重庆大学机电一体化内部资料5文档格式.docx

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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）。

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）很高的环境适应性工业环境恶劣，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。

工业环境电、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）丰富的应用软件工业控制软件正向结构化、组态化发展。

建立模型，为寻找生产过程的最佳工况，在进行控制时要注意建立生产过程规律的数学模型，建立标准控制算法并加以固化。

（6）技术综合性要求高工业控制是系统工程问题。

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。

5.1.2计算机系统总线

何谓总线？

这是一组合信号线的集合，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。

在计算机领域，总线是通信的工具和手段，包括不同计算机之间，或一台计算机内部各组成部分之间的信息传递。

下图为微处理器总线的组成示意图，它的三个组成部分是：

数据总线、地址总线和控制总线。

所有微处理器均有这三种形式的总线。

图4-1微处理器总线

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。

数据总线在其两个端点都有箭头，这意味着数据可以向不同方向传输，可以输入到处理器，也可以从处理器输出。

但在任何给定时刻，数据流只能往一个方向传送，这里数据的走向是由地址总线和控制总线控制的。

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。

微处理器无论与哪一个所希望的外部线路通信，这些地址均要连接到地址线上。

8位微处理器通常有16位地址线，具有64K个地址；

16位微处理器有16至24位地址线，它可访问64K至16M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。

当微处理器要输出一个数据时,它要告诉外部硬件数据总线上的信息何时是有效的；

当微处理器要输入一个信息时，控制总线要使外部硬件告诉微处理器数据业已有效。

综上所述，数据总线是“What”总线——它所携带的信息是“什么”；

地址总线是“Where”总线——它确定信息在“哪里”；

控制总线是“When”总线——它指定数据的传送发生在“何时”。

5.1.3常用的工业控制计算机总线

1IBMPC总线和AT总线

IBMPC总线是IBMPC／XT个人计算机采用的微型机总线，它是针对Intel8088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IBMPC／XT机的大母板上扩展I／O模板的I／O总线。

IBMPC机由于价格低、简便可靠、使用灵活等特点，在办公室自动化、工业控制等领域得到广泛应用。

同时，IBMPC总线是一开放系统，这就为许多IBMPC兼容产品创造了良好的条件。

由于IBMPC个人计算机的成功以及广泛的普及和推广应用，IBMPC成为事实上的标准总线。

IBMPC机箱插上基本配置以后，一般只剩下3～5个I/O插槽，因此它的I／O扩展能力较差。

PC总线模块通常定高不定宽，没有模板导轨，抗冲击和抗震动能力差。

此外，它对温度、湿度要求高，无法保证在工业现场可靠运行。

然而，IBMPC机有极为丰富的软件资源，这是人们乐于使用它的重要原因。

工业控制机若能和PC机在软件上完全兼容，将是一种好的选择。

为了和Intel80286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结构，即工业标准结构，如下图所示。

22PC104总线

PC/104是一种存在于嵌入式应用领域的标准规格。

PC/104模块本质上就是尺寸缩小为3.8"

X3.9"

的ISA总线板卡。

它的总线与ISA（在IEEEP996中定义）总线基本相同，其中只有很小的改动。

例如：

*自堆叠总线（self_stackingbus）,省掉了昂贵的底板

*针孔总线联结器，提高了可靠性

*减小总线驱动电流（4mA），降低了功耗和电路驱动要求

PC/104模块种类繁多，功能丰富。

包括：

*与PC完全兼容的CPU主板

*模拟，数字I/O

*视频：

VGA，LCD，EL，FrameGrabbers

*网络：

Ethernet,CANbus,APCNET

*驱动控制器：

FDD，IDE，HDD，SCSI

标准结构的PC机也有许多局限性，主要问题是体积和功耗太大，在许多嵌入式应用中（例如航空航天产品，智能仪器仪表，医疗设备，通信设备，机电一体化产品等）无法胜任，因而产生了采用基于模块化设计方法的嵌入式工业PC系统。

PC/104总线模块系统已成为嵌入式PC机的标准。

而大量应用于工业设备，仪器，医疗设备，通信设备等嵌入式应用场合，而这些应用场合，既需要PC机的软硬件环境，又需要模块化。

标准化，小型化，低功耗的设计，这就需要建立嵌入式PC机的标准，以便缩短产品的开发周期，降低开发成本，减少设备投资，从而降低产品或系统的价格。

3STD总线

STD总线是一种面向工业控制的总线,1987年，STD总线已被批准为IEEE961标准。

STD总线是56条信号线的并行底板总线，它实际上是由四条小总线组成的，这些小总线是：

8根双向数据线，16根地址线，22根控制总线和10根电源及地线。

特点：

（1）小板结构（165X114），高度的模块化“轻、薄、短、小”。

这是80年代以来国际上的技术发展趋势；

对于工业控制机，小型化是发展潮流。

STD总线采用功能模板概念，即按功能划分模板。

一台工业控制计算机按功能划分成CPU板、存储器板、A／D板、D／A板，以及开关输入／输出等等功能模板，不同用户根据各自应用系统的功能要求选择不同的功能模板组装各自的应用系统。

STD总线采取这种开放式的系统结构，系统的组成没有固定的模式和标准机型，而是提供大量的功能模板。

用户可根据自己的需要购置各种功能模板和软件，像搭积木一样拼装自己的控制系统。

另外，这种开放式的系统结构提高了系统的维修性，目前可以做到平均维修时间小于5min。

（2）严格的标准化，广泛的兼容性STD总线模板设计有严格的标准化。

这是STD总线与众不同的特点。

传统的微机总线都有几条信号线是未定义的。

例如，Q总线，MultibusI、S－100总线分别有15、7、16条信号线未定义，这种未定义信号线常常带来不兼容性问题。

STD总线则不同，它的所有信号线均有严格定义，用户均不得更改它，否则，它就不是“标准”的了。

这种严格的标准化带来的好处是广泛的兼容性。

因此，不同厂家的产品通常是兼容的，丰富的产品供货来源给用户带来了方便。

这也是STD总线迅速发展的原因之一。

（3）面向I/O的设计，非常适合工业控制应用，许多高性能的总线（如VMEbus、Multibus等）其总线设计是面向系统性能的提高，即提高系统的吞吐量或处理能力，而STD总线是面向I／O。

许多总线只有很少的I/O扩展能力，IBMPC／XT／AT也只有几个I/O扩展槽。

例如，一个底板上甚至可以有20块I/O模板扩展能力，且有众多的I/O模板可供用户选择和组合，以满足各种领域的要求。

特别是它采用简便的I／O接口设计，使得I／0接口设计成为一件简单易行的事情，所以，许多从市场上买不到的专用接口都可以由最终用户自行设计。

拥有众多I/O功能的支持，这是STD总线的优势之一。

（4）高可靠性STD总线作为工业标准的微机总线具有很高的可靠性。

为了适应工业控制的恶劣环境，产品的印制布线、元器件老化筛选、模板的花钱测试检查、科学的质量保证体系、电源的高抗干扰性能等方面都做了大量研究工作，采取了许多保证措施。

4PCI总线

PCI总线是在微处理器和高性能外部设备高度发展的前提下，在PC/AT为广大用户广泛使用的基础上，为PC／AT在板局部总线增强I/O能力的一系列改良中的成功者。

PCI总线由INTEL公司在1991年首先提出，并在同年联合世界上多家公司成立了PCISIG（SpecialInterestGroup），致力于促进PCI局部总线工业标准的建立和发展．1992年，PCISIG发布了PCI局部总线规范1.0，经修改后，于93年发布了规范2.0，95年发布了规范2.1，并于95年6月1日开始生效．

PCI总线的英文全称为：

PeripheralComponentInterconnectSpecialInterestGroup,简称PCISlG。

即外设部件互连。

PCI总线产生的背景

ISA总线在微处理器和高速外设技术高度发展的今天，已越来越成为计算机系统中高速数据传输的瓶颈（8MHZ时钟频率，16位数据宽度）．对基于上百兆时钟频率的32位64位CPU来讲，通过一条即慢且窄的通道来与高速外设通信是那样的不协调．因此提供一条高速且宽广的通道就成为了势在必行的事情．PCI总线标准就是在这种情况下，在众多改良方案中脱影而出的一种总线标准，目前它已为业界全面接受。

PCI局部总线是PC机上处理器/存储器（CPU总线户外围控制部件，外围附加卡之间的互联机构，它规定了互联机构的协议电气，机械及配置空间的规范．在电气方面还专门定义了5V和3.3V的信号环境．特别是PCI局部总线规范2.1版定义了64位总线扩展和66MHz总线的技术规范．应当讲尽管该总线规范已被业界微机系统及产品普遍采风满足了当前高，中、低档台式机的应用需要，适应于从移动计算到服务器整个领域的需要，并已被广泛使用在工控计算机系统中，但它实际上并没有对工控计算机系统的特殊性提出任何东西，所以PCI局部总线规范仅是为现代台式个人计算机提出的一剂良药，仅是为后来的工投计算机系统规范奠定了基础．标准低具有开放特性的PCI局部总线的主要特点为：

（1）总线引脚少

PCI局部总线是具有地址，数据多路复用的高性能32/64位同步总线。

因此具有总线引脚少，对于总线目标设备只有47条信号线，主设备最多只有49条信号线。

（2）PCI适应现代计算机技术的需要高性能

PCI的诞生是随着电子计算机技术的发展和应用的需要而出现的．现代操作系统，如

WINDOWS，OS／2，对图形应用是极为敏感，极为普遍的．传统的PC／AT总线的I/O结构已经严重制约高速的微处理器与高性能的外部设备，成为处理器与高速外围设备，如现代视频显示设备，100M以至1000M网络设备，SCSI互设备，多媒体之间的瓶颈．对高带宽总线的需要变得刻不容缓．PCI总线在33MhZ主频下，32位总线数据通路时可达峰值132MB／s；

在33Mhz主频，64位数据通路时可达峰值264MB／S的带宽F在66Mhz主频对于33位或别位数据通路时可分别达到264MBls或为528MB／s．远远超过标准ISA总线5MB／s的速率。

a）线性猝发传送

线性猝发传送能更有效地运用总线的频带来传输数据，减少无谓的地址信号，使PCI总线总能满载数据。

b）存取延误极小

从PCI总线获取总线的等待延误只有60us，从而能大幅度减少PCI总线上的高速外设卡获取总线控制权所需的时间。

例如网络控制器通常是作为总线主设备存在于系统之中，由于它在传输数据前需要等待获取总线，从而使网卡往往无法及时地在其缓冲器满滥之前将数据传送给主机．由于PCI总线具有存取延误极小的特点，所以这种为申请总线而延误的现象在CPI总线结构中得到了充分的缓解．

c）总线主控及同步操作

类似传统的工业计算机总线，PCI支持系统多主设备，提供任何一个具有总线控制能力的总线主设备获取总线，以加速数据的传输，PCI支持同布操作方式。

确保了传输不受局部总线传输率的影响．

（3）PCI局部总线与处理器无关

PCI局部总线的设计是独立于处理器的。

虽然它是由Intel公司提出的，但并不仅限于Intel系列的处理器．当今流行的几乎所有其他处理器系列，甚至AlphaAxp系列，PowerPC系列，SPRAC系列以及未来各处理器结构的下一代处理器都可以使用PCI总连线。

（4）PCI的开放性

PCI是一种标准的，开放式总线标准，PCI互配置空间规范能保证全系统的自动配置，实现即插即用PnP，这极大地增加了系统的易用性．PCI的向前和向后的兼容性又使得现存的各种产品能平移地向新标准过渡，保护了用户的利益．

PCI的自动配置功能使其应用更为方便，由于该总线标准为其元件及插件分配了相应的配置寄存器，对于一个系统只要有嵌入的自动配置软件，就可以在加电时自动配置Pct总线上的设备，为用户提供了很大的方便。

5.2工业控制计算机产品的种类及其选择

5.2.1工业控制计算机广泛应用的主要原因

（1）工业控制计算机与PC／AT软件兼容，使原PC机上的庞大软件资源，原则上不加修改就能移到工业控制计算机上运行，节省了用户大量的开发时间，减少了培训费用，使工业控制计算机一上市后就拥有大量的新老用户。

（2）由于开放性结构和软硬件标准公开，既使制造厂商乐于合作或向其靠拢、也便于用户自行开发，从而使其应用范围不断地扩大，促使产品种类更加丰富。

（3）各类高性能I／O模板作为成熟的工业化产品与工业控制计算机配套使用，性能价格比不断提高，使用户可在短时间内很快构成所需的应用控制系统，投入实际运行，创造了很好的效益。

（4）由于电子技术的不断进步，使工业控制计算机本身的性能指标不断得以提高，使工业控制计算机的可靠性远远高于一般的PC机，现已能适应工业环境的基本要求。

（5）通信、网络技术的引入，特别是实时工业网络产品的面市，使采用工业控制计算机作为节点机，再经联网组合，构成高性能分散控制系统（DCS）的方案成为可能。

通过网络形式，将多台工业控制计算机相连，能完成较复杂的控制任务，同时通过网级连接，组成模块化的多级系统体系，具有可靠性高、灵活性强的持点，更便于构成“管控一体化”的体系，具有很强的实用价值。

由此可见，工业控制计算机产品广受欢迎，发展迅猛决非偶然。

5.2.2工业控制计算机的种类

1加固型工业控制计算机

目前流行的一般工业控制计算机多采用全钢标准机架机箱，基本配置与一般PC机相同，芯片采用工业级芯片，采用无源母板和ALL—IN—ONE主板，留有多个槽口供插入各类I／O模扳作扩展之用，选用工业级抗干扰电源，机箱带防震夹，采用半导体虚拟存储器磁盘卡和加保护膜的键盘。

这些结构上的改造提高了工业控制计算机对工业现场环境的适应性。

但就其本质而言还只是一般PC机的改良型，还必须在可靠性，抗干扰能力及模板设计等方面采取新的措施。

典型产品研华公司的6系列产品

IPC-610全钢结构的机箱满足EIARS-310C19”架装标准。

它能安装多款14槽ISA或PCI总线无源底板和多款工业电源,构成多款IPC系统。

突出的特点是防尘、抗震、抗冲击，并能适应工业环境下很宽的温度变化要求。

机箱前面板上带防尘网的风扇向箱体内吹风，使箱体内产生正压用以防尘。

机箱的前门带锁,可防止电源开关、复位开关等被误操作，增加了安全性。

外形

冷却系统

内部结构

外形尺寸

无源底板

无源底板ISA+PCI

CPU卡

2面板式工业控制机（PanelComputer）

这是一种紧凑型的工业控制机。

它是一种将主机、显示器（触模式屏幕，可代替键盘）、电源、软盘驱动器和串行接口集中在一起的一体化工业控制机，具有体积小巧、重量轻的特点。

显示器为超薄型显示器。

彩色显示器有TFT型及STN型。

单色显示器有LCD和EL型之分。

这种紧凑型工业控制机非常适用于机电一体化的控制器。

结构紧凑、安装方便、经济实用,特别适合在电磁干扰大、灰尘大、震动大的场合使用.

3工业工作站

这是一种将IPC主机、显示器、操作面板集为一体的IPC机。

主机采用主流CPU。

显示器可采用一般的14英寸--20英寸彩色CRT显示器，也可采用LCD显示器。

操作面板为操作式键盘。

采用l9英寸架装结构，工业工作站具有很强的信息处理能力和大量的I/O扩展槽。

可以作为中小型控制系统的工作站或主机。

4CompactPCI工业控制计算机

CompactPCI是compactperipheralcomponentinterconnect的英文缩写，意思是“坚实的PCI”。

简单地说，CompactPCI是PCI总线的电气和软件标准加欧式卡的工业组装标准，它是当今最新的一种工业计算机标准。

CompactPCI是一种基于标准PCI总线的小巧而坚固的高性能结构。

1994年PICMG（PCI工业计算机制造商组织）提出了CompactPCI技术，该技术是嵌入式应用场合的理想选择。

CompactPCI的三大核心技术：

PCI局部总线，欧式插卡机械结构和气密式针孔连接器。

PCI局部总线：

PCI即外围设备互联之意，1992年由Intel发布，很快成为商业PC机总线。

PCI是一种独立于处理器的数据总线，不但性能好而且价格便宜。

PCI局部总线定义两种数据宽度：

32位和64位，总线速度可达66MHZ，理论数据处理能力：

32位为264MB/S，64位为528MB/S。

大多数计算机和操作系统都支持PCI，使得PCI产品既便宜又容易买到。

拥有这些优势，PCI总线非常适合在高速计算和高速数据通讯领域中应用。

欧式插卡机械结构：

欧式插卡是一种由VMEbus推广的工业级包装标准。

有两种欧式插卡规格：

3u和6u。

3uCompactPCI卡尺寸为16mm*100mm，6u卡为160mm*233.35mm。

CompactPCI卡的前面板符合IEEE1101.1和IEEE1101.10标准，并且可以包含可选的EMC密封圈以降低电磁干扰。

典型情况下前面板包含I/O接口，LED指示灯和开关。

CompactPCI也支持符合IEEE1101.11的后面板I/O。

由于其易于维护，后面板I/O在电信设备上用的非常普遍。

如果所有的线都连接在系统背面的无源背板上，前面的CompactPCI插卡没有任何的连线，因此可以更换板卡而无需重新连线。

针孔式连接器：

CompactPCI使用符合IEC-1076国际标准高密气密式针孔连接器，其2mm的金属针脚具有低感抗和阻抗，从而减少了高速PCI总线引起的信号反射，使Compact系统在单总线段即可达到8个槽,CompactPCI定义了5种接口:

J1到J5。

3UCompactPCI板卡上只有J1到J2两个接口，6U板J1到J5都包括。

J1和J2在3U和6UCompactPCI板卡上的定义是一样的，因此3U和6UCompactPCI板卡上有电气上是可以互换的。

CompactPCI与传统工业PC相对比，具有以下几个特性：

维护性：

从传统工业PC系统上更换一块板卡常常是相当耗时的；

用户需松开并移去机箱盖，从板卡上断开所有连接，换卡，重新连线，重新上机箱盖。

由于板卡与外围设备之间可能会有一些内部连接电缆。

而换卡时必须将这些连线断开，因此这一过程是很容易出错的。

所以在耐用性方面，传统工业级PC系统无法做到像CompactPCI系统这样简洁而高效。

另一方面，CompactPCI设计为可以从前面板拔插板卡。

更换CompactPCI板卡非常简单，无需拆下机箱盖。

此外，如果I/O接线都是通过后面板时，前面CompactPCI板卡上没有任何连线，更换板卡非常快捷简便，维护时间将会大大缩短。

CompactPCI支持热插拔技术,就是说不用关闭计算机系统电源来插拔或更换计算机配件。

抗震性：

传统工业PC不能对系统中的外围设备板上提供可靠而安全的支持，插于其中的板卡只固定于一点。

卡的顶端和底部也没有导轨支持，因此卡与槽的连接处也容易在震动中接触不良。

CompactPCI卡牢牢地固定在机箱上，顶端和底部均有导轨支持。

前面板紧固装置将前面板与周围的机架安全地固定在一起。

卡与槽的连接部分通过针孔连接器紧密地连接。

由于卡的四面均将其牢牢地固定地其位置上，因此即使在剧烈的冲击和振动场合也能保证持久连接而不会接触不良。

通风性：

传统的工业PC机箱内空气流动不畅，不能有效散热，空气流通为无源底板，板卡支架和磁盘驱动器所阻塞。

冷空气不能在所有板卡间循环流动，热空气也不能立刻排出机箱外。

电子设备和电路板会因这些冷却问题而损坏，导致电路板变形，断线以及元件寿命缩短等。

CompactPCI系统为系统中所有的发热板卡提供了顺畅的散热路径。

冷空气可以随意在板卡间流动，并将热量带走。

集成在板卡底部的风扇系统也加速了散热过程。

由于良好的机械设计带来通畅的散热路径，CompactPCI系统极少出现散热方面的问题。

5.2.4工业控制计算机的选择

工业控制机在整个控制系统中占据了主导地位，整个系统的性能指标、系统配置与主机的选型有着极大的关系。

从上面的介绍中可知，计算机技术的迅速发展带动了工业控制计算机制造的发展，使新品种的工业控制机不断涌现。

现在已形成