現(xiàn)代工業(yè)企業(yè)自動化叢書

工業(yè)控制計算機組成原理

孫廷才王杰孫中健編著

白英彩主審

清華大學出版社

(京)新登字158號

內(nèi)容簡介

本書對工業(yè)控制計算機的組成原理和系統(tǒng)構(gòu)成作了較全面的介紹。全書分為八章，分別介紹了工

業(yè)控制機目前狀況及發(fā)展趨勢，工業(yè)控制機的組成原理，并以PC總線工業(yè)控制機為主體，對主機和顯

示系統(tǒng)，模擬量和數(shù)字量輸入、輸出接口模板，生產(chǎn)過程輸入、輸出信號的調(diào)理，工業(yè)控制通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，

工業(yè)控制監(jiān)控軟件包，以及典型的工業(yè)控制機系統(tǒng)的構(gòu)成和DCS分散型控制系統(tǒng)進行了較詳細的

剖析。

本書是根據(jù)作者多年從事工業(yè)控制計算機的研制、開發(fā)和應(yīng)用經(jīng)驗來撰寫的，強調(diào)實際，突出應(yīng)用。

本書適用于從事工業(yè)控制計算機的開發(fā)、研缶k應(yīng)用等方面的科技人員閱讀，也可作為高校自動控制和

計算機應(yīng)用專業(yè)學生的參考書。

版權(quán)所有，翻印必究。

本書封面貼有清華大學出版社激光防偽標簽，無標簽者不得銷售。

書名：工業(yè)控制計算機組成原理

作者：孫廷才王杰孫中健編著

出版者：清華大學出版社(北京清華大學學研大廈，郵編100084)

www.tup.tsinghua.edu.cn

印刷者：北京市人民文學印刷廠

發(fā)行者：新華書店總店北京發(fā)行所

開本：787X10921/16印張：10字數(shù)：226千字

版次：2001年5月第1版2001年5月第1次印刷

書號：ISBN7T()2七4190TTP2475

印數(shù)：0000~4000

定價：15.0()元

《現(xiàn)代工業(yè)企業(yè)自動化叢書》編委會

名譽主任：張鐘俊

顧問：吳欽煒

主任：白英彩

副主任：邵世煌王行愚吳啟迪孫廷才

編委：（按姓氏筆劃）

于海川王行愚白英彩孫振飛孫廷才

江志道劉元元邵世煌吳啟迪張兆琪

楊德禮周德澤柴天佑虞孟起魏慶福

序

當今世界先進工業(yè)國家正處于由“工業(yè)經(jīng)濟”模式向“信息經(jīng)濟”模式轉(zhuǎn)變的時期，其

中技術(shù)進步因素起著極為重要的作用，它在經(jīng)濟增長中占70%?80%?！币愿咝录夹g(shù)為

核心，以信息電子化為手段，提高工業(yè)產(chǎn)品附加值”已經(jīng)成為現(xiàn)代工業(yè)企業(yè)自動化重要的

發(fā)展目標。從我國經(jīng)濟發(fā)展史來看，其工業(yè)經(jīng)濟增長主要是依靠投入大量資金和勞動力

來實現(xiàn)的，尚未充分發(fā)揮技術(shù)進步在工業(yè)經(jīng)濟增長中的“二次效益倍增器”的作用?！叭绾?/p>

加快發(fā)展電子信息技術(shù)、調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，適應(yīng)世界經(jīng)濟發(fā)展需求”，是當前我國工業(yè)企業(yè)自

動化界研究的重要課題之一。

工業(yè)自動化是一門應(yīng)用學科，它主要包括單機系統(tǒng)自動化、工業(yè)生產(chǎn)過程自動化和工

業(yè)系統(tǒng)管理自動化等三個方面。企業(yè)自動化包括企業(yè)生產(chǎn)管理信息電子化、信息處理的

自動化以及網(wǎng)絡(luò)化?，F(xiàn)代工業(yè)企業(yè)自動化涉及到自動化技術(shù)、計算機技術(shù)、通信技術(shù)、先

進制造技術(shù)和管理學等諸多學科，它需要各學科的專家和工程技術(shù)人員通力合作，從而形

成'多專業(yè)知識與技術(shù)集成”的現(xiàn)代工業(yè)自動化發(fā)展思路。目前工業(yè)企業(yè)自動化系統(tǒng)主要

呈現(xiàn)開放性、集散性、智能性和信息電子化與網(wǎng)絡(luò)化的特點。在現(xiàn)代工業(yè)企業(yè)自動化中，

計算機控制技術(shù)充當了極為重要的角色,它是計算機技術(shù)和控制理論有機的結(jié)合。自動

控制理論的發(fā)展是伴隨著被控制對象的復雜性、不確定性等因素的研究成果而發(fā)展的，它

由經(jīng)典控制理論（頻域方法）和現(xiàn)代控制理論（時域方法）發(fā)展到第三代控制理論——智能

控制理論。計算機控制系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)、計算機在線操作指導控制系統(tǒng)、直

接數(shù)字控制系統(tǒng)、監(jiān)督控制系統(tǒng)、分級控制系統(tǒng)和集散控制系統(tǒng)以及分布式智能控制系

統(tǒng)。從當前計算機技術(shù)和自動控制技術(shù)發(fā)展狀況來看一，高性能工業(yè)控制機系統(tǒng)、智能控制

系統(tǒng)和基于網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的虛擬企業(yè)自動化系統(tǒng)將是未來工業(yè)企業(yè)自動化的重要發(fā)展方向。

從系統(tǒng)工程的角度來看,工業(yè)自動化技術(shù)研究與應(yīng)用過程分為三個階段：自動化技術(shù)

研究階段、科研成果向?qū)嵱棉D(zhuǎn)化階段和產(chǎn)品應(yīng)用階段。經(jīng)過我國科技工作者半個世紀卓

有成效的研究，在自動化技術(shù)研究與應(yīng)用方面取得可喜的成績，并給我國的工業(yè)自動化事

業(yè)帶來了深刻影響和變革，產(chǎn)生了巨大的社會和經(jīng)濟效益，其中有的技術(shù)已經(jīng)接近或達到

世界先進水平，但從應(yīng)用以及成果向產(chǎn)品的轉(zhuǎn)化的總體發(fā)展角度來看，仍存在著一些問

題,仍需花大力氣進一步探索和研究。例如，我國在工控機及其配套設(shè)備的生產(chǎn)方面尚需

進一步構(gòu)成規(guī)模經(jīng)濟；建立并發(fā)展企業(yè)網(wǎng)絡(luò)及其協(xié)議和數(shù)據(jù)庫集成技術(shù)，為全面實現(xiàn)我國

“金企工程”提供技術(shù)和手段；開發(fā)系列的工控機軟件包、實時操作系統(tǒng)，以提高工控機系

統(tǒng)的總體水平；充分運用以工控機為核心的電子信息技術(shù)來改造我國各類傳統(tǒng)工業(yè)的工

裝設(shè)備及產(chǎn)品；在我國的部分現(xiàn)代企業(yè)中大力倡導推行MIS,MRPTI和CIMSCIPS以

及信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，以提高企業(yè)管理水平和競爭能力等。在20世紀40年代，計算機剛問世

不久，它的應(yīng)用除在軍事、政府部門之外，主要是在各傳統(tǒng)工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。在60年代?

70年代，各國的工業(yè)計算機應(yīng)用極為普遍，促進了其工業(yè)企業(yè)自動化高速發(fā)展，而我國的

III

工業(yè)企業(yè)自動化非但沒有大踏步前進，反而停滯不前。到了9()年代這個問題就顯得十分

嚴重了，因此我們必須‘補上這一課”。我們編寫了徽代工業(yè)企業(yè)自動化叢秘(目前暫定

42冊，并根據(jù)實際需要不斷增加新的書目)，該《叢書》內(nèi)容既包括工業(yè)生產(chǎn)過程自動化，

又包括現(xiàn)代企業(yè)管理自動化技術(shù)，如基于總線工控機系統(tǒng)、工程數(shù)據(jù)庫、CIM6CIPS以及

企業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等。其編寫原則為：理論與實踐密切結(jié)合，為實現(xiàn)工業(yè)企業(yè)自動化提供典型

示范系統(tǒng)。編委會特邀請了國內(nèi)在該領(lǐng)域有扎實理論基礎(chǔ)和富有實踐經(jīng)驗的專家分別承

擔各分冊的編審任務(wù)，以期在向讀者展示國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)的最新成果和發(fā)展動態(tài)的同時，

提供解決現(xiàn)代企業(yè)自動化的思路、方法、技術(shù)和設(shè)備等。

該麴秘以工程技術(shù)人員為主要讀者對象。我們相信該私秘的出版必將在推動我

國工業(yè)企業(yè)自動化應(yīng)用的普及和發(fā)展進程中起到積極的作用，為進一步提高我國工業(yè)企

業(yè)自動化水平做出貢獻。

清華大學出版社頗具魄力和眼光、高瞻遠矚，及時提出組稿這套《叢書》的任務(wù)，他們

為編好卷械做了認真、細致的準備工作，并為該叢書的出版提供了許多有利的條件，在

此深表謝意。同時對于參加各分冊編審任務(wù)的專家、學者所付出的艱辛勞動表示衷心感

謝。編審私梭的任務(wù)十分繁雜而艱巨，加之時間倉促，書中出現(xiàn)疏漏、欠妥之處也是難

免的，希望廣大讀者不吝賜教，以使我們逐步完善這個四梭系列。

中國科學院院士、上海交通大學教授

IV

、廣—-i—

刖B

隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的迅猛發(fā)展，工廠自動化的規(guī)模越來越大，要求控制技術(shù)水平也愈

來愈高，原來常規(guī)模擬式的儀表控制方式已滿足不了先進控制水平的需求。在這種形勢

下，工業(yè)控制計算機及其系統(tǒng)伴隨著這種需求而日新月異地發(fā)展?？梢哉f所有先進的工

廠無不裝備工業(yè)控制機，并以它作為控制和管理的主要工具。

我國工業(yè)控制計算機從20世紀60年代初開始，經(jīng)歷了近40年的歷史，從晶體管工

業(yè)控制機到中小規(guī)模集成電路工業(yè)控制機，以及今天的大規(guī)模集成電路的工業(yè)控制機，

經(jīng)歷了三代的變化，體積越來越小，功能越來越強。

6()年代初期的工業(yè)控制機并沒有統(tǒng)一的標準，軟件編程也是很原始的機器指令編程

方式。80年代，工業(yè)控制機發(fā)展躍進了一大步，無論從硬件和軟件方面都有了較大的發(fā)

展，出現(xiàn)了STD總線工業(yè)控制機，VME總線工業(yè)控制機等，出現(xiàn)了工業(yè)控制組態(tài)軟件

包，用戶可自己組態(tài)，組成自己的控制系統(tǒng)。

到了90年代出現(xiàn)了PC總線工業(yè)控制機，而且來勢很快，占據(jù)了很大的市場。從硬

件來說，主機從Intel80486到Pentium586工控機，又發(fā)展到Pentium主工控機?？偩€從

PC總線(ISA總線)發(fā)展到ISA+PCI總線，現(xiàn)在又出現(xiàn)了PCI總線工控機，稱之為

CompactPCIo

從工業(yè)控制軟件來說，大型監(jiān)控軟件包逐漸成熟，國際上流行的有GENESIS監(jiān)控軟

件包、FIX大型監(jiān)控軟件包、PARAGON監(jiān)控軟件包、Intouch監(jiān)控軟件包和

FADOCTOR32大型監(jiān)控軟件包等，其支持的操作系統(tǒng)平臺也從DOS發(fā)展成

Windows95,WindowsNT。

從工.業(yè)控制通信網(wǎng)絡(luò)來說，由原來的不標準的通信方式發(fā)展成按照國際標準的

工業(yè)控制實時通信網(wǎng)絡(luò)，特別在現(xiàn)場控制層的通信方式發(fā)生了更大的變化，由原來

的RSr32,RST22,RSY85串行通信總線，發(fā)展成現(xiàn)場總線通信方式，主要類型有

CAN,LONWORKS,Profibus,Interbus和FF等，近來又有直接采用以太網(wǎng)Ethernet

為現(xiàn)場總線的系統(tǒng)。總之，工業(yè)控制機及系統(tǒng)包含了工業(yè)自動化技術(shù)、計算機技術(shù)、

軟件技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和系統(tǒng)集成技術(shù)于一體的現(xiàn)代科學技術(shù)，涉及的面十分廣

泛。正因為如此，撰寫本書具有相當大的難度。限于作者能力和篇幅，只能將主要

的部分作一介紹。

本書第1章、第4章和第8章由孫廷才編寫，第2章、第3章和第5章由王杰編寫，第

6章和第7章由孫中健編寫。在編寫過程中得到了上?？堤┛穗娮蛹夹g(shù)有限公司、上海

交通大學計算機系等單位的大力支持。施一萍參加了本書的部分編寫和校對工作，顧麗

萍參加了本書大量文稿的整理工作，在此表示感謝。

工業(yè)計算機的硬件、軟件發(fā)展太快了。對硬件CPU來說，從Intel80486很快發(fā)展到

Pentium芯片、Pentiumlll,還將進一步發(fā)展。在軟件平臺方面，從DOS到Windows3.1,

V

Windows95,WindowsNT和Windows98,發(fā)展十分快。由于工作很忙，編寫時間少，本

書從編寫到出版經(jīng)歷時間較長，可能有些內(nèi)容有點落后，請讀者諒解。由于編者水平所

限，書中難免會有各種各樣的問題和不足之處，望各方面的專家和學者們予以批評指正。

編者

1999年3月

VI

目錄

第1章工業(yè)控制機概述..........................................................1

1.1工業(yè)控制機的特點.......................................................1

1.2工業(yè)控制機的組成....................................................2

1.2.1典型的工業(yè)控制機組成...........................................2

1.2.2典型的工業(yè)控制機系統(tǒng)構(gòu)成......................................2

1.3工業(yè)控制機的分類.....................................................3

1.3.1工業(yè)控制機主機分類.............................................3

1.3.2工業(yè)控制機廣義分類.............................................4

1.3.3工業(yè)控制機系統(tǒng)分類.............................................4

1.4工業(yè)控制機的發(fā)展趨勢.................................................4

第2章PC總線工業(yè)控制機.....................................................6

2.1PC總線工業(yè)控制機主要特點..........................................6

2.2PC總線工業(yè)控制機體系結(jié)構(gòu)..........................................6

2.3工業(yè)控制機機械結(jié)構(gòu)...................................................7

2.4工業(yè)控制機底板.......................................................8

2.4.1底板組成........................................................8

2.4.2底板電路........................................................8

2.5PC總線標準規(guī)范......................................................10

2.5.1概述...........................................................1()

2.5.2ISA總線信號定義.............................................10

2.5.3數(shù)據(jù)存取......................................................17

2.5.4中斷源........................................................17

2.6PC總線工業(yè)控制機主要類型...........................................17

第3章工業(yè)控制機主板及顯示系統(tǒng)............................................20

3.1概述...................................................................20

3.280486DXZ66的一體化(ALLTN-ONE)主板..........................20

3.2.1主板特性......................................................20

3.2.2主板布局......................................................21

3.2.3系統(tǒng)存儲器....................................................23

3.2.4CacheRAM.....................................................................................................24

3.2.5DMA控制器..................................................24

vn

3.2.6鍵盤控制器....................................................25

3.2.7中斷控制器....................................................25

3.2.8實時時鐘......................................................25

3.2.9定時器........................................................25

3.2.10VO口地址分配...............................................25

3.2.11串行口......................................................25

3.2.12并行口......................................................27

3.2.13監(jiān)視定時器...................................................27

3.2.14IDE硬盤控制器............................................27

3.2.15軟盤控制器...................................................27

3.3奔騰586ALL-IN-ONE主板..........................................28

3.3.1SB586TCH90奔騰主板.....................................28

3.3.2主要性能.....................................................28

3.4VGA顯示系統(tǒng)........................................................29

第4章工業(yè)控制機IO接口模板...............................................31

4.1概述...................................................................31

4.2模擬量輸入輸出接口模板...............................................33

4.3ADC30B12位16通道模擬量輸入板.....................................33

4.3.1特點...........................................................33

4.3.2概述...........................................................33

4.3.3邏輯圖........................................................33

4.3.4內(nèi)部電路和外部連接...........................................33

4.3.5技術(shù)說明......................................................35

4.3.6VO地址和數(shù)據(jù)...............................................36

4.3.7模式定義......................................................40

4.3.8計數(shù)器裝載...................................................41

4.3.9輸入口.......................................................42

4.3.10輸入電壓與數(shù)據(jù)..............................................43

4.3.11使用中斷.....................................................45

4.4ADC404通道模擬量輸出板...........................................46

4.5開關(guān)量VO模板......................................................49

4.5.1概述..........................................................49

4.5.232位和16位VO模板系列....................................49

4.6固態(tài)電子盤模板........................................................56

4.7智能接口模板..........................................................58

4.7.1概述..........................................................58

4.7.28031智能數(shù)據(jù)采集接口板IDAA...................................................................59

VIU

第5章信號處理..............................................................61

5.1信號處理基本原理......................................................61

5.1.1開關(guān)量處理...................................................61

5.1.2模擬量處理...................................................62

5.2S系列處理模板.......................................................62

5.2.1SATPT416路模擬量輸入多路轉(zhuǎn)換板...........................62

5.2.2SPIT2光電隔離數(shù)字量輸入板.................................69

5.2.3SPOT2光電隔離數(shù)字量輸出板.................................71

5.3IPC-T端子箱..........................................................72

5.45B系列處理模塊.....................................................73

5.5OPTO22處理模塊及Mistic200控制器...............................76

5.5.1概述..........................................................76

5.5.2Mistic200控制器...........................................77

5.5.3Mistic200集散控制系統(tǒng)......................................80

5.5.4Mistic200主要性能指標......................................80

5.6遠程VO現(xiàn)場總線處理模塊...........................................82

第6章工業(yè)控制系統(tǒng)通信技術(shù)................................................84

6.1概述...................................................................84

6.2標準通信總線..........................................................84

6.3RSY23422/485接口的應(yīng)用..........................................90

6.4RSY22和RST85的比較.............................................93

6.5COMYM多通道異步通信接口板......................................95

6.6GPIB多功能通信接口模板............................................97

6.6.1GPIB接口板.................................................97

6.6.2GPIB電纜連接器.............................................98

6.6.3技術(shù)說明.....................................................98

6.7現(xiàn)場總線的概念與工作原理.............................................99

6.8實時工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)FTIET..................................................................................101

6.8.1F小ET概述.................................................101

6.8.2F-NET功能..................................................102

6.8.3FKET的安裝................................................104

第7章工業(yè)控制軟件系統(tǒng)......................................................108

7.1概述................................................................108

7.2實時操作系統(tǒng)........................................................109

7.2.1VRTMOS實時多任務(wù)操作系統(tǒng)...............................109

7.2.2RC-DOS實時操作系統(tǒng).......................................111

IX

7.2.3CONDUCTRT實時多任務(wù)操作系統(tǒng)........................112

7.3ONSPEC實時多任務(wù)控制軟件包......................................114

7.4CONDAC監(jiān)控軟件包..............................................116

7.4.1CONDAC的特點及應(yīng)用范圍.................................116

7.4.2CONDAC系統(tǒng)組態(tài)結(jié)構(gòu).....................................116

7.4.3CONDAC集散控制系統(tǒng)簡介.................................116

7.4.4使用CONDAC的硬件設(shè)置環(huán)境...............................118

7.4.5CONDAC軟件包的組成及其功能............................118

7.5LABTECH控制軟件包..............................................121

7.5.1LABTECH的軟件系列.....................................121

7.5.2LT/CONTROL的特點和性能.............................122

7.6PARAGON50。550組態(tài)軟件......................................124

7.7GENESIS監(jiān)控軟件包..............................................127

7.7.1GENESIS控制系列介紹....................................127

7.7.2GENESIS主要特點........................................127

7.7.3策略構(gòu)成.....................................................127

7.7.4圖形生成.....................................................129

7.7.5實時運行系統(tǒng)................................................130

7.7.6網(wǎng)絡(luò)通信軟件GENTJET....................................................................131

7.7.7可選軟件.....................................................131

7.7.8WinWorx管理軟件包........................................132

7.7.9GENESIS技術(shù)特性..........................................132

第8章工業(yè)控制系統(tǒng)的建立...................................................134

8.1實際工業(yè)控制系統(tǒng)建立概述...........................................134

8.2單機控制系統(tǒng).......................................................136

8.2.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(DAS)............................................................................136

8.2.2單機控制系統(tǒng)的構(gòu)成...........................................136

8.3分散型控制系統(tǒng)(DCS)..........................................................................................137

8.3.1概述..........................................................137

8.3.2CONNET-9000DCS系統(tǒng).................................137

主要參考資料...................................................................145

X

第1章工業(yè)控制機概述

1.1工業(yè)控制機的特點

工業(yè)控制機也稱工業(yè)計算機IPC(industrialpersonalcomputer,以下簡稱工控機)。

它主要用于工業(yè)過程測量、控制、數(shù)據(jù)采集等工作。與通用的計算機相比有許多不同點，

其主要特點如下：

(1)可靠性高工控機通常用于控制不間斷的生產(chǎn)過程，在運行期間不允許停機檢

修，一旦發(fā)生故障將會導致質(zhì)量事故，甚至生產(chǎn)事故。因此要求工控機具有很高的可靠

性，也就是說要有許多提高安全可靠性的措施，以確保平均無故障工作時間(MTBF)達到

兒萬小時，同時盡量縮短故障修復時間(MTTR),以達到很高的運行效率。

(2)實時性好工控機對生產(chǎn)過程進行實時控制與監(jiān)測，因此要求它必須實時地響

應(yīng)控制對象各種參數(shù)的變化。當過程參數(shù)出現(xiàn)偏差或故障時，工控機能及時響應(yīng)，并能實

時地進行報警和處理。為此工控機需配有實時多任務(wù)操作系統(tǒng)(RTDOS)。

(3)環(huán)境適應(yīng)性強工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境惡劣，電磁干擾嚴重,供電系統(tǒng)也常受波動大負荷

設(shè)備啟停的干擾，其接“地”系統(tǒng)復雜，共模及串模干擾大。因此要求工控機具有很強的環(huán)

境適應(yīng)能力，如對溫圉濕度變化范圍要求高；要有防塵、防腐蝕、防振動沖擊的能力；要具

有較好的電磁兼容性和高抗干擾能力以及高共模抑制的能力。

(4)過程輸入和輸出配套較好工控機要具有豐富的多種功能的過程輸入和輸出配

套模板，如模擬量、開關(guān)量、脈沖量、頻率量等輸入輸出模板。具有多種類型的信號調(diào)理功

能：如隔離型和非隔離型信號調(diào)理；各類熱電偶，熱電阻信號輸入調(diào)理；電壓(V)和電流

(mA)信號輸入和輸出信號的調(diào)理等。

(5)系統(tǒng)擴充性好隨著工廠自動化水平的提高，控制規(guī)模也在不斷擴大，因此要求

工控機具有靈活的擴充性。

(6)系統(tǒng)開放性要求工控機具有開放性體系結(jié)構(gòu)，也就是說在主機接口、網(wǎng)絡(luò)通

信、軟件兼容及升級等方面遵守開放性原則，以便于系統(tǒng)擴充、異機種連接、軟件的可移植

和互換。

(7)控制軟件包功能強工控軟件包要具備人機交互方便、畫面豐富、實時性好等性

能；具有系統(tǒng)組態(tài)和系統(tǒng)生成功能；具有實時及歷史的趨勢記錄與顯示功能；具有實時報

警及事故追憶等功能。此外尚須具有豐富的控制算法，除了常規(guī)PID(比例、積分、微分)

控制算法外，還應(yīng)具有一些高級控制算法，如模糊控制、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)、優(yōu)化、自適應(yīng)、自整定

等算法，并具有在線自診斷功能。目前一個優(yōu)秀的控制軟件包往往將連續(xù)控制功能與斷

續(xù)控制功能相結(jié)合。

(8)系統(tǒng)通信功能強具有串行通信、網(wǎng)絡(luò)通信功能。由于實時性要求高，因此要求

工控機通信網(wǎng)絡(luò)速度高，并且符合國際標準通信協(xié)議，如IEEE802.4,IEEE802.3協(xié)議

等。有了強有力的通信功能，工控機可構(gòu)成更大的控制系統(tǒng)，如DCS分散型控制系統(tǒng)，

CIMS計算機集成制造系統(tǒng)等。

(9)后備措施齊全包括供電后備，存儲器信息保護，手動/自動操作后備，緊急事故

切換裝置等。

(10)具有冗余性在可靠性要求更高的場合，要求有雙機工作及冗余系統(tǒng)，包括雙

控制站、雙操作站、雙網(wǎng)通信、雙供電系統(tǒng)、雙電源等，具有雙機切換功能，雙機監(jiān)視軟件

等，以確保系統(tǒng)長期不間斷地運行。

1.2工業(yè)控制機的組成

1.2.1典型的工業(yè)控制機組成

(1)加固型工業(yè)機箱由于工控機應(yīng)用于較惡劣的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境，因此機箱必須采

取一系列加固措施，以達到防震、防沖擊、防塵、通風散熱良好,適應(yīng)寬的溫度和濕度范圍。

機箱內(nèi)具有正的空氣壓力和良好的屏蔽，以達到EMC電磁兼容性標準。

(2)工業(yè)電源具有抗干擾能力強的工業(yè)電源，具有防浪涌沖擊、過壓過流保護功

能，以達到電磁兼容性標準和通過國際標準認證機構(gòu)的認證，如UL認證等。

(3)主機板工控機核心部件是主機板，目前有80386,80486,Pentium,PentiumIII

等各類主機板，其所采用的元器件滿足工業(yè)級標準，并且是一體化(ALLTNY)NE)主板，

以易于更換；工控機采用標準總線，如ISA總線、VL總線、PCI總線、PCISA總線等。

(4)顯示板要求具有SVGA以上顯示水平。

(5)軟盤一般工控機的軟盤有5.25in(lin=2.54cm)和3.5in兩種類型。目前用

一個3.5in,還可外加一個光盤CD卡OM驅(qū)動器。

(6)硬盤目前工控機的硬盤容量有10.4GB或更大容量。

(7)各類輸入和輸出接口模板(后面將詳述)。

(8)彩色顯示器尺寸為14in或20in。

(9)鍵盤一般采用101標準鍵盤和觸摸式功能鍵盤。

(10)鼠標為機械式或光電式。

(11)打印機用于制表打印。

1.2.2典型的工業(yè)控制機系統(tǒng)構(gòu)成

典型的工控機系統(tǒng)由下列幾部分構(gòu)成：

(1)工控機主機包括主板、顯示板、磁盤驅(qū)動器、無源多槽ISA/PCI底板、電源和

機箱等。

(2)輸入接口模板包括模擬量輸入、開關(guān)量輸入、頻率量輸入等。

(3)輸出接口模板包括模擬量輸出、開關(guān)量輸出、脈沖量輸出等。

(4)通信接口模板它包括串行通信接口模板(RS攵32,RS/22,RSY85等)與網(wǎng)絡(luò)

2

通信模板(ARCNET網(wǎng)板或ETHERNET網(wǎng)板)，還需配現(xiàn)場總線通信板等。

(5)信號調(diào)理單元這是工控機很重要的一部分，信號調(diào)理單元對工業(yè)現(xiàn)場各類輸

入信號進行預處理，包括對輸入信號的隔離、放大、多路轉(zhuǎn)換、統(tǒng)一信號電平等處理，對輸

出信號進行隔離、驅(qū)動、電壓轉(zhuǎn)換成電流信號等。該單元由各類信號調(diào)理模塊或模板構(gòu)

成，安裝在信號調(diào)理機箱中，該機箱具有單獨的供電電源。信號調(diào)理單元的輸出連接到主

機相應(yīng)的輸入模板上，主機輸出接口模板的輸出連接到信號調(diào)理單元輸出調(diào)理模塊或模

板上。一般信號調(diào)理模塊本身均帶有與現(xiàn)場連接的接線端子，現(xiàn)場輸入輸出信號可直接

連接到信號調(diào)理模塊的端子上。

(6)遠程采集模塊近幾年發(fā)展了各類數(shù)字式智能遠程采集模塊，該模塊體積小、功

能強，可直接安裝在現(xiàn)場一次變送器處，將現(xiàn)場信號直接就地處理，然后通過現(xiàn)場總線

(Fieldbus)與工控機通信連接。目前采用較好的現(xiàn)場總線類型有CAN總線、LON總線、

PROFIBUS、BITLINK總線以及RSY85串行通信總線等。

(7)工控軟件包它支持數(shù)據(jù)采集、控制、監(jiān)視、畫面顯示、趨勢顯示、報表、報警、通

信等功能。工控機必須具有相應(yīng)功能的控制軟件才能工作。這些控制軟件有的是以MS一

DOS操作系統(tǒng)為平臺，有的是以Windows操作系統(tǒng)為平臺，有的是以實時多任務(wù)操作系

統(tǒng)為平臺，選用時應(yīng)依實際控制需求而定。

典型的工控機系統(tǒng)構(gòu)成原理框圖如圖1.1所示。

圖1.1工控機系統(tǒng)構(gòu)成框圖

1.3工業(yè)控制機的分類

1.3.1工業(yè)控制機主機分類

按照所采用的總線標準類型可將工業(yè)控制機分成下列四類：

(1)PC總線工控機有ISA總線、VESA局部總線(VL由US)、PCI總線、PCI04總

3

線等幾種類型工控機，主機CPU類型有80386,80486,Pentium等。本書第2章將詳細介

紹此類工控機。

(2)STD總線工控機它采用STD總線，主機CPU類型有80386,80486,Pentium

等，另外與STD總線相類似的尚有STE總線工控機。

(3)VME總線工控機它采用VME總線，主機CPU類型以Motorola公司的

M68()00,M68020和M68030為主。

(4)多總線工控機它采用MULTIBUS總線，以INTEL工控機為代表，主機CPU

類型有80386,80486和Pentium等。

1.3.2工業(yè)控制機廣義分類

廣義而言，工控機的類型更廣些，主要有IPC工控機，PLC可編程序控制器，專用控

制機以及其他類型的工控機，如單回路或多回路智能控制器等。

1.3.3工業(yè)控制機系統(tǒng)分類

工控機系統(tǒng)有多種類型，從系統(tǒng)構(gòu)成本身來看主要有單機型和多機型兩種。多機型

又可劃分為集中型和分散型，由于目前多機系統(tǒng)中以分散型為主要流行趨勢，因此，這里

將以分散型為主進行說明。

1.單機型

(1)單回路調(diào)節(jié)器有單回路或多回路智能調(diào)節(jié)器(控制器)。

(2)PLC可編程序控制器它采用單臺PLC控制器執(zhí)行順序控制功能。

(3)DAS數(shù)據(jù)采集器它采用工控機進行數(shù)據(jù)采集。

(4)DDC直接數(shù)字控制它采用工控機進行直接PID等控制。

(5)批量控制器它完成連續(xù)控制和順序控制。

2.分散型控制系統(tǒng)(DCS)

(1)單回路分散型控制系統(tǒng)它是通過通信網(wǎng)絡(luò)把多臺單回路控制器連接起來，并

由一臺監(jiān)控機實施監(jiān)控。單回路控制器完成各自的控制功能，監(jiān)控機監(jiān)視各工作狀態(tài)、畫

面顯示，并下載控制命令傳送給控制器。該系統(tǒng)可靠性高，使用方便。

(2)PLC分散型控制系統(tǒng)它采用多臺PLC控制器實現(xiàn)現(xiàn)場級控制，一臺監(jiān)控機作

監(jiān)控用，并用通信網(wǎng)絡(luò)(通常采用RS/22或RS/85)連接。

(3)IPC分散型控制系統(tǒng)現(xiàn)場控制級采用多臺工業(yè)PC構(gòu)成各種功能的控制站，顯

示操作站由高性能IPC構(gòu)成，并通過局域網(wǎng)絡(luò)連接。

(4)儀表型分散型控制系統(tǒng)指傳統(tǒng)的儀表廠家生產(chǎn)的DCS控制系統(tǒng)。

1.4工業(yè)控制機的發(fā)展趨勢

下面從兒個方面敘述工控機的兒個發(fā)展趨勢。

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1.主機發(fā)展趨勢

2()世紀90年代中期，工控機將以IPC工控機作為重要發(fā)展趨勢。目前全世界有上

百家制造廠商生產(chǎn)各類IPC產(chǎn)品，包括主機、輸入輸出配套、控制軟件包、應(yīng)用軟件包等。

2.IPC總線的發(fā)展

從ISA總線發(fā)展到VESA局部總線，進一步是PCI總線，PCI總線是發(fā)展的主流。

3.IPC處理器的發(fā)展

從80386到80486,發(fā)展到Pentium,甚至到PentiumIII0

4.工控軟件的發(fā)展

采用更加面向?qū)ο蟮能浖?，操作系統(tǒng)平臺從原來的MSHDOS發(fā)展到Windows,采用

Windows95,WindowsNT,其實時多任務(wù)處理功能更強，人機界面更豐富。

5.多媒體工控機

將多媒體技術(shù)引入工控機，從而構(gòu)成集視頻功能、聲音功能、圖象功能、處理功能一體

化的多媒體工控機。

6.工控機系統(tǒng)的發(fā)展

(1)綜合自動化系統(tǒng)將控制、管理、調(diào)度、經(jīng)營、決策功能綜合起來，以達到最大的

經(jīng)濟效益為主要目標。

(2)開放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)硬件、軟件、接口、通信網(wǎng)絡(luò)均遵循開放系統(tǒng)原則。

(3)現(xiàn)場總線技術(shù)使系統(tǒng)徹底分散化。

(4)DCS系統(tǒng)發(fā)展中、小型DCS系統(tǒng)。

(5)實時控制與優(yōu)化的商品化軟件包括典型的系統(tǒng)應(yīng)用軟件包，以高級控制組合

為目的建立數(shù)學模型，包括預測、優(yōu)化、多模式等。

(6)高性能控制算法如自適應(yīng)、模糊控制、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)等。

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第2章PC總線工業(yè)控制機

2.1PC總線工業(yè)控制機主要特點

(1)兼容性好、升級容易由于采用ISA標準總線，兼容性好，且升級容易。如升級

到VLBUS局部總線，只需在ISA總線基礎(chǔ)上加上VL總線部分即可；升級到PCI總線

工控機，只需在ISA總線基