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智能测控系统设计第七章基于工控机的智能测控系统一、工控机概述二、PC总线工控机三、工控机I/O接口模板四、工控系统通信技术五、工控软件系统六、工控系统的建立智能测控系统设计一、工控机概述1.工控机特点2.工控机组成3.工控机系统构成4.工控机分类5.工控机系统的发展智能测控系统设计工控机特点特点：可靠性高；实时性好；环境适应性强；过程输入输出配套好；系统扩展性好；系统开放性；控制软件包功能强；系统通信功能强；后备措施齐全；具有冗余性。工业控制计算机，英文简称IPC，全称IndustrialPersonalComputer。它是一种加固的增强型个人计算机，它可以作为一个工业控制器在工业环境中可靠运行。也就是说，工控机就是专门为工业控制现场而设计的计算机。智能测控系统设计工控机组成加固型工控机箱、工业电源、主机板、显示板、软盘、硬盘、各类输入输出模板、显示器、键盘、鼠标、打印机。智能测控系统设计工控机系统构成工控机主机、输入接口模板、输出接口模板、通信接口模板、信号调理单元、远程采集模块、工控软件包。智能测控系统设计工控机系统构成框图智能测控系统设计工控机分类工控机分类：PC总线工控机（有ISA总线、VESA局部总线、PCI总线、PC104总线）STD总线工控机VME总线工控机工控机系统分类：单机型分散型控制系统（DCS）智能测控系统设计工控机系统的发展•综合自动化系统•开放式系统结构•现场总线技术•DCS系统•实时控制与优化的商品化软件•高性能控制算法。智能测控系统设计二、PC总线工控机1.特点2.PC总线工控机（IPC）构成原理3.机械结构4.工控机底板5.工控机主板6.PC总线类型7.ISA总线信号定义8.PC总线工控机主要类型智能测控系统设计PC总线工控机特点•兼容性好升级容易•性能价格比高•丰富的软件支持•通信功能强•可靠性高智能测控系统设计PC总线工控机（IPC）构成原理智能测控系统设计机械结构结构特点：加固型金属机箱；防震设计的驱动器前台；夹紧压板；大功率工业开关电源，250~300W；双冷却风扇，空气过滤器；能抗冲击，振动，并且能在高温下稳定工作。智能测控系统设计机械结构示意智能测控系统设计机械结构示意智能测控系统设计ISA总线PCI总线PICMG总线工控机无源底板智能测控系统设计工控机主板示例智能测控系统设计•Businterface:PCI/ISAbus,PICMGcompliant•Enhancedparallelport:LPT1,LPT2,LPT3•Serialports:TwoRS-232portsCOM1,COM2•KeyboardandPS/2mouseconnector:A6-pinmini-DINconnector•ISAdrivingcurrent:64mA(HighDrive)•VGAController:Chipsetintegrated•VGADisplaymemory:Sharesystemmemoryup8MB•Resolution:upto1280X1024X64Kcolors•EthernetLAN:Supports10/100Base-TEthernetnetworking工控机主板示例智能测控系统设计PC总线类型•XT总线:8位开放结构总线，针对Intel8088设计采用Intel8088处理器的体系结构，为8位扩展总线，工作频率为4.77MHz，最大传送速率为2.39Mbit/s。总线是一种内部结构，它是CPU、内存、输入、输出设备传递信息的公用通道，主机的各个部件通过总线相连接，外部设备通过相应的接口电路再与总线相连接，从而形成了计算机硬件系统。•ISA总线:就是AT总线(XT总线的扩展)，也称PC总线，它是在XT总线的基础上扩充设计的16位工业标准结构总线，其寻址空间最大16MB，操作速度为8MHz，数据传输率为16Mbit/s。智能测控系统设计PC总线类型•EISA总线：扩展工业标准结构(ExtendedIndustryStandardArchitecture)，是32位总线,它支持总线主控,数据传率可达32Mbit/s,兼容ISA总线。但现今已被淘汰。•VESA总线(VL-BUS)：局部总线标准，可以与ISA、EISA总线同时使用，由CPU总线直接进行数据交换。•PCI总线：外设部件互连标准(PeripheralComponentInterconnect)，是INTEL公司推出的，它支持并发CPU和总线主控部件操作，支持64位奔腾处理器。•CompactPCI：是一种基于标准PCI总线的小巧而坚固的高性能总线技术。该技术由1994年PICMG提出，它定义了更加坚固耐用的PCI版本。在电气、逻辑和软件方面，它与PCI标准完全兼容。智能测控系统设计PC总线类型•PC104总线：工业界公认的嵌入式PC标准。是在AT总线的基础上对电气特性、机械特性等方面进行了改进(缩小模板体积、降低功耗)，以满足嵌入式计算机应用系统的需要。它共有104条信号线，模块的标准尺寸为90mmX96mm。PCI04总线具有独特的自栈式总线结构，无底板，因而应用于嵌人式设备场合。智能测控系统设计ISA总线信号定义将XT的62线信号扩充为98线智能测控系统设计PC总线工控机主要类型•BOX－PC（盒式工控机）：体积小重量轻，可以挂在墙壁等处•PANEL－PC（盘式工控机）：紧凑型IPC，配超薄型显示器，适合机电一体化控制器。•ISA总线IPC•VESA总线IPC•PCI总线IPC•PC-104总线工控机•工业工作站：主机、显示器、操作面板一体化，适合监控站、机电控制等。智能测控系统设计工控机的产品图例盒式工控机智能测控系统设计工控机的产品图例盘式工控机智能测控系统设计工控机的产品图例智能测控系统设计嵌入式工控板产品图例智能测控系统设计三、工控机I/O接口模板1.模拟量输入接口板（ADC30B为例）2.模拟量输出接口板(以ADC40为例)3.数字量输入接口板（以PI-32为例）4.数字量输出接口板（以PO-32为例）5.固态电子盘模板6.智能接口模板7.信号调理模板8.工控系统的模板部件（以Mistic200控制器为例）智能测控系统设计模拟量输入接口板（ADC30B为例）智能测控系统设计ADC30B技术性能智能测控系统设计模拟量输出接口板(以ADC40为例)智能测控系统设计ADC40模拟输出电路高速D/A智能测控系统设计ADC40主要特性通道个数：4；输出类型：非隔离输出；双极：-5~5V、-10~10V；单极：0~5V、0~10V；电流：4~20mA；输入：12位；转换方法：阶梯电阻网络；转换速度：3.5V/s；吞吐量：30000Hz/通道；输出电流：5mA；驱动电容：0.5F；数据编码：直接二进制（单极）、补码二进制（双极）；参考输出-5V，-10V智能测控系统设计数字量输入接口板（以PI-32为例）智能测控系统设计PI32主要特性智能测控系统设计数字量输出接口板（以PO-32为例）智能测控系统设计PO-32主要特性智能测控系统设计I/O模板的输入输出电路智能测控系统设计固态电子盘模板工控机长期运行在现场恶劣环境中，软盘或硬盘有机械运动容易出现故障。电子盘(固态硬盘)采用SRAM、EPROM、EEPROM、FLASHEPROM、NOVRAM等存储器，代替软盘或硬盘，没有机械运动，提高了可靠性和存取速度。固态硬盘的接口规范和定义、功能及使用方法上与普通硬盘完全相同，在产品外形和尺寸上也完全与普通硬盘一致。广泛应用于军事、车载、工控、视频监控、网络监控、网络终端、电力、医疗、航空等、导航设备等领域。智能测控系统设计固态电子盘的特点1、读写速度快。采用闪存作为存储介质，读取速度相对机械硬盘更快。固态硬盘不用磁头，寻道时间几乎为0,持续写入的速度非常惊人。2、低功耗、无噪音、抗震动、低热量、体积小、工作温度范围大。固态硬盘没有机械马达和风扇，不会发生机械故障，也不怕碰撞、冲击、振动。基于闪存的固态硬盘在工作状态下能耗和发热量较低，比同容量机械硬盘体积小、重量轻，温度范围大。因此广泛应用于军事、车载、工业、医疗、航空等领域。3、容价比偏低。这里指的是容量和价格的比，机械硬盘平均0.3元/GB左右，而固态硬盘平均6元/GB左右。4、寿命限制。固态硬盘闪存具有擦写次数限制的问题，闪存完全擦写一次叫做1次P/E，34nm的闪存芯片寿命约是5000次P/E，而25nm的寿命约是3000次P/E。智能测控系统设计智能接口模板接口模板自带微处理器，完成有关采集、处理等任务，与PC主机并行工作。以智能数据采集板IDAA为例：智能测控系统设计信号调理模板完成信号的隔离、放大、滤波等任务。例如：S系列处理模块中16路公共隔离型模拟输入端子板SATP_M：智能测控系统设计工控系统的模板部件以Mistic200控制器为例自带处理器，独立于主CPU直接完成工作，本地Brick以并行总线方式与主CPU联系，远地Brick以高速485或光纤网络与主CPU联系。智能测控系统设计智能测控系统设计Mistic200结构图智能测控系统设计四、工控系统通信技术1.基本通信方法2.标准通信总线3.多通道异步通信接口板（以COM-4M为例）4.GPIB多功能通信接口模板5.实时工业控制网络F-NET智能测控系统设计基本通信方法三种基本通信方法：标准通信总线（外总线）、现场总线、局域网。工控系统通过三种通信方法将主机与各种设备连接，形成信息传输系统，实现信息共享。智能测控系统设计标准通信总线标准通信总线又称为外总线，用于工控机和终端设备和其它仪器间的通信，有时也用于系统之间的通信。有并行总线和串行总线两种。常用串行总线有RS232、RS423、RS422、RS485，常用并行总线有IEC625（又称IEEE488，GP-IB或HP-IB）智能测控系统设计四种接口电路的比较公共地线有较大共模干扰多个发送器和接受器共有一条信号传输线采用平衡驱动，差分接收采用差分接收，接收器的一端接发送端的地线智能测控系统设计串行通信主要参数智能测控系统设计RS422与RS485的比较RS485实际上是RS422的变形，它与RS422的不同之处在于：RS422为全双工，RS485为半双工；RS422采用两对平衡差分信号线RS485只需其中的一对。RS485对于多站互连十分方便，可以节省信号线，但某一时刻只有一个站可以发送数据。点对点互连连接如下图：实线连接为RS485接口，虚线连接用于RS422接口智能测控系统设计RS422与RS485的比较驱动接收电路没有多大差别智能测控系统设计采用RS232C/422A转换装置解决远距离通信RS232/422A转换装置原理请求发送智能测控系统设计多通道异步通信接口板以COM-4M为例：4个RS232或RS422，COM1～COM4通信芯片采用WS8250_B。智能测控系统设计GPIB多功能通信接口模板接口控制器智能测控系统设计GPIB标准总线长：20M最大值；总线上设备分配：设备间最大距离不超过4m，设备间平均距离不超过2m；总线上设备数：最大14；数据线：8条平行、3条握手；接口管理线：5条；信号电平：LO0.8V、HI2.0V；外接方式：一个IEEE-488标准24针连接器。智能测控系统设计工业以太网工业以太网是基于IEEE802.3的强大的区域和单元网络，技术上与以太网兼容。随着网络技术的发展，以太网只适合于商用的局限性逐步得到改变，在如今的工业控制网络中，以太网已经成为企业层和控制层的主要网络技术。过去，以太网难于满足工业应用的主要障碍在于以下几点：1.以太网采用碰撞检测方式（CSMA/CD），在网络负荷较重（大于40％）时，网络的确定性不能满足工业控制的实时要求。2.以太网所用的接插件、集线器、交换机和电缆等是为办公室应用而设计的，不符合工业现场恶劣环境的要求。3.在工厂环境中，以太网抗干扰性能较差。若用于危险场合，以太网不具备本质安全性能。4.以太网还不具备通过信号线向现场仪表供电的性能。智能测控