工业控制计算机分析解析.pptx
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1、第二章第二章 工业控制计算机工业控制计算机n计算机控制系统在工业生产过程中应用广泛,控制计算机计算机控制系统在工业生产过程中应用广泛,控制计算机是计算机控制系统的主要组成部分,因而如何依据不同的是计算机控制系统的主要组成部分,因而如何依据不同的需求选择合适的控制计算机是实现计算机控制的基础。本需求选择合适的控制计算机是实现计算机控制的基础。本章主要从以下四部分介绍工业控制计算机的结构、特点、章主要从以下四部分介绍工业控制计算机的结构、特点、选择和有关的总线技术:选择和有关的总线技术:n 2.1、控制计算机的主要类型;、控制计算机的主要类型;n 2.2、IPC工控机的组成与特点;工控机的组成与特
2、点;n 2.3、IPC总线结构;总线结构;n 2.4、MODBUS通信协议。通信协议。2.1 控制计算机的主要类型控制计算机的主要类型控制器控制器(计算机控制系统的主要部分)(计算机控制系统的主要部分)的种类主要有:的种类主要有:1.1.可编程控制器可编程控制器2.2.可编程调节器可编程调节器3.3.总线式工控机总线式工控机4.4.单片微型计算机单片微型计算机5.5.嵌入式处理器嵌入式处理器6.6.嵌入式微控制器嵌入式微控制器7.7.数字信号处理器数字信号处理器DSPDSP8.ARM8.ARM处理器处理器1.可编程控制器(可编程控制器(PLC)n是计算机技术与继电逻辑控制结合的产物:是计算机技
3、术与继电逻辑控制结合的产物:低端为常规继电逻辑控制的替代装置,低端为常规继电逻辑控制的替代装置,高端为一种高性能的工业控制计算机。高端为一种高性能的工业控制计算机。n组成:组成:CPU、存储器、输入组件、输出组件、电源及编程、存储器、输入组件、输出组件、电源及编程器等组成。器等组成。1.可编程控制器(可编程控制器(PLC)n特点:数字运算操作的电子系统特点:数字运算操作的电子系统,专为工业环境下应用而设定;专为工业环境下应用而设定;可可编程序的存储器,编程序的存储器,在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术操作的指令,并通过数字式、模拟
4、式的输入和输出;和算术操作的指令,并通过数字式、模拟式的输入和输出;n应用广泛,应用广泛,在顺序程序控制领域中具有优势,而且在运动控制、过程控制、在顺序程序控制领域中具有优势,而且在运动控制、过程控制、网络通信领域方面也毫不逊色;网络通信领域方面也毫不逊色;n系统构成灵活,系统构成灵活,扩展容易,编程简单,调试容易,抗干扰能力强。扩展容易,编程简单,调试容易,抗干扰能力强。n外观如图外观如图2-1所示。所示。图2-1 可编程控制器2.可编程调节器可编程调节器 可编程调节器又称单回路调节器、智能调节器、数字调节可编程调节器又称单回路调节器、智能调节器、数字调节器,主要由微处理单元、过程器,主要由
5、微处理单元、过程IO(输入(输入/输出)输出)单元、面板单元、面板单元、通信单元、硬手操单元和编程单元等组成。外观如图单元、通信单元、硬手操单元和编程单元等组成。外观如图2-2所示。所示。图2-2 可编程调节器3.总线式工控机总线式工控机 总线式工控机,是基于总线技术和模块化结构的一种专用于工总线式工控机,是基于总线技术和模块化结构的一种专用于工业控制的通用性计算机,一般称为工业控制计算机,简称为工业业控制的通用性计算机,一般称为工业控制计算机,简称为工业控制机或工控机控制机或工控机IPC(Industrial Personal Computer)。)。总线式工控机设计特点:总线式工控机设计特
6、点:小型化、模板化、组合化、标准化小型化、模板化、组合化、标准化 能满足不同层次、不同控制对象的需要,能满足不同层次、不同控制对象的需要,又能在恶劣的工业环境中可靠地运行。又能在恶劣的工业环境中可靠地运行。应用广泛:广泛应用于各种控制场合,应用广泛:广泛应用于各种控制场合,尤其是十几到几十个回路的中等规模的尤其是十几到几十个回路的中等规模的控制系统中。控制系统中。图图2-3 总线式工控机总线式工控机 单片微型计算机单片微型计算机(Single Chip Microcomputer)简称单片简称单片机,它是将机,它是将CPU、存储器、串并行、存储器、串并行I/O口、定时口、定时/计数器、甚计数器
7、、甚至至A/D转换器、脉宽调制器、图形控制器等功能部件全都集转换器、脉宽调制器、图形控制器等功能部件全都集成在一块大规模集成电路芯片上,构成了一个完整的具有成在一块大规模集成电路芯片上,构成了一个完整的具有相当控制功能的微控制器相当控制功能的微控制器。具有较完善的接口,集成度高具有较完善的接口,集成度高(见嵌入式微控制器)。(见嵌入式微控制器)。4.单片微型计算机单片微型计算机5.嵌入式处理器嵌入式处理器n嵌入式系统是将专用微型计算机嵌入被控设备中的专用计嵌入式系统是将专用微型计算机嵌入被控设备中的专用计算机系统,适用于应用系统对体积、功能、可靠性、成本、算机系统,适用于应用系统对体积、功能、
8、可靠性、成本、功耗等综合性能要求严格的场合。功耗等综合性能要求严格的场合。n具有以下特点:具有以下特点:1)对实时和多任务有很强的支持能力,能完成多任务并且)对实时和多任务有很强的支持能力,能完成多任务并且有较短的中断响应时间,从而使内部代码和实时操作系统有较短的中断响应时间,从而使内部代码和实时操作系统的执行时间减少到最低限度。的执行时间减少到最低限度。2)具有功能很强的存储区保护功能。)具有功能很强的存储区保护功能。3)可扩展的处理器结构。)可扩展的处理器结构。4)嵌入式微处理器的功耗很低。)嵌入式微处理器的功耗很低。6.嵌入式微控制器嵌入式微控制器 嵌入式微控制器(嵌入式微控制器(Mic
9、ro-controller Unit,简称,简称MCU)一)一般以某种微处理器内核为核心,根据某些典型的应用,在般以某种微处理器内核为核心,根据某些典型的应用,在芯片内部集成了芯片内部集成了ROM/EPROM、RAM、总线、总线逻辑、总线、总线逻辑、定时定时/计数器、看门狗、计数器、看门狗、I/O口、串行口、脉宽调制输出、口、串行口、脉宽调制输出、A/D、D/A、FLASH RAM、EEPROM等各种必要功能部等各种必要功能部件和外设。件和外设。具有较完善的接口,集成度高。具有较完善的接口,集成度高。7.数字信号处理器数字信号处理器DSP数字信号处理技术是当今的一个热门领域,世界上各大半导数字
10、信号处理技术是当今的一个热门领域,世界上各大半导体公司纷纷推出适用于不同场合的体公司纷纷推出适用于不同场合的DSP芯片。在控制领域,芯片。在控制领域,比较有代表性的是比较有代表性的是TI公司的公司的 TMS320F240 x系列。系列。具有运算功能强大、速度快的特点。具有运算功能强大、速度快的特点。8.ARM处理器处理器ARM(Advanced RISC Machines),既可以认为是一个),既可以认为是一个公司的名称,也可以认为是对一类微处理器的通称,还可公司的名称,也可以认为是对一类微处理器的通称,还可以认为是一种技术的名词。以认为是一种技术的名词。具有界面设计灵活的特点具有界面设计灵活
11、的特点2.2 IPC工控机的组成与特点工控机的组成与特点 工业控制计算机工业控制计算机,简称工控机简称工控机,也称为工业计算机也称为工业计算机IPC。(Industrial Personal Computer)。它主要用于工业过程)。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。生产进行监督和管理。主要内容
12、有以下四部分主要内容有以下四部分:1.工控机硬件组成工控机硬件组成 2.工控机的软件组成工控机的软件组成 3.工控机的特点工控机的特点 4.IPC工控机的发展方向工控机的发展方向2.2.1 IPC工控机硬件组成工控机硬件组成主机板(主机板(CPU、内存储器)、内存储器)系统总线系统总线过程输入输出通道过程输入输出通道人机接口人机接口通信设备通信设备系统支持板系统支持板磁盘系统。磁盘系统。2.2.1 IPC工控机硬件组成工控机硬件组成图图2-4 工控机硬件组成结构图工控机硬件组成结构图1.主机板主机板 是工业控制机的核心,由中央处理器(是工业控制机的核心,由中央处理器(CPU)、存储器)、存储器
13、(RAM、ROM)和)和I/O接口等部件组成。主机板的作用是将采接口等部件组成。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、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数据处理,及时选择控制策略并将结果输出到工业过程。2.系统总线系统总线 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。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。常用的内部总线有常用的内部总线有IBM PC总
14、线和总线和STD总线。外部总线是工控机与总线。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,常用外部总线有有RS-232C、RS485和和IEEE-488通信总线。通信总线。3.人人-机接口机接口 人人-机接口包括显示器、键盘、打印机以及专用操作显示台等。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。机接口设备,操作员与计算机之间可以进行信息交换。5.输入输入/输出模板输出模板 输入输入/输出模板是工控机和生产过程之间进行信号传递和变换输出模板是工控机和生
15、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(的连接通道。包括模拟量输入通道(AI)、模拟量输出通道)、模拟量输出通道(AO)、数字量(开关量)输入通道()、数字量(开关量)输入通道(DI)、数字量(开关)、数字量(开关量)输出通道(量)输出通道(DO)。)。6.系统支持系统支持系统支持功能主要包括:系统支持功能主要包括:监控定时器:俗称监控定时器:俗称“看门狗看门狗”(Watchdog)。)。电源掉电监测:电源掉电监测:后备存储器:后备存储器:实时日历时钟实时日历时钟7.磁盘系统磁盘系统半导体虚拟磁盘,软盘半导体虚拟磁盘,软盘,硬盘或硬盘或USB磁盘。磁盘。通信接口是工业控制机
16、与其它计算机和智能设备进行信息传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。送的通道。4.通信接口通信接口2.2.2 IPC工控机的软件组成工控机的软件组成 软件是工业控制机的程序系统,可分为系统软件、支持软件、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。应用软件三部分。1.系统软件系统软件:系统软件用来管理系统软件用来管理IPC的资源,并以简便的形式向用户提供的资源,并以简便的形式向用户提供服务。服务。2.工具软件工具软件: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
17、编语言、高级语言、编译 程序、编辑程序、调试程序、诊断程序、编辑程序、调试程序、诊断程序等。程序等。3.应用软件应用软件: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、人管理程序。通常包括过程输入输出程序、过程控制程序、人-机机接口程序、打印显示程序和公共子程序等。接口程序、打印显示程序和公共子程序等。2.2.3 IPC工控机的特工控机的特点点IPC工控机主要有以下六个特点:工控机主要有以下六个特点:1.可靠性高可靠性高 2.丰富的输入输出模板丰富的输入输出模板 3.实时性好实时性好 4
18、.开放性好开放性好 5.连续工作时间长连续工作时间长 6.便于安装便于安装2.3 IPC总线结构总线结构2.3.1 总线概述总线概述1.总线标准实际上是一种接口信号的标准和协议。总线标准实际上是一种接口信号的标准和协议。2.总线定义与分类总线定义与分类: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。建立信号联系,进行信息传送的通道。总线总线:内部总线(系统总线)和外部总线(通信总线)。内部总线(系
19、统总线)和外部总线(通信总线)。3.总线按功能或信号类型划分,主要有三类总线:数据总线、总线按功能或信号类型划分,主要有三类总线:数据总线、地址总地址总 线、控制总线。线、控制总线。4.总线主要有数据传输、中断、多主设备支持、错误处理等功总线主要有数据传输、中断、多主设备支持、错误处理等功能能。2.3.2 内部总线内部总线 内部总线是指微机内部各功能模块间进行通信的总线,也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。称为系统总线。它是构成完整微机系统的内部信息枢纽。常用的内部总线主要有常用的内部总线主要有STD总线、总线、VME总线、总线
20、、ISA总线和总线和PCI总线。总线。1STD总线总线 1)、总线标准)、总线标准 STD总线即总线即Standard Bus,是一种规模最小,面向工业控制,是一种规模最小,面向工业控制,设计周密的设计周密的8位系统总线。位系统总线。2VME总线总线(1)VME总线,总线,Versamodel Eurocard由由Motorola公司公司1981年推年推出的第一代出的第一代32位工业开放标准总线,其主要特点是位工业开放标准总线,其主要特点是VME总线的信总线的信号线模仿号线模仿Motorola公司生产的公司生产的 68000系列单片机信号线,由于其系列单片机信号线,由于其应用的广泛性被应用的广
21、泛性被IEEE收为标准,即收为标准,即IEEE1014-1987,其标准文件为其标准文件为VMEbus specification Rev C.1。(2)VME总线的插板一般有两种尺寸,一种是总线的插板一般有两种尺寸,一种是3U高度的带一个高度的带一个总线接口总线接口J1,高高长为长为100mm*160mm,另一种是,另一种是6U高度的带高度的带2个个总线接口总线接口J1、J2,高,高长为长为233mm 160mm。(3)一般每块)一般每块VME总线的插板上的接口总线的插板上的接口J1、J2都有都有96针,每一针,每一个接口都是个接口都是3排,按排,按A、B、C排列,每排排列,每排32针,针,
22、J1一般用于直接一般用于直接与与VME总线相连,总线相连,J2的中间列的中间列 用于扩展地址总线或数据总线,用于扩展地址总线或数据总线,另外两列可由用户定义及另外两列可由用户定义及I/O、磁盘驱动及其他外设等。因此、磁盘驱动及其他外设等。因此VME总线已对未来的应用扩展预留了信号针,这也是总线已对未来的应用扩展预留了信号针,这也是VME总线总线将来可以灵活升级的原因。将来可以灵活升级的原因。3ISA总线总线 ISA总线总线(Industrial Standard Architecture)即即AT总线,它总线,它是在是在8位的位的XT总线基础上扩展而成的总线基础上扩展而成的16位的总线体系结构
23、。位的总线体系结构。后来,在大多数后来,在大多数Pentium系列的系列的PC机主板上仍保留机主板上仍保留34个个ISA总线扩充槽,即可以插入总线扩充槽,即可以插入8位位ISA卡,又可以插入卡,又可以插入16位位ISA卡。卡。ISA总线插槽有一长一短两总线插槽有一长一短两个插口,长插口有个插口,长插口有62个引脚,个引脚,以以A31A1和和B31B1表示,表示,分别列于插槽的两面;短插口分别列于插槽的两面;短插口有有36个引脚,以个引脚,以C18C1和和D18D1表示,也分别列于插表示,也分别列于插槽的两面。槽的两面。ISA总线插槽如图总线插槽如图所示。所示。ISA总线插槽总线插槽4PCI总线
24、总线 PCI总线(总线(Peripheral Component Interconnect,外围部件互,外围部件互连总线)具有先进的结构特性及其优异的性能,是现代微机系统连总线)具有先进的结构特性及其优异的性能,是现代微机系统总线结构中的佼佼者,并被多数现代高性能微机系统所广泛采用。总线结构中的佼佼者,并被多数现代高性能微机系统所广泛采用。(1)PCI总线的主要特点:总线的主要特点:1)传输率高;)传输率高;2)采用数据线和地址线复用结构,减少了总线引脚数;)采用数据线和地址线复用结构,减少了总线引脚数;3)总线支持无限猝发读写方式和并行工作方式;)总线支持无限猝发读写方式和并行工作方式;4)
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