《課程名稱》課件第2章工業控制計算機《計算機控制技術》走信息路讀北郵書

2.1

工控機2.2

可編程控制器2.3

單片微型計算機工控機2.12.1.2工控機的總線結構2.1.1

工控機的組成與特點2.1.3工控機I/O模塊2.1.4工控機的主要類型及其選型可編程控制器2.22.2.2

可編程控制器的基本結構2.2.1

可編程控制器的特點與分類2.2.3可編程控制器產品單片微型計算機2.32.3.2

單片機特性及應用系統2.3.1

單片機的特點與發展趨勢2.3.3

單片機產品與選擇工控機的組成與特點2.1.1工業控制計算機,簡稱工控機,也稱為工業計算機IPC。（IndustrialPersonalComputer）它主要用于工業過程測量、控制、數據采集等工作。

以工控機為核心的測量和控制系統，處理來自工業系統的輸入信號，再根據控制要求將處理結果輸出到執行機構，去控制生產過程，同時對生產進行監督和管理。典型的工控機由加固型工業機箱、工業電源、主機板、顯示板、硬盤驅動器、光盤驅動器、各類輸入/輸出接口模塊、顯示器、鍵盤、鼠標、打印機等組成。工控機硬件組成1圖2.2工控機的硬件組成⑵系統總線系統總線可分為內部總線和外部總線。內部總線是工控機內部各組成部分之間進行信息傳送的公共通道，是一組信號線的集合。常用的內部總線有IBMPC總線和STD總線。外部總線是工控機與其它計算機和智能設備進行信息傳送的公共通道，常用外部總線有RS-232C、RS485和IEEE-488通信總線。

⑴主機板是工業控制機的核心，由中央處理器（CPU）、存儲器（RAM、ROM）和I/O接口等部件組成。主機板的作用是將采集到的實時信息按照預定程序進行必要的數值計算、邏輯判斷、數據處理，及時選擇控制策略并將結果輸出到工業過程。⑶人-機接口人-機接口包括顯示器、鍵盤、打印機以及專用操作顯示臺等。通過人-機接口設備，操作員與計算機之間可以進行信息交換。

⑷通信接口通信接口是工業控制機與其它計算機和智能設備進行信息傳送的通道。常用IEEE-488、RS-232C和RS485接口。為方便主機系統集成，USB總線接口技術正日益受到重視。

⑸輸入/輸出模板是工控機和生產過程之間進行信號傳遞和變換的連接通道。包括模擬量輸入通道（AI）、模擬量輸出通道（AO）、數字量（開關量）輸入通道（DI）、數字量（開關量）輸出通道（DO）。

⑹系統支持系統支持功能主要包括：①監控定時器：俗稱“看門狗”（Watchdog）。②電源掉電監測：③后備存儲器：④實時日歷時鐘⑺磁盤系統:半導體虛擬磁盤，軟盤,硬盤或USB磁盤

工控機的軟件組成2⑴系統軟件系統軟件用來管理IPC的資源，并以簡便的形式向用戶提供服務。包括實時多任務操作系統、引導程序、調度執行程序，如美國Intel公司的iRMX86實時多任務操作系統。除了實時多任務操作系統以外，也常使用MS-DOS，特別是Windows軟件。⑵工具軟件工具軟件是技術人員從事軟件開發工作的輔助軟件，包括匯編語言、高級語言、編譯程序、編輯程序、調試程序、診斷程序等。⑶應用軟件是系統設計人員針對某個生產過程而編制的控制和管理程序。通常包括過程輸入輸出程序、過程控制程序、人-機接口程序、打印顯示程序和公共子程序等。工控機的特點3⑴可靠性高；⑵實時性好；⑶環境適應性強；⑷豐富的輸入輸出模板；⑸系統擴充性和開放性好；⑹控制軟件包功能強；⑺系統通信功能強；⑻冗余性。IPC工控機的總線結構2.1.2微機系統采用由大規模集成電路LSI芯片為核心構成的插件板，多個不同功能的插件板與主機板共同構成微機系統。構成系統的各類插件板之間的互聯和通信通過系統總線來完成。這里的系統總線不是指中央處理器內部的三類總線，而是指系統插件板交換信息的板級總線。這種系統總線就是一種標準化的總線電路，它提供通用的電平信號來實現各種電路信號的傳遞。同時，總線標準實際上是一種接口信號的標準和協議。內部總線是指微機內部各功能模塊間進行通信的總線，也稱為系統總線。它是構成完整微機系統的內部信息樞紐。工業控制計算機采用內部總線母板結構，母板上各插槽的引腳都連接在一起，組成系統的多功能模板插入接口插槽，由內部總線完成系統內各模板之間的信息傳送，從而構成完整的計算機系統。各種型號的計算機都有自身的內部總線。目前工控領域應用較多的內部總線有STD總線、ISA總線和PCI總線。內部總線1⑴ISA總線

IBMPC總線是針對Intel8088微處理器而設計的，其第一個標準是PC/XT總線，它定義了8位數據線和20位地址和若干條控制線，共62引腳。為了和Intel8028616位機兼容，對XT總線在電氣和機械特性上作了較大的擴充，在原來62引腳的基礎上又增加了一個36引腳插座而形成AT總線。AT總線將數據總線擴展為16位，地址總線擴展到24位，將中斷擴充到15個并提供了中斷共享功能，而DMA通道也擴充到8個。AT總線也稱ISA（IndustryStandardArchitecture）總線標準。

1989年，COMPAQ公司聯合HP.AST等9家計算機公司，在ISA總線基礎上，推出了適應32位微處理器的系統總線標準EISA（ExtendedIndustrialStandardArchitecture）。

ISA總線插槽有一長一短兩個插口，長插口有62個引腳，以A31～A1和B31～B1表示，分別列于插槽的兩面；短插口有36個引腳，以C18～C1和D18～D1表示，也分別列于插槽的兩面。ISA總線插槽如圖所示。D18D1C18C1B31B1A31A1ISA總線插槽⑵PCI總線

PCI總線（PeripheralComponentInterconnect，外圍部件互連總線）是介于CPU芯片級總線與系統總線之間的一級總線。外設通過局部總線與CPU的數據傳輸率得以大大提高。PCI總線支持64位數據傳送、多總線主控模塊和線性猝發讀寫和并發工作方式。PCI引腳信號如表2.2所示。其主要特點如下：①PCI總線時鐘為33MHz，與CPU時鐘無關，總線帶寬為32位，可擴充到64位。②PCI傳輸率高：最大傳輸率為133MB/s（266MB/s），能提高硬盤、網絡界面卡的性能；充分發揮影像、圖形及各種高速外圍設備的性能。③PCI采用數據線和地址線復用結構，減少了總線引腳數，從而節省線路空間，降低設計成本。地址和數據線接口控制信號中斷信號64位總線擴展信號接口控制支持高速緩存信號邊界掃描信號系統仲裁出錯報告必需的可選的圖2.2PCI總線引腳

外部總線是指用于計算機與計算機之間或計算機與其它智能外設之間的通信線路。常用的外部總線有IEEE-488并行總線、RS-232C串行總線和RS485通信總線。外部總線2工控機I/O模塊

采用工控機對生產現場的設備進行控制，首先要將各種測量的參數讀入計算機，計算機要將處理后的結果進行輸出，經過轉換后以控制生產過程。對于一個工業控制系統，除了IPC主機外，還應配備各種用途的輸入輸出（I/O）接口部件。I/O接口的基本功能是連接計算機與工業生產控制對象，進行必要的信息傳遞和變換。工業控制需要處理和控制的信號主要有模擬量信號和數字量信號（開關量信號）兩類。

2.1.3輸入/輸出信息來源及用途信息種類相應的接口模板產品來自現場設備運行狀態的模擬電信號溫度、壓力、位移、速度、流量等模擬量輸入信息模擬量輸入模板執行機構的控制執行、記錄等（模擬電流/電壓）模擬量輸出信息模擬量輸出模板限位開關狀態、數字裝置的輸出數碼、接點斷通狀態、‘0’‘1’電平變化數字量輸入信息數字量輸入模板執行機構的驅動執行、報警顯示蜂鳴器、其他（數字量）數字量輸出信息數字量輸出模板流量計算、電功率計算、速度、長度測量等脈沖形式輸入信號脈沖量輸入信號脈沖計數/處理模板操作中斷、事故中斷、報警中斷及其它需要中斷的輸入信號中斷輸入信號多通道中斷控制模板前進驅動機構的驅動控制信號輸出間斷信號輸出步進馬達控制模板串行/并行通信信號通信收發信號RS232/RS422通信模板遠距離輸入/輸出模擬（數字）信號模/數遠端信息遠程（REMOTEI/O）模塊部分I／O模板的用途對照表⑴模擬量輸入模板主要指標①輸入信號量程：即所能轉換的電壓（電流）范圍。有0~200mV，0~5V，0~10V，±2.5V，±5V，110V，0~10mA，4~20mA等多種范圍。②分辨率：定義為基準電壓與2n-1的比值，其中n為D/A轉換的位數。有8位、10位、12位、16位之分。分辨率越高，轉換時對輸入模擬信號變化的反映就越靈敏，③精度：指A/D轉換器實際輸出電壓與理論值之間的誤差。有絕對精度和相對精度兩種表示法。通常采用數字量的最低有效位作為度量精度的單位，如±1/2LSB。模擬量輸入/輸出模塊1④輸入信號類型：電壓或電流型；單端輸入或差分輸入。⑤輸入通道數：單端/差分通道數，與擴充板連接后可擴充通道數。⑥轉換速率：30000采樣點/s，50000采樣點/s，或更高。⑦可編程增益：1~1000增益系數編程選擇。⑧支持軟件：性能良好的模板可支持多種應用軟件并帶有多種語言的接口及驅動程序。⑵模擬量輸出模板主要技術指標①分辨率：與A/D轉換器定義相同。②穩定時間：又稱轉換速率，是指D/A轉換器中代碼有滿度值的變化時，輸出達到穩定（一般穩定到與±1/2最低位值相當的模擬量范圍內）所需的時間，一般為幾十個毫微秒到幾個毫微秒。③輸出電平：不同型號的D/A轉換器件的輸出電平相差較大，一般為5~10V，也有一些高壓輸出型為24~30V。電流輸出型為4~20mA，有的高達3A級。④輸入編碼：如二進制BCD碼、雙極性時的符號數值碼、補碼、偏移二進制碼等。⑤編程接口和支持軟件：與A/D轉換器相同。在工業控制現場，除隨時間而連續變化的模擬量外，還有各種兩態開關信號可視為數字量（開關量）信號。數字量模板實現工業現場的各類開關信號的輸入輸出控制。數字量輸入、輸出板分為非隔離型和隔離型兩種，隔離型一般采用光電隔離，少數采用磁電隔離方法。數字量輸入模板（DI）將被控對象的數字信號或開關狀態信號送給計算機，或把雙值邏輯的開關量變換為計算機可接收的數字量。數字量輸出板（DO）把計算機輸出的數字信號傳送給開關型的執行機構，控制它們的通、斷或指示燈的亮、滅等。數字量通道模板從輸入輸出功能上可分為單純的數字量輸入板、數字量輸出板和數字量雙向通道板（DI/DO）。數字量輸入/輸出模塊2ADVANTECH（臺灣研華）

CONTEC（康泰克）

康拓公司

PCL-72324DI，有中斷

PCL-722

144DIO，TTL電平

PCL-720PCL-72532DI，TTL電平32DO，TTL電平

8DI，隔離8路繼電器輸出

PIO-16/16L（PC）H

PIO-32/32T，（PC）

PIO-48D（PC）

IPC-5132IPC-5136

PIO-96W（PC）

IPC-5137IPC-5387

部分數字量輸入輸出模板產品

⑴信號調理板在工業控制中，由傳感器輸出的電信號不一定滿足A/D轉換和數字量輸入的要求，數據采集系統的輸入通道中應采取對現場信號進行放大、濾波、線性化、隔離和保護等措施，使輸入信號能夠滿足數據采集要求，控制系統的輸出通道也存在同樣問題。信號調理是指將現場輸入信號經過隔離放大，成為工控機能夠接收到的統一信號電平以及將計算機輸出信號經過放大、隔離轉換成工業現場所需的信號電平的處理過程。其它模塊3⑵通信模板通信模板是為實現PC之間以及PC與其它設備間的數據通信而設計的外圍模板,有智能型和非智能型兩種，通信方式采用RS232或RS485方式或兩者兼而有之，以串行方式進行通信，波特率為75~56000bps，通道數4~16可供選擇。⑶遠程I/O模塊遠程I/O模塊可放置在生產現場，將現場的信號轉換成數據信號，經遠程通信線路傳送給計算機進行處理。因各模塊均采用隔離技術，可方便的與通信網絡相連，大大減少了現場接線的成本。目前的遠程I/O模塊采用RS485標準總線，并正在向現場總線方向發展。智能通用I/O模板（UniversalIntelligentInput/OutputModle，簡稱UIO）是一種智能化的多功能通用I/O模板。由UIO-CPU主模板和UIO-AD子模板組成。

UIO主模板帶有自己的微處理器和2K字節雙口RAM，可實現與CPU的高速信息交換；帶有32點的數字量輸入輸出、3路計數器/定時器接口和1M容量的存儲器；板上還有固化的實時操作系統內核和通用控制軟件。智能通用I/O單元－UIO板

4其它功能模板包括計數器/定時器模板，固態電子盤模板，步進電機控制模板等。工控機長期連續地運行在惡劣的環境中，有機械運動部件的軟盤或硬盤容易出現故障，以固態電子盤代替軟盤或硬盤的工作，極大的提高了工控機的可靠性和存取速度。目前電子盤使用的器件有EPROM，SRAM（靜態RAM），EEPROM（電可擦寫存儲器），NOVRAM（非易失性存儲器）和FLASHEPROM（快速存儲器）等。其它功能模塊5⑴盒式工業控制機（BOX-PC）此種機型體積小，質量輕，可以掛在工廠中車間的墻壁上，或固定于機床的附壁上，適合工廠環境中的小型數據采集控制使用。⑵盤式工業控制機（PANEL-PC）此種機型將主機、觸摸屏式顯示器、電源、軟盤驅動器和串行接口集中為一體化工業PC機，同樣具有體積小巧、重量輕的特點。是一種緊湊型的IPC機，非常適于作機電一體化的控制器。2.1.4工控機的主要類型及其選型工控機的主要類型1⑶ISA總線工業控制機（ISABUS-IPC）：它采用無源總線底板，插入一塊ALL-IN-ONE主板和顯示卡，連上軟、硬盤既可構成。主板上帶串行、并行、鍵盤接口和看門狗（Watchdog）、定時器（Timer）等裝置。板上的槽口數目有多種選擇。機箱采用全鋼結構，帶鎖的面板、內部帶有防震壓條、雙冷卻風扇、空氣過濾網罩，可以滿足工業控制現場的一般環境要求。⑷PCI總線工業控制機（PCIBUS-IPC）：采用IntelPentium芯片和PCI總線構成。其主機速度及主機與外設（顯示及磁盤數據交換）間的交換速度又被提高到一個新的檔次。適合于操作員站、系統服務器和節點工作站之用。⑸VESA總線工業控制機（VESABUS-IPC）與ISA總線工業控制機相比，具有較高的顯示速度和I/O讀寫速度，適用于作監控操作站，對實時圖像處理應用更為適合。⑹工業級工作站（IndustrialWorkstation）這是一種將主機、顯示器、操作面板集成一體的IPC機。可應用于監控、控制站場合。⑺新型工業控制計算機（NewTypeIPC）康泰克IPC-90

⑴選擇合適的主機檔次⑵根據應用場合的不同，選擇合適的IPC機型號⑶內存、外存配置根據“經濟合理，留有擴充余地”的原則選擇合適的IPC機根據應用需求選擇合適的工控機2可編程控制器的特點與分類2.2.1可編程序控制器（ProgrammableLogicController）簡稱PLC。它吸收了微電子技術和計算機技術的最新成果，發展十分迅速。從單機自動化到整條生產線的自動化，乃至整個工廠的生產自動化，PLC均擔當著重要角色，PLC的應用最普遍，它在工廠自動化設備中占據第一位。⑴可靠性高，適應性強⑵功能完善，通用性好⑶安裝方便，擴展靈活⑷操作維護簡單，施工周期短可編程控制器的特點1

PLC生產廠家眾多，產品種類繁雜，而且不同廠家的產品各成系列，難以用一種標準進行劃分。在實際應用中，通常可按輸入/輸出（I/O）點數（即控制規模）、處理器功能和硬件結構形式三方面來進行分類。⑴按I/O點數劃分根據PLC能夠處理的I/O點數來分類，PLC可分為微型、小型、中型、大型4種可編程控制器的分類2

⑵按處理器功能劃分根據PLC的處理器功能強弱的不同，可分為低檔、中檔和高檔3個檔次。通常微型、小型PLC多屬于低檔機，處理器功能以開關量為主，具有邏輯運算、定時、計數等基本功能，有一定的擴展功能。中型和大型PLC多屬中、高檔機。中型機在低檔機的基礎上，兼有開關量和模擬量控制，增強I/O處理能力和定時、計數以及數學運算能力，具有浮點運算、數制轉換能力和通信網絡功能。高檔機在中檔機的基礎上，增強I/O處理能力和數學運算能力，增加數據管理功能，網絡功能更強，可以方便地與其它PLC系統連接，構成各種生產控制系統。

⑶按硬件結構分根據PLC的外形和硬件安裝結構的特點，PLC可分為整體式和模塊式兩種。①整體式結構整體式PLC又稱箱體式，它將CPU、存儲器、I/O接口、外設接口和電源等都裝在一個機箱內。機箱的上、下兩側分別是I/O和電源的連接端子，并有相應的發光二極管顯示I/O、電源、運行、編程等狀態。面板還有編程器/通信口插座、外存儲器插座和擴展單元接口插座等。這種結構的PLC的I/O點數少、結構緊湊、體積小、價格低，適用于單機設備的開關量控制和機電一體化產品的應用場合。

②模塊式結構模塊式PLC通常把CPU、存儲器、各種I/O接口等均做成各自相互獨立的模塊，功能單一、品種繁多。模塊既有統一安裝在機架或母板插座上，插座由總線連接（即有底板或機架連接），也有直接用扁平電纜或側連接插座連接（即無底板連接）。這種結構的PLC具有較多的輸入/輸出點數，易于擴展，系統規模可根據要求配置，方便靈活，適用于復雜生產控制的應用場合。可編程控制器的基本結構2.2.2

PLC實質上是一種專門為在工業環境下自動控制應用而設計的計算機，它比一般的計算機具有更強的與工業過程相連接的接口，更直接的適用于控制要求的編程語言和更強的抗干擾能力。盡管在外形上，PLC與普通計算機差別較大，但在基本結構上，PLC與微型計算機系統基本相同，也由硬件和軟件兩大部分組成。

無論是整體式還是模塊式，從硬件結構看，PLC都是由中央處理器（CPU）、存儲器、I/O接口單元、I/O擴展接口及擴展部件、外設接口及外設和電源等部分組成，各部分之間通過系統總線進行連接。對于整體式PLC，通常將CPU、存儲器、I/O接口、I/O擴展接口、外設接口以及電源等部分集成在一個箱體內，構成PLC的主機，如圖2.5所示。對于模塊式PLC，上述各組成部分均做成各自相互獨立的模塊，可根據系統需求，靈活配置。可編程控制器的硬件結構1圖2.5整體式PLC硬件結構框圖直流輸入電路原理圖

⑴系統軟件

PLC的系統軟件一般包括系統管理程序、用戶指令解釋程序、標準程序庫和編程軟件等。系統軟件是PLC生產廠家編制的，并固化在PLC內部ROM或PROM中，隨產品一起提供給用戶。系統軟件的主要功能為：①系統自檢，②時序控制，③存儲空間（地址）管理，④解釋用戶程序，⑤提供標準程序庫，⑥編程軟件。

⑵用戶程序用戶程序指用戶根據工藝生產過程的控制要求，按照所用PLC規定的編程語言而編寫的應用程序。用戶程序可采用梯形圖語言、指令表語言、功能塊語言、順序功能圖語言和高級語言等多種方法來編寫，利用編程裝置輸入到PLC的程序存儲器中去。可編程控制器的軟件結構2可編程控制器產品2.2.3美國：羅克韋爾自動化（Rockwell-Automation）；通用電氣（GE）；德州儀器（TI）；哥德（GOULD）和西屋（WESTINGHOUSE）等。歐洲：西門子（SIEMENS）；莫迪康（MODICON）等。日本：歐姆龍（OMRON）、三菱（（MITSUBISHI）、日立（HITACHI）、富士（Fuji）和東芝（TOSHIBA）等。韓國：

LG、三星（SAMSUNG）。中國臺灣：臺達等。單片機的特點與發展趨勢2.3.1單片機的特點1⑴集成度高、體積小⑵面向控制、功能強

⑶抗干擾能力強

⑷使用方便

⑸性能價格比高

⑹容易產品化

單片機的發展趨勢2⑴單片機長壽命

⑵8位、16位、32位單片機共同發展

⑶單片機速度越來越快

⑷低電壓與低功耗

⑸低噪聲與高可靠性技術

⑹MTP向OTP挑戰

單片機特性及應用系統2.3.2

AT89S52單片機是AT89S系列中的增強型產品，采用了ATMEL公司所技術領先的Flash存儲器，是一低功耗、高性能，采用CMOS工藝制造的8位單片機。主要特性如下：8位字長的CPU；可在線ISP編程的8KB片內Flash存儲器；256B的片內數據存儲器；可編程的32根I/O口線（P0~P3）；4.0V~5.5V電壓操作范圍；3個可編程定時器；雙數據指針DPTR0和DPTR1