1/13/202315.1概述一、工業(yè)控制機的定義工業(yè)控制機是以微處理器為核心，專為現場過程控制和機械制造程序控制而設計的計算機，簡稱“工控機”。1/13/2023二、工業(yè)控制機的組成1）加固型工業(yè)機箱。2）工業(yè)電源。3）主機板。主機板是工控機的核心部件4）軟盤。5）硬盤。6）各類輸入輸出接口模板。7）顯示器。8）鍵盤。9）鼠標。1/13/2023三、機電一體化中的計算機分類1、總線式工控機IBM-PC總線工控機；STD總線工控機；Multibus工控機。2、可編程控制器（PLC）3、單片機1/13/20235.1.1工業(yè)控制機的主要特點工業(yè)控制機與信息處理機相比較，具有以下特點。1）豐富的過程輸入/輸出功能2）實時性3）高可靠性1/13/2023●低故障率(MTBF):平均故障間隔時間不低于數千甚至上萬小時；●短的故障修復時間（MTTR）；●運行效率高：一定時間內，運行時間占整個時間的比率一般要求99％以上。1/13/20234）環(huán)境適應性5）豐富的應用軟件6）技術綜合性1/13/20235.1.2開放式體系結構和總線結構1、開放式體系結構1）開放式體系結構特點：向未來的VLSI開放向不同用戶層次開放；向用戶的特殊要求開放1/13/20232）優(yōu)點：

a)將系統(tǒng)分為若干硬件和軟件模塊，用這些功能模塊可以迅速配套成各種用途的應用系統(tǒng)，簡化設計工作，縮短設計周期1/13/2023b)對功能模塊可以組織批量生產，使質量穩(wěn)定并降低成本。結構靈活，便于更新和擴充，使系統(tǒng)適應性強(系統(tǒng)升級比較方便)c)維修方便，大量采用集成芯片，更換時間大大縮短。1/13/20232、系統(tǒng)總線（bus）1）總線的定義一組信號的集合，是一種傳送規(guī)定信息的公共通道，也稱為數據公路通過它可以把各種數據和命令傳送到各自要去的地方。2）作用在計算機領域，總線是通信的工具和手段，包括不同計算機之間，或一臺計算機內部各組成部分之間的信息傳遞。1/13/20233）組成地址總線、數據總線和控制總線。1/13/2023◆數據總線數據總線傳遞的是數據信息。通常8位微處理器有8位數據總線，16位微處理器有16位數據總線，32位的微處理器有32位數據總線。1/13/2023數據總線在其兩個端點都有箭頭，這意味著數據可以向不同的方向傳輸，可以輸入處理器，也可以從處理器輸出。但是在任何給定時刻，數據流只能往一個方向傳送。數據總線的走向是由地址總線和控制總線控制。1/13/2023◆地址總線地址總線是單向的。微處理器用地址確定與之通信的外部硬件。1/13/2023每一個存儲單元有一個地址，每一個接口也有一個地址。8位微處理器通常有16位地址線，具有64K個地址，16位微處理器有16至24位地址線，它可以訪問64K至16M個地址。1/13/2023◆控制總線控制總線是用來確定數據總線上信息流時間序列的。當微處理器要輸出一個數據時，它要告訴外部硬件數據總線上的信息何時是有效的。1/13/2023當微處理器要輸入一個信息時，控制總線要使外部硬件告訴微處理器數據已經有效。1/13/2023◆總結：數據總線是“what”總線——它所攜帶的信息是什么；地址總線是“where”總線——它確定信息在哪里；控制總線是“when”總線——它指定數據的傳送發(fā)生在何時。1/13/20235.1.3常用微機總線介紹在總線標準的發(fā)展、演變歷程中，比較有名或曾產生一定影響的總線標準還有：IntelMultiBus(IEEE796);ZilogZ-Bus(122根引線)；IBMPC/XT總線(IBM62線總線)；IBMPC/AT總線（ISA）；PCI總線；USB總線等。1/13/20231、IBMPC/XT總線

20世紀80年代初期，IBM在推出自己的微機系統(tǒng)IBMPC/XT時，就定義了一種總線結構，稱為XT總線。這是8位數據寬度的總線。它是針對Intel8088微處理器設計的，它有62條信號線，以適應8088的8位數據線和20位地址線。這種總線是用戶在IBMPC/XT機的母板上擴展I/O模板的I/O總線。1/13/20231/13/20231/13/2023IBMPC/XT總線的缺點：I/O擴展能力差；抗沖擊和抗震能力差；對溫度和濕度要求高。－－無法保證在工業(yè)現場可靠運行1/13/20232、IBMPC/AT總線隨著IBM采用Intel80286CPU等16位微處理器，推出IBMPC/AT微機系統(tǒng)，又定義了與XT總線兼容的16位的AT總線。IBM公司在XT總線基礎上增加了一個36引腳的AT擴展插槽而形成AT總線，滿足工業(yè)標準結構（ISA）ISA總線(IndustrialStandardArchitecture)即AT總線，它是在8位的XT總線基礎上擴展而成的16位的總線體系結構。1/13/2023ISA總線1/13/20233、PCI總線PCI總線－－對傳統(tǒng)總線結構的突破人們注意到，隨著微處理器速度及性能的改進與更新，作為微型計算機重要組成部件的總線也被迫作相應的改進和更新。否則，低速的總線將成為系統(tǒng)性能的瓶頸。同時，人們也看到了另一個不容忽視的事實，即隨著微處理器的更新?lián)Q代，一個個曾頗具影響的總線標準也相繼黯然失色了，與其配套制造的一大批接口設備(板卡、適配器及連接器等)也漸漸被束之高閣。這就迫使人們思考一個問題，即能否制定和開發(fā)一種性能優(yōu)越且能保持相對穩(wěn)定的總線結構和技術規(guī)范來擺脫傳統(tǒng)總線技術發(fā)展的這種困境呢?1/13/2023PCI總線(PeripheralComponentInterconnect，外圍部件互連總線)于1991年由Intel公司首先提出，并由PCISIG(SpecialInterestGroup)來發(fā)展和推廣。1/13/2023

PCISIG是一個包括Intel、IBM、Compaq、Apple和DEC等100多家公司在內的組織集團。1992年6月推出了PCI1.0版，1995年6月又推出了支持64位數據通路、66MHz工作頻率的PCI2.1版。由于PCI總線先進的結構特性及其優(yōu)異的性能，使之成為現代微機系統(tǒng)總線結構中的佼佼者，并被多數現代高性能微機系統(tǒng)所廣泛采用。1/13/20231/13/20234、USB總線USB總線1/13/2023USB產生背景：在傳統(tǒng)的PC機使用中，為了連接顯示器、鍵盤、鼠標及打印機等外圍設備，必須在主機箱背后接上一大堆信號線纜及連接器端口，給PC機的安裝、放置及使用帶來極大的不便。另外，為了安裝一個新的外設，除需要關掉機器電源外，還需安裝專門的設備驅動程序，否則，系統(tǒng)是不能正常工作的。這也給用戶帶來不少麻煩。1/13/2023

USB總線(UniversalSerialBus，通用串行總線)是PC機與多種外圍設備連接和通信的標準接口，它是一個所謂“萬能接口”，可以取代傳統(tǒng)PC機上連接外圍設備的所有端口(包括串行端口和并行端口)，用戶幾乎可以將所有外設裝置——包括鍵盤、顯示器、鼠標、調制解調器、打印機、掃描儀及各種數字音影設備，統(tǒng)一通過USB接口與主機相接。同時，它還可為某些設備(如數碼相機、掃描儀等)提供電源，使這些設備無須外接獨立電源即可工作。1/13/2023USB是1995年由稱為“USB實現者論壇”

(USBInplementerForum)的組織聯(lián)合開發(fā)的新型計算機串行接口標準。有許多著名計算機公司，如Compaq、IBM、Intel、DEC及Microsoft等均是該聯(lián)合組織的重要成員。1/13/20231996年1月，頒布了USB1.0版本規(guī)范，其主要技術規(guī)范是：(1)支持低速(1.5Mbps)和全速(12Mbps)兩種數據傳輸速率。前者用于連接鍵盤、鼠標器、調制解調器等外設裝置；后者用于連接打印機、掃描儀、數碼相機等外設裝置。(2)一臺主機最多可連接127個外設裝置(含USB集線器——Hub)；連接節(jié)點(外設或Hub)間距可達5米，可通過USB集線器級聯(lián)的方式來擴展連接距離，最大擴展連接距離可達20米。1/13/2023(3)采用4芯連接線纜，其中兩線用于以差分方式傳輸串行數據，另外兩線用于提供+5V電源。線纜種類有兩種規(guī)格，即無屏蔽雙絞線(UTP)和屏蔽雙絞線(STP)。前者適合于1.5Mbps的數據速率，后者適合于12Mbps的數據速率。(4)具有真正的“即插即用”特性。主機依據外設的安裝情況自動配置系統(tǒng)資源，用戶無需關機即可進行外設更換，外設驅動程序的安裝與刪除完全自動化。圖18.9表示了一個典型的USB應用和配置情況。1/13/20231/13/20235、面向工業(yè)控制的STD總線◆該總線是由PRO－LOG公司和MOSTEK于1978年推出。◆1987年，STD總線已被批準為IEEE961標準◆STD總線是8位/16位兼容的總線1/13/2023為了能和32位微處理器兼容，近年來又定義了STD32總線標準，且與原來8位總線的I/O兼容,STD總線標準對插件尺寸，插腳分配，信號定義，電氣標準等都做了規(guī)定，還規(guī)定了讀寫時序和持續(xù)時間。STD總線是56條信號線的并行底板總線，由4條小總線組成：8條雙向數據總線，16條地址線，22根控制總線和10根電源及地線。1/13/2023◆特點①小板結構，高度的模塊化“輕、薄、短、小”。按功能劃分模塊，如CPU、A/D、D/A、開關量I/O、電機控制等。②嚴格的標準化，廣泛的兼容性。1/13/2023③面向I/O的設計，非常適合工業(yè)控制應用。其總線是面向I/O端口的，可擴展20塊I/O模塊。④高可靠性。能適應惡劣環(huán)境、抗干擾力強、Watchdog監(jiān)控、掉電保護等。1/13/20235.2.1計算機控制系統(tǒng)基本結構5.2計算機控制系統(tǒng)1/13/20231、基本功能：使整個系統(tǒng)按一定的靜態(tài)和動態(tài)指標進行工作2、控制過程：實時數據采集、實時決策、實時控制。1/13/20235.2.2計算機控制系統(tǒng)的組成1.硬件組成

硬件由計算機主機、接口電路、外部設備以及傳感器和執(zhí)行機構等組成。1/13/20231/13/2023（1）計算機它是整個控制系統(tǒng)的指揮部。它可接收從操作臺來的命令，對系統(tǒng)的各參數進行巡回檢測，執(zhí)行數據處理、計算和邏輯判斷、報警處理等，并根據計算的結果通過接口發(fā)出輸出命令。工控機、PLC、單片機（小型控制）1/13/2023（2）接口與輸入/輸出通道它是計算機與被控對象進行信息交換的紐帶。計算機輸入數據或向外發(fā)命令都是通過接口及輸入輸出通道進行的。輸入輸出通道可分為數字量和模擬量通道。1/13/2023(3)外部設備計算機控制系統(tǒng)中最基本的外部設備為操作臺，它是人-機對話的聯(lián)系紐帶。操作臺包括：開關（如電源開關、操作方式選擇開關等）、功能鍵（如啟動鍵、顯示鍵、打印鍵等）、顯示器和數據鍵。另外還配有，串行通信口、打印機、顯示終端也屬于外部設備。1/13/2023(4)傳感器和執(zhí)行機構計算機控制系統(tǒng)需要使用各種傳感器把各種被測參數轉變?yōu)殡娏啃盘枺ㄒ卜Q為非電量轉換），再轉換成統(tǒng)一電平(如0～5V)送到計算機中。同時，需要使用各種執(zhí)行機構，以按計算機的輸出去控制對象。常用的執(zhí)行機構：電動、液動和氣動等各種控制形式。1/13/20232、計算機控制軟件軟件是指能完成各功能的計算機程序的總和。分類：實時軟件和開發(fā)軟件實時軟件：在進行實際控制時使用的軟件。開發(fā)軟件：在開發(fā)、測試控制系統(tǒng)時使用的軟件。1/13/2023

實時軟件包括系統(tǒng)軟件和應用軟件。系統(tǒng)軟件：實時多任務操作系統(tǒng)，另外還可能使用數據庫、中文系統(tǒng)、文件管理系統(tǒng)等。應用軟件：包括各種面向用戶的程序，如控制系統(tǒng)中各種A/D、D/A轉換程序，數據采樣濾波程序，計算程序以及各種控制算法程序等。1/13/20235.2.3計算機控制系統(tǒng)的分類1、操作指導控制系統(tǒng)1）定義指計算機的輸出不直接用來控制生產對象，而只是對系統(tǒng)過程參數進行收集，加工處理，然后輸出數據。1/13/20231/13/20232）特點優(yōu)點：比較簡單、且安全可靠，特別是對于未摸清控制規(guī)律的系統(tǒng)更為適用。缺點：要由人工操作，速度受到限制。1/13/20233、應用用于數據檢測處理、試驗新的數學模型、調試新的控制程序。目前，電力部門的電力調度控制系統(tǒng)均采用操作指導控制系統(tǒng)。1/13/20232、直接數字控制系統(tǒng)（DDC）1）定義用一臺計算機對被控參數進行檢測，再根據設定值和控制算法進行運算，然后輸出到執(zhí)行機構對生產過程進行控制，使被控參數穩(wěn)定在給定值上。1/13/20231/13/20232、應用用于工業(yè)生產過程控制的最典型的一種系統(tǒng)廣泛應用于熱工、化工、機械、冶金等部門并且隨著廉價的單片機的廣泛應用，也已經用于冰箱、空調、洗衣機、照相機等各種家電中。1/13/20233、計算機監(jiān)督控制系統(tǒng)（SCC）1）定義在SCC系統(tǒng)中，是由計算機測量被控參數，按照描述生產過程的數學模型，計算出最佳給定值送給模擬調節(jié)器或者DDC計算機，最后由模擬調節(jié)器或DDC計算機控制生產過程，從而使生產過程處于最優(yōu)工作狀態(tài)。1/13/20232）分類SCC+模擬調節(jié)器的控制系統(tǒng)；SCC+DCC的控制系統(tǒng)1/13/20231）SCC+模擬調節(jié)器系統(tǒng)SCC計算機收集被測參數及管理命令，然后按照一定的數學模型計算后，輸出給定值到模擬調節(jié)器。模擬調節(jié)器按給定值和檢測值的偏差進行計算后，輸出控制執(zhí)行機構，以達到調節(jié)生產過程的目的。1/13/20231/13/20232）SCC+DCC控制系統(tǒng)本系統(tǒng)為兩級控制系統(tǒng)，一級為監(jiān)督級SCC，用來計算最佳給定值。直接數字控制器（DDC）用來把給定值與測量值進行比較，并進行數字控制計算，然后控制執(zhí)行機構進行調節(jié)。1/13/20231/13/2023特點：

SCC系統(tǒng)比DDC系統(tǒng)有著更大的優(yōu)越性，更接近于生產的實際情況，并且可構成多級控制系統(tǒng)。但是，由于生產過程的復雜性，其數學模型的建立比較復雜，所以該系統(tǒng)實現比較復雜。1/13/20234、分級計算機控制系統(tǒng)廉價而功能完善的微型計算機特別是單片機的出現，允許多臺微型計算機分別承擔部分任務，組成分布式控制系統(tǒng)。1/13/2023特點：用多臺單片機分別執(zhí)行不同的控制功能，用PC機等微型機完成上級控制和管理功能。它具有使用靈活方便、可靠性高、功能強等特點。1/13/2023四級的分布式系統(tǒng)：1/13/2023裝置控制級（DDC級）：它對生產過程或單機進行直接控制，如進行PID控制或模糊控制，使所控制的生產過程在最優(yōu)化的狀況下工作。有時，它也完成各種數據采集功能。這一級直接與被控對象打交道，它一般采用單片微機構成。1/13/2023車間監(jiān)督級（SCC級）：它根據廠級下達的命令和通過裝置控制級獲得的生產過程的數據，進行最優(yōu)化控制，并擔負整個車間（或系統(tǒng)）內各裝置的工作協(xié)調控制和對裝置控制級進行監(jiān)督。它一般采用PC機等微型計算機構成。1/13/2023工廠集中控制級：它根據上級下達的任務和本廠情況，制定生產計劃、安排本廠工作、進行人員調配、倉庫管理和工資管理，并及時將SCC級和DDC級的情況向上級反映。1/13/2023企業(yè)管理級:

制定長期發(fā)展規(guī)劃、生產計劃、銷售計劃，發(fā)命令至各工廠，并接受各工廠、各部門發(fā)回的信息，實現全企業(yè)的總調度。1/13/20235.2.4計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展1、發(fā)展階段50年代－－計算機應用于工業(yè)控制；60年代－－計算機控制進入實用和開始逐步普及階段；60年代后期－－在生產過程中的應用迅速發(fā)展；70年代－－高性能、低價格的微型機大量推廣，計算機控制進入嶄新階段。1/13/20232、計算機控制系統(tǒng)發(fā)展趨勢1）各種新型計算機控制系統(tǒng)大量涌現

新控制理論：最優(yōu)控制；自適應控制；模糊控制；智能控制1/13/20232）計算機控制系統(tǒng)應用越來越廣3）分布式控制系統(tǒng)大量應用4）可編程控制器的使用1/13/20235.3串行數據通信各處理器間的資源共享通過串行通信和網絡技術實現。1/13/2023串行通信接口（協(xié)議）：RS－232/RS－422/RS－

4851/13/20235.3.1串行通信1、并行和串行通信

并行數據傳輸：指數據的各位同時傳送?？梢杂米植⑿袀魉?也可以用字節(jié)并行傳送。

1/13/2023并行數據傳輸特點：并行傳送的速度高，有時可以高達每秒幾十兆位；并行數據傳輸的距離通常小于10m；并行通信要用許多信號線，成本比較高。1/13/2023

串行通訊：是指外設和計算機間使用一根數據信號線一位一位地傳輸數據，每一位數據都占據一個固定的時間長度。1/13/2023串行通訊特點：節(jié)省傳送線，特別適合長距離傳送；串行數據傳輸的距離可達數千公里；近距離傳輸速率可達每秒10兆位，遠距離傳輸也可達每秒幾百萬位；對于遠距離數據通信來說，串行通信通常是唯一的手段。1/13/20232.異步和同步兩種通信通信兩種方式：異步通信和同步通信（1）異步通信格式：1/13/2023格式：第一位稱起始位，它的寬度為1bit，低電平；字符編碼為7位(ASCII