第二章 工业控制计算机

《课程名称》课件 《计算机控制技术》

第2 章

工业控制计算机

2.1 2.2 2.3

工控机 可编程控制器 单片微型计算机

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走信息路

读北邮书

2.1

工控机

2.1.1 工控机的组成与特点 2.1.2 工控机的总线结构 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本书的 封面

2.2

可编程控制器

2.2.1 2.2.2 2.2.3

可编程控制器的特点与分类 可编程控制器的基本结构 可编程控制器产品

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2.3

单片微型计算机

2.3.1

单片机的特点与发展趋势 单片机特性及应用系统 单片机产品与选择

2.3.2

2.3.3

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2.1.1

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。 (Industrial Personal Computer) 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。 1

工控机硬件组成

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。本书的 封面

主机 板

人- 机 接口

系统 支持

磁盘 系统

通信 接口

外部总线

内部总线

模拟量 输入通道 AI

模拟量 输出通道 AO

数字量 输入通道 DI

数字量 输出通道 DO

图2.2工控机的硬件组成本书的 封面

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 。 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IBM PC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。 本书的封面

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。

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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磁盘本书的 封面

2

工控机的软件组成⑴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。 本书的 封面 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。

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工控机的特点

⑴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。本书的 封面

2.1.2

IPC工控机的总线结构

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。本书的 封面

1

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。 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。本书的 封面

⑴ISA 总线 IBM PC 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 Intel80286 16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 (IndustryStandard Architecture)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 本书的 线标准 EISA (Extended IndustrialStandard 封面 Architecture)。

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。D18 D1

C18 B31

C1 B1

A31

A1

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ISA总线插槽

⑵PCI总线 PCI总线(Peripheral Component Interconnect,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， 本书的 从而节省线路空间，降低设计成本。封面

必需的地 址 和 数据线AD 0 ~ AD31

可选的AD32 ~ AD 63

C/BE 0 ~ C/BE 3PAR

C/BE 4 ~ C/BE 7

PAR64PC总 线REQ64

64 位 总 线 扩展信号

FRAME

ACK64LOCK INTA INTB

接口控制 信号

TRDY

接口控制 中断信号 支持高速缓 存信号 边界扫描 信号

IRDY STOPDEVSELIDSEL

INTC

INTD

出错报告 仲裁 系统

PERRSERRREQ

SBO SDONE

TDI TDOTCK

GNTCLK RST

TMSTRST

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图2.2 PCI总线引脚

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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。

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2.1.3

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。本书的 封面

部分I/O模板的用途对照表输入/输出信息来源及用途 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 执行机构的控制执行、

记录等(模拟电 流/电压) 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 执行机构的驱动执行、报警显示蜂鸣器、 其他(数字量) 流量计算、电功率计算、速度、长度测 量等脉冲形式输入信号 操作中断、事故中断、报警中断及其它 需要中断的输入信号 前进驱动机构的驱动控制信号输出 串行/并行通信信号 远距离输入/输出模拟(数字)信号 信息种类 模拟量输入信 息 模拟量输出信 息 数字量输入信 息 数字量输出信 息 脉冲量输入信 号 中断输入信号 间断信号输出 通信收发信号 模/数远端信息 相应的接口模板产品 模拟量输入模板 模拟量输出模板 数字量输入模板

数字量输出模板脉冲计数/处理模板 多通道中断控制模板 步进马达控制模板 RS232/RS422通信模 本书的 板 封面 远程(REMOTE I/O ) 模块

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模拟量输入/输出模块

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。本书的 封面

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