《计算机控制IPC》PPT课件.ppt

《《计算机控制IPC》PPT课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《计算机控制IPC》PPT课件.ppt（89页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、第10讲 IPC,1.IPC的结构组成、总线技术和模板结构化。 2.IPC的功能特点与主要模板。,在采用计算机的工业生产过程中，特别 是对于具有一定规模的工程项目而言，出于 可靠性实时性好、功能丰富配套完善与扩充 控制系统灵活开发周期短的考虑，人们更愿 意选用专用于工业控制的现成的通用控制计 算机。,工业控制机IPC与可编程控制器PLC是应用 十分广泛但结构显著不同的两种计算机控制系 统。它们不仅在中小型控制系统中担当主要控 制装置，而且还可以作为大型网络控制系统中 最基层的一种控制单元。,引言,前言,随着计算机设计的日益科学化、合理化和标准化，计算机总线概念与模板化结构已经形成且完善起来。I

2、PC在硬件上，由计算机生产厂家按照某种标准总线，设计制造出符合工业标准的主机板及各种I/O模板，所以控制系统的设计者只要选用相应的功能模板，象搭积木似的、灵活地构成各种用途的计算机控制装置；而在软件上，利用熟知的系统软件和工具软件，编制或组态出相应的应用软件，就可以非常便捷地完成对生产流程的集中控制与调度管理，并进一步向综合自动化网络化方向发展。,工业控制计算机的概念 一般的把适合于工业环境使用的微型计算机系统称之为工业控制计算机。一般也叫IPC Industry Personal Computer。严格说来，所谓工业控制计算机，是指那些满足下述条件的计算机系统： 能够提供各种数据采集和控制功

3、能。 能够和工业对象的传感器、执行机构直接接口。 能够在苛刻的工业环境下可靠运行。,工业控制计算机与计算机系统相比较，具有以下主要特点：,(1) 具有丰富的过程输入/输出(I/O)功能 工业控制计算机是与工业生产控制系统紧密结合，主要面向机电一体化产品和成套装置控制应用的要求，与生产工艺过程和机械设备相匹配的一个有机组成部分。它必须与控制仪表、显示仪表、检测仪表、执行器以及联锁保护系统联用，才能完成对各种设备和工艺装置的控制。 因此，除了计算机的基本部分如CPU、存储器外，还必须有丰富的过程输入输出设备(相对于数据处理机)和完善的外部设备，这些是工业控制机能否投入运行的重要条件。,(2) 实时

4、性高 所谓的“实时”，是指信号的输入、计算和输出都要在一定的时间内完成，亦即“及时”，超出这个时限，就失去了控制的时机，控制也就失去了意义。 工业控制机具有时间驱动和事件驱动的能力，要能对生产过程工况变化实时地进行监视和控制。当过程参数出现偏差甚至故障时，能迅速响应，予以判断，及时处理。为此，通常需配有实时操作系统，完善的中断系统等，没有这些就无法很好地执行工业控制任务。,(3) 具有高可靠性 工业生产过程通常是昼夜连续的，一般的生产装置要几个月甚至一年才大修一次，非正常停机往往会造成还很大的损失，这就要求工业控制机可靠性尽可能的高。 因此它要求： 低故障率；一般来说，要求工业控制机的平均故障

5、间隔时间(MTBF)不应低于数千甚至上万小时。 短的故障修复时间(MTTR)； 可采用冗余技术，更换模板容易，能够热拔插。 运行效率高；一定时间内(例如一年)，运行时间占整个时间的比率一般要求99以上。,(4) 环境适应性强 工业现场环境恶劣，工业控制计算机必须采取必要的措施，适应高温、高湿、腐蚀、振动冲击、灰尘等环境。例如，工业现场环境下电、磁干扰严重，供电条件不良，工业控制机必须有极高的电磁兼容性，有高抗干扰能力和共模抑制能力。,(5) 有丰富的应用软件 工业控制软件正向结构化、组态化发展。工业控制计算机一般与PC机兼容，在PC机上运行的软件一般都可以在工业控制计算机上运行。,(6) 技术

6、综合性要求高 工业控制计算机应用是系统工程问题。除了要解决计算机的基本部分以外，还需要解决它如何与被测控对象的接口，如何适应复杂的工业环境，如何与工艺过程与企业管理相结合等一系列问题。 以上是工业控制计算机和其它类型计算机相比的区别,图11-1 IPC的硬件组成框图,一 IPC结构组成,1内部总线和外部总线 内部总线是IPC内部各组成部分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PC总线、STD总线，以及VME总线和MULTIbus等总线。 外部总线是IPC与其它计算机或智能设备进行信息传送的公共通道。常用的外部总线有RS-232C、RS-485和IEEE488通信总线等。,

7、2主机板 主机板由中央处理器（CPU）、内存储器（RAM、ROM） 等部件组成，它是IPC的核心,3人-机接口 人机接口是人与计算机交流的一种外设。它由标准的PC键盘、鼠标、显示器和打印机等组成。,4系统支持板 IPC的系统支持板主要包括如下部分： （1）程序运行监视系统，即看门狗定时器：当系统出现异常时能使系统自动恢复运行。 （2）电源掉电检测：其目的是为了及时检测到电源掉电后，立即保护当时的重要数据和各寄存器的状态。 （3）保护重要数据的后备存储器：采用带有后备电池的SRAM、NOVRAM、EEPROM，能在系统掉电后保证数据不丢失。,（4）实时日历时钟：用于定时自动执行某些控制功 能和自

8、动记录某个控制是在何时发生的。,5磁盘系统 磁盘系统有半导体虚拟磁盘以及通用的软磁盘和硬磁盘。,6通信接口 通信接口是IPC和其它计算机或智能外设的接口，常用的接口有RS232C、RS-485和IEEE488等接口。,7输人输出模板 输入输出模板是IPC和生产过程之间信号传递和变换的连接通道。它包括模拟量输入（AI或A/D）模板、模拟量输出（AO或D/A）模板，数字量输入（DI）模板、数字量输出（DO）模板等种类。 由于输入或输出均涉及到生产现场被控参数的种类、个数、精度、干扰等等，因而其该类模板是系统中性能差异最大、品种类型最多、也是用户选择最为丰富的一种。在前几章（第2、3、4、8章）讨论

9、过的接口电路技术就是此类模板的构成基础，也是选用这类模板性能指标的理论依据。,11.1.2 软件组成,IPC的硬件构成了工业控制机系统的设备基础，要真正实现生产过程的计算机控制，必须为硬件提供或研制相应的计算机软件，即把人的知识逻辑与控制思维加入计算机中，才能实现控制任务。在工业控制系统中，软件可分为系统软件、工具软件和应用软件三大部分，有时也将工具软件归于系统软件。,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，包括实时多任务操作系统、引导程序、调度执行程序等，其中操作系统是系统软件最基本的部分，如MS-DOS和Windows等系统软件。,2.工具软件 工具软件是技

10、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，借以提高软件生产效率，改善软件产品质量。,3应用软件 应用软件是系统设计人员针对某个生产过程现时编制的控制和管理程序，它往往涉及应用领域的专业知识。它包括过程输入程序、过程控制程序、过程输出程序、人一机接口程序、打印显示程序和控制程序等。当今工业自动化的发展趋势是计算机控制技术的控制与管理一体化，以便适应不断变化的市场需求。而工业控制的应用软件就起着关键性的作用，因此它应具有通用性、开放性、实时性、多任务性和网络化的特点。 现在许多专业化公司开发生产了商品化的工业控制软件，如数据采集软件、工控组

11、态软件、过程仿真软件等，这些都为应用软件的开发提供了绝佳的使用平台。,IPC的模板结构正是依存于它的总线结构。总线是一组信号线的集合，它定义了各引线的信号特性、电气特性和机械特性。使计算机箱内各模板之间以及主机与外部设备之间建立起信号联系，进行信息传送和通信。因此总线是IPC的重要组成部分，它分内部总线与外部总线两种。,11.2 IPC总线结构,11.2.1 内部总线,内部总线是指IPC内部各个功能模板之间的信息通路，它是构成完整的计算机系统的内部信息枢纽，也称为系统总线。尽管各种总线的引线数目不同，但按功能都是分为数据总线DB、地址总线AB、控制总线CB和电源总线PB四大部分。,内部总线是一

12、块置于机箱内的无源底板上的多组并列插槽，各插槽上的同号引脚是电气相连的，从而完成插入槽内的各功能模板之间的信息传送（可参见后面的图11-4）。显然，内部总线对计算机设计者和用户都是十分重要的一种设计标准。采用总线标准设计、组装的计算机模板与设备的兼容性很强，因为接插件的机械尺寸、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的总线标准。 由于历史的原因，存在着多种总线标准。目前工控领域里应用最广的两种总线是STD总线和PC总线。,1. STD总线 STD总线是美国PRO-LOG公司1978年推出的一种工业控制计算机的标准系统总线，STD是Standard的缩写。该总线结构简单，全部

13、56根引脚线都有确切的定义。STD总线定义了一个8位微处理器总线标准，其中有8根数据线、16根地址线、22根控制线和10根电源线，可以兼容各种通用的8位微处理器，如8080、8085、6800、Z80、NSC800等。通过采用周期窃取和总线复用技术，还可以定义16根数据线、24根地址线，使STD总线升级为8位/16位微处理器兼容总线，可以容纳16位微处理器，如8086、68000、80286、80386等。,表11-1 STD总线56根引脚分配,1987年，STD总线被国际标准化会议定名为IEEE961。随着32位微处理器的出现，通过采用附加金手指或系统总统与局部总线转换等技术，1989年美国

14、的EAITECH公司又开发出对32位微处理器兼容的STD32总线。 STD总线IPC由于具有小模板结构、开放式结构和兼容式总线结构的几大优点，以及价格较低，因而成为20世纪八、九十年代的主流机型。,2PC总线 PC总线是IBM PC总线的简称，PC总线因IBM PC及其兼容机的广泛普及而成为全世界用户承认的一种事实上的标准。PC总线IPC，或称为工业PC机即IPC，即是脱胎于IBM PC机发展起来的。,IBM PC总线共有62根引脚线，其CPU是Intel公司准16位的8088或16位的8086，随着CPU的更新换代，PC总线也随之扩充，诸如支持80286CPU的ISA总线、支持80486和奔

15、腾系列的PCI、VESA总线等。,表11-2 PC总线62根引脚分配,表11-2列出了PC总线的62根引脚分配，其中：电源线和辅助电源线为11根，数据总线为8根，地址总线为20根，控制总线为21根，另外还有外态线2根，即I/O（I/O通道检查）、I/O CH RDY（I/O通道准备好）。 PC总线IPC由于既兼顾了STD总线IPC的抗干扰性能，又与PC机及其不断升级的硬软件资源完全兼容，因而近年来已成为工控领域中的主流机型。,11.2.2 外部总线,外部总线是指计算机与计算机之间、计算机与远程终端之间、计算机与外部设备以及测量仪器仪表之间的信息通路，常称为通信总线。通信总线的数据传输方式可以是

16、并行的，也可以是串行的，可分别称为并行通信总线和串行通信总线。,11.3 IPC功能特点,IPC是一种专用于工业场合下的控制计算机。一方面工业环境常常处于高温、高湿、腐蚀、振动、冲击、灰尘，以及电磁干扰严重、供电条件不良等等恶劣环境中；一方面工业生产过程因行业、原料、产品的不同，而使生产过程、工艺要求也五花八门。这些都是工业自动化控制中要解决的重要课题。由于IPC采用了总线技术和模板化结构，再加上采取了多重抗干扰措施，因而使IPC系统具有其它计算机系统无法比拟的功能特点。,1.可靠性和可维修性好 可靠性和可维修性是生产过程中两个非常重要的先决因素，它们决定着系统在控制上的可用程度。可靠性的简单

17、含义是指设备在规定的时间内运行不发生故障，可维修性是指工业控制机发生故障时，维修快速、简单方便。,IPC把计算机系统的各种功能分解到每一块只具备单一功能的模板上。而模板结构的小型化，使之机械强度好，抗震动能力强；模板功能的单一，便于对系统故障的诊断与维修，甚至可作到模板的带电插拔；模板的线路设计布局合理，即由总线缓冲模块到功能模块、再到I/O驱动输出模块，使信号流向基本为直线到达，降低了信号间的相互干扰；另外在结构配置上还采取了许多措施，如密封机箱正压送风、使用工业电源、带有看门狗系统支持板等等。所有这一切多重抗干扰措施都大大提高了系统的可靠性和可维护性。,2通用性和扩展性好 通用性和扩展性也

18、是生产过程中两个重要的因素，它们关系着系统在控制领域中的使用范围。通用性的简单含义是指适合于各种行业、各种工艺流程或设备的自动化控制，扩展性是指当工艺变化或生产扩大时，IPC能灵活地扩充或增加功能。,IPC针对各种控制对象进行分析与综合后，设计出几大类上百个不同功能的输入输出模板，足以满足各种需求。比如某工控公司的模拟量输入模板有如下几种主要产品：二阶有源低通滤波器板，4路/8路热电阻信号调理板，16路差分输入I/V变换板，32路单端输入I/V变换板，64路带光隔模拟量输入扩展板，等等。,所以通过对模板品种和数量的选择与组合，并插入底板总线插槽，就十分方便地配置成不同生产过程所需IPC。其灵活

19、性、通用性和扩展性显而易见。,3软件丰富编程趋向组态 IPC已配备完整的操作系统、适合生产过程控制的工具软件以及各种控制软件包。工业控制软件正向结构化、组态化方向发展，详情见第13章。,4控制实时性强 IPC配有实时操作系统和中断系统，因而具有时间驱动和事件驱动能力，能对生产过程的工况变化实时地进行监视和控制。,5精度和速度适当 一般生产过程，对于精度和运算速度要求并不苛刻。通常字长为832位，速度在每秒几万次至几百万次。但随着自动化程度的提高，对于精度和运算速度的要求也在不断提高，IPC相应地也配有不同层次的机型。,总之，总线式IPC具有小型化、化、标准化模板化、组合的设计特点，能满足不同层

20、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。因而，它广泛应用于各种控制场合，尤其是中等规模的控制系统中。,目前国内外生产总线式IPC的专业厂家很多，著名品牌比比皆是，如爱瑞、研华、研祥、凌华、中泰、康泰克、康拓、威达、华控、浪潮等等。现以深圳研祥工控集团研制的PC总线工业计算机产品为例作一说明。,11.4 IPC产品简介,研祥的PC总线工业计算机共有14种系列：工业计算机机箱，工业一体化工作站，工业平板电脑/显示器，便携式工业计算机，工业级CPU卡，工业级底板，工业计算机外设，亚当系列远端数据采集与控制模块，基于ISA总线数据采集与控制卡，基于PC总线数据采集与控制卡，端子板和附

21、件，工业通信，应用软件等；每一种系列又有几种至十几种规格型号。以下简单介绍公司的几种产品。,11.4.1 工业计算机机箱,研祥的机箱按带不带底板和电源、安装形式是桌面、壁挂还是上架以及尺寸长度不一等问题，又可分为二十几种型号。图11-2为IPC-810/811型号的14槽上架型计算机机箱。,图11-2 IPC-810/811机箱,ISA总线无源底板,ISA+PCI总线无源底板,其产品特性为：19“上架型, 符合EIA RS-310C标准，14槽ISA/PCI/PICMG无源底板，提供三个3.5”和两个5.25“磁盘驱动器空间，前面板带电源开关，CPU复位按钮，键盘锁开关，电源开关LED和HDD

22、 LED，防尘带锁门保护控制部件，前后面板均带键盘接口，防止插卡振动的防震压条，支持PS/2规格电源，尺寸177(高) 482(宽) 452(深)mm，支持ATX母板。,11.4.2 工业级底板,研祥的底板按插槽种类、槽数多少、电源种类以及配置不同等问题，又可分为三十几种型号。图11-3为IPC-6114P4A型号的14槽底板。 产品规格为：最大扩展槽14，最大分段1，ISA槽9，PCI槽4，PICMG槽1，电源LED 5V,12V,+3V，可能配置 14(1-PCI系统)，尺寸(mm) 322300。,图11-3 IPC-6114P4A 14槽底板,ISA+PCI总线无源底板,11.4.3

23、工业级CPU卡,研祥的CPU卡按CPU种类、存储器容量、显示方式、主板长短以及I/O接口不同等问题，又可分为十几种型号。图11-4为IPC-586VDNH(GX)CPU卡。,图11-4 IPC-586VDNH(GX)CPU卡,CPU卡,1产品简介 IPC-586VDNH（GX）采用美国国家半导体公司低功耗586级处理器GX1系列设计，单5V供电，板上集成了VGA/LCD控制器，支持18bit TFT显示；作为486及以下主板替代产品，IPC-586VDNH（GX）支持168-pin内存（代替30线、72线旧产品），网络接口升速至100Mbps，增加了两个广泛使用的USB接口，处理器达到586多

24、媒体级性能，在060工作范围内无需风扇，极大提高了系统的可靠性。IPC-586VDNH（GX）既可通过工业底版机箱组成工业级应用产品，也可作为嵌入式单板使用。可广泛应用于工业产品、仪器仪表、Internet设备、各种智能仪 器仪表。,2产品规格 总线类型：ISA总线半长卡 处理器：板上增强型低功耗NS GXLV 2.2V 200/233MHz CPU，无需CPU 风扇可正常工作 系统芯片集：NS Cx5530A 系统内存：168pin DIMM1，最大128MB内存 BIOS：Award PnP BIOS 在板视频：NS CX5530 支持CRT/LCD显示，显示内存1.5MB4MB，分辨率

25、102476824bpp（CRT）、102476818bpp（LCD）、18bit TFT LCD接口,在板LAN：RTL8139C 10/100M Ethcrnet 控制器，RJ-45接口 固态盘接口：M-System DiskOnChip flash盘 IDE控制器：一个Ultra DMA33通道，可接2个设备 USB接口：2个USB接口 多I/O接口：PC97317I/O接口芯片，一个FDD接口，一个并口，一个RS-232接口，一个RS-232/422/ 485接口，一个键盘，一个鼠标接口，一个115Kbps IrDA接口 电源：+5V单电源 扩充总线：PC/104扩充总线 外形尺寸：1

26、85mm122mm 工作温度：060 相对湿度；5%90%，非凝结,11.4.4 PCI总线I/O卡,研祥的I/O卡按模拟量输入路数与极性、采样速率、模拟量输出范围以及数字I/O通道的不同等问题，又可分为十余种型号。图11-5为PCI-64AD系列数据采集与控制卡,图11-5 PCI-64AD系列I/O卡,1特性： 32位PCI总线, 即插即用64路单端或32路双端模拟输入通道 双极性模拟输入范围 板上A/D1K字FIFO内存 自动扫描通道选择 最高至100KHz采样速率 可编程增益 1，10，100，1000 3个触发模式: 软件触发, 定时器触发和外部触发 16通道DI和16 DO 紧凑型

27、, 半长PCB,2.规格： 模拟量输入(A/D) 转换器和分辨率:12位ADS774或兼容芯片通道数：64 S.E./32D.I. 模拟信号输入范围（软件控制）：增益 =100或1000时，精度为0.02% 1LSB 输入阻抗:：10M 触发模式：软件、定时触发或外部触发 数据传输：程序控制、中断 FIFO大小：1024字,3可编程计数器 器件：8254 A/D定时触发器: 32位定时器(两个16位计数器 级连), 带一个2MHz的时基. 定时触发器输出: 0.00046Hz-0.5MHz,4通用规范 工作温度：0 55C 储存温度：-20 80C 湿度：5 95% 无凝结 功耗：+5V ，6

28、00mA典型值；+12V，100mA典型值 尺寸：紧凑型, 107mm172mm,5数字I/O 输入通道数：16 DI 输出通道数：16 DO 信号类型：TTL兼容,5. 工业控制计算机的选择,1 选择合适的主机档次(CPU档次) 2 根据不同的应用场合选择合适的型号 3 内存、外存配置,4 I/O 模板 应用工业控制计算机对设备进行控制时，首先要把各种测量参数送入计算机中。计算机对这些采样数据进行一系列计算处理后将结果数据输出。计算机的输出结果是以数字量的形式输出的，通常还必须转换成可对过程进行控制的模拟量。因此，构成一个工业控制系统，除了工业控制计算机主机之外，还需要配备各种用途的I/O接

29、口产品。 在采用工业控制计算机作为控制系统核心时，通常是选用专业厂家生产的I/O接口模板。,常用的各类接口模板,信号输入插座定义,系统集成举例.1沥青生产计算机自动控制系统-最简控制系统,图4.34 工艺流程示意,图4.35 控制系统的结构,其它新型IPC,面板式工业控制机(Panel Computer),这是一种紧凑型的工业控制机。它是一种将主机、显示器(触模式屏幕，可代替键盘)、电源、软盘驱动器和串行接口集中在一起的一体化工业控制机，具有体积小巧、重量轻的特点。显示器为超薄型显示器。彩色显示器有TFT型及STN型。单色显示器有LCD和EL型之分。这种紧凑型工业控制机非常适合于应用在对计算机

30、系统体积要求比较高的机电一体化系统中。,CompactPCI 工业控制计算机,CompactPCI是compact peripheral component interconnect 的英文缩写，意思是“坚实的PCI”。简单地说，CompactPCI是PCI总线的电气和软件标准加欧式卡的工业组装标准，它是当今最新的一种工业计算机标准。,CompactPCI与传统工业PC相对比，具有以下几个特性：,维护性： 从传统工业PC系统上更换一块板卡常常是相当耗时的；用户需松开并移去机箱盖，从板卡上断开所有连接，换卡，重新连线，重新上机箱盖。由于板卡与外围设备之间可能会有一些内部连接电缆。而换卡时必须将这

31、些连线断开，因此这一过程是很容易出错的。所以在维护性方面，传统工业PC系统无法做到像CompactPCI系统这样简洁而高效。 另一方面，CompactPCI设计为可以从前面板拔插板卡。更换CompactPCI板卡非常简单，无需拆下机箱盖。此外，如果I/O接线都是通过后面板时，前面CompactPCI板卡上没有任何连线，更换板卡非常快捷简便，维护时间将会大大缩短。 CompactPCI支持热插拔技术, 就是说不用关闭计算机系统电源来插拔或更换计算机配件，支持热切换。,抗震性： 传统工业PC不能对系统中的外围设备板上提供可靠而安全的支持，插于其中的板卡只固定于一点。卡的顶端和底部也没有导轨支持，因

32、此卡与槽的连接处也容易在震动中接触不良。 CompactPCI卡牢牢地固定在机箱上，顶端和底部均有导轨支持。前面板紧固装置将前面板与周围的机架安全地固定在一起。卡与槽的连接部分通过针孔连接器紧密地连接。由于卡的四面均将其牢牢地固定地其位置上，因此即使在剧烈的冲击和振动场合也能保证持久连接而不会接触不良。,通风性： 传统的工业PC机箱内空气流动不畅，不能有效散热，空气流通为无源底板，板卡支架和磁盘驱动器所阻塞。冷空气不能在所有板卡间循环流动，热空气也不能立刻排出机箱外。电子设备和电路板可能会因这些冷却问题而损坏，导致电路板变形，断线以及元件寿命缩短等。CompactPCI系统为系统中所有的发热板卡提供了顺畅的散热路径。冷空气可以随意在板卡间流动，并将热量带走。集成在板卡底部的风扇系统也加速了散热过程。由于良好的机械设计带来通畅的散热路径，CompactPCI系统极少出现散热方面的问题。,工控机应用,思考题 1. 画图简要说明IPC的硬件组成。 2简述总线的概念？何为模板化结构？ 3简要说明IPC的功能特点。与普通PC机有何区别联系？,