2 工业控制计算机

高等院校自动化新编系列教材计算机控制技术第2章工业控制计算机(IPC)高等院校自动化新编系列教材计算机控制技术第二章计算控制系统概述主要内容：•2.1IPC工控机的组成结构•2.2IPC总线结构•2.3IPC工控机输入/输出模板•2.4单片机•2.5可编程控制器（PLC）高等院校自动化新编系列教材计算机控制技术第二章计算控制系统概述支持母板的4U高上架式机箱主要特点:支持300WATXPFCPS/2电源前置3个半高驱动器前置USB和PS/2及I/O接口前置报警LED研华IPC-610MB-H高等院校自动化新编系列教材计算机控制技术第二章计算控制系统概述“U”的含义•“U”是一种表示机架式服务器外部尺寸的单位，是unit的缩略语，详细尺寸由作为业界团体的美国电子工业协会（EIA）决定。•之所以要规定服务器的尺寸，是为了使服务器保持适当的尺寸以便放在铁质或铝质机架上。机架上有固定服务器的螺孔，将它与服务器的螺孔对好，用螺丝加以固定。•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”。高等院校自动化新编系列教材计算机控制技术第二章计算控制系统概述“U”的含义•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。•将服务器放置到机架上，并不仅仅有利于日常的维护及管理，也可能避免意想不到的故障。首先，放置服务器不占用过多空间。机架服务器整齐地排放在机架中，不会浪费空间。其次，连接线等也能够整齐地收放到机架里。电源线和网线等全都能在机柜中布好线，可以减少堆积在地面上的连接线，从而防止脚踢掉电线等事故的发生。高等院校自动化新编系列教材计算机控制技术第二章计算控制系统概述凌华工控机RACK-410S系列RACK-400L系列高等院校自动化新编系列教材计算机控制技术第二章计算控制系统概述研华主板PCA-6185高等院校自动化新编系列教材计算机控制技术第二章计算控制系统概述工控机结构特点•全钢机箱工控机的全钢机箱是按标准设计的，抗冲击、抗振动、抗电磁干扰，内部可安装同PC-bus兼容的无源底板。•无源底板无源底板的插槽由ISA和PCI总线的多个插槽组成，ISA或PCI插槽的数量和位置根据需要有一定选择，该板为四层结构，中间两层分别为地层和电源层，这种结构方式可以减弱板上逻辑信号的相互干扰和降低电源阻抗。底板可插接各种板卡，包括CPU卡、显示卡、控制卡、I/O卡等。•工业电源为AT开关电源，平均无故障运行时间达到250，00小时，两个电源。•CPU卡工控的CPU卡有多种，根据尺寸可分为长卡和半长卡，根据处理器可分为386、486、586、PII、PIII主板，用户可视自己的需要任意选配。其主要特点是：工作温度0-60摄氏度；装有“看门狗”计时器；低功耗，最大时为5V/2.5A。高等院校自动化新编系列教材计算机控制技术第二章计算控制系统概述2.1IPC工控机的组成结构•工业控制计算机,简称工控机,也称为工业计算机IPC。（IndustrialPersonalComputer）•它主要用于工业过程测量、控制、数据采集等工作•以工控机为核心的测量和控制系统，处理来自工业系统的输入信号，再根据控制要求将处理结果输出到执行机构，去控制生产过程，同时对生产进行监督和管理。☺工控机的特点☺工控机硬件组成☺工控机的软件组成☺工控机的主要类型及其选型高等院校自动化新编系列教材计算机控制技术第二章计算控制系统概述2.1.3IPC工控机的特点可靠性高，实时性好，环境适应性强，丰富的输入输出模板，系统扩充性和开放性好，系统通信功能强，控制软件包功能强，冗余性高等院校自动化新编系列教材计算机控制技术第二章计算控制系统概述人-机接口主机板系统支持磁盘系统通信接口模拟量输入通道AI模拟量输出通道AO数字量输入通道DI数字量输出通道DO内部总线外部总线硬件:主机板（CPU、内存储器）、系统总线、过程输入输出通道、人机接口、通信设备、系统支持板、磁盘系统。2.1.1IPC工控机硬件组成高等院校自动化新编系列教材计算机控制技术第二章计算控制系统概述主机板是工业控制机的核心，由中央处理器（CPU）、存储器（RAM、ROM）和I/O接口等部件组成。主机板的作用是将采集到的实时信息按照预定程序进行必要的数值计算、逻辑判断、数据处理，及时选择控制策略并将结果输出到工业过程。系统总线系统总线可分为内部总线和外部总线。内部总线是工控机内部各组成部分之间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IBMPC总线和STD总线。外部总线是工控机与其它计算机和智能设备进行信息传送的公共通道，常用外部总线有RS-232C、RS485和IEEE-488通信总线。人-机接口人-机接口包括显示器、键盘、打印机以及专用操作显示台等。通过人-机接口设备，操作员与计算机之间可以进行信息交换。高等院校自动化新编系列教材计算机控制技术第二章计算控制系统概述通信接口通信接口是工业控制机与其它计算机和智能设备进行信息传送的通道。常用IEEE-488、RS-232C和RS485接口。为方便主机系统集成，USB总线接口技术正日益受到重视。输入/输出模板是工控机和生产过程之间进行信号传递和变换的连接通道。包括模拟量输入通道（AI）、模拟量输出通道（AO）、数字量（开关量）输入通道（DI）、数字量（开关量）输出通道（DO）。系统支持系统支持功能主要包括：①监控定时器：俗称“看门狗”（Watchdog）。②电源掉电监测：③后备存储器：④实时日历时钟磁盘系统:半导体虚拟磁盘，软盘,硬盘或USB磁盘高等院校自动化新编系列教材计算机控制技术第二章计算控制系统概述软件是工业控制机的程序系统，可分为系统软件、支持软件、应用软件三部分。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工具软件是技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、诊断程序等应用软件是系统设计人员针对某个生产过程而编制的控制和管理程序。通常包括过程输入输出程序、过程控制程序、人-机接口程序、打印显示程序和公共子程序等。2.1.2IPC工控机的软件组成高等院校自动化新编系列教材计算机控制技术第二章计算控制系统概述2.1.4IPC工控机的主要类型及其选型•依据采用总线的不同，工控机的产品主要有:•PC总线工控机、STD总线工控机、VME总线工控机IPC选型:•（1）主机档次，•（2）IPC机型号，•（3）内存、外存配置，高等院校自动化新编系列教材计算机控制技术第二章计算控制系统概述STD总线•1、总线标准STD总线即StandardBus，是一种规模最小，面向工业控制，设计周密的8位系统总线。•2、STD总线的性能特点•1）支持的微型处理器STD总线支持8位微处理器。2）总线的基本组成STD总线是一种小型的、面向工业控制及测量的总线，全部总线只有56，这56根总线被划分为四组，即：逻辑电源总线6根和辅助电源总线4根，双向数据总线8根，地址总16根，控制总线22根。•3）支持多处理器系统可实现分布式、主机式及多主STD总线多处理器系统。高等院校自动化新编系列教材计算机控制技术第二章计算控制系统概述STD总线•4）总线数据传输的控制方式STD总线是同步总线，采用同步方式传输数据。•5）中断功能STD总线最初只定义了两根中断控制线，系统的中断功能不强。但在SystemIISTD总线系统中，由于兼容了PC／XT，因此中断功能显著提高。•6）CMOS化•7）局部总线扩展能力•8）支持网络的功能•9）模板尺寸STD模板尺寸为4.5英寸×6.5英寸（即11.4cm×16.5cm），是总线一模板式测控系统中最小的，因此具有机械强度高、抗振动及抗冲击能力强的特点。•10）可靠性高高等院校自动化新编系列教材计算机控制技术第二章计算控制系统概述VME总线•VME总线，VersamodelEurocard由Motorola公司1981年推出的第一代32位工业开放标准总线，其主要特点是VME总线的信号线模仿Motorola公司生产的68000系列单片机信号线，由于其应用的广泛性被IEEE收为标准，即IEEE1014-1987,其标准文件为VMEbusspecificationRevC.1。•VME总线的插板一般有两种尺寸，一种是3U高度的带一个总线接口J1，高*长为100mm*160mm，另一种是6U高度的带2个总线接口J1、J2，高*长为233mm*160mm。•一般每块VME总线的插板上的接口J1、J2都有96针，每一个接口都是3排，按A、B、C排列，每排32针，J1一般用于直接与VME总线相连，J2的中间列用于扩展地址总线或数据总线，另外两列可由用户定义及I/O、磁盘驱动及其他外设等，（注意：我们应用的全固态电视发射机的I/O板和RC/RI板就扩展了J2口的针脚。）因此VME总线已对未来的应用扩展预留了信号针，这也是VME总线将来可以灵活升级的原因。高等院校自动化新编系列教材计算机控制技术第二章计算控制系统概述STD-486主板高等院校自动化新编系列教材计算机控制技术第二章计算控制系统概述2.2.1总线概述总线标准实际上是一种接口信号的标准和协议总线定义与分类:总线是一组信号线的集合，它定义了引线的信号、电气、机械特性，是微机系统内部各组成部分之间、不同的计算机之间建立信号联系，进行信息传送的通道。总线:内部总线（系统总线）和外部总线（通信总线）总线按功能或信号类型划分，主要有三类总线：数据总线、地址总线、控制总线总线主要有数据传输、中断、多主设备支持、错误处理等功能2.2IPC总线结构高等院校自动化新编系列教材计算机控制技术第二章计算控制系统概述内部总线是指微机内部各功能模块间进行通信的总线，也称为系统总线。它是构成完整微机系统的内部信息枢纽.2.2.2内部总线STD总线、ISA总线和PCI总线，高等院校自动化新编系列教材计算机控制技术第二章计算控制系统概述ISA总线介绍•20世纪80年代初期，IBM在推出自己的微机系统IBMPC/XT时，就定义了一种总线结构，称为XT总线。这是8位数据宽度的总线。随着IBM采用80286CPU，推出IBMPC/AT微机系统，又定义了与XT总线兼容的16位的AT总线。•ISA总线(IndustrialStandardArchitecture)即AT总线，它是在8位的XT总线基础上扩展而成的16位的总线体系结构。高等院校自动化新编系列教材计算机控制技术第二章计算控制系统概述ISA总线•后来，在大多数Pentium系列的PC机主板上仍保留3～4个ISA总线扩充槽，即可以插入8位ISA卡，又可以插入16位ISA卡。•ISA总线插槽•ISA总线插槽有一长一短两个插口，长插口有62个引脚，以A31～A1和B31～B1表示，分别列于插槽的两面；短插口有36个引脚，以C18～C1和D18～D1表示，也分别列于插槽的两面。ISA总线插槽如图所示。高等院校自动化新编系列教材计算机控制技术第二章计算控制系统概述ISA总线插槽结构D18D1C18C1B31B1A31A1ISA总线插槽高等院校自动化新编系列教材计算机控制技术第二章计算控制系统概述高等院校自动化新编系列教材计算机控制技术第二章计算控制系统概述ISA板卡高等院校自动化新编系列教材计算机控制技术第二章计算控制系统概述PCI总线---对传统总线结构的突破•人们注意到，随着微处理器速度及性能的改进与更新，作为微型计算机重要组成部件的总线也被迫作相应的改进和更新。否则，低速的总线将成为系统性能的瓶颈。•同时，人们也看到了另一个不容忽视的事实，即随着微处理器的更新换代，一个个曾颇具影响的总线标准也相继黯然失色了，与其配套制造的一大批接口设备(板卡、适配器及连接器等)也渐渐被