第二章控制计算机与输入输出通道

第二章控制计算机与输入输出通道第1页，共38页。第2章控制计算机与输入输出通道本章主要教学内容2.1计算机控制技术2.2常用的控制计算机2.3模拟量输入通道2.4模拟量输出通道2.5数字量输入输出通道第2页，共38页。2.1计算机控制技术2.1.1工业控制技术的发展流体控制技术测量元件：就地式气动仪执行元件：气动或液压元件。如气缸、气泵、液压缸、液压泵、液压马达等电气电子技术气动、电动单元组合式仪表和集中控制室：主要是基于4-20mA电流信号的仪表和控制系统计算机控制技术基于微处理器的自动控制技术。计算机控制技术和系统已成为整个企业自动化的核心基础，不仅用于生产的自动化监控，也是上层管理信息系统的数据源和基础核心模块。第3页，共38页。2.1.2工业控制自动化的层次管理自动化过程自动化基础自动化工业过程综合自动化系统将生产过程的生产工艺技术、设备运行技术、和生产过程管理技术集成起来，实现生产过程的优化控制、优化运行和优化管理，从而保证与产品质量、成本及相关的综合生产指标优化。第4页，共38页。2.1.3计算机控制技术在企业自动化中的作用流程工业过程控制技术是将与产品的质量、产量、成本相关的经济技术指标自动转化为流程工业生产过程各工序自动控制的系统参数，从而保证达到产品的微观组织和最终性能的高技术。以PLC和工控机为主。难点：很多过程中的非线性特性离散工业离散工业自动化的主要特征是计算机集成制造系统，即CIMS。它将信息技术、现代管理技术与先进制造技术相结合，应用于企业产品生命全周期。离散工业企业的生产现场底层的核心控制器通常是专用的。第5页，共38页。2.2常用的控制计算机现在常见的生产控制系统中的计算机控制系统内的核心控制器分别为●通用工业控制计算机—工业PC或IPC（IndustrialPersonalComputer）●DCS工控机—“现场工作站”●PLC●嵌入式工控机第6页，共38页。2.2.1基于PC的控制器专用的、使用于工业环境的工业PC，成为实现低成本工业自动化的重要途径。PC总线标准●XT线（PC总线）：62线，16位，数据传输率2.38Mbps●ISA(AT)总线：对XT总线的扩充，98线，16位，寻址空间16MB，数据传输率16Mbps●EISA总线：对ISA总线的扩充，32位，98+98线，数据传输率32Mbps第7页，共38页。●VESA总线：局部总线标准，是ISA总线的扩展，适应多媒体技术，数据交换由CPU总线直接进行，运行速度为66MHz或更高，最大数据传输率为132Mbps。●PCI总线：在CPU和外设间插入协调数据传输的管理层，提供一致的总线接口，形成了开放的局部总线标准，而不依赖于CPU芯片。工作频率33MHz，PCI总线的数据宽度为32位和64两种，数据传输率分别为133Mbps和266Mbps，PCIExpress数据传输率可以达到8Gbps。第8页，共38页。●ISA总线工控机●PCI总线工控机●PC104总线工控机：总线与ISA兼容的基础上缩小尺寸，降低功耗，满足嵌入式系统的要求。有104条信号线，模板尺寸为3.6in×3.8in(90mm×96mm)，可以层叠。●CompactPCI工控机：PCI总线＋欧式插卡结构。1基于PC总线的工业控制机常见类型第9页，共38页。2CompactPCI（PeripheralComponentInterconnect）工控机及其变形机，如AT96总线工控机等。由于基础自动化和过程自动化对工业PC的运行稳定性、热插拔和冗余配置要求很高，现有的IPC已经不能完全满足要求，将逐渐退出该领域，取而代之的将是CompactPCI-based工控机，而IPC将占据管理自动化层。1990s末期，以CompactPCI总线工控机为核心的第三代工控机技术占主导地位。第10页，共38页。开放性、良好的散热性、高稳定性、高可靠性及可热插拔等，非常适合于工业现场和信息产业基础设备的应用，被众多业内人士认为是继STD和IPC之后的第三代工控机的技术标准。CompactPCI的特点第11页，共38页。2.2.2基于PLC的控制系统可编程序逻辑控制器（ProgrammableLogicController，PLC），最早于1969年问世，是一种专为工业环境应用而设计的微机系统。PLC用可编程序的存储器来存储用户的指令，通过数字或模拟的输入输出完成确定的逻辑、顺序、定时、记数和运算等功能。PLC可按照逻辑条件和时序进行顺序动作，或连锁保护动作的控制，离散量的数据采集监视，已发展成取代继电器线路和以进行顺序控制为主的产品。第12页，共38页。2.2.3嵌入式控制技术和系统一般指非PC系统，有计算机功能但又不能称之为计算机的设备或器材，面向特定应用。常见的有：1PC/104总线工控机基于PC/104总线的微型计算机，可以嵌入到设备、仪器之中，故得名。2单片机即单片机微型计算机，又称为微控制器。它将计算机主机（CPI、内存和I/O接口）集成在一小块硅片上的计算机。为工业测控而设计。第13页，共38页。3ARM嵌入式单片机由于嵌入式工控机的存储量有限，所以在嵌入式工控机中普遍使用实时多任务操作系统（RealTimerOperatingSystem，RTOS），常见的软件有：Unix、Linus、PSOS、VxWorks、WindowCE、iRMX386和LynxOS等。第14页，共38页。2.2.4计算机控制技术在我国的发展和应用1工业控制计算机IPC在中国的发展大致经过三个第一阶段：从1980s-1990s初，以国外品牌为主，第二阶段：1991-1996年，台湾生产的价格适中的IPC工控机开始大量进入大陆市场，这在很大程度上加速了IPC市场的发展，其应用也从传统工业控制向数据通信、电信、电力等对可靠性要求较高的行业延伸价格昂贵阶段第15页，共38页。第三阶段：从1997年开始，大陆本土的IPC厂商进入该市场，促使IPC的价格不断降低，使工控机的应用水平和应用行业发生极大变化。目前中国IPC工控机的大小品牌约有15个左右，主要有研华、凌华、研祥、深圳艾雷斯和华北工控等。后来又出现了个人计算机（PC）+单回路可编程序控制器组合的计算机控制系统第16页，共38页。2PLCPLC直到1980s初才为中国技术人员所熟悉。国内的行业比较萧条，在我国未形成制造产业。PLC的市场潜力是十分巨大的，需要应用PLC的场合很多。例如，从技术创新角度看，我国大中型企业还要大力发展CIMS，在机械制造厂要形成柔性制造系统（FlexibleManufactorySystem，FMS），而PLC是基础。第17页，共38页。3分布式控制系统DCS从1970s中后期起，首先由大型进口化工设备成套中引入国外的DCS，后来一段时间，我国主要行业（如电力、石化、建材和冶金等）的DCS基本全部进口。1990s，国产化研制技术攻关取得实质性进展。目前产品技术水平已达到或接近国际先进水平。目前国内DCS中的现场控制器采用的还是第二代IPC工控机产品。现在已开始用新一代CompactPCI总线和PXI总线工控机替代。第18页，共38页。2.3模拟量输入通道2.3.1模拟量输入通道的功能把表征被控对象运动状态的模拟信号（温度、压力、流量、液位、位移、速度等）转换为计算机可以接受的数字信号，送入计算机，以便进行数字化处理。第19页，共38页。2.3.2模拟量输入通道的组成与结构计算机接口电路采样保持器前置放大器A/D转换器多路模拟开关前置滤波器信号变换器被控对象控制电路前置滤波信号变换器······信号变换器把非电模拟信号转变为电信号前置滤波器滤除输入模拟信号中可能混有的高频干扰第20页，共38页。多路模拟开关在计算机控制系统中，往往是十几路或几十路模拟信号共用一只A/D转换器，可以降低通道及系统的成本，提高A/D转换器的利用率。多路模拟开关轮流切换各路信号。常用的芯片是CD4051.前置放大器与一般测量系统中的放大器相比，在高增益、高稳定性、极强共模抑制比等方面的性能要求，没有什么差别。不同的是，希望放大器的增益，可由计算机通过编程来设置或改变，以适应各路信号变化范围的要求。第21页，共38页。采样保持器对模拟信号进行采样并保持其值A/D转换器它是模拟量输入通道的核心环节，必不可少。其作用是把来自被控对象的模拟量，转换为计算机所要求的数字量.常用的芯片有8位的ADC0809及12位的AD574.接口和控制电路它是计算机与模拟量输入通道之间的连接电路，其作用可归结为：启动A/D转换，并将转换结果送计算机A/D通道的隔离电路可采用光电耦合器件，隔断输入通道与被控对象之间因公共信号传输线引入的干扰第22页，共38页。●可变增益放大器第23页，共38页。●采样-保持器常用的采样-保持器有AD582、AD583、LF198/398等。第24页，共38页。●A/D转换器（1）逐位逼近式A/D转换器（2）双积分型A/D转换器（3）型A/D转换器第25页，共38页。●ADC0809及其接口电路第26页，共38页。2.4模拟量输出通道1模拟量输出通道所要完成的功能把计算机输出的数字控制信号，转换为模拟电压或或电流信号，作用在相应的模拟执行器上，从而实现对被控对象的控制。2模拟量输出通道的组成与结构计算机寄存器D/A转换器后置滤波器多路模拟开关接口控制电路输出1输出2输出3第27页，共38页。D/A转换器是模拟输出通道中的核心部件，必不可少。常用的芯片有8位的DAC0832及12位的DAC1210零阶保持器D/A转换器具有数据输入锁存功能，其输出模拟量能在一个采样周期内保持不变，即具有零阶保持器的功能。零阶保持作用的实质，就是在两次输出模拟量之间进行插值，使时间轴上的离散信号，变为时间轴上的连续信号。它是数字信号重构为模拟信号的重要步骤。后置滤波器对D/A转换及零阶保持环节输出的信号，进行滤波平滑处理，以得到真正的模拟信号。它是数字信号重构为模拟信号的重要步骤。第28页，共38页。多路模拟开关其作用与模拟量输入通道中的多路模拟开关的作用正好相反。由于CD4051芯片是可以双向工作的，因此也可以用在模拟量输出通道中。接口控制电路它具有控制数字信号的输出、D/A转换的启停、多路模拟开关的切换等功能。D/A通道的隔离电路由于D/A通道的输出直接与被控对象相连，很容易引入干扰，必须采取相应的措施，来抑制干扰对输出信号的影响。通常可采用光电耦合器件第29页，共38页。●D/A转换器工作原理图第30页，共38页。●ADC0832与CPU的接口电路第31页，共38页。2.5数字量输入输出通道工业控制计算机用于生产过程的自动控制，需要处理一些最基本的输入输出信号，即数字量（开关量）信号，包括开关的闭合与断开、指示灯的亮与灭、继电器或接触器的吸合与释放、电动机的启动与停止、阀门的打开与关闭等。经过一定的电路将“导通”和“截止”两个状态，用二进制的逻辑“1”和“0”代表。第32页，共38页。2.5.1光耦和器（隔离电路）光耦和器能实现输入和输出之间的隔离。其优点是：能有效抑制尖峰脉冲及各种噪声干扰，从而使传输通道上的信噪比大大提高。第33页，共38页。2.5.2数字量输入通道输入缓冲器输入调理电路地址译码器来自生产过程PC总线2.5-1数字量输入通道结构●对生产过程进行控制时，往往要收集生产过程的状态信息，根据状态信息，再给出控制量。因此，可用74LS244三态门缓冲器取得状态信息。第34页，共38页。●数字量（开关量）输入通道接收的状态信号可能是电压、电流、开关的触点，容易引起瞬时高压、过电压、接触抖动现象，须经转换、保护、滤波、隔离等措施转换成计算机能够接收的逻辑电平信号。第35页，共38页。2.5.3数字量输出通道PC总线输出锁存器地址译码器输出驱动器去生产过程2.5-2数字量输出通道结构●对生产过程进行控制时，一般控制状态需要保持，直到下次给出新值为止，这时候输出就需要锁存。可用74LS273锁存器作8位输出口，对输出信号状态进行锁存。第36页，共38页。（1）低电压开关量信号输出技术（2）继电器输出接口技术（3）晶闸管输出接口技术●常见的输出接口技术第37页，共38页。[1]许勇主编.计算机控制技术（第1章）.机械工业出版社.2008年.[2]赵邦信编著.计算机控制技术（第2章）.科学出版社.2008年.[3]徐建军，闫丽梅主编.计算机控制系统理论与应用（第2章）.机械工业出版社.2008年[4]李元春主编.计算机控制系统（第2章）.高等教育出版社.2009年.参考教材[5]李正军编著.计算机控制系统.机械工业出版社.2009年.第38页，共38页。