第二章 工业控制计算机

《课程名称》课件第2章工业控制计算机《计算机控制技术》走信息路读北邮书

2.1

工控机2.2

可编程控制器2.3

单片微型计算机工控机2.12.1.2工控机的总线结构2.1.1

工控机的组成与特点2.1.3工控机I/O模块2.1.4工控机的主要类型及其选型可编程控制器2.22.2.2

可编程控制器的基本结构2.2.1

可编程控制器的特点与分类2.2.3可编程控制器产品单片微型计算机2.32.3.2

单片机特性及应用系统2.3.1

单片机的特点与发展趋势2.3.3

单片机产品与选择工控机的组成与特点2.1.1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。典型的工控机由加固型工业机箱、工业电源、主机板、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、打印机等组成。工控机硬件组成1图2.2工控机的硬件组成⑵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。

⑴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。⑶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。

⑷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。

⑸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）。

⑹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⑺磁盘系统:半导体虚拟磁盘，软盘,硬盘或USB磁盘

工控机的软件组成2⑴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。包括实时多任务操作系统、引导程序、调度执行程序，如美国Intel公司的iRMX86实时多任务操作系统。除了实时多任务操作系统以外，也常使用MS-DOS，特别是Windows软件。⑵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。⑶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。工控机的特点3⑴可靠性高；⑵实时性好；⑶环境适应性强；⑷丰富的输入输出模板；⑸系统扩充性和开放性好；⑹控制软件包功能强；⑺系统通信功能强；⑻冗余性。IPC工控机的总线结构2.1.2微机系统采用由大规模集成电路LSI芯片为核心构成的插件板，多个不同功能的插件板与主机板共同构成微机系统。构成系统的各类插件板之间的互联和通信通过系统总线来完成。这里的系统总线不是指中央处理器内部的三类总线，而是指系统插件板交换信息的板级总线。这种系统总线就是一种标准化的总线电路，它提供通用的电平信号来实现各种电路信号的传递。同时，总线标准实际上是一种接口信号的标准和协议。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。工业控制计算机采用内部总线母板结构，母板上各插槽的引脚都连接在一起，组成系统的多功能模板插入接口插槽，由内部总线完成系统内各模板之间的信息传送，从而构成完整的计算机系统。各种型号的计算机都有自身的内部总线。目前工控领域应用较多的内部总线有STD总线、ISA总线和PCI总线。内部总线1⑴ISA总线

IBMPC总线是针对Intel8088微处理器而设计的，其第一个标准是PC/XT总线，它定义了8位数据线和20位地址和若干条控制线，共62引脚。为了和Intel8028616位机兼容，对XT总线在电气和机械特性上作了较大的扩充，在原来62引脚的基础上又增加了一个36引脚插座而形成AT总线。AT总线将数据总线扩展为16位，地址总线扩展到24位，将中断扩充到15个并提供了中断共享功能，而DMA通道也扩充到8个。AT总线也称ISA（IndustryStandardArchitecture）总线标准。

1989年，COMPAQ公司联合HP.AST等9家计算机公司，在ISA总线基础上，推出了适应32位微处理器的系统总线标准EISA（ExtendedIndustrialStandardArchitecture）。

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。D18D1C18C1B31B1A31A1ISA总线插槽⑵PCI总线

PCI总线（PeripheralComponentInterconnect，外围部件互连总线）是介于CPU芯片级总线与系统总线之间的一级总线。外设通过局部总线与CPU的数据传输率得以大大提高。PCI总线支持64位数据传送、多总线主控模块和线性猝发读写和并发工作方式。PCI引脚信号如表2.2所示。其主要特点如下：①PCI总线时钟为33MHz，与CPU时钟无关，总线带宽为32位，可扩充到64位。②PCI传输率高：最大传输率为133MB/s（266MB/s），能提高硬盘、网络界面卡的性能；充分发挥影像、图形及各种高速外围设备的性能。③PCI采用数据线和地址线复用结构，减少了总线引脚数，从而节省线路空间，降低设计成本。地址和数据线接口控制信号中断信号64位总线扩展信号接口控制支持高速缓存信号边界扫描信号系统仲裁出错报告必需的可选的图2.2PCI总线引脚

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。外部总线2工控机I/O模块

采用工控机对生产现场的设备进行控制，首先要将各种测量的参数读入计算机，计算机要将处理后的结果进行输出，经过转换后以控制生产过程。对于一个工业控制系统，除了IPC主机外，还应配备各种用途的输入输出（I/O）接口部件。I/O接口的基本功能是连接计算机与工业生产控制对象，进行必要的信息传递和变换。工业控制需要处理和控制的信号主要有模拟量信号和数字量信号（开关量信号）两类。

2.1.3输入/输出信息来源及用途信息种类相应的接口模板产品来自现场设备运行状态的模拟电信号温度、压力、位移、速度、流量等模拟量输入信息模拟量输入模板执行机构的控制执行、记录等（模拟电流/电压）模拟量输出信息模拟量输出模板限位开关状态、数字装置的输出数码、接点断通状态、‘0’‘1’电平变化数字量输入信息数字量输入模板执行机构的驱动执行、报警显示蜂鸣器、其他（数字量）数字量输出信息数字量输出模板流量计算、电功率计算、速度、长度测量等脉冲形式输入信号脉冲量输入信号脉冲计数/处理模板操作中断、事故中断、报警中断及其它需要中断的输入信号中断输入信号多通道中断控制模板前进驱动机构的驱动控制信号输出间断信号输出步进马达控制模板串行/并行通信信号通信收发信号RS232/RS422通信模板远距离输入/输出模拟（数字）信号模/数远端信息远程（REMOTEI/O）模块部分I／O模板的用途对照表⑴模拟量输入模板主要指标①输入信号量程：即所能转换的电压（电流）范围。有0~200mV，0~5V，0~10V，±2.5V，±5V，110V，0~10mA，4~20mA等多种范围。②分辨率：定义为基准电压与2n-1的比值，其中n为D/A转换的位数。有8位、10位、12位、16位之分。分辨率越高，转换时对输入模拟信号变化的反映就越灵敏，③精度：指A/D转换器实际输出电压与理论值之间的误差。有绝对精度和相对精度两种表示法。通常采用数字量的最低有效位作为度量精度的单位，如±1/2LSB。模拟量输入/输出模块1④输入信号类型：电压或电流型；单端输入或差分输入。⑤输入通道数：单端/差分通道数，与扩充板连接后可扩充通道数。⑥转换速率：30000采样点/s，50000采样点/s，或更高。⑦可编程增益：1~1000增益系数编程选择。⑧支持软件：性能良好的模板可支持多种应用软件并带有多种语言的接口及驱动程序。⑵模拟量输出模板主要技术指标①分辨率：与A/D转换器定义相同。②稳定时间：又称转换速率，是指D/A转换器中代码有满度值的变化时，输出达到稳定（一般稳定到与±1/2最低位值相当的模拟量范围内）所需的时间，一般为几十个毫微秒到几个毫微秒。③输出电平：不同型号的D/A转换器件的输出电平相差较大，一般为5~10V，也有一些高压输出型为24~30V。电流输出型为4~20mA，有的高达3A级。④输入编码：如二进制BCD码、双极性时的符号数值码、补码、偏移二进制码等。⑤编程接口和支持软件：与A/D转换器相同。在工业控制现场，除随时间而连续变化的模拟量外，还有各种两态开关信号可视为数字量（开关量）信号。数字量模板实现工业现场的各类开关信号的输入输出控制。数字量输入、输出板分为非隔离型和隔离型两种，隔离型一般采用光电隔离，少数采用磁电隔离方法。数字量输入模板（DI）将被控对象的数字信号或开关状态信号送给计算机，或把双值逻辑的开关量变换为计算机可接收的数字量。数字量输出板（DO）把计算机输出的数字信号传送给开关型的执行机构，控制它们的通、断或指示灯的亮、灭等。数字量通道模板从输入输出功能上可分为单纯的数字量输入板、数字量输出板和数字量双向通道板（DI/DO）。数字量输入/输出模块2ADVANTECH（台湾研华）

CONTEC（康泰克）

康拓公司

PCL-72324DI，有中断

PCL-722

144DIO，TTL电平

PCL-720PCL-72532DI，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-5132IPC-5136

PIO-96W（PC）

IPC-5137IPC-5387

部分数字量输入输出模板产品

⑴信号调理板在工业控制中，由传感器输出的电信号不一定满足A/D转换和数字量输入的要求，数据采集系统的输入通道中应采取对现场信号进行放大、滤波、线性化、隔离和保护等措施，使输入信号能够满足数据采集要求，控制系统的输出通道也存在同样问题。信号调理是指将现场输入信号经过隔离放大，成为工控机能够接收到的统一信号电平以及将计算机输出信号经过放大、隔离转换成工业现场所需的信号电平的处理过程。其它模块3⑵通信模板通信模板是为实现PC之间以及PC与其它设备间的数据通信而设计的外围模板,有智能型和非智能型两种，通信方式采用RS232或RS485方式或两者兼而有之，以串行方式进行通信，波特率为75~56000bps，通道数4~16可供选择。⑶远程I/O模块远程I/O模块可放置在生产现场，将现场的信号转换成数据信号，经远程通信线路传送给计算机进行处理。因各模块均采用隔离技术，可方便的与通信网络相连，大大减少了现场接线的成本。目前的远程I/O模块采用RS485标准总线，并正在向现场总线方向发展。智能通用I/O模板（UniversalIntelligentInput/OutputModle，简称UIO）是一种智能化的多功能通用I/O模板。由UIO-CPU主模板和UIO-AD子模板组成。

UIO主模板带有自己的微处理器和2K字节双口RAM，可实现与CPU的高速信息交换；带有32点的数字量输入输出、3路计数器/定时器接口和1M容量的存储器；板上还有固化的实时操作系统内核和通用控制软件。智能通用I/O单元－UIO板

4其它功能模板包括计数器/定时器模板，固态电子盘模板，步进电机控制模板等。工控机长期连续地运行在恶劣的环境中，有机械运动部件的软盘或硬盘容易出现故障，以固态电子盘代替软盘或硬盘的工作，极大的提高了工控机的可靠性和存取速度。目前电子盘使用的器件有EPROM，SRAM（静态RAM），EEPROM（电可擦写存储器），NOVRAM（非易失性存储器）和FLASHEPROM（快速存储器）等。其它功能模块5⑴盒式工业控制机（BOX-PC）此种机型体积小，质量轻，可以挂在工厂中车间的墙壁上，或固定于机床的附壁上，适合工厂环境中的小型数据采集控制使用。⑵盘式工业控制机（PANEL-PC）此种机型将主机、触摸屏式显示器、电源、软盘驱动器和串行接口集中为一体化工业PC机，同样具有体积小巧、重量轻的特点。是一种紧凑型的IPC机，非常适于作机电一体化的控制器。2.1.4工控机的主要类型及其选型工控机的主要类型1⑶ISA总线工业控制机（ISABUS-IPC）：它采用无源总线底板，插入一块ALL-IN-ONE主板和显示卡，连上软、硬盘既可构成。主板上带串行、并行、键盘接口和看门狗（Watchdog）、定时器（Timer）等装置。板上的槽口数目有多种选择。机箱采用全钢结构，带锁的面板、内部带有防震压条、双冷却风扇、空气过滤网罩，可以满足工业控制现场的一般环境要求。⑷PCI总线工业控制机（PCIBUS-IPC）：采用IntelPentium芯片和PCI总线构成。其主机速度及主机与外设（显示及磁盘数据交换）间的交换速度又被提高到一个新的档次。适合于操作员站、系统服务器和节点工作站之用。⑸VESA总线工业控制机（VESABUS-IPC）与ISA总线工业控制机相比，具有较高的显示速度和I/O读写速度，适用于作监控操作站，对实时图像处理应用更为适合。⑹工业级工作站（IndustrialWorkstation）这是一种将主机、显示器、操作面板集成一体的IPC机。可应用于监控、控制站场合。⑺新型工业控制计算机（NewTypeIPC）康泰克IPC-90

⑴选择合适的主机档次⑵根据应用场合的不同，选择合适的IPC机型号⑶内存、外存配置根据“经济合理，留有扩充余地”的原则选择合适的IPC机根据应用需求选择合适的工控机2可编程控制器的特点与分类2.2.1可编程序控制器（ProgrammableLogicController）简称PLC。它吸收了微电子技术和计算机技术的最新成果，发展十分迅速。从单机自动化到整条生产线的自动化，乃至整个工厂的生产自动化，PLC均担当着重要角色，PLC的应用最普遍，它在工厂自动化设备中占据第一位。⑴可靠性高，适应性强⑵功能完善，通用性好⑶安装方便，扩展灵活⑷操作维护简单，施工周期短可编程控制器的特点1

PLC生产厂家众多，产品种类繁杂，而且不同厂家的产品各成系列，难以用一种标准进行划分。在实际应用中，通常可按输入/输出（I/O）点数（即控制规模）、处理器功能和硬件结构形式三方面来进行分类。⑴按I/O点数划分根据PLC能够处理的I/O点数来分类，PLC可分为微型、小型、中型、大型4种可编程控制器的分类2

⑵按处理器功能划分根据PLC的处理器功能强弱的不同，可分为低档、中档和高档3个档次。通常微型、小型PLC多属于低档机，处理器功能以开关量为主，具有逻辑运算、定时、计数等基本功能，有一定的扩展功能。中型和大型PLC多属中、高档机。中型机在低档机的基础上，兼有开关量和模拟量控制，增强I/O处理能力和定时、计数以及数学运算能力，具有浮点运算、数制转换能力和通信网络功能。高档机在中档机的基础上，增强I/O处理能力和数学运算能力，增加数据管理功能，网络功能更强，可以方便地与其它PLC系统连接，构成各种生产控制系统。

⑶按硬件结构分根据PLC的外形和硬件安装结构的特点，PLC可分为整体式和模块式两种。①整体式结构整体式PLC又称箱体式，它将CPU、存储器、I/O接口、外设接口和电源等都装在一个机箱内。机箱的上、下两侧分别是I/O和电源的连接端子，并有相应的发光二极管显示I/O、电源、运行、编程等状态。面板还有编程器/通信口插座、外存储器插座和扩展单元接口插座等。这种结构的PLC的I/O点数少、结构紧凑、体积小、价格低，适用于单机设备的开关量控制和机电一体化产品的应用场合。

②模块式结构模块式PLC通常把CPU、存储器、各种I/O接口等均做成各自相互独立的模块，功能单一、品种繁多。模块既有统一安装在机架或母板插座上，插座由总线连接（即有底板或机架连接），也有直接用扁平电缆或侧连接插座连接（即无底板连接）。这种结构的PLC具有较多的输入/输出点数，易于扩展，系统规模可根据要求配置，方便灵活，适用于复杂生产控制的应用场合。可编程控制器的基本结构2.2.2

PLC实质上是一种专门为在工业环境下自动控制应用而设计的计算机，它比一般的计算机具有更强的与工业过程相连接的接口，更直接的适用于控制要求的编程语言和更强的抗干扰能力。尽管在外形上，PLC与普通计算机差别较大，但在基本结构上，PLC与微型计算机系统基本相同，也由硬件和软件两大部分组成。

无论是整体式还是模块式，从硬件结构看，PLC都是由中央处理器（CPU）、存储器、I/O接口单元、I/O扩展接口及扩展部件、外设接口及外设和电源等部分组成，各部分之间通过系统总线进行连接。对于整体式PLC，通常将CPU、存储器、I/O接口、I/O扩展接口、外设接口以及电源等部分集成在一个箱体内，构成PLC的主机，如图2.5所示。对于模块式PLC，上述各组成部分均做成各自相互独立的模块，可根据系统需求，灵活配置。可编程控制器的硬件结构1图2.5整体式PLC硬件结构框图直流输入电路原理图

⑴系统软件

PLC的系统软件一般包括系统管理程序、用户指令解释程序、标准程序库和编程软件等。系统软件是PLC生产厂家编制的，并固化在PLC内部ROM或PROM中，随产品一起提供给用户。系统软件的主要功能为：①系统自检，②时序控制，③存储空间（地址）管理，④解释用户程序，⑤提供标准程序库，⑥编程软件。

⑵用户程序用户程序指用户根据工艺生产过程的控制要求，按照所用PLC规定的编程语言而编写的应用程序。用户程序可采用梯形图语言、指令表语言、功能块语言、顺序功能图语言和高级语言等多种方法来编写，利用编程装置输入到PLC的程序存储器中去。可编程控制器的软件结构2可编程控制器产品2.2.3美国：罗克韦尔自动化（Rockwell-Automation）；通用电气（GE）；德州仪器（TI）；哥德（GOULD）和西屋（WESTINGHOUSE）等。欧洲：西门子（SIEMENS）；莫迪康（MODICON）等。日本：欧姆龙（OMRON）、三菱（（MITSUBISHI）、日立（HITACHI）、富士（Fuji）和东芝（TOSHIBA）等。韩国：

LG、三星（SAMSUNG）。中国台湾：台达等。单片机的特点与发展趋势2.3.1单片机的特点1⑴集成度高、体积小⑵面向控制、功能强

⑶抗干扰能力强

⑷使用方便

⑸性能价格比高

⑹容易产品化

单片机的发展趋势2⑴单片机长寿命

⑵8位、16位、32位单片机共同发展

⑶单片机速度越来越快

⑷低电压与低功耗

⑸低噪声与高可靠性技术

⑹MTP向OTP挑战

单片机特性及应用系统2.3.2

AT89S52单片机是AT89S系列中的增强型产品，采用了ATMEL公司所技术领先的Flash存储器，是一低功耗、高性能，采用CMOS工艺制造的8位单片机。主要特性如下：8位字长的CPU；可在线ISP编程的8KB片内Flash存储器；256B的片内数据存储器；可编程的32根I/O口线（P0~P3）；4.0V~5.5V电压操作范围；3个可编程定时器；双数据指针DPTR0和DPTR1