工業(yè)控制計算機基本構(gòu)造原理

工業(yè)控制計算機基本構(gòu)造原理工業(yè)控制計算機基本構(gòu)造原理一、何為工控機工控機（IndustrialPersonalComputer，IPC）工業(yè)控制計算機，是一種采用總線結(jié)構(gòu)，對生產(chǎn)過程及機電設(shè)備、工藝裝備進行檢測與控制的工具總稱。工業(yè)控制計算機基本構(gòu)造原理一、何為工控機工控機具有重要的計算機屬性和特征:如具有計算機CPU、硬盤、內(nèi)存、外設(shè)及接口，并有操作系統(tǒng)、控制網(wǎng)絡(luò)和協(xié)議、計算能力、友好的人機界面。工控行業(yè)的產(chǎn)品和技術(shù)非常特殊，屬于中間產(chǎn)品，是為其他各行業(yè)提供可靠、嵌入式、智能化的工業(yè)計算機。工業(yè)控制計算機基本構(gòu)造原理二、工控機的組成與特點1、工控機的硬件組成系統(tǒng)磁盤人機接口主機板系統(tǒng)支持板系統(tǒng)總線輸入/輸出通道（I/O）

通信接口通信總線

現(xiàn)場儀器工業(yè)控制計算機基本構(gòu)造原理2.1工控機的硬件組成（1）主機板由中央處理器（CPU）、存儲器（RAM、ROM）等部件組成，主機板是工控機的核心。（2）系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線分為內(nèi)部總線和外部總線。內(nèi)部總線：工控機內(nèi)部各組成部分進行信息傳輸?shù)耐ǖ?，是一組信號線的集合（PC系列總線、PCI總線）。外部總線：是工控機與其他計算機或者智能設(shè)備進行信息傳送的公共通道（RS-232C、RS-485等）。（3）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。工業(yè)控制計算機基本構(gòu)造原理2.1工控機的硬件組成（4）系統(tǒng)支持板監(jiān)控定時器：“看門狗”（Watchdog）；電源掉電檢測；保護重要數(shù)據(jù)的后備存儲器；實時日歷時鐘；（5）磁盤系統(tǒng)可用半導體虛擬磁盤，也可以用通用配置的機械硬盤。（6）通信接口通信接口是工控機與其他計算機或者智能設(shè)備進行信息傳送的接口（RS-232C、RS-485接口、USB接口）。工業(yè)控制計算機基本構(gòu)造原理2.1工控機的硬件組成（7）輸入/輸出通道（I/O）輸入/輸出通道是工控機和生產(chǎn)過程之間信號傳遞和變換的連接通道。包括：模擬量輸入（AI）通道、模擬量輸出（AO）通道、數(shù)字量（或開關(guān)量）輸入（DI）通道、數(shù)字量（或開關(guān)量）輸出（DO）通道。（8）其他硬件組成加固型工業(yè)機箱、工業(yè)電源、打印機等。工業(yè)控制計算機基本構(gòu)造原理2.1工控機的硬件組成----主要配件工控機機箱：全鋼機箱（一般0.8~1.2mm厚度）是按標準設(shè)計的，抗沖擊、抗振動、抗電磁干擾，內(nèi)部可安裝同PC-bus兼容的無源底板。（一）高度一般分1U（44mm*430mm*XX），2U（88mm*430mm*XX），3U，4U，5U，6U，7U，8U等，一個1U的高度是44mm，其他高度依次類推；（二）長度：國際標準的長度有兩種450mm與505mm，根據(jù)客戶的具體要求還可以擴分其他長度，比如：480mm，500mm，520mm，530mm，600mm等工業(yè)控制計算機基本構(gòu)造原理2.1工控機的硬件組成----主要配件電源：早期在以Intel奔騰處理器為主的之前的工控機主要使用為AT開關(guān)電源，與PC機一樣主要采用的是ATX電源，平均無故障運行時間達到250，000小時。工業(yè)控制計算機基本構(gòu)造原理2.1工控機的硬件組成----主要配件無源底板：是為各種板卡包括主板卡、顯卡、聲卡、網(wǎng)卡等）提供電源的。日常維護要注意三點：不能在底板帶電的情況下?lián)懿灏蹇?，插撥板卡時不可用力過猛，過大，用酒精等清洗底板時，要注意防止工具劃傷底板。插槽內(nèi)不能積灰塵，否則會導致接觸不良，甚至短路。工業(yè)控制計算機基本構(gòu)造原理2.1工控機的硬件組成----主要配件主板：工控機主板是專為在高、低溫特殊環(huán)境中，長時間運行而設(shè)計的，它在運用中所要注意的是：不能帶電插撥（內(nèi)存條，板卡后面的鼠標、鍵盤等），帶電插撥會導致插孔損壞，不能用，嚴重的甚至會使主板損壞。工業(yè)控制計算機基本構(gòu)造原理2.1工控機的硬件組成----主要配件主板：IDE，即硬盤光驅(qū)數(shù)據(jù)線接口FDD，即軟驅(qū)線接口內(nèi)存插口CPU插座VGA，顯示器接口PS2鍵鼠接口RJ45，網(wǎng)線接口USB工業(yè)控制計算機基本構(gòu)造原理2.1工控機的硬件組成----主要配件主板：COM口，串口串口一般用于接一些特殊的外接設(shè)備如通訊方面的設(shè)備并口通常用于連接打印設(shè)備串行接口(串口)：是指數(shù)據(jù)一位一位地順序傳送，其特點是通信線路簡單，只要一對傳輸線就可以實現(xiàn)雙向通信，并行接口（并口）：指采用并行傳輸方式來傳輸數(shù)據(jù)的接口標準。數(shù)據(jù)的各位同時進行傳送，其特點是傳輸速度快，但當傳輸距離較遠、位數(shù)又多時，就導致通信線路復雜且成本提高。工業(yè)控制計算機基本構(gòu)造原理2.1工控機的硬件組成----主要配件CPU：多采用的是桌面式系統(tǒng)處理器，如早期的有386\486\586\PIII，現(xiàn)主流為P4、酷睿等處理器，部分高端應用下會應用至強（Xeon）處理器、安騰（Itanium）處理器，用戶可視自己的需要任意選配。工業(yè)控制計算機基本構(gòu)造原理2.1工控機的硬件組成----主要配件硬盤（2.5英寸、3.5英寸）：硬盤接口分為IDE、SATA、SCSI、光纖通道和SAS五種。不要隨意拆卸硬盤,避免振動、擠壓。盡量不要在硬盤運行時關(guān)閉計算機電源，這樣突然關(guān)機會導致硬盤磁道損壞，數(shù)據(jù)丟失。不要隨意觸動硬盤上的跳線裝置。工業(yè)控制計算機基本構(gòu)造原理2.1工控機的硬件組成----主要配件內(nèi)存（隨機存儲器RAM）：內(nèi)存又稱主存，是CPU能直接尋址的存儲空間，由半導體器件制成。內(nèi)存的特點是存取速率快?，F(xiàn)在主流內(nèi)存為DDR3、DDR4。工業(yè)控制計算機基本構(gòu)造原理2.1工控機的硬件組成----主要配件工業(yè)控制計算機基本構(gòu)造原理2.1工控機的硬件組成----主要配件工業(yè)控制計算機基本構(gòu)造原理2.1工控機的硬件組成----常見外形工業(yè)控制計算機基本構(gòu)造原理2.1工控機的硬件組成----常見外形工業(yè)控制計算機基本構(gòu)造原理2.2工控機的軟件組成（1）系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件包括實時多任務(wù)操作系統(tǒng)、引導程序、調(diào)度執(zhí)行程序。例如：iRMX86實時多任務(wù)操作系統(tǒng)、VRTX/OS嵌入式實時多任務(wù)操作系統(tǒng)、Windows操作系統(tǒng)等。（2）支持軟件介于操作系統(tǒng)軟件和應用軟件之間，為了解決當前操作系統(tǒng)下應用軟件的使用性和兼容性。是一類軟件的泛稱。包括：匯編語言、高級語言、編譯程序、調(diào)試程序、診斷程序等。（3）應用軟件應用軟件是系統(tǒng)設(shè)計人員針對某個生產(chǎn)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。工業(yè)控制計算機基本構(gòu)造原理2.3工控機的特點可靠性高實時性好環(huán)境適應性強輸入/輸出模板配套好系統(tǒng)通信功能強系統(tǒng)擴充性和開放性好控制軟件包功能強后備措施齊全和具備冗余性工業(yè)控制計算機基本構(gòu)造原理三、工控機主要類別工業(yè)控制計算機的主要類別有：IPC（PC總線工業(yè)電腦）PLC（可編程控制器）DCS（分散型控制系統(tǒng)）FCS（現(xiàn)場總線系統(tǒng)）CNC（數(shù)控系統(tǒng)）工業(yè)控制計算機基本構(gòu)造原理3.1IPC（即基于PC總線的工業(yè)電腦）

主要的組成部分為工業(yè)機箱、無源底板及可插入其上的各種板卡組成，如CPU卡、I/O卡等。并采取全鋼機殼、機卡壓條過濾網(wǎng)，雙正壓風扇等設(shè)計及EMC（electromagneticcompatibility）技術(shù)以解決工業(yè)現(xiàn)場的電磁干擾、震動、灰塵、高/低溫等問題。工業(yè)控制計算機基本構(gòu)造原理3.1IPC（即基于PC總線的工業(yè)電腦）IPC特點：可靠性：工業(yè)PC具有在粉塵、煙霧、高/低溫、潮濕、震動、腐蝕和快速診斷和可維護性，其MTTR（平均故障恢復時間）一般為5min，MTTF（平均故障間隔（失效）時間）10萬小時以上，而普通PC的MTTF僅為10000～15000小時。實時性，工業(yè)PC對工業(yè)生產(chǎn)過程進行實時在線檢測與控制，對工作狀況的變化給予快速響應，及時進行采集和輸出調(diào)節(jié)（看門狗功能這是普通PC所不具有的），遇險自復位，保證系統(tǒng)的正常運行。工業(yè)控制計算機基本構(gòu)造原理3.1IPC（即基于PC總線的工業(yè)電腦）IPC特點：擴充性，工業(yè)PC由于采用底板+CPU卡結(jié)構(gòu)，因而具有很強的輸入輸出功能，最多可擴充20個板卡，能與工業(yè)現(xiàn)場的各種外設(shè)、板卡如與道控制器、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、車輛檢測儀等相連，以完成各種任務(wù)。兼容性，能同時利用ISA與PCI及PICMG資源，并支持各種操作系統(tǒng)，多種語言匯編，多任務(wù)操作系統(tǒng)。工業(yè)控制計算機基本構(gòu)造原理3.1IPC（即基于PC總線的工業(yè)電腦）工業(yè)控制計算機基本構(gòu)造原理3.1IPC（即基于PC總線的工業(yè)電腦）工業(yè)控制計算機基本構(gòu)造原理3.1IPC（即基于PC總線的工業(yè)電腦）工業(yè)控制計算機基本構(gòu)造原理3.2可編程序控制器（PLC）

PLC是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應用而設(shè)計的數(shù)字運算操作電子系統(tǒng)。它采用一種可編程的存儲器，在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令，通過數(shù)字式或模擬式的輸入輸出來控制各種類型的機械設(shè)備或生產(chǎn)過程。工業(yè)控制計算機基本構(gòu)造原理3.2可編程序控制器（PLC）可編程控制器是計算機技術(shù)與自動化控制技術(shù)相結(jié)合而開發(fā)的一種適用工業(yè)環(huán)境的新型通用自動控制裝置，是作為傳統(tǒng)繼電器的替換產(chǎn)品而出現(xiàn)的。隨著微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展，可編程控制器更多地具有了計算機的功能，不僅能實現(xiàn)邏輯控制，還具有了數(shù)據(jù)處理、通信、網(wǎng)絡(luò)等功能。由于它可通過軟件來改變控制過程，而且具有體積小、組裝維護方便、編程簡單、可靠性高、抗干擾能力強等特點，已廣泛應用于工業(yè)控制的各個領(lǐng)域，大大推進了機電一體化的進程。工業(yè)控制計算機基本構(gòu)造原理3.2可編程序控制器（PLC）PLC控制器本身的硬件采用積木式結(jié)構(gòu)，有母板，數(shù)字I/O模板，模擬I/O模板，還有特殊的定位模板，條形碼識別模板等模塊，用戶可以根據(jù)需要采用在母板上擴展或者利用總線技術(shù)配備遠程I/O從站的方法來得到想要的I/O數(shù)量。PLC在實現(xiàn)各種數(shù)量的I/O控制的同時，還具備輸出模擬電壓和數(shù)字脈沖的能力，使得它可以控制各種能接收這些信號的伺服電機，步進電機，變頻電機等，加上觸摸屏的人機界面支持，PLC可以滿足在過程控制中任何層次上的需求。工業(yè)控制計算機基本構(gòu)造原理3.3分布式控制系統(tǒng)（DCS）分布式控制系統(tǒng)（DCS，DistributedControlSystem）是一種高性能、高質(zhì)量、低成本、配置靈活的分散控制系統(tǒng)系列產(chǎn)品，可以構(gòu)成各種獨立的控制系統(tǒng)、分散控制系統(tǒng)DCS、監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（SCADA），能滿足各種工業(yè)領(lǐng)域?qū)^程控制和信息管理的需求。系統(tǒng)的模塊化設(shè)計、合理的軟硬件功能配置和易于擴展的能力，能廣泛用于各種大、中、小型電站的分散型控制、發(fā)電廠自動化系統(tǒng)的改造以及鋼鐵、石化、造紙、水泥等工業(yè)生產(chǎn)過程控制。工業(yè)控制計算機基本構(gòu)造原理3.4現(xiàn)場總線系統(tǒng)（FCS）現(xiàn)場總線系統(tǒng)（FCS，F(xiàn)ieldbusControlSystem）是全數(shù)字串行、雙向通信系統(tǒng)。系統(tǒng)內(nèi)測量和控制設(shè)備如探頭、激勵器和控制器可相互連接、監(jiān)測和控制。在工廠網(wǎng)絡(luò)的分級中，它既作為過程控制（如PLC，LC等）和應用智能儀表（如變頻器、閥門、條碼閱讀器等）的局部網(wǎng)，又具有在網(wǎng)絡(luò)上分布控制應用的內(nèi)嵌功能。由于其廣闊的應用前景，眾多國外有實力的廠家競相投入力量，進行產(chǎn)品開發(fā)?，F(xiàn)今，國際上已知的現(xiàn)場總線類型有四十余種，比較典型的現(xiàn)場總線有：FF，Profibus，LONworks，CAN，HART，CC-LINK等。工業(yè)控制計算機基本構(gòu)造原理3.4現(xiàn)場總線系統(tǒng)（FCS）現(xiàn)場總線系統(tǒng)（FCS）是連接智能現(xiàn)場設(shè)備和自動化系統(tǒng)的全數(shù)字、雙向、多站的通信系統(tǒng)。主要解決工業(yè)現(xiàn)場的智能化儀器儀表、控制器、執(zhí)行機構(gòu)等現(xiàn)場設(shè)備間的數(shù)字通信以及這些現(xiàn)場控制設(shè)備和高級控制系統(tǒng)之間的信息傳遞問題。工業(yè)控制計算機基本構(gòu)造原理3.4現(xiàn)場總線系統(tǒng)（FCS）現(xiàn)場總線的本質(zhì)體現(xiàn)在以下六個方面：現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)用于過程自動化和制造自動化的現(xiàn)場設(shè)備或現(xiàn)場儀表互連的現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)場設(shè)備互聯(lián)依據(jù)實際需要使用不同的傳輸介質(zhì)把不同的現(xiàn)場設(shè)備或者現(xiàn)場儀表相互關(guān)聯(lián)?；ゲ僮餍杂脩艨梢愿鶕?jù)自身的需求選擇不同廠家或不同型號的產(chǎn)品構(gòu)成所需的控制回路，從而可以自由地集成FCS。工業(yè)控制計算機基本構(gòu)造原理3.4現(xiàn)場總線系統(tǒng)（FCS）分散功能塊FCS廢棄了DCS的輸入/輸出單元和控制站,把DCS控制站的功能塊分散地分配給現(xiàn)場儀表,從而構(gòu)成虛擬控制站，徹底地實現(xiàn)了分散控制。通信線供電通信線供電方式允許現(xiàn)場儀表直接從通信線上攝取能量,這種方式提供用于本質(zhì)安全環(huán)境的低功耗現(xiàn)場儀表,與其配套的還有安全柵。開放式互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)場總線為開放式互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，既可以與同層網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，也可與不同層網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，還可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫的共享。工業(yè)控制計算機基本構(gòu)造原理3.5數(shù)控系統(tǒng)（CNC）數(shù)控系統(tǒng)（CNC，Computernumericalcontrol），中文全稱為計算機數(shù)字控制系統(tǒng)。根據(jù)計算機存儲器中存儲的控制程序，執(zhí)行部分或全部數(shù)值控制功能，并配有接口電路和伺服驅(qū)動裝置的專用計算機系統(tǒng)。采用微處理器或?qū)Ｓ梦C的數(shù)控系統(tǒng)，由事先存放在存儲器里系統(tǒng)程序（軟件）來實現(xiàn)控制邏輯，實現(xiàn)部分或全部數(shù)控功能，并通過接口與外圍設(shè)備進行聯(lián)接，稱為計算機數(shù)控，簡稱CNC系統(tǒng)。工業(yè)控制計算機基本構(gòu)造原理3.5數(shù)控系統(tǒng)（CNC）數(shù)控機床是以數(shù)控系統(tǒng)為代表的新技術(shù)對傳統(tǒng)機械制造產(chǎn)業(yè)的滲透形成的機電一體化產(chǎn)品。其技術(shù)范圍覆蓋很多領(lǐng)域：1）機械制造技術(shù)；2）信息處理、加工、傳輸技術(shù)；3）自動控制技術(shù)；4）伺服驅(qū)動技術(shù)；5）傳感器技術(shù)；6）軟件技術(shù)等。工業(yè)控制計算機基本構(gòu)造原理四、工業(yè)控制計算機的總線結(jié)構(gòu)2.總線式工業(yè)控制計算機的優(yōu)點：3.工控機的應用：設(shè)計標準化、生產(chǎn)模塊化、維護方便

可靠性高、實時性好、功能豐富、配套完善、擴充靈活、開發(fā)周期短中小型控制系統(tǒng)中擔當主要控制裝置；作為大型網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中最基層的一種控制單元。1.計算機總線的特點：

引言工業(yè)控制計算機基本構(gòu)造原理4.1總線結(jié)構(gòu)概述總線概述總線是一組信號線的集合，是連接一個或多個部件的一組電纜的總稱，是一種傳送規(guī)定信息的公共通路，它定義了各引線的信號、電氣和機械特性。通常包括地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線

利用總線可以實現(xiàn)芯片內(nèi)部、印制電路板各部件之間、機箱內(nèi)各模板之間、主機與外部設(shè)備之間或系統(tǒng)與系統(tǒng)之間的連接與通信。工業(yè)控制計算機基本構(gòu)造原理4.1總線結(jié)構(gòu)概述總線標準總線是指芯片之間、模板之間及系統(tǒng)之間，通過總線進行連接和傳輸信息時，應遵守的一些協(xié)議和規(guī)范?？偩€標準包括硬件和軟件兩個方面。

不同的標準，形成不同類型和同一類型不同版本的總線。工業(yè)控制計算機基本構(gòu)造原理4.1總線結(jié)構(gòu)概述總線結(jié)構(gòu)連接的優(yōu)越性系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由面向CPU變?yōu)槊嫦蚩偩€有利于硬件、軟件模塊化設(shè)計與生產(chǎn)結(jié)構(gòu)清晰，便于靈活組態(tài)、擴充、改進、升級和維護符合同一總線標準的產(chǎn)品兼容性強滿足用戶不同需要，容易構(gòu)成各種用途的計算機系統(tǒng)工業(yè)控制計算機基本構(gòu)造原理4.2總線的分類3.內(nèi)部總線1.片內(nèi)總線在集成電路芯片內(nèi)部，用來連接各功能單元的信息通路。內(nèi)部總線是指總線式計算機系統(tǒng)內(nèi)部各個功能模板之間的信息通路，通過機箱內(nèi)的無源底板插槽，完成系統(tǒng)內(nèi)各插件模板之間的信息傳送，因此稱為板級總線，也常稱為系統(tǒng)總線。通常意義下的計算機總線概念即是指系統(tǒng)總線。采用系統(tǒng)總線標準設(shè)計、組裝的計算機模板與設(shè)備的兼容性很強。因接插件的機械尺寸、各引腳的信號定義、邏輯關(guān)系、時序要求和驅(qū)動能力等都遵守統(tǒng)一總線標準。2.片間總線元件級總線，指一個微處理器應用系統(tǒng)中連接各芯片的總線。工業(yè)控制計算機基本構(gòu)造原理4.2總線的分類4.外部總線并行總線的特點是多位數(shù)據(jù)同時傳輸，其優(yōu)點是傳輸速度快、接口簡單；缺點是電纜線數(shù)多、成本較高。計算機系統(tǒng)與系統(tǒng)之間或計算機系統(tǒng)與外設(shè)之間的信息通路，常稱為通信總線。串行總線的特點是多位數(shù)據(jù)一位一位地順序傳輸，其優(yōu)點是電纜線數(shù)少、適合于遠距離通信；缺點是傳輸速度慢、接口復雜。5.現(xiàn)場總線

用于過程自動化和制造自動化最底層的現(xiàn)場設(shè)備或現(xiàn)場儀表互連的通信網(wǎng)絡(luò)，是現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)與控制系統(tǒng)的集成。工業(yè)控制計算機基本構(gòu)造原理4.2總線的分類4.外部總線并行總線的特點是多位數(shù)據(jù)同時傳輸，其優(yōu)點是傳輸速度快、接口簡單；缺點是電纜線數(shù)多、成本較高。計算機系統(tǒng)與系統(tǒng)之間或計算機系統(tǒng)與外設(shè)之間的信息通路，常稱為通信總線。串行總線的特點是多位數(shù)據(jù)一位一位地順序傳輸，其優(yōu)點是電纜線數(shù)少、適合于遠距離通信；缺點是傳輸速度慢、接口復雜。5.現(xiàn)場總線

用于過程自動化和制造自動化最底層的現(xiàn)場設(shè)備或現(xiàn)場儀表互連的通信網(wǎng)絡(luò)，是現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)與控制系統(tǒng)的集成。工業(yè)控制計算機基本構(gòu)造原理4.3常用總線1.內(nèi)部總線（2）CompactPCI總線數(shù)據(jù)傳輸率133MB/s（32位）和266M