备准备好75GND信号地81输入DCD数据信号检测204输出DTR229输入RI表2-1RS-232C串行口的针脚功能（1）RS-232C接口连接器图2-11DB9串口连接器

RS-232C采用负逻辑电平，发送数据时，发送端输出的逻辑“0”表示正电平（+5V～＋15V），输出的逻辑“1”表示负电平（-5V～-15V）。接收数据时，接收端接收+5V～+15V高电平表示逻辑“0”，-5V～-15V低电平表示逻辑“1”。

RS-232C的噪声容限是2V(因发送电平和接收电平的差为2V)，共模抑制能力较差。可见，电路可以有效地检查出传输电平的绝对值大于3V的信号，而介于-3～+3V之间的电压信号和低于-15V或高于+15V的电压信号认为无意义。因此，实际工作时，应保证电平的绝对值在(3～15)V之间。表2-2RS-232C接口电气特性状态-15V<V1<5V+5V<V1<+15V逻辑状态10信号条件（数据线上）传号（MARK）空号（SPACE）功能（控制线上）OFFON（2）RS-232C接口电气特性

RS-232C是用正负电压来表示逻辑状态，与TTL以高低电平表示逻辑状态的规定不同，因此，为了能够同计算机接口或终端的TTL器件连接，必须在RS-232C与TTL电路之间进行电平和逻辑关系的变换，实现这种变换的方法可用分立元件，也可用集成电路芯片，如图2-12所示。图2-12RS-232C与TTL的电平转换（3）RS-232C与TTL的电平转换（4）RS-232C的不足1）接口信号电平值较高，易损坏接口电路芯片，且与TTL电平不兼容，需使用电平转换电路才能与TTL电路连接。2）采用单端驱动、单端接收的单端双极性电路标准，一条线路传输一种信号。发送器和接收器之间具有公共信号地，共模信号会耦合到信号系统。对于多条信号线来说，这种共地传输方式抗共模干扰能力很差，尤其传输距离较长时会在传输电缆上产生较大压降损耗，压缩了有用信号范围，在干扰较大时通信可能无法进行，故通信速度和距离不可能较高。3）传输速率较低，在异步传输时，波特率最大为19200bps。4）传输距离有限，最大传输距离只有15米左右。

RS-485的工作方式为半双工，在某一时刻，一个发送另一个接收。RS-485的一个发送器可驱动32个接收器，总线上可连接多至32个驱动器和接收器，并且可采用二线。采用二线工作方式时可有多个驱动器和接收器连接至单总线，并且其中任何一个均可发送或接收数据。RS-485的二线工作方式连线简单，成本低，因此在工业控制及通信联络系统中使用普遍。表2-3是RS-485与RS-232C的比较。表2-3RS-485与RS-232C的比较接口RS-232CRS-485工作模式单端发，单端收双端发，双端收连接台数1台驱动器，1台接收器32台驱动器，32台接收器传输距离与速率15m，20kbps12m,10Mbps；120m，1Mbps；1200m，100kbps驱动器输出（最大电压值）±25V-7V～+12V驱动器输出（信号电平）±5V(带负载)±15V(未带负载)±1.5V（带负载）±5V(未带负载)驱动器负载阻抗3～7kΩ54Ω示意图3．RS-485标准总线2.4MODBUS通信协议概述两种传输方式MODBUS消息帧错误检测方法MODBUS的编程方法

MODBUS协议是应用于PLC或其他控制器上的一种通用语言。通过此协议，控制器之间、控制器通过网络（如以太网）和其他设备之间可以实现串行通信。该协议已经成为通用工业标准。采用MODBUS协议，不同厂商生产的控制设备可以互连成工业网络，实现集中监控。

2.4.1概述1．MODBUS网络上传输标准的MODBUS接口使用RS-232C和RS-485串行接口，它定义了连接器的引脚、电缆、信号位、传输波特率、奇偶校验。控制器能直接或通过调制解调器组网。2．其他类型网络上传

在其他网络上，控制器使用“对等”技术通信，任何控制器都能初始化和其他控制器的通信。这样在单独的通信过程中，控制器既可作为主设备也可作为从设备。提供的多个内部通道可允许同时发生的传输进程。

控制器能设置为两种传输模式（ASCII或RTU）中的任何一种在标准的MODBUS网络通信。用户选择想要的模式，包括串口通信参数（波特率、校验方式等），在配置每个控制器的时候，在一个MODBUS网络上的所有设备都必须选择相同的传输模式和串口参数。RTU模式如表2-4所示。表2-4RTU模式地址功能代码数据长度数据1···数据nCRC高字节CRC低字节2.4.2两种传输方式

两种传输模式中（ASCII或RTU），传输设备可以将MODBUS消息转为有起点和终点的帧，这就允许接收的设备在消息起始处开始工作，读地址分配信息，判断哪一个设备被选中（广播方式则传给所有设备），判断何时信息已完成。使用RTU模式，消息发送至少要以3.5个字符时间的停顿间隔开始。在最后一个传输字符之后，一个至少3.5个字符时间的停顿标注了消息的结束，一个新的消息可在此停顿后开始。一个典型的消息帧如表2-5所示。表2-5RTU消息帧起始位设备地址功能代码数据CRC校验结束符T1-T2-T3-T48bit8bitN个8bit16bitT1-T2-T3-T42.4.3MODBUS消息帧

标准的MODBUS串行网络采用两种错误检测方法。奇偶校验对每个字符都可用，帧检测（LRC或CRC）应用于整个消息。它们都是在消息发送前由主设备产生的，从设备在接收过程中检测每个字符和整个消息帧。

2.4.4错误检测方法2.4.5MODBUS的编程方法由RTU模式消息帧格式可以看出，在完整的一帧消息开始传输时，必须和上一帧消息之间至少有3.5个字符时间的间隔，这样接收方在接收时才能将该帧作为一个新的数据帧接收。另外，在本数据帧进行传输时，帧中传输的每个字符之间必须不能超过1.5个字符时间的间隔，否则，本帧将被视为无效帧，但接收方将继续等待和判断下一次3.5个字符的时间间隔之后出现的新一帧并进行相应的处理。因此，在编程时首先要考虑1.5个字符时间和3.5个字符时间的设定和判断。在RTU模式中，1个字符时间是指按照用户设定的波特率传输一个字节所需要的时间。例如，当传输波特率为2400bps时，1个字符时间