计算机控制系统的硬件基础.ppt

第 2 章 计算机控制系统的硬件基础,本章主要教学内容,2.1 计算机控制技术,2.2 常用的控制计算机,2.3 模拟量输入通道,2.4 模拟量输出通道,2.5 数字量输入输出通道,2.1 计算机控制技术,2.1.1 工业控制技术的发展,流体控制技术,测量元件：就地式气动仪表执行元件：气动或液压元件。如气缸、气泵、液压缸、液压泵、液压马达等,电气电子技术,气动、电动单元组合式仪表和集中控制室：主要是基于4-20mA电流信号的仪表和控制系统,计算机控制技术,基于微处理器的自动控制技术。计算机控制技术和系统已成为整个企业自动化的核心基础，不仅用于生产的自动化监控，也是上层管理信息系统的数据源和基础核心模块。,2.1.2 工业控制自动化的层次,管理自动化,过程自动化,基础自动化,工业过程综合自动化系统将生产过程的生产工艺技术、设备运行技术、和生产过程管理技术集成起来，实现生产过程的优化控制、优化运行和优化管理，从而保证与产品质量、成本及相关的综合生产指标优化。,2.1.3 计算机控制技术在企业自动化中的作用,流程工业,过程控制技术是将与产品的质量、产量、成本相关的经济技术指标自动转化为流程工业生产过程各工序自动控制的系统参数，从而保证达到产品的微观组织和最终性能的高技术。以PLC和工控机为主。难点：很多过程中的非线性特性,离散工业,离散工业自动化的主要特征是计算机集成制造系统，即CIMS。它将信息技术、现代管理技术与先进设计制造技术相结合，应用于企业产品生命全周期。离散工业企业的生产现场底层的核心控制器通常是专用的。,2.2 常用的控制计算机,工业生产过程中的计算机控制系统内常见的核心控制器分别为,工业控制计算机 IPC（简称工控机）,可编程序控制器PLC,单片机,中小型控制系统中的主要控制装置，也是大型网络控制系统中的控制单元,在智能控制仪表、智能网络控制器及小型控制器中应用广泛,2.2.1 工业控制计算机（IPC，工控机）,专用的、使用于工业环境的工控机，成为实现低成本工业自动化的重要途径。,工控机是以计算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，再根据控制要求输出控制信号去控制生产过程,硬件上，由生产厂家按照某种标准总线，设计制造符合工业标准的主机板及各种I/O模块，设计者和使用者只要选用相应的功能模块，可灵活地构成各种计算机控制装置,1 工控机的组成与特点,工控机的硬件组成,典型的工控机由加固型工业机箱、工业电源、显示,板、硬盘驱动器、光盘驱动器、各类输入/输出接口模,块、显示器、键盘、鼠标、打印机等组成。,（a）外部结构（b）外部结构,图2.2-1 工控机的主机箱结构,主机板,人-机接口,系统 支持,磁盘系统,通信接口,外部总线,内部总线,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,工控机的各部件均采用模块化结构，即在一块无源的,平行底板总线上，接插多个功能模块组成一台工控机,图2.2-2 工控机的硬件组成结构,软件组成,系统软件 包括实时多任务操作系统、引导程序、,调度执行程序，如Intel公司的iRMx86实时多任务,操作系统。此外也使用MS-DOS，Windows软件,工具软件 软件开发的辅助软件，包括汇编语言、高,级语言、编译程序、调试程序、诊断程序等。,应用软件 针对某个生产过程而编制的控制和管理程,序，包括过程输入输出程序、过程控制程序、人-,机接口程序、打印显示程序及公共子程序,工控机的要求与特点,可靠性高 常用于连续的生产过程,实时性好 实时地响应被控对象的各种参数的变化,环境适应性强 温度/湿度、防尘/腐蚀/震动冲击等,丰富的输入输出模块 模拟/数字/脉冲量等I/O模块,系统扩充性和开放性好,控制软件包功能强,系统通信功能强,冗余性 在对可靠性要求很高的场合，要求有双机,工作及冗余系统,2 工控机的总线结构,总线：构成微机系统的各类插件板之间的互联和通,信通过系统总线来完成。这种系统总线是一,种标准化的总线电路，它提供通用的电平信,号来实现各种电路信号的传递。,总线标准：实际上是一种接口信号的标准和协议。,（1）内部总线,微机内部各功能模块间进行通信的总线，也称为,系统总线。目前工控领域应用较多的内部总线有,STD总线、ISA总线和PCI总线。,ISA总线（IBM PC总线系列）,PC/XT总线：Intel 8088微处理器，8位数据线、,20位地址线和若干控制线，共62引脚,AT总线也称为ISA（Industry Standard,Architecture）总线标准,为了和Intel 80286 16位机兼容，对XT总线在电,气和机械特性上作了较大的扩充，在原62引脚的基,础上有增加了一个36引脚插座而形成：16位数据总,线、24位地址总线、15个中断并提供共享功能，,8个DMA通道。,1989年，COMPAQ公司联合HP、AST等9家计算,机公司，在ISA总线基础上，推出了适应32位微处理,器的系统总线标准EISA（Extended Industrial,Sdandard Architecture），与ISA兼容。,PCI总线,PCI总线（Peripheral Component Interconnect，,外围部件互连总线）是介于CPU芯片级总线和系,统总线之间的一级总线。外设通过局部总线与,CPU的数据传输率得以大大提高。PCI总线支持,64位数据传送、多总线主控模块、线性猝发读写,和并发工作方式。,PCI总线的特点：,PCI传输率高。最大传输率数据传输率分别为,总线时钟工作频率33MHz，与CPU时钟无关，,总线的数据宽度为32位，可扩充至64位。,133Mb/s和266Mb/s，PCI Express数据传输,率可以达到8Gb/s。能提高硬盘、网络界面卡、,的性能，充分发挥影像、图形及各种高速外围,设备的性能。,采用数据线和地址线复用结构，减少了总线引脚,数，节省线路空间，降低设计成本。,（2）外部总线,外部总线是指用于计算机与计算机或计算机与,其他智能外设之间的通信线路。,常用的外部总线有IEEE-488并行总线、RS-,232C串行总线和RS-485通信总线。,ISA 总线工控机（ISA BUS-IPC）：一般工业环境,3 基于PC总线的工业控制机常见类型,PCI 总线工控机（PCI BUS-IPC）：采用Intel,盒式工控机（BOX-PC）：适于工厂环境中的小,盘式工控机（PANEL-PC）：适于机电一体化的,型数据采集使用,控制器,芯片和PCI总线构成,VESA总线工控机（VESA BUS-IPC）：与ISA,Compact PCI 工控机：PCI总线欧式插卡结构,总线工控机相比，具有较高的显示速度和I/O读写,速度，适用于作监控操作站，对实时图像处理应,用更为合适。,工业级工作站（Industrial Workstation）：将,主机、显示器、操作面板集成一体的工控机,新型工控机（New Type IPC）,Compact PCI 总线工控机：,（Peripheral Component Interconnect）工控机及其变形机，如AT96总线工控机等。,由于基础自动化和过程自动化对工业PC的运行稳定性、热插拔和冗余配置要求很高，现有的IPC已经不能完全满足要求，将逐渐退出该领域，取而代之的将是Compact PCI-based工控机，而IPC将占据管理自动化层。,1990s末期，以Compact PCI总线工控机为核心的第三代工控机技术占主导地位。,开放性、良好的散热性、高稳定性、高可靠性及可热插拔等，非常适合于工业现场和信息产业基础设备的应用，被众多业内人士认为是继STD和IPC之后的第三代工控机的技术标准。,Compact PCI的特点,2.2.2 基于PLC的控制系统,可编程序逻辑控制器（Programmable Logic,Controller，PLC），最早于1969年问世，是一种,专为工业环境应用而设计的微机系统。,PLC用可编程序的存储器来存储用户的指令，,通过数字或模拟的输入输出完成确定的逻辑、顺序、,定时、记数和运算等功能。,PLC可按照逻辑条件和时序进行顺序动作，或连锁保护动作的控制，离散量的数据采集监视，已发展成取代继电器线路和以进行顺序控制为主的产品。,2.2.3 嵌入式控制技术和系统,一般指非PC系统，有计算机功能但又不能称之为计算机的设备或器材，面向特定应用。常见的有：,1 PC/104总线工控机,基于PC/104总线的微型计算机，可以嵌入到设备、仪器之中，故得名。,2 单片机,即单片机微型计算机，又称为微控制器。它将计算机主机（CPI、内存和I/O接口）集成在一小块硅片上的计算机。为工业测控而设计。,3 ARM嵌入式单片机,由于嵌入式工控机的存储量有限，所以在嵌入式工控机中普遍使用实时多任务操作系统（Real Timer Operating System，RTOS），常见的软件有：Unix、Linus、PSOS、VxWorks、Window CE、iRMX386和Lynx OS等。,计算机控制技术在我国的发展和应用,1 工业控制计算机IPC在中国的发展大致经过三个,第一阶段：从1980s-1990s初，以国外品牌为主，,第二阶段：1991-1996年，台湾生产的价格适中的,IPC工控机开始大量进入大陆市场，这在很大程度上加速了IPC市场的发展，其应用也从传统工业控制向数据通信、电信、电力等对可靠性要求较高的行业延伸,价格昂贵,阶段,第三阶段：从1997年开始，大陆本土的IPC厂商进入,该市场，促使IPC的价格不断降低，使工控机的应用水平和应用行业发生极大变化。目前中国IPC工控机的大小品牌约有15个左右，主要有研华、凌华、研祥、深圳艾雷斯和华北工控等。后来又出现了个人计算机（PC）+单回路可编程序控制器组合的计算机控制系统,2 PLC,PLC直到1980s初才为中国技术人员所熟悉。国内的行业比较萧条，在我国未形成制造产业。PLC的市场潜力是十分巨大的，需要应用PLC的场合很多。例如，从技术创新角度看，我国大中型企业还要大力发展CIMS，在机械制造厂要形成柔性制造系统（Flexible Manufactory System，FMS），而PLC是基础。,3 分布式控制系统DCS,从1970s中后期起，首先由大型进口化工设备成套中引入国外的DCS，后来一段时间，我国主要行业（如电力、石化、建材和冶金等）的DCS基本全部进口。1990s，国产化研制技术攻关取得实质性进展。目前产品技术水平已达到或接近国际先进水平。,目前国内DCS中的现场控制器采用的还是第二代IPC工控机产品。现在已开始用新一代Compact PCI总线和PXI总线工控机替代。,2.3 模拟量输入通道,2.3.1 模拟量输入通道的功能,把表征被控对象运动状态的模拟信号（温度、压力、流量、液位、位移、速度等）转换为计算机可以接受的数字信号，送入计算机，以便进行数字化处理。,2.3.2 模拟量输入通道的组成与结构,计算机,接口电路,采样保持器,前置放大器,A/D转换器,多路模拟开关,前置滤波器,信号变换器,被控对象,控制电路,前置滤波,信号变换器,信号变换器,把非电模拟信号转变为电信号,前置滤波器,滤除输入模拟信号中可能混有的高频干扰,多路模拟开关,在计算机控制系统中，往往是十几路或几十路模拟信号共用一只A/D转换器，可以降低通道及系统的成本，提高A/D转换器的利用率。多路模拟开关轮流切换各路信号。常用的芯片是CD4051.,前置放大器,与一般测量系统中的放大器相比，在高增益、高稳定性、极强共模抑制比等方面的性能要求，没有什么差别。不同的是，希望放大器的增益，可由计算机通过编程来设置或改变，以适应各路信号变化范围的要求。,采样保持器,对模拟信号进行采样并保持其值,A/D转换器,它是模拟量输入通道的核心环节，必不可少。其作用是把来自被控对象的模拟量，转换为计算机所要求的数字量.常用的芯片有8位的ADC0809及12位的AD574.,接口和控制电路,它是计算机与模拟量输入通道之间的连接电路，其作用可归结为：启动A/D转换，并将转换结果送计算机,A/D通道的隔离电路,可采用光电耦合器件，隔断输入通道与被控对象之间因公共信号传输线引入的干扰,可变增益放大器,采样-保持器,常用的采样-保持器有AD582、AD583、,LF198/398等。,A/D转换器,（1）逐位逼近式A/D转换器,（2）双积分型A/D转换器,（3）型A/D转换器,ADC0809及其接口电路,2.4 模拟量输出通道,1 模拟量输出通道所要完成的功能,把计算机输出的数字控制信号，转换为模拟电压或或电流信号，作用在相应的模拟执行器上，从而实现对被控对象的控制。,2 模拟量输出通道的组成与结构,计 算 机,寄存器,D/A转换器,后置滤波器,多 路 模 拟 开 关,接口控制电路,输出1,输出2,输出3,D/A转换器,是模拟输出通道中的核心部件，必不可少。常用的芯片有8位的DAC0832及12位的DAC1210,零阶保持器,D/A转换器具有数据输入锁存功能，其输出模拟量能在一个采样周期内保持不变，即具有零阶保持器的功能。零阶保持作用的实质，就是在两次输出模拟量之间进行插值，使时间轴上的离散信号，变为时间轴上的连续信号。它是数字信号重构为模拟信号的重要步骤。,后置滤波器,对D/A转换及零阶保持环节输出的信号，进行滤波平滑处理，以得到真正的模拟信号。它是数字信号重构为模拟信号的重要步骤。,多路模拟开关,其作用与模拟量输入通道中的多路模拟开关的作用正好相反。由于CD4051芯片是可以双向工作的，因此也可以用在模拟量输出通道中。,接口控制电路,它具有控制数字信号的输出、D/A转换的启停、多路模拟开关的切换等功能。,D/A通道的隔离电路,由于D/A通道的输出直接与被控对象相连，很容易引入干扰，必须采取相应的措施，来抑制干扰对输出信号的影响。通常可采用光电耦合器件,D/A转换器工作原理图,ADC0832与CPU的接口电路,2.5 数字量输入输出通道,工业控制计算机用于生产过程的自动控制，需要处理一些最基本的输入输出信号，即数字量（开关量）信号，包括开关的闭合与断开、指示灯的亮与灭、继电器或接触器的吸合与释放、电动机的启动与停止、阀门的打开与关闭等。经过一定的电路将“导通”和“截止”两个状态，用二进制的逻辑“1”和“0”代表。,2.5.1 光耦和器（隔离电路）,光耦和器能实现输入和输出之间的隔离。其优点是：能有效抑制尖峰脉冲及各种噪声干扰，从而使传输通道上的信噪比大大提高。,2.5.2 数字量输入通道,输入缓冲器,输入调理电路,地址译码器,来自生产过程,PC总线,图2.5-1 数字量输入通道结构,对生产过程进行控制时，往往要收集生产过程的,状态信息，根据状态信息，再给出控制量。因,此，可用74LS244三态门缓冲器取得状态信息。,数字量（开关量）输入通道接收的状态信号可能,是电压、电流、开关的触点，容易引起瞬时高压、,过电压、接触抖动现象，须经转换、保护、滤波、,隔离等措施转换成计算机能够接收的逻辑电平信,号。,数字量输出通道,PC总线,输出锁存器,地址译码器,输出驱动器,去生产过程,图2.5-2 数字量输出通道结构,对生产过程进行控制时，一般控制状态需要保,持，直到下次给出新值为止，这时候输出就需要,锁存。可用74LS273锁存器作8位输出口，对输,出信号状态进行锁存。,（1）低电压开关量信号输出技术,（2）继电器输出接口技术,（3）晶闸管输出接口技术,常见的输出接口技术,1 许勇主编.计算机控制技术（第1章）.机械工业出版社.2008年.,2 赵邦信编著.计算机控制技术（第2章）.科学出版社.2008年.,3 徐建军，闫丽梅主编.计算机控制系统理论与应用（第 2章）.机械工业出版社.2008年,4 李元春主编.计算机控制系统（第2章）.高等教育出版 社.2009年.,参考教材,5 李正军编著.计算机控制系统.机械工业出版社.2009年.,