42工控机简介

工控机简介2020/3/17计算机控制技术1PC总线的工业控制机简介•工业个人计算机IndustrialPersonalComputer（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。工控机简介2020/3/17计算机控制技术2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（DirectDigitalControl）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。工控机简介2020/3/17计算机控制技术3工控机示意图西门子工控机研华工控机工控机简介2020/3/17计算机控制技术4工控机简介2020/3/17计算机控制技术5工控机简介2020/3/17计算机控制技术6工控机简介2020/3/17计算机控制技术7工控机简介2020/3/17计算机控制技术8工控机简介2020/3/17计算机控制技术91.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。图8.1工控机典型结构图•①全钢机箱•②无源底板•③工业电源•④CPU卡•⑤其他配件下一页工控机简介2020/3/17计算机控制技术10CPU板返回工控机简介2020/3/17计算机控制技术11工控机简介2020/3/17计算机控制技术12无源底板返回工控机简介2020/3/17计算机控制技术13工控机简介2020/3/17计算机控制技术142.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IBM-PC/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。工控机简介2020/3/17计算机控制技术152.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。工控机简介2020/3/17计算机控制技术163.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。工控机简介2020/3/17计算机控制技术178.1.2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。工控机简介2020/3/17计算机控制技术181.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。工控机简介2020/3/17计算机控制技术19•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2500VDC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。图研华PCI-1713数据采集卡工控机简介2020/3/17计算机控制技术202.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。工控机简介2020/3/17计算机控制技术21•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总线的12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总线之间提供2500VDC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。研华PCI-1720模拟量输出卡工控机简介2020/3/17计算机控制技术223.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。工控机简介2020/3/17计算机控制技术23•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。PCI-1760数字量输入输出卡工控机简介2020/3/17计算机控制技术244.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。工控机简介2020/3/17计算机控制技术25•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。PCI-17808通道定时/计数卡工控机简介•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（Transistor-TransistorLogic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0.2V2020/3/17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。2020/3/17计算机控制技术27工控机简介2020/3/17计算机控制技术288.1.3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。工控机简介2020/3/17计算机控制技术291.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。工控机简介2020/3/17计算机控制技术301.组成（2）②I/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。工控机简介2020/3/17计算机控制技术311.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。工控机简介2020/3/17计算机控制技术321.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。工控机简介2020/3/17计算机控制技术331.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。工控机简介2020/3/17计算机控制技术34（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。工控机简介2020/3/17计算机控制技术352.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。工控机简介2020/3/17计算机控制技术36（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