第七章 工业控制微型计算机,7.1 工业控制计算机的特点 7.2 总线式工控机的组成结构 7.3 常用工控总线(STDVMEIPC工控机) 7.4 IPC的主要外部结构形式 7.5 IPC总线工控机内部典型构成形式 7.6 IPC总线工业控制计算机常用板卡介绍 习题,7.1 工业控制计算机的特点,1. 适应工业环境， 抗干扰能力强， 可靠性高 工业环境条件恶劣，情况复杂，存在着高温、高湿、震动、粉尘等情况，电磁干扰源多且复杂，这些都会给控制系统造成极大的危害。 工业生产要求所使用的系统可靠性高，否则， 会造成巨大的损失。因此，IPC必须具有良好的抗干扰能力和很高的可靠性。,2. 模块化板卡结构 IPC充分利用了PC的硬件和操作环境，采用了模块化的硬件板卡结构。如取消了PC中的母板，将原来的大母板上的总线插槽部分分成了通用的底板总线插座系统和变成PC插卡式主板， 如各种无源底板和多种CPU卡。把各种工业控制功能都做成各种硬件板卡，如开关量I/O卡、模拟量I/O卡、 计数器/定时器卡、通信板卡、数据采集卡、信号调理卡等基本模板，利用这些板卡就可以很方便地组成各种规模的控制系统。目前，工业控制计算机的厂商已开发出上千种的专业化板卡。这些板卡结构紧凑，现场功能丰富， 使用方便， 用户可以利用厂商提供的板卡，方便地组成自己需要的控制系统硬件， 还可以利用厂商提供的驱动程序，开发满足自己需要的控制程序，大大缩短了控制系统硬件的开发周期。,3. 各种工业控制计算机机箱 为了适应工业现场的安装要求，IPC机箱有各种尺寸的立式、卧式、壁挂式机箱可供选择。IPC机箱采用全钢密封结构， 采取了很多措施以适合工业环境，具有防电磁干扰能力；还采用内部正压送风，具有良好的散热和防尘效果。机箱内还配备了抗干扰、具有自动保护功能的工业电源。,4. 丰富的工业应用软件 为了实现工业控制，IPC在继承了PC丰富的软件资源外， 有许多专业软件公司开发了很多工业控制软件，这些软件由专业人员开发并经过实际运行考验，可靠性高，用户可以直接根据自己的需要进行选用。为了使控制效果更直观生动， 这些控制软件都采用了组态技术和多媒体技术。用户也可以利用厂商提供的驱动程序， 开发满足自己需要的控制程序。,5. 应用广泛 近年来，工控机又推出了嵌入式单板计算机， 有3.5 in(1 in=25.4 mm)和5 in两种规格。3.5 in的尺寸是146 mm102 mm，5 in的尺寸是203 mm146 mm。 嵌入式单板计算机集成了CPU、 CRT/LCD控制、10/100 Mbit/s网络接口、 电子盘接口、串行口、并行口、USB、键盘和鼠标等接口， 嵌入式单板计算机以其超小的体积、超强的功能，可广泛应用于信息家电、 仪器仪表、 智能产品等各种嵌入式领域。,图7-1 总线型工控机系统的硬件结构,7.2 总线式工控机的组成结构,工控机系统由工控机系统硬件和工控机系统软件两部分组成。工控机系统硬件由工控机和执行机构、 测量环节(传感器)组成。工控机由工业微机(如WC)和工业过程通道组成。 图71是总线型工控机系统的硬件结构图。工业控制微机和商用微机的组成原理十分相似。工控机系统硬件是在工业控制微机的基础上增加了过程通道板卡，以实现工业过程信号的输入和输出。,主机板和其他各板卡之间又是怎样连接和实现信息传输的呢? 它们是通过总线实现互连，并通过总线实现数据信息的传输和交换功能。所谓总线，就是指板卡(模块)与板卡(模块)之间或者设备与设备之间传送信息的一组公用共享信号线。 过程通道包括输入通道和输出通道两部分。输入通道可以将现场的过程信号经过变换或调理后输入到计算机，输出通道可以将计算机输出的控制信号经过变换或调理后输出给执行机构。,总线型工控机系统的优势在于，一个完整的硬件系统可以从一个OEM厂家购买到,也可以从不同的OEM厂家购买不同的部分，然后自己集成以适应特定的性能和功能需求。构成总线型工控机系统的硬件都是模块化的，便于维护和升级扩充， 也便于用户开发自己所需要的功能板卡。,7.3 常用工控总线(STDVMEIPC工控机),7.3.1 STD总线工控机 STD工控机基于STD总线，该总线由PRO-LOG公司于1978年推出，其正式标准为IEEE961。8位STD工控机支持绝大多数的8位微处理器。 16位STD工控机基于采用总线周期窃取和复用技术改进后的16位STD总线。32位STD工控机只是作为一种技术推出过， 但作为一种产品，还未真正进入市场，就已被迫退出市场。我国于20世纪80年代中后期引入STD工控机技术，国内曾经有数十个STD工控机厂家。,20世纪90年代初期，是STD工控机的鼎盛时期，也是STD和IPC工控机的共同繁荣时期。STD工控机曾为我国工业自动化改造做出过重要贡献，但由于STD工控机本身的技术局限性和IPC工控机市场的不断壮大，使得STD工控机于20世纪90年代末基本上退出了工控领域。,7.3.2 MC6800MC68000工控机 1. MC6800系列工控机 我国于20世纪70年代末期和80年代初期引进MC6800系列工控机及其过程通道。MC6800工控机系统在20世纪80年代初期得到应用。 由于MC6800工控机是8位微机，随着计算机技术的发展， 该系列工控机于20世纪90年代初期已基本上退出工控领域。,2. MC68000系列工控机 MC68000系列工控机采用的是VME总线，通常又称为VME工控机。 VME工控机主要提供了MC68000系列CPU的主机、外设和过程通道。VME工控机的主机系统都是32位的微机，相应的微处理器主要有MC68000、 MC68010、MC68020、MC68040等。 我国于20世纪80年代末期引进了VME工控机， 并实现了部分主机板卡和过程板卡的国产化。VME工控机采用的VME总线是当今工业界最好的微机数字总线之一， 只是由于推出VME工控机的Motorola公司工作重心的转移和工控机的PC化潮流，导致了VME工控机逐渐退出工控领域, 但是，VME工控机所采用的规范和体系结构，逐步被高档次IPC采用，这就充分说明VME工控机作为技术本身是比较优秀的。,7.3.3 IPC总线工控机 工业个人计算机简称IPC(Industrial Personal Computer)，它和IBM PC保持了硬件和软件上的兼容。IPC拥有丰富的硬件资源、软件资源和PC用户资源， 使得IPC已经成为工控机的主流。由IPC组成的各类工业控制微机系统在我国的各行各业得到了广泛的应用，因此提高了我国的生产自动化水平。从PC到今天的IPC，有一个相对长的发展历程。在发展期间，众多IPC商家克服了PC机无法直接应用于工业控制领域的诸多缺陷， 主要表现在以下各方面：,(1) 采用总线式结构取代PC机的大母板结构， 便于维修和维护。 (2) 采用工业级元器件进行板卡设计。 (3) 采用全钢结构工业标准台式机箱或插箱式机箱， 箱体密封， 并设有一大一小两个 风扇， 以形成机箱内的正压， 防止粉尘进入。 (4) 开发和设计了适用于工业控制的系列过程板卡。 (5) 主板增设了看门狗、 RS-485通信口等工业控制所必须的功能。,总之，在标准的工业总线基础上发展起来的IPC机不仅克服了原来的PC机的一些弱点，而且充分发挥了原PC机软硬件产品的资源优势，使它在工业控制领域中已牢牢地占据了应有的地位。如今，它不仅能出色地完成工厂企业中的数据采集、 过程控制、能源管理、质量控制、机电一体化等一般化的任务，而且在大型控制系统中大显身手，促使传统分散型控制系统的体系结构发生了深刻的变化。在新一代DCS系统的体系结构中普遍采用了IPC作为系统的操作站和系统内的节点机， 并由此组合成大型系统。,如Honeywell公司的TPS(Total Plant Solution)系统采用了IPC作为GUS(Global User Station)操作站， 其操作系统为Windows NT Workstation； YOKOGAWA公司的CENTUMCSl000也采用了IPC作为操作站和Windows NT作为操作系统。大型控制系统公司采用IPC技术后，不断降低DCS系统的成本， 而且促使DCS向标准化和PC化方向发展，同时也推动了IPC向纵深发展。 即将进入市场的FCS也将采用IPC作为操作站，因此IPC的前景十分看好。美国的CONTROL ENGINEERING早在20世纪80年代末就曾经指出：“20世纪90年代是工业IPC的时代，全世界15的工业计算机使用的是IPC，并继续以每年21的速度增长。 ”十几年来的事实证明这种评论和预测是正确的。,IPC的技术进步，一方面取决于技术本身的进步， 另一方面则取决于市场的需求。进入21世纪后， 随着计算机技术的发展以及自动化技术的普及和推广，IPC的性能进一步增强和逼近商用PC的发展速度。随着标准化工控组态软件的不断推出和完善、现场总线标准的统一和现场总线产品正式进入市场， IPC将以全新的角色发挥更大的作用。,7.4 IPC的主要外部结构形式,工业PC简称IPC，是用得最广泛的一种工业微机，也是工控机系统的核心组成部分之一。 目前，市场上的IPC多种多样，主要包括台式IPC、盘装式IPC、插箱式IPC、IPC工作站及嵌入式IPC等。 不同类型的IPC， 其性能、 价格和适用场合是不同的。,7.4.1 台式IPC 台式IPC的结构如图7-2所示。 其主要特点如下： (1) 类似于台式个人电脑的结构，但机箱为19英寸工业标准的全钢结构； (2) 机箱不带显示器， 需外接CRT或液晶显示器； (3) 总线型结构，主板和ISAPCI总线型底板分离，底板一般有多个PCMCIA、ISA、PCI插槽；,(4) 机箱内安装的吹风机的容量大于抽风机的容量，机箱内为正压， 且风口有过滤网，避免粉尘进入机箱； (5) 使用工业级电源； (6) 电源开关配有保护仓，防止没有授权的人员开关电源。 键盘设置有硬件锁，可防止外人进行操作。,图7-2 台式IPC的外观结构,7.4.2 盘装式IPC 盘装式IPC的结构如图7-3所示。 其主要特点如下： (1) 内部是全钢结构，外壳是防火塑料； (2) 质量轻、体积小、可以直接安装在控制屏上； (3) 采用TFT型LCD显示器，和主机构成一体化结构； (4) 使用触摸屏作为信息输入工具； (5) 完善的接口功能：串口、并口、USB接口，配有少量PCMCIA、ISA、 PCI插槽； (6) 集成网卡功能。,图7-3 盘装式IPC的外观结构,7.4.3 IPC工作站 IPC工作站的结构如图7-4所示。 其主要特点如下： (1) 全钢盘装式结构(19英寸)， 可以安装在控制屏或机柜上； (2) 主机箱、 TFTLCD显示屏和触摸屏做成一体化结构； (3) 面板上嵌入有专用键盘； (4) 内部结构和功能与台式IPC完全类似。,图7-4 IPC工作站的外观结构,7.4.4 插箱式IPC 插箱式IPC有ISA总线和PCI总线两种类型。基于不同的总线，其底板、总线、板卡尺寸则不同。 两种插箱式IPC的板卡在结构上不能互换。 图7-5为基于ISA总线的插箱式IPC(如研华公司推出的MIC-2000系列IPC)。,图7-5 基于ISA总线的插箱式IPC及板卡,基于ISA总线插箱式IPC的主要特点如下： (1) 采用19英寸标准插箱式机箱，全钢结构； (2) 机箱上下侧都有风机(抽风、吹风各一)，机箱内为正压，空气对流畅通； (3) 811槽无源ISA总线底板； (4) 模块化设计， 便于维护， 缩短MITR； (5) 现场信号直接进入前面板的接线端子； (6) 板卡前面板上下两端有把手， 容易插拔。,图7-6为基于PCI总线的插箱式IPC(如研华公司推出的MIC-3000系列)