工控机简介_信息与通信_工程科技_专业资料。工控机简介 PC总线的工业控制机简介 ? 工业个人计算机Industrial Personal Computer （简称 IPC ）是一种加固的增强型个人计算机， 是指对工业生产过程及其机电设备、工

工控机简介 PC总线的工业控制机简介 ? 工业个人计算机Industrial Personal Computer （简称 IPC ）是一种加固的增强型个人计算机， 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，简称工控机，它可以 作为一个工业控制器在工业环境中可靠运行。 ? 早在 20 世纪 80 年代初期，美国 AD 公司就推出了 类似 IPC 的 MAC-150 工控机，随后美国 IBM 公司 正式推出工业个人计算机 IBM7532 。由于 IPC 的 性能可靠、软件丰富、价格低廉，而在工控机中 异军突起，后来居上，应用日趋广泛。 2014-10-4 计算机控制技术 1 工控机简介 基于PC总线的板卡与工控机组成的 计算机控制系统 ? 该类系统是一种非常典型的 DDC （ Direct Digital Control ）控制系统，工控机通过基 于 PC 总线的板卡进行实时数据采集，并按 照一定的控制规律实时决策，产生控制指 令，并通过板卡输出，对生产过程直接进 行控制。 ? 该类系统具有组成灵活，成本低等特点， 广泛应用于工业生产的各个领域。是目前 在工业上用得比较多的一类系统。 2014-10-4 2 计算机控制技术 工控机简介 工控机示意图 西门子工控机 研华工控机 2014-10-4 计算机控制技术 3 工控机简介 2014-10-4 计算机控制技术 4 工控机简介 2014-10-4 计算机控制技术 5 工控机简介 2014-10-4 计算机控制技术 6 工控机简介 2014-10-4 计算机控制技术 7 工控机简介 2014-10-4 计算机控制技术 8 工控机简介 1. 工业PC的结构 ? 工业控制机的典型结构如图 8.1 所示，主要 有以下几部分组成。 ? ? ? ? ? ①全钢机箱 ②无源底板 ③工业电源 ④CPU卡 ⑤其他配件 图8.1 工控机典型结构图 下一页 2014-10-4 计算机控制技术 9 工控机简介 CPU板 返回 2014-10-4 计算机控制技术 10 工控机简介 2014-10-4 计算机控制技术 11 工控机简介 无源底板 返回 2014-10-4 计算机控制技术 12 工控机简介 2014-10-4 计算机控制技术 13 工控机简介 2. 工业PC的特点(1) ? 专门为工业工程控制现场设计的工业 PC 机有 以下特点： ? ① 支 持 各 种 模 块 化 CPU 卡 和 所 有 的 IBMPC/XT/AT总线接口板。 ? ②所有卡采用高度集成芯片，以减少故障率， 并均为模块化﹑插板式，以便安装﹑更换和升 级换代。所有的卡使用专用的固定架将插板压 紧，防止震动引起的接触不良。 ? ③开放性好，兼容性好，吸收了 PC 机的全部 功能，可直接运行PC机的各种应用软件。 2014-10-4 计算机控制技术 14 工控机简介 2. 工业PC的特点(2) ? ④采用和 PC/AT 总线兼容的无源底板。它使用带有 电源层和地的4层电路板，有效地提高了系统地抗干扰能 力。无源底板带有4，6，8，12，14或20槽。 ? ⑤机箱采用全钢机构，可防止电磁干扰；采用 150W-350W带除尘过滤器的工业开关电源，具有足够地 负载驱动能力。机箱内装有双风扇，正压对流排风，并 装有滤尘网用以防尘。软盘、硬盘驱动器安装采用橡皮 缓冲防震，并有防尘门。 ? ⑥可内装电子盘以取代机械磁盘，使 PC机在工业环 境下的操作具有高速﹑高可靠性。 2014-10-4 计算机控制技术 15 工控机简介 3. 常用的工业控制机简介 ? 当前国内外工控机型号很多，下面简要介绍主要常用的 工控机： ? 工控机的生产厂家很多，国外有美国IBM、ICS 、德国 西门子、日本康泰克等，这些产品可靠性好、市场定位 高。 ? 我国台湾地区是工控机的主要生产区，其品牌主要有研 华、威达、艾讯、磐仪、大众、博文等厂家，其中，研 华是世界三大工控厂商之一，在中国大陆及台湾市场均 有较高的市场占有率。 ? 国内也有很多工控机品牌，如研祥、华控、康拓、艾雷 斯、北京华北等。 2014-10-4 计算机控制技术 16 工控机简介 8.1.2 基于PC总线的板卡简介 ? 基于 PC 总线的板卡是指计算机厂商为了满足 用户需要，利用总线模板化结构设计的通用功 能模板。 ? 基于 PC 总线的板卡种类很多，其分类方法也 有很多种。按照板卡处理信号的不同可以分为 模拟量输入板卡（ A/D卡）、模拟量输出板卡 （ D/A卡）、开关量输入板卡、开关量输出板 卡、脉冲量输入板卡、多功能板卡等，其中多 功能板卡可以集成多个功能，。下面以研华 PCI 系列测控板卡为例介绍一下不同种类的典 型板卡的性能和特点。 2014-10-4 计算机控制技术 17 工控机简介 1. 模拟量输入板卡（A/D卡） ? 基于PC总线的A/D板卡是基于PC系列总线，如 ISA、PCI等总线标准设计的，板卡通常有单端 输入和差分输入以及两种方式组合输入三种。 板卡内部通常设置一定的采样缓冲器，对采样 数据进行缓冲处理，缓冲器的大小也是板卡的 性能指标之一。在抗干扰方面， A/D 板卡通常 采取光电隔离技术，实现信号的隔离。板卡的 模拟信号采集精度和速度指标通常由板卡所采 用的A/D转换芯片决定。 2014-10-4 计算机控制技术 18 工控机简介 ? 例如研华 PCI-1710 数据 采集卡，如图所示。该 板卡具有 32 路单端或 16 路差分模拟量输入或组 合方式输入等三种输入 方 式 ， 它 带 有 2500 VDC 隔离保护；采用12 位 A/D 转 换 器 ， 采 样 数 率 可 达 100kHZ ； 板 载 4K采样FIFO缓冲器；每 个输入通道的增益可编 程。 2014-10-4 图 研华PCI-1713数据采集卡 计算机控制技术 19 工控机简介 2. 模拟量输出板卡（D/A卡） ? 模拟量输出板卡完成数字量到模拟量的 转换， D/A 转换板卡同样依据其采用的 D/A转换芯片的不同，其转换性能指标有 很大的差别。D/A转换除了具有分辨率、 转换精度等性能指标外，还有建立时间、 温度系数等指标约束。模拟量输出板卡 通常还要考虑输出形式以及负载能力。 2014-10-4 计算机控制技术 20 工控机简介 ? 例如研华 PCI-1720 模拟 量输出卡，如图所示。 PCI-1720 提供了四个用 于 PCI 总线 位隔 离数字量到模拟量输出。 它是过程控制、伺服控 制和可编程电压源最好 的解决方案。由于能够 在输出和 PCI 总线 VDC 的隔离 保护，PCI-1720 非常适 合需要高电压保护的工 业场合，该板卡具有4 路输出通道。 2014-10-4 研华PCI-1720模拟量输出卡 计算机控制技术 21 工控机简介 3. 数字量输入/输出板卡（I/O板卡） ? 数字量输入输出接口相对简单，一般都 需要缓冲电路和光电隔离部分，输入通 道需要输入缓冲器和输入调理电路，输 出通道需要有输出锁存器和输出驱动器。 2014-10-4 计算机控制技术 22 工控机简介 ? 例 如 研 华 PCI-1760 光 隔 开关量输入输出卡提供了 8路数字量输入通道和8路 继电器输出通道。与传统 卡比较， PCI-1760 为每 个数字量输入通道增加了 可编程的数字滤波器。此 功能使相应输入通道的状 态不会更新，直到高 / 低 信号保持了用户设定的一 段时间后才改变。这样有 助于保持系统的可靠性。 2014-10-4 PCI-1760数字量输入输出卡 计算机控制技术 23 工控机简介 4. 脉冲量输入板卡 ? 工业控制现场有许多高速的脉冲信号，如旋 转编码器、流量检测信号等，这些都要脉冲 量输入板卡或一些专用测量模块进行测量。 脉冲量输入板卡可以实现脉冲数字量的输出 和采集，并可以通过跳线器选择计数、定时、 测频等不同工作方式。考虑到现场强电的干 扰，该类型板卡多采用光电隔离技术，使计 算机与现场信号之间全部隔离，来提高板卡 测量的抗干扰能力。 2014-10-4 计算机控制技术 24 工控机简介 ? 例如研华PCI-1780计数/定时 卡，如图所示，是基于PCI总 线设计的接口卡，该卡使用 了 AM9513 芯 片 ， 能 够 通 过 CPLD 实现计数器 / 定时器功 能，此外，该卡还提供8个 16 位计数器通道，该卡具有 8 通道可编程时钟资源， 8 路 TTL数字量输出/8路TTL数字 PCI-1780 8通道定时/计数卡 量输入，最高输入频率达 20MHz ，多种时钟可以选择， 可编程计数器输出，计数器 门选通功能。 2014-10-4 计算机控制技术 25 工控机简介 ? TTL电平信号被利用的最多是因为通常数据表 示采用二进制规定，+5V等价于逻辑“1”，0V 等价于逻辑“0”，这被称做TTL（TransistorTransistor Logic 晶体管 – 晶体管逻辑电平） 信号系统，这是计算机处理器控制的设备内部 各部分之间通信的标准技术。 ? TTL输出高电平2.4V，输出低电平0.4V。在 室温下，一般输出高电平是 3.5V，输出低电平 是0.2V 2014-10-4 计算机控制技术 26 工控机简介 ? CMOS电平 输出 L： 0.1*Vcc ； H：0.9*Vcc。 输入 L： 0.3*Vcc ； H：0.7*Vcc. RS232 标准逻辑1的电平为-3～-15V，逻辑0的电 平为+3～+15V，注意电平的定义反相了 一次。 2014-10-4 计算机控制技术 27 工控机简介 8.1.3 基于PC总线的板卡与工控机组成的计 算机控制系统的组成和特点 ? 工业现场生产过程中的各种工况参数（温度、 压力、流量、成分、位置、转速等）由传感器 或一次测量仪表进行检测，然后经变送器把它 们统一变换成 4 ～ 20mA 的电信号 , 经过模数转 换器转换成数字量送入计算机。计算机则对被 测信号按一定的控制规律（如 PID 规律）进行 计算，计算出送给控制执行机构的控制量。控 制量由计算机输出，经I/O接口送往输出通道， 形成闭环控制。 2014-10-4 计算机控制技术 28 工控机简介 1. 组成（1） 基于工控机和板卡组成的计算机控制 系统由硬件和软件两部分组成。 （1）硬件部分 ① 控制计算机 ? 控制计算机是控制系统的核心，可以对输 入的现场信息和操作人员的操作信息进行 分析、处理，根据预先确定的控制规律， 实时发出控制指令，控制和管理其他的设 备。考虑到工业控制领域较恶劣的环境， 一般选用工业控制计算机。 2014-10-4 计算机控制技术 29 工控机简介 1. 组成（2） ② I/O通道 ? 输入输出（ I/O ）通道在计算机控制系统中， 完成传感器输出信号和工业控制计算机之间， 或工业控制计算机和驱动元件之间信号的转换 和匹配的功能，称接口电路。它使工业控制计 算机能正确地接受被控对象工作状态的检测信 号，而且能实时地准确地对驱动元件进行控制。 2014-10-4 计算机控制技术 30 工控机简介 1. 组成（3） ? ③参数检测 ? 被控对象需要检测的参数分为模拟量参数和 开关量参数两类。对于模拟量参数的检测， 主要选用合适的传感器，通过传感器将这类 参数转换为成正比例的模拟量电信号。开关 量参数检测常用的元件有行程开关、光电开 关、接近开关、继电器或接触器的吸合释放 等开关型元件来完成，通过这些元件向计算 机输入开关量电信号。 2014-10-4 计算机控制技术 31 工控机简介 1. 组成（4） ? ④输出驱动 ? 被控对象的输出驱动，按输出信号形式 不同，也可分为模拟量信号输出驱动和 开关量输出驱动两种。模拟量信号输出 驱动主要用于伺服系统控制、变频控制 和调节阀等，开关量输出驱动主要用于 控制只有两种工作状态的驱动元件的运 行。 2014-10-4 计算机控制技术 32 工控机简介 1. 组成（5） ? ⑤人机接口 ? 人机接口是操作人员和计算机控制系统 之间信息交换的设备，是计算机控制系 统中必不可少的部分，主要由键盘、鼠 标和显示器等组成。直接使用键盘和鼠 标等输入控制命令和指令数据，使用显 示器显示运行状态和故障并帮助查找和 诊断故障，以及运行中间数据的检查、 运行过程的统计等。 2014-10-4 计算机控制技术 33 工控机简介 （2）软件部分 ? 计算机控制系统的软件由系统软件和用 户程序两部分组成。系统软件有计算机 操作系统、监控程序、用户程序开发支 撑软件，如开发语言、编译软件、调试 工具等。用户程序是指控制系统中与控 制对象或控制任务相应的控制程序。应 用程序一般都由用户自己根据控制系统 的目标、资源配备情况开发完成。 2014-10-4 计算机控制技术 34 工控机简介 2. 特点 ? 基于PC总线的计算机控制系统是一个典型的 DDC系统，因此它具有以下特点： （1）时间上具有离散性 ? 计算机DDC系统对生产过程的有关参量进行 控制时，是以定时采样和阶段控制来代替常 规仪表的连续测量和连续控制的。因此，确 定合适的采样周期和 A/D 、 D/A 转换器的字 长是提高系统控制精度、减少转换误差的关 键。 2014-10-4 计算机控制技术 35 工控机简介 （2）采用分时控制方式 ? DDC系统中的一台计算机要控制多个回路，为 此，该类系统采用“分时”控制的方法，即将 某一回路的采样和 A/D 转换、运算、输出控制 三部分的时间与其前后回路错开，放在不同的 控制时间里。这样，既保证了控制过程的正常 进行，又能充分利用系统中的各种设备，提高 了控制效率。 2014-10-4 计算机控制技术 36 工控机简介 （3）具有人机对话功能 ? 计算机控制系统的人机对话是一种计算 机控制系统必须具备的操作者和计算机 系统互相联系的功能。操作者通过输入 设备向计算机送入控制命令，计算机系 统则通过输出设备送出有关信息。一般 的计算机 DDC 系统除了普通的各种指示 外，还都通过相应接口连接显示屏、打 印机、控制键盘、越限报警装置等。 2014-10-4 计算机控制技术 37 工控机简介 （4）控制方案灵活 ? 对于一个模拟系统，控制算法是由硬件 实现的，硬件确定后控制算法也就确定 了，而计算机 DDC 控制系统的控制算法 是由软件实现的。通过改变程序即可达 到改变控制算法的目的，不仅方便灵活， 并且还可实现复杂的控制规律。对于多 回路控制系统，计算机 DDC 系统具有价 格优势，工控机ppt，路数越多，这种优势越明显。 2014-10-4 计算机控制技术 38 工控机简介 （5）危险集中 ? 由于这类系统中一台计算机控制几十个 回路，所以一旦计算机的软件或硬件出 现故障将会使整个系统瘫痪。 DDC 系统 的计算机直接与生产过程连接，而工业 现场的环境恶劣，干扰频繁，直接威胁 着计算机的可靠运行。因此，不仅需要 计算机本身具有较高的可靠性，必须采 取抗干扰措施来提高系统的可靠性，使 之能适应各种工业现场 。 2014-10-4 计算机控制技术 39 工控机简介 数据采集仪 2014-10-4 计算机控制技术 40 工控机简介 2014-10-4 计算机控制技术 41 工控机简介 U的概念 ? 规定的尺寸是服务器的宽（48.26cm＝19英寸） 与高（4.445cm的倍数）。由于宽为19英寸， 所以有时也将满足这一规定的机架称为“19英 寸机架”。 厚度以 4.445cm 为基本单位。 1U 就是 4.445cm ， 2U 则是 1U 的 2 倍为 8.89cm 。 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。设计 为能放置到19英寸机柜的产品一般被称为机架 服务器。 2014-10-4 计算机控制技术 42 工控机简介 2014-10-4 计算机控制技术 43 工控机简介 2014-10-4 计算机控制技术 44