第五章工业控制计算机及其接口技术 51概述 51.1工业控制计算机的概念与特点 机电一体化系统中的计算机软、硬件占着相当重要的地位,它往往代表着系统 的先进性和智能特征。因而,把机电一体化系统中的微机软、硬件称之为智能组成 要素。一般微型机往往在实验室、办公室或在家庭中使用,而机电一体化系统中的 微型机通常在条件不比较恶劣的条件下使用,必须采用工业控制机或按工业环境要 求设计的微型机、其要求是可靠性高、抗干扰能力强、环境适应能力好。 1.工业控制计算机的概念 般的把适合于工业环境使用的微型计算机系统称之为工业控制计算机。 般也叫 IPCIIndustry Personal( Computer。严格说来,所谓工业控制计算机,是指那 些满足下述条件的计算机系统: 能够提供各种数据采集和控制功能。 能够和工业对象的传感器、执行机构直接接口。 能够在苛刻的工业环境下可靠运行
第五章 工业控制计算机及其接口技术 5.1 概述 5.1.1 工业控制计算机的概念与特点 1. 工业控制计算机的概念 一般的把适合于工业环境使用的微型计算机系统称之为工业控制计算机。一 般也叫IPC[Industry Personal Computer]。严格说来，所谓工业控制计算机，是指那 些满足下述条件的计算机系统： ·能够提供各种数据采集和控制功能。 ·能够和工业对象的传感器、执行机构直接接口。 ·能够在苛刻的工业环境下可靠运行。 机电一体化系统中的计算机软、硬件占着相当重要的地位，它往往代表着系统 的先进性和智能特征。因而，把机电一体化系统中的微机软、硬件称之为智能组成 要素。一般微型机往往在实验室、办公室或在家庭中使用，而机电一体化系统中的 微型机通常在条件不比较恶劣的条件下使用，必须采用工业控制机或按工业环境要 求设计的微型机、其要求是可靠性高、抗干扰能力强、环境适应能力好
工业控制计算机与计算机系统相比较,具有以下主要特 点: (1)具有丰富的过程输入/输出(/O功能 工业控制计算机是与工业生产控制系统紧密结合,主要 面向机电一体化产品和成套装置控制应用的要求,与生 z工艺过程和机械设备相匹配的一个有机组成部分。 必须与控制仪表、显示仪表、检测仪表、执行器以及联 锁保护系统联用,才能完成对各种设备和工艺装置的控 因此,除了计算机的基本部分如CPU、存储器 外,还必须有丰富的过程输入/输出设备(相对于数据处 理机)和完善的外部设备,这些是工业控制机能否投入运 行的重要条件
工业控制计算机与计算机系统相比较，具有以下主要特 点： (1) 具有丰富的过程输入/输出(I/O)功能 工业控制计算机是与工业生产控制系统紧密结合，主要 面向机电一体化产品和成套装置控制应用的要求，与生 产工艺过程和机械设备相匹配的一个有机组成部分。它 必须与控制仪表、显示仪表、检测仪表、执行器以及联 锁保护系统联用，才能完成对各种设备和工艺装置的控 制。 因此，除了计算机的基本部分如CPU、存储器 外，还必须有丰富的过程输入／输出设备(相对于数据处 理机)和完善的外部设备，这些是工业控制机能否投入运 行的重要条件
(2)实时性高 所谓的“实时”,是指信号的输入、计算和 输出都要在一定的时间内完成,亦即“及时”, 超出这个时限,就失去了控制的时机,控制也就 失去了意义。 工业控制机具有时间驱动和事件驱动的能力 要能对生产过程工况变化实时地进行监视和控制。 当过程参数岀现偏差甚至故障时,能迅速响应, 予以判断,及时处理。为此,通常需配有实时操 作系统,完善的中断系统等,没有这些就无法很 好地执行工业控制任务
(2) 实时性高 ◼ 所谓的“实时”，是指信号的输入、计算和 输出都要在一定的时间内完成，亦即“及时” ， 超出这个时限，就失去了控制的时机，控制也就 失去了意义。 ◼ 工业控制机具有时间驱动和事件驱动的能力， 要能对生产过程工况变化实时地进行监视和控制。 当过程参数出现偏差甚至故障时，能迅速响应， 予以判断，及时处理。为此，通常需配有实时操 作系统，完善的中断系统等，没有这些就无法很 好地执行工业控制任务
(3)具有高可靠性 工业生产过程通常是昼夜连续的,一般的生 产装置要几个月甚至一年才大修一次,非正常停 机往往会造成还很大的损失,这就要求工业控制 机可靠性尽可能的高。因此它要求: 低故障率;一般来说,要求工业控制机的平 均故障间隔时间TBF不应低于数千甚至上万小 时 短的故障修复时间(MrR);可采用冗余技 术,更换模板容易,能够热拔插 运行效率高;一定时间内例如一年),运行时 间占整个时间的比率一般要求90以上
(3) 具有高可靠性 ◼ 工业生产过程通常是昼夜连续的，一般的生 产装置要几个月甚至一年才大修一次，非正常停 机往往会造成还很大的损失，这就要求工业控制 机可靠性尽可能的高。 因此它要求： ◼ 低故障率；一般来说，要求工业控制机的平 均故障间隔时间(MTBF)不应低于数千甚至上万小 时。 ◼ 短的故障修复时间(MTTR)； 可采用冗余技 术，更换模板容易，能够热拔插。 ◼ 运行效率高；一定时间内(例如一年)，运行时 间占整个时间的比率一般要求99％以上
(4)环境适应性强 工业现场环境恶劣,工业控制计算机必须采取必要的 措施,适应髙温、髙湿、腐蚀、振动冲击、灰尘等环境。 例如,工业现场环境下电、磁干扰严重,供电条件不良, 业控制机必须有极高的电磁兼容性,有高抗干扰能力和 共模抑制能力。 (5)有丰富的应用软件 工业控制软件正向结构化、组态化发展。工业控制计 算机一般与PC机兼容,在PC机上运行的软件一般都可以 在工业控制计算机上运
◼ (4) 环境适应性强 ◼ 工业现场环境恶劣，工业控制计算机必须采取必要的 措施，适应高温、高湿、腐蚀、振动冲击、灰尘等环境。 例如，工业现场环境下电、磁干扰严重，供电条件不良， 工业控制机必须有极高的电磁兼容性，有高抗干扰能力和 共模抑制能力。 ◼ (5) 有丰富的应用软件 ◼ 工业控制软件正向结构化、组态化发展。工业控制计 算机一般与PC机兼容，在PC机上运行的软件一般都可以 在工业控制计算机上运行
(6)技术综合性要求高 工业控制计算机应用是系统工程问题。除了要解决计 算机的基本部分以外,还需要解决它如何与被测控对象的 接口,如何适应复杂的工业环境,如何与工艺过程与企业 管理相结合等一系列问题。 以上是工业控制计算机和其它类型计算机相比的区别
◼ (6) 技术综合性要求高 ◼ 工业控制计算机应用是系统工程问题。除了要解决计 算机的基本部分以外，还需要解决它如何与被测控对象的 接口，如何适应复杂的工业环境，如何与工艺过程与企业 管理相结合等一系列问题。 ◼ 以上是工业控制计算机和其它类型计算机相比的区别
5.12微型计算机系统总线的概念 ■总线:微型计算机系统中信号线的集合,是一种传送规定 信息的公共通道,有时亦称数据公路,通过它可以把各种 数据和命令传送到各自要去的地方。 ■在微型计算机系统中广泛采用三总线的结构形式 数据总线、地址总线和控制总线。 地址总线 微处理器 数据总线 控制总线
5.1.2 微型计算机系统总线的概念 ◼ 总线：微型计算机系统中信号线的集合，是一种传送规定 信息的公共通道，有时亦称数据公路，通过它可以把各种 数据和命令传送到各自要去的地方。 ◼ 在微型计算机系统中广泛采用三总线的结构形式 ◼ 数据总线、地址总线和控制总线
数据总线上传送的是数据信息。 通常8位微处理器有8位数据总线,16位微处理器有16 位数据总线,32位的微处理器则有32位数据总线。当然, 也有例外,如采用复用等办法。 ■地址总线是单向的。 微处理器要用地址确切指定与之通信的外部硬件。每 个存储单元有一个地址,每一个接口也有一个地址 ■控制总线是用来确定数据总线上信息流时间序列的。 微型计算机系统总线是影响计算机性能的瓶颈
◼ 数据总线上传送的是数据信息。 ◼ 通常8位微处理器有8位数据总线，16位微处理器有16 位数据总线，32位的微处理器则有32位数据总线。当然， 也有例外，如采用复用等办法。 ◼ 地址总线是单向的。 ◼ 微处理器要用地址确切指定与之通信的外部硬件。每 一个存储单元有一个地址，每一个接口也有一个地址。 ◼ 控制总线是用来确定数据总线上信息流时间序列的。 ◼ 微型计算机系统总线是影响计算机性能的瓶颈
513常用的工业控制计算机总线 1. IBM PC总线和AT总线 IBM PC总线是BMPC/xT个人计算机采用 的微型机总线 是针对 Intel808微处理器设计 的,它有62条信号线,以适应808的8位数据线和 20位地址线。这种总线是用户在 IBM PC/XT机 的大母板上扩展I/O模板的I/O总线。 为了和ntel80286等高性能16位微处理器兼容 IBM公司在PC总线基础上增加 36个引脚的 AT扩展插座而形成16位的AT总线,IBM/AT及其 兼容机机箱中,通常在母板上分别设置几个A插 槽和PC插槽,这种结构也称之为IBM公司的ISA ndustrial Standard Architecture)结构,即工业标准 结构
5.1.3 常用的工业控制计算机总线 ◼ 1. IBM PC总线和AT总线 ◼ IBM PC总线是IBM PC／XT个人计算机采用 的微型机总线，它是针对 Intel 8088微处理器设计 的，它有62条信号线，以适应8088的8位数据线和 20位地址线。这种总线是用户在 IBM PC／XT机 的大母板上扩展 I／O模板的 I／O总线。 ◼ 为了和 Intel 80286等高性能16位微处理器兼容， IBM公司在 PC总线基础上增加了一个36个引脚的 AT扩展插座而形成16位的AT总线，IBM／AT及其 兼容机机箱中，通常在母板上分别设置几个AT插 槽和PC插槽，这种结构也称之为IBM公司的ISA (Industrial Standard Architecture)结构，即工业标准 结构
协处理器 CPU 个y AT扩展 IBM PC Bus 1|中断控制器 16位 16位 8位 母板 模板 模板 模板 工业标准结构ISA
工业标准结构 ISA