第二章 計算機控制系統(tǒng)的硬件基礎

1、計算機控制系統(tǒng)計算機控制系統(tǒng)第二章第二章 計算機控制系統(tǒng)的硬件基礎計算機控制系統(tǒng)的硬件基礎 中南大學機電工程學院中南大學機電工程學院 2.1 計算機控制技術計算機控制技術2.2 常用的控制計算機常用的控制計算機2.3 模擬量輸入通道模擬量輸入通道2.4 模擬量輸出通道模擬量輸出通道2.5 數(shù)字量輸入輸出通道數(shù)字量輸入輸出通道計算機控制系統(tǒng)計算機控制系統(tǒng)第二章第二章 計算機控制系統(tǒng)的硬件基礎計算機控制系統(tǒng)的硬件基礎 中南大學機電工程學院中南大學機電工程學院流體控制技術流體控制技術測量元件：就地式氣動儀表測量元件：就地式氣動儀表執(zhí)行元件：氣動或液壓元件。如氣缸、氣泵、執(zhí)行元件：氣動或液壓元件。如氣

2、缸、氣泵、 液壓缸、液壓泵、液壓馬達等液壓缸、液壓泵、液壓馬達等電氣電子技術電氣電子技術氣動、電動單元組合式儀表和集中控制室：主氣動、電動單元組合式儀表和集中控制室：主要是基于要是基于4-20mA電流信號的儀表和控制系統(tǒng)電流信號的儀表和控制系統(tǒng)計算機控制技術計算機控制技術基于微處理器的自動控制技術。計算機控制技基于微處理器的自動控制技術。計算機控制技術和系統(tǒng)已成為整個企業(yè)自動化的核心基礎，術和系統(tǒng)已成為整個企業(yè)自動化的核心基礎，不僅用于生產的自動化監(jiān)控，也是上層管理信不僅用于生產的自動化監(jiān)控，也是上層管理信息系統(tǒng)的數(shù)據源和基礎核心模塊。息系統(tǒng)的數(shù)據源和基礎核心模塊。1計算機控制系統(tǒng)計算機控制系

3、統(tǒng)第二章第二章 計算機控制系統(tǒng)的硬件基礎計算機控制系統(tǒng)的硬件基礎 中南大學機電工程學院中南大學機電工程學院管理自動化管理自動化過程自動化過程自動化基礎自動化基礎自動化工業(yè)過程綜合自動化系統(tǒng)工業(yè)過程綜合自動化系統(tǒng)將將生產過程的生產工藝技術、生產過程的生產工藝技術、設備運行技術、和生產過程設備運行技術、和生產過程管理技術集成起來，實現(xiàn)生管理技術集成起來，實現(xiàn)生產過程的優(yōu)化控制、優(yōu)化運產過程的優(yōu)化控制、優(yōu)化運行和優(yōu)化管理，從而保證與行和優(yōu)化管理，從而保證與產品質量、成本及相關的綜產品質量、成本及相關的綜合生產指標優(yōu)化。合生產指標優(yōu)化。計算機控制系統(tǒng)計算機控制系統(tǒng)第二章第二章 計算機控制系統(tǒng)的硬件基礎

4、計算機控制系統(tǒng)的硬件基礎 中南大學機電工程學院中南大學機電工程學院流程工業(yè)流程工業(yè)過程控制技術是將與產品的質量、產量、成過程控制技術是將與產品的質量、產量、成本相關的經濟技術指標自動轉化為流程工業(yè)本相關的經濟技術指標自動轉化為流程工業(yè)生產過程各工序自動控制的系統(tǒng)參數(shù)，從而生產過程各工序自動控制的系統(tǒng)參數(shù)，從而保證達到產品的微觀組織和最終性能的高技保證達到產品的微觀組織和最終性能的高技術。以術。以PLC和工控機為主。和工控機為主。難點：很多過程中的非線性特性難點：很多過程中的非線性特性離散工業(yè)離散工業(yè)離散工業(yè)自動化的主要特征是計算機集成制離散工業(yè)自動化的主要特征是計算機集成制造系統(tǒng)，即造系統(tǒng)，即

5、CIMS。它將信息技術、現(xiàn)代管。它將信息技術、現(xiàn)代管理技術與先進設計制造技術相結合，應用于理技術與先進設計制造技術相結合，應用于企業(yè)產品生命全周期。離散工業(yè)企業(yè)的生產企業(yè)產品生命全周期。離散工業(yè)企業(yè)的生產現(xiàn)場底層的核心控制器通常是專用的。現(xiàn)場底層的核心控制器通常是專用的。計算機控制系統(tǒng)計算機控制系統(tǒng)第二章第二章 計算機控制系統(tǒng)的硬件基礎計算機控制系統(tǒng)的硬件基礎 中南大學機電工程學院中南大學機電工程學院工業(yè)生產過程中的計算機控制系統(tǒng)內常見的核工業(yè)生產過程中的計算機控制系統(tǒng)內常見的核心控制器分別為心控制器分別為 工業(yè)控制計算機工業(yè)控制計算機 IPC （簡稱工控機簡稱工控機） 可編程序控制器可編程序

6、控制器PLC 單片機單片機中小型控制系統(tǒng)中的主中小型控制系統(tǒng)中的主要控制裝置，也是大型要控制裝置，也是大型網絡控制系統(tǒng)中的控制網絡控制系統(tǒng)中的控制單元單元在智能控制儀表、智能網絡控在智能控制儀表、智能網絡控制器及小型控制器中應用廣泛制器及小型控制器中應用廣泛計算機控制系統(tǒng)計算機控制系統(tǒng)第二章第二章 計算機控制系統(tǒng)的硬件基礎計算機控制系統(tǒng)的硬件基礎 中南大學機電工程學院中南大學機電工程學院 使用于使用于工業(yè)環(huán)境工業(yè)環(huán)境的專用工控機，成為實現(xiàn)低成本的專用工控機，成為實現(xiàn)低成本 工業(yè)自動化的重要途徑工業(yè)自動化的重要途徑 以計算機為核心的測量和控制系統(tǒng)，以計算機為核心的測量和控制系統(tǒng)， 處理來自處理來

7、自工工 業(yè)系統(tǒng)業(yè)系統(tǒng)的輸入信號，再根據控制要求輸出控制信的輸入信號，再根據控制要求輸出控制信 號去控制生產過程號去控制生產過程 硬件上，由生產廠家按照某種標準總線，設計制硬件上，由生產廠家按照某種標準總線，設計制 造符合造符合工業(yè)標準工業(yè)標準的主機板及各種的主機板及各種I/O模塊，設計者模塊，設計者 和使用者只要選用相應的功能模塊，可靈活地構和使用者只要選用相應的功能模塊，可靈活地構 成各種計算機控制裝置成各種計算機控制裝置計算機控制系統(tǒng)計算機控制系統(tǒng)第二章第二章 計算機控制系統(tǒng)的硬件基礎計算機控制系統(tǒng)的硬件基礎 中南大學機電工程學院中南大學機電工程學院1 典型的工控機由加固型工業(yè)機箱、工業(yè)電

8、源、顯示典型的工控機由加固型工業(yè)機箱、工業(yè)電源、顯示板、硬盤驅動器、光盤驅動器、各類輸入板、硬盤驅動器、光盤驅動器、各類輸入/輸出接口模輸出接口模塊、顯示器、鍵盤、鼠標、打印機等組成。塊、顯示器、鍵盤、鼠標、打印機等組成。（a）外部結構）外部結構 （b）外部結構）外部結構圖圖2.2-1 工控機的主機箱結構工控機的主機箱結構計算機控制系統(tǒng)計算機控制系統(tǒng)第二章第二章 計算機控制系統(tǒng)的硬件基礎計算機控制系統(tǒng)的硬件基礎 中南大學機電工程學院中南大學機電工程學院主機主機板板人人- 機機接口接口系統(tǒng)系統(tǒng) 支持支持磁盤磁盤系統(tǒng)系統(tǒng)通信通信接口接口外部總線外部總線內部總線內部總線模擬量模擬量輸入通道輸入通道A

9、I模擬量模擬量輸出通道輸出通道AO數(shù)字量數(shù)字量輸入通道輸入通道DI數(shù)字量數(shù)字量輸出通道輸出通道DO工控機的各部件均采用模塊化結構，即在一塊無源的工控機的各部件均采用模塊化結構，即在一塊無源的平行底板總線上，接插多個功能模塊組成一臺工控機平行底板總線上，接插多個功能模塊組成一臺工控機圖圖2.2-2 工控機的硬件組成結構工控機的硬件組成結構計算機控制系統(tǒng)計算機控制系統(tǒng)第二章第二章 計算機控制系統(tǒng)的硬件基礎計算機控制系統(tǒng)的硬件基礎 中南大學機電工程學院中南大學機電工程學院 包括實時多任務操作系統(tǒng)、引導程序、包括實時多任務操作系統(tǒng)、引導程序、調度執(zhí)行程序，如調度執(zhí)行程序，如Intel公司的公司的iRM

10、x86實時多任務實時多任務操作系統(tǒng)。此外也使用操作系統(tǒng)。此外也使用MS-DOS，Windows軟件軟件軟件開發(fā)的輔助軟件，包括匯編語言、軟件開發(fā)的輔助軟件，包括匯編語言、高級語言、編譯程序、調試程序、診斷程序等。高級語言、編譯程序、調試程序、診斷程序等。針對某個生產過程而編制的控制和管理針對某個生產過程而編制的控制和管理程序，包括過程輸入輸出程序、過程控制程序、程序，包括過程輸入輸出程序、過程控制程序、人人機接口程序、打印顯示程序及公共子程序機接口程序、打印顯示程序及公共子程序系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件工具軟件工具軟件應用軟件應用軟件計算機控制系統(tǒng)計算機控制系統(tǒng)第二章第二章 計算機控制系統(tǒng)的硬件基礎計算

11、機控制系統(tǒng)的硬件基礎 中南大學機電工程學院中南大學機電工程學院 可靠性高可靠性高 常用于連續(xù)的生產過程常用于連續(xù)的生產過程實時性好實時性好 實時地響應被控對象的各種參數(shù)的變化實時地響應被控對象的各種參數(shù)的變化環(huán)境適應性強環(huán)境適應性強 溫度溫度/濕度、防塵濕度、防塵/腐蝕腐蝕/震動沖擊等震動沖擊等豐富的輸入輸出模塊豐富的輸入輸出模塊 模擬模擬/數(shù)字數(shù)字/脈沖量等脈沖量等I/O模塊模塊系統(tǒng)擴充性和開放性好系統(tǒng)擴充性和開放性好 控制軟件包功能強控制軟件包功能強系統(tǒng)通信功能強系統(tǒng)通信功能強冗余性冗余性 在對可靠性要求很高的場合，要求有雙機在對可靠性要求很高的場合，要求有雙機工作及冗余系統(tǒng)工作及冗余系統(tǒng)

12、計算機控制系統(tǒng)計算機控制系統(tǒng)第二章第二章 計算機控制系統(tǒng)的硬件基礎計算機控制系統(tǒng)的硬件基礎 中南大學機電工程學院中南大學機電工程學院總線總線：構成微機系統(tǒng)的各類插件板之間的互聯(lián)和通：構成微機系統(tǒng)的各類插件板之間的互聯(lián)和通信通過信通過系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線來完成。這種系統(tǒng)總線是一來完成。這種系統(tǒng)總線是一種標準化的總線電路，它提供通用的電平信種標準化的總線電路，它提供通用的電平信號來實現(xiàn)各種電路信號的傳遞。號來實現(xiàn)各種電路信號的傳遞?？偩€標準總線標準：實際上是一種接口信號的標準和協(xié)議。：實際上是一種接口信號的標準和協(xié)議。計算機控制系統(tǒng)計算機控制系統(tǒng)第二章第二章 計算機控制系統(tǒng)的硬件基礎計算機控制系統(tǒng)的硬

13、件基礎 中南大學機電工程學院中南大學機電工程學院微機內部微機內部各功能模塊各功能模塊間進行通信的總線，也稱為間進行通信的總線，也稱為系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線。目前工控領域應用較多的內部總線有。目前工控領域應用較多的內部總線有STD總線、總線、ISA總線和總線和PCI總線。總線。 （IBM PC總線系列）總線系列）PC/XT總線總線：Intel 8088微處理器，微處理器，8位數(shù)據線、位數(shù)據線、20位地址線和若干控制線，共位地址線和若干控制線，共62引腳引腳計算機控制系統(tǒng)計算機控制系統(tǒng)第二章第二章 計算機控制系統(tǒng)的硬件基礎計算機控制系統(tǒng)的硬件基礎 中南大學機電工程學院中南大學機電工程學院 也稱為也稱為（

14、Industry StandardArchitecture）總線標準總線標準為了和為了和Intel 80286 16位機兼容，對位機兼容，對XT總線在電總線在電氣和機械特性上作了較大的擴充，在原氣和機械特性上作了較大的擴充，在原62引腳的引腳的基礎上有增加了一個基礎上有增加了一個36引腳插座而形成：引腳插座而形成：16位數(shù)位數(shù)據總線、據總線、24位地址總線、位地址總線、15個中斷并提供共享功個中斷并提供共享功能，能， 8個個DMA通道。通道。1989年，年，COMPAQ公司聯(lián)合公司聯(lián)合HP、AST等等9家計算家計算機公司，在機公司，在ISA總線基礎上，推出了適應總線基礎上，推出了適應32位微處

15、位微處理器的系統(tǒng)總線標準理器的系統(tǒng)總線標準EISA（Extended Industrial Sdandard Architecture），與），與ISA兼容。兼容。計算機控制系統(tǒng)計算機控制系統(tǒng)第二章第二章 計算機控制系統(tǒng)的硬件基礎計算機控制系統(tǒng)的硬件基礎 中南大學機電工程學院中南大學機電工程學院 PCI總線（總線（Peripheral Component Interconnect， 外圍部件互連總線）外圍部件互連總線） 介于介于CPU芯片級總線和系統(tǒng)總線之間的一級總芯片級總線和系統(tǒng)總線之間的一級總線。外設通過局部總線與線。外設通過局部總線與CPU的數(shù)據傳輸率得的數(shù)據傳輸率得以大大提高。以大大提

16、高。PCI總線支持總線支持64位數(shù)據傳送、多總位數(shù)據傳送、多總線主控模塊、線性猝發(fā)讀寫和并發(fā)工作方式。線主控模塊、線性猝發(fā)讀寫和并發(fā)工作方式。計算機控制系統(tǒng)計算機控制系統(tǒng)第二章第二章 計算機控制系統(tǒng)的硬件基礎計算機控制系統(tǒng)的硬件基礎 中南大學機電工程學院中南大學機電工程學院 PCI傳輸率高。最大傳輸率數(shù)據傳輸率分別為傳輸率高。最大傳輸率數(shù)據傳輸率分別為 總線時鐘工作頻率總線時鐘工作頻率33MHz，與，與CPU時鐘無關，時鐘無關，總線的數(shù)據寬度為總線的數(shù)據寬度為32位，可擴充至位，可擴充至64位。位。133Mb/s和和266Mb/s，PCI Express數(shù)據傳輸數(shù)據傳輸率可以達到率可以達到8G

17、b/s。能提高硬盤、網絡界面卡、。能提高硬盤、網絡界面卡、的性能，充分發(fā)揮影像、圖形及各種高速外圍的性能，充分發(fā)揮影像、圖形及各種高速外圍設備的性能。設備的性能。 采用數(shù)據線和地址線復用結構，減少了總線引腳采用數(shù)據線和地址線復用結構，減少了總線引腳數(shù)，節(jié)省線路空間，降低設計成本。數(shù)，節(jié)省線路空間，降低設計成本。計算機控制系統(tǒng)計算機控制系統(tǒng)第二章第二章 計算機控制系統(tǒng)的硬件基礎計算機控制系統(tǒng)的硬件基礎 中南大學機電工程學院中南大學機電工程學院外部總線外部總線 指用于計算機與計算機或計算機指用于計算機與計算機或計算機與其他智能外設之間的通信線路。常用的外部與其他智能外設之間的通信線路。常用的外部總

18、線有總線有IEEE-488并行總線、并行總線、RS-232C串行總線串行總線和和RS-485通信總線。通信總線。計算機控制系統(tǒng)計算機控制系統(tǒng)第二章第二章 計算機控制系統(tǒng)的硬件基礎計算機控制系統(tǒng)的硬件基礎 中南大學機電工程學院中南大學機電工程學院 ISA 總線工控機總線工控機 （ISA BUS-IPC）：一般工業(yè)環(huán)境）：一般工業(yè)環(huán)境 PCI 總線工控機總線工控機（PCI BUS-IPC）：采用）：采用Intel 盒式工控機盒式工控機（BOX-PC）：適于工廠環(huán)境中的?。哼m于工廠環(huán)境中的小 盤式工控機盤式工控機（PANEL-PC）：適于機電一體化的）：適于機電一體化的型數(shù)據采集使用型數(shù)據采集使用

19、控制器控制器芯片和芯片和PCI總線構成總線構成 VESA總線工控機總線工控機（VESA BUS-IPC）：與）：與ISA計算機控制系統(tǒng)計算機控制系統(tǒng)第二章第二章 計算機控制系統(tǒng)的硬件基礎計算機控制系統(tǒng)的硬件基礎 中南大學機電工程學院中南大學機電工程學院 Compact PCI 工控機工控機：PCI總線歐式插卡結構總線歐式插卡結構總線工控機相比，具有較高的顯示速度和總線工控機相比，具有較高的顯示速度和I/O讀寫讀寫速度，適用于作監(jiān)控操作站，對實時圖像處理應速度，適用于作監(jiān)控操作站，對實時圖像處理應用更為合適。用更為合適。 工業(yè)級工作站工業(yè)級工作站（Industrial Workstation）：

20、將）：將主機、顯示器、操作面板集成一體的工控機主機、顯示器、操作面板集成一體的工控機 新型工控機新型工控機（New Type IPC）計算機控制系統(tǒng)計算機控制系統(tǒng)第二章第二章 計算機控制系統(tǒng)的硬件基礎計算機控制系統(tǒng)的硬件基礎 中南大學機電工程學院中南大學機電工程學院（Peripheral Component Interconnect）工控）工控 機及其變形機，如機及其變形機，如AT96總線工控機等?？偩€工控機等。？ 由于基礎自動化和過程自動化對工業(yè)由于基礎自動化和過程自動化對工業(yè)PC的運的運行穩(wěn)定性、熱插拔和冗余配置要求很高，現(xiàn)有的行穩(wěn)定性、熱插拔和冗余配置要求很高，現(xiàn)有的IPC已經不能完全滿

21、足要求，將逐漸退出該領域，已經不能完全滿足要求，將逐漸退出該領域，取而代之的將是取而代之的將是Compact PCI-based工控機，而工控機，而IPC將占據管理自動化層。將占據管理自動化層。 1990s末期，末期， 以以Compact PCI總線工控機總線工控機為核心的為核心的第三代工控機技術占主導地位。第三代工控機技術占主導地位。計算機控制系統(tǒng)計算機控制系統(tǒng)第二章第二章 計算機控制系統(tǒng)的硬件基礎計算機控制系統(tǒng)的硬件基礎 中南大學機電工程學院中南大學機電工程學院 開放性、良好的散熱性、高穩(wěn)定性、高可靠性開放性、良好的散熱性、高穩(wěn)定性、高可靠性及可熱插拔等，非常適合于工業(yè)現(xiàn)場和信息產業(yè)基及可

22、熱插拔等，非常適合于工業(yè)現(xiàn)場和信息產業(yè)基礎設備的應用，被眾多業(yè)內人士認為是繼礎設備的應用，被眾多業(yè)內人士認為是繼STD和和IPC之后的第三代工控機的技術標準。之后的第三代工控機的技術標準。計算機控制系統(tǒng)計算機控制系統(tǒng)第二章第二章 計算機控制系統(tǒng)的硬件基礎計算機控制系統(tǒng)的硬件基礎 中南大學機電工程學院中南大學機電工程學院可編程序邏輯控制器可編程序邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）最早于最早于1969年問世，是一種專為工業(yè)環(huán)境應用而年問世，是一種專為工業(yè)環(huán)境應用而設計的微機系統(tǒng)。設計的微機系統(tǒng)。其存儲器用來存儲用戶的指令，通過數(shù)字或模擬其存儲器用來存儲

23、用戶的指令，通過數(shù)字或模擬的輸入輸出完成確定的邏輯、順序、定時、記數(shù)的輸入輸出完成確定的邏輯、順序、定時、記數(shù)和運算等功能。和運算等功能。PLC可按照邏輯條件和時序進行順序動作，或連鎖可按照邏輯條件和時序進行順序動作，或連鎖保護動作的控制，離散量的數(shù)據采集監(jiān)視，已發(fā)展保護動作的控制，離散量的數(shù)據采集監(jiān)視，已發(fā)展成取代成取代繼電器繼電器線路和以進行線路和以進行順序控制順序控制為主的產品。為主的產品。計算機控制系統(tǒng)計算機控制系統(tǒng)第二章第二章 計算機控制系統(tǒng)的硬件基礎計算機控制系統(tǒng)的硬件基礎 中南大學機電工程學院中南大學機電工程學院 一般指非一般指非PC系統(tǒng)，有計算機功能但又不能稱之系統(tǒng)，有計算機功

24、能但又不能稱之為計算機的設備或器材，面向特定應用。常見的有：為計算機的設備或器材，面向特定應用。常見的有：基于基于PC/104總線的微型計算機，可以嵌入到設總線的微型計算機，可以嵌入到設備、儀器之中，故得名。備、儀器之中，故得名。即單片機微型計算機，又稱為微控制器。它將計即單片機微型計算機，又稱為微控制器。它將計算機主機（算機主機（CPU、內存和、內存和I/O接口）集成在一小塊接口）集成在一小塊硅片上的計算機。為工業(yè)測控而設計。硅片上的計算機。為工業(yè)測控而設計。計算機控制系統(tǒng)計算機控制系統(tǒng)第二章第二章 計算機控制系統(tǒng)的硬件基礎計算機控制系統(tǒng)的硬件基礎 中南大學機電工程學院中南大學機電工程學院由

25、于嵌入式工控機的存儲量有限，所以在嵌入式由于嵌入式工控機的存儲量有限，所以在嵌入式工控機中普遍使用實時多任務操作系統(tǒng)（工控機中普遍使用實時多任務操作系統(tǒng)（Real Timer Operating System，RTOS），常見的軟件），常見的軟件有：有：Unix、Linus、PSOS、VxWorks、Window CE、iRMX386和和Lynx OS等。等。計算機控制系統(tǒng)計算機控制系統(tǒng)第二章第二章 計算機控制系統(tǒng)的硬件基礎計算機控制系統(tǒng)的硬件基礎 中南大學機電工程學院中南大學機電工程學院1 工業(yè)控制計算機工業(yè)控制計算機IPC在中國的發(fā)展大致經過三個在中國的發(fā)展大致經過三個第一階段第一階段：從

26、：從1980s-1990s初，以國外品牌為主，初，以國外品牌為主，第二階段第二階段：1991-1996年，臺灣生產的價格適中的年，臺灣生產的價格適中的IPC工控機開始大量進入大陸市場，這工控機開始大量進入大陸市場，這在很大程度上加速了在很大程度上加速了IPC市場的發(fā)展，市場的發(fā)展，其應用也從傳統(tǒng)工業(yè)控制向數(shù)據通信、其應用也從傳統(tǒng)工業(yè)控制向數(shù)據通信、電信、電力等對可靠性要求較高的行業(yè)電信、電力等對可靠性要求較高的行業(yè)延伸延伸價格昂貴價格昂貴階段階段計算機控制系統(tǒng)計算機控制系統(tǒng)第二章第二章 計算機控制系統(tǒng)的硬件基礎計算機控制系統(tǒng)的硬件基礎 中南大學機電工程學院中南大學機電工程學院第三階段第三階段：

27、從：從1997年開始，大陸本土的年開始，大陸本土的IPC廠商進入廠商進入該市場，促使該市場，促使IPC的價格不斷降低，使工的價格不斷降低，使工控機的應用水平和應用行業(yè)發(fā)生極大變控機的應用水平和應用行業(yè)發(fā)生極大變化。目前中國化。目前中國IPC工控機的大小品牌約有工控機的大小品牌約有15個左右，主要有研華、凌華、研祥、個左右，主要有研華、凌華、研祥、深圳艾雷斯和華北工控等。后來又出現(xiàn)深圳艾雷斯和華北工控等。后來又出現(xiàn)了個人計算機（了個人計算機（PC）+ 單回路可編程序單回路可編程序控制器組合的計算機控制系統(tǒng)控制器組合的計算機控制系統(tǒng)計算機控制系統(tǒng)計算機控制系統(tǒng)第二章第二章 計算機控制系統(tǒng)的硬件基礎

28、計算機控制系統(tǒng)的硬件基礎 中南大學機電工程學院中南大學機電工程學院PLC直到直到1980s初才為中國技術人員所熟悉。國初才為中國技術人員所熟悉。國內的行業(yè)比較蕭條，在我國未形成制造產業(yè)。內的行業(yè)比較蕭條，在我國未形成制造產業(yè)。PLC的市場潛力是十分巨大的，需要應用的市場潛力是十分巨大的，需要應用PLC的的場合很多。例如，從技術創(chuàng)新角度看，我國大中場合很多。例如，從技術創(chuàng)新角度看，我國大中型企業(yè)還要大力發(fā)展型企業(yè)還要大力發(fā)展CIMS，在機械制造廠要形成，在機械制造廠要形成柔性制造系統(tǒng)（柔性制造系統(tǒng)（Flexible Manufactory System，F(xiàn)MS），而），而PLC是基礎。是基礎。計

29、算機控制系統(tǒng)計算機控制系統(tǒng)第二章第二章 計算機控制系統(tǒng)的硬件基礎計算機控制系統(tǒng)的硬件基礎 中南大學機電工程學院中南大學機電工程學院從從1970s中后期起，首先由大型進口化工設備成套中后期起，首先由大型進口化工設備成套中引入國外的中引入國外的DCS。后來一段時間，我國主要應。后來一段時間，我國主要應用行業(yè)（如電力、石化、建材和冶金等）的用行業(yè)（如電力、石化、建材和冶金等）的DCS基本全部進口。基本全部進口。1990s，國產化研制技術攻關取得，國產化研制技術攻關取得實質性進展。目前產品技術水平已達到或接近國實質性進展。目前產品技術水平已達到或接近國際先進水平。際先進水平。目前國內目前國內DCS中的

30、現(xiàn)場控制器采用的還是第二代中的現(xiàn)場控制器采用的還是第二代IPC工控機產品。現(xiàn)在已開始用新一代工控機產品?，F(xiàn)在已開始用新一代Compact PCI總線總線和和PXI總線工控機總線工控機替代。替代。計算機控制系統(tǒng)計算機控制系統(tǒng)第二章第二章 計算機控制系統(tǒng)的硬件基礎計算機控制系統(tǒng)的硬件基礎 中南大學機電工程學院中南大學機電工程學院把表征被控對象運動狀態(tài)的模擬信號（溫度、壓把表征被控對象運動狀態(tài)的模擬信號（溫度、壓力、流量、液位、位移、速度等）轉換為計算機力、流量、液位、位移、速度等）轉換為計算機可以接受的數(shù)字信號，送入計算機，以便進行數(shù)可以接受的數(shù)字信號，送入計算機，以便進行數(shù)字化處理。字化處理。2

31、計算機控制系統(tǒng)計算機控制系統(tǒng)第二章第二章 計算機控制系統(tǒng)的硬件基礎計算機控制系統(tǒng)的硬件基礎 中南大學機電工程學院中南大學機電工程學院計計算算機機接口接口電路電路 采樣采樣保持器保持器 前置前置放大器放大器 A/D轉換器轉換器多多路路模模擬擬開開關關 前置前置濾波器濾波器 信號變信號變換器換器被被控控對對象象控制電控制電路路 前置前置濾波濾波 信號變信號變換器換器信號變換器信號變換器把非電模擬信號轉變?yōu)殡娦盘柊逊请娔M信號轉變?yōu)殡娦盘柷爸脼V波器前置濾波器濾除輸入模擬信號中可能混有的高頻干擾濾除輸入模擬信號中可能混有的高頻干擾計算機控制系統(tǒng)計算機控制系統(tǒng)第二章第二章 計算機控制系統(tǒng)的硬件基礎計算機

32、控制系統(tǒng)的硬件基礎 中南大學機電工程學院中南大學機電工程學院多路模擬開關多路模擬開關在計算機控制系統(tǒng)中，往往是十幾路在計算機控制系統(tǒng)中，往往是十幾路或幾十路模擬信號共用一只或幾十路模擬信號共用一只A/D轉換轉換器，可以降低通道及系統(tǒng)的成本，提器，可以降低通道及系統(tǒng)的成本，提高高A/D轉換器的利用率。多路模擬開轉換器的利用率。多路模擬開關輪流切換各路信號。常用的芯片是關輪流切換各路信號。常用的芯片是CD4051.前置放大器前置放大器與一般測量系統(tǒng)中的放大器相比，在與一般測量系統(tǒng)中的放大器相比，在高增益、高穩(wěn)定性、極強共模抑制比高增益、高穩(wěn)定性、極強共模抑制比等方面的性能要求，沒有什么差別。等方面

33、的性能要求，沒有什么差別。不同的是，希望放大器的增益，可由不同的是，希望放大器的增益，可由計算機通過編程來設置或改變，以適計算機通過編程來設置或改變，以適應各路信號變化范圍的要求。應各路信號變化范圍的要求。計算機控制系統(tǒng)計算機控制系統(tǒng)第二章第二章 計算機控制系統(tǒng)的硬件基礎計算機控制系統(tǒng)的硬件基礎 中南大學機電工程學院中南大學機電工程學院采樣保持器采樣保持器對模擬信號進行采樣并保持其值對模擬信號進行采樣并保持其值A/D轉換器轉換器它是模擬量輸入通道的核心環(huán)節(jié)，必不可它是模擬量輸入通道的核心環(huán)節(jié)，必不可少。其作用是把來自被控對象的模擬量，少。其作用是把來自被控對象的模擬量，轉換為計算機所要求的數(shù)字

34、量轉換為計算機所要求的數(shù)字量.常用的芯片常用的芯片有有8位的位的ADC0809及及12位的位的AD574. 接口和控制接口和控制電路電路它是計算機與模擬量輸入通道之間的連接它是計算機與模擬量輸入通道之間的連接電路，其作用可歸結為：啟動電路，其作用可歸結為：啟動A/D轉換，并轉換，并將轉換結果送計算機將轉換結果送計算機 A/D通道的通道的隔離電路隔離電路可采用光電耦合器件，隔斷輸入通道與被可采用光電耦合器件，隔斷輸入通道與被控對象之間因公共信號傳輸線引入的干擾控對象之間因公共信號傳輸線引入的干擾計算機控制系統(tǒng)計算機控制系統(tǒng)第二章第二章 計算機控制系統(tǒng)的硬件基礎計算機控制系統(tǒng)的硬件基礎 中南大學機

35、電工程學院中南大學機電工程學院-+3A2A1A1R2RSR1R2RSR-NIVGRNIV+負負載載( 外接)外外接接地地TUOV( 外接)( a ) 經典的前置放大器3A2A-NIVN負負載載( 外接)外外接接地地TUOV( b ) 可變增益放大器1 6 K1 6 K1 6 K1 6 K2481 63 26 41 2 82 5 68 0 K2 6 . 6 7 K1 1 . 4 3 K5 . 3 3 K2 . 5 8 K1 . 2 7 K3 1 4 6 3 0 圖圖 2 - 6 前置放大器器-+1AIV+計算機控制系統(tǒng)計算機控制系統(tǒng)第二章第二章 計算機控制系統(tǒng)的硬件基礎計算機控制系統(tǒng)的硬件基礎

36、中南大學機電工程學院中南大學機電工程學院INV1A2AHCOUTVSOUTVINVtt圖 2-8 采樣保持器 路電理原)a (性波作工)b(采樣保持常用的采樣常用的采樣保持器有保持器有AD582、AD583、 LF198/398等。等。計算機控制系統(tǒng)計算機控制系統(tǒng)第二章第二章 計算機控制系統(tǒng)的硬件基礎計算機控制系統(tǒng)的硬件基礎 中南大學機電工程學院中南大學機電工程學院反饋電壓D / A轉換器VIN比較器控制時序和邏輯電路逐位逼近寄存器(SAR)數(shù)字量輸 出鎖存器啟動CLK模擬量輸 入VOVCD0圖圖 2-9 逐逐位位逼逼近近式式A/D轉轉換換原原理理圖圖 D1D2D3（1）逐位逼近式）逐位逼近式

37、A/D轉換器轉換器（2）雙積分型）雙積分型A/D轉換器轉換器（3） 型型A/D轉換器轉換器計算機控制系統(tǒng)計算機控制系統(tǒng)第二章第二章 計算機控制系統(tǒng)的硬件基礎計算機控制系統(tǒng)的硬件基礎 中南大學機電工程學院中南大學機電工程學院VIN0VIN1VIN7VIN6VIN5VIN4VIN3VIN2三態(tài)輸出鎖存緩沖器DO0DO1DO2DO3DO4DO6DO5DO7地址鎖存 與譯碼ABCALEOECLOCKSTARTADC08098路A/D轉換器 138譯碼器ABCGAGBG1A0A1A2D0D7D6D5D4D3D2D1IOWIORAENA7A6A5A4A3PC總線Y0Y1EOCPAPB12602(1)02(

38、2)02(3)圖 3-15 查詢方式讀A/D轉換數(shù)計算機控制系統(tǒng)計算機控制系統(tǒng)第二章第二章 計算機控制系統(tǒng)的硬件基礎計算機控制系統(tǒng)的硬件基礎 中南大學機電工程學院中南大學機電工程學院把計算機輸出的數(shù)字控制信號，轉換為模擬電壓把計算機輸出的數(shù)字控制信號，轉換為模擬電壓或或電流信號，作用在相應的模擬執(zhí)行器上，從或或電流信號，作用在相應的模擬執(zhí)行器上，從而實現(xiàn)對被控對象的控制。而實現(xiàn)對被控對象的控制。計計 算算 機機寄存器寄存器D/A轉換器轉換器后置濾波器后置濾波器多多 路路 模模 擬擬 開開 關關接口接口控制控制電路電路輸出輸出1輸出輸出2輸出輸出32計算機控制系統(tǒng)計算機控制系統(tǒng)第二章第二章 計算

39、機控制系統(tǒng)的硬件基礎計算機控制系統(tǒng)的硬件基礎 中南大學機電工程學院中南大學機電工程學院D/A轉換器轉換器是模擬輸出通道中的核心部件，必不可少。是模擬輸出通道中的核心部件，必不可少。常用的芯片有常用的芯片有8位的位的DAC0832及及12位的位的DAC1210零階保持器零階保持器D/A轉換器具有數(shù)據輸入鎖存功能，其輸出轉換器具有數(shù)據輸入鎖存功能，其輸出模擬量能在一個采樣周期內保持不變，即具模擬量能在一個采樣周期內保持不變，即具有零階保持器的功能。有零階保持器的功能。 零階保持零階保持作用的實作用的實質，就是在兩次輸出模擬量之間進行插值，質，就是在兩次輸出模擬量之間進行插值，使時間軸上的離散信號，

40、變?yōu)闀r間軸上的連使時間軸上的離散信號，變?yōu)闀r間軸上的連續(xù)信號。它是數(shù)字信號重構為模擬信號的重續(xù)信號。它是數(shù)字信號重構為模擬信號的重要步驟。要步驟。后置濾波器后置濾波器對對D/A轉換及零階保持環(huán)節(jié)輸出的信號，進轉換及零階保持環(huán)節(jié)輸出的信號，進行濾波平滑處理，以得到真正的模擬信號。行濾波平滑處理，以得到真正的模擬信號。它是數(shù)字信號它是數(shù)字信號重構重構為模擬信號的重要步驟。為模擬信號的重要步驟。計算機控制系統(tǒng)計算機控制系統(tǒng)第二章第二章 計算機控制系統(tǒng)的硬件基礎計算機控制系統(tǒng)的硬件基礎 中南大學機電工程學院中南大學機電工程學院多路模擬開關多路模擬開關其作用與模擬量輸入通道中的多路模擬開其作用與模擬量輸

41、入通道中的多路模擬開關的作用正好相反。由于關的作用正好相反。由于CD4051芯片是可芯片是可以雙向工作的，因此也可以用在模擬量輸以雙向工作的，因此也可以用在模擬量輸出通道中。出通道中。接口控制電路接口控制電路它具有控制數(shù)字信號的輸出、它具有控制數(shù)字信號的輸出、D/A轉換的啟轉換的啟停、多路模擬開關的切換等功能。停、多路模擬開關的切換等功能。 D/A通道的通道的隔離電路隔離電路由于由于D/A通道的輸出直接與被控對象相連，通道的輸出直接與被控對象相連，很容易引入干擾，必須采取相應的措施，很容易引入干擾，必須采取相應的措施，來抑制干擾對輸出信號的影響。通常可采來抑制干擾對輸出信號的影響。通?？刹捎霉?/p>

42、電耦合器件用光電耦合器件計算機控制系統(tǒng)計算機控制系統(tǒng)第二章第二章 計算機控制系統(tǒng)的硬件基礎計算機控制系統(tǒng)的硬件基礎 中南大學機電工程學院中南大學機電工程學院+A-數(shù)數(shù)字字量量輸輸入入TUOV基基準準電電壓壓關關開開換換切切位位RR2R2R2R2R2RFERVbfR1SB2SB3SB0SB1DR-2R電阻網絡 圖圖 3-2 D/A 轉換器原理框圖R2D3D0D運運算算放放大大器器3I1I0I2I10101010IOUTIRfb計算機控制系統(tǒng)計算機控制系統(tǒng)第二章第二章 計算機控制系統(tǒng)的硬件基礎計算機控制系統(tǒng)的硬件基礎 中南大學機電工程學院中南大學機電工程學院計算機控制系統(tǒng)計算機控制系統(tǒng)第二章第二章

43、 計算機控制系統(tǒng)的硬件基礎計算機控制系統(tǒng)的硬件基礎 中南大學機電工程學院中南大學機電工程學院工業(yè)控制計算機用于生產過程的自動控制，需要工業(yè)控制計算機用于生產過程的自動控制，需要處理一些最基本的輸入輸出信號，即處理一些最基本的輸入輸出信號，即數(shù)字量數(shù)字量（開開關量關量）信號，包括開關的閉合與斷開、指示燈的）信號，包括開關的閉合與斷開、指示燈的亮與滅、繼電器或接觸器的吸合與釋放、電動機亮與滅、繼電器或接觸器的吸合與釋放、電動機的啟動與停止、閥門的打開與關閉等。經過一定的啟動與停止、閥門的打開與關閉等。經過一定的電路將的電路將“導通導通”和和“截止截止”兩個狀態(tài)，用二進兩個狀態(tài)，用二進制的邏輯制的邏輯“1”和和“0”代表。代表。5,3計算機控制系統(tǒng)計算機控制系統(tǒng)第二章第二章 計算機控制系統(tǒng)的硬件基礎計算機控制系統(tǒng)的硬件基礎 中南大學機電工程學院中南大學機電工程學院路電離隔合耦電光3-4圖遞傳相同量字數(shù)遞傳相反量字數(shù)+5V+5V+5V+5Vccee+-D7D074LS273數(shù)據