常用工控机简介及应用案例

2023-06-23 理论教育版权反馈

【摘要】：PC总线工业电脑据2000年IPC统计，目前工控机已占到通用计算机的95%以上，因其价格低、质量高、产量大、软／硬件资源丰富，已被广大的技术人员所熟悉和认可，这正是工业电脑热的基础。如图5－18所示，工控机主要的组成部分为工业机箱、无源底板及可插入其上的各种板卡组成，如CPU卡、I／O卡等。图5－19两种不同的PLC实物图图5－20所示为PLC应用于逻辑控制的简单例子。

目前工控机的主要类别有：PC总线工业电脑、可编程逻辑控制器（PLC）、单片微型计算机及嵌入式系统、分散型控制系统（DCS）、现场总线系统（FCS）5种。

（1）PC总线工业电脑

据2000年IPC统计，目前工控机已占到通用计算机的95%以上，因其价格低、质量高、产量大、软／硬件资源丰富，已被广大的技术人员所熟悉和认可，这正是工业电脑热的基础。

如图5－18所示，工控机主要的组成部分为工业机箱、无源底板及可插入其上的各种板卡组成，如CPU卡、I／O卡等。并采取全钢机壳、机卡压条过滤网，双正压风扇等设计及EMC（Electromagnetic Compatibility）技术以解决工业现场的电磁干扰、震动、灰尘、高／低温等问题。

图5－18　工控机外形图

IPC有以下特点：

①高可靠性：可在粉尘、烟雾、高／低温、潮湿、震动、腐蚀条件下工作具有快速诊断和可维护性，其MTTR（Mean Time to Repair）一般为5 min，MTTF 100 000 h以上，而普通PC的MTTF仅为10 000～15 000 h。

②实时性好：对工业生产过程进行实时在线检测与控制，对工作状况的变化给予快速响应，及时进行采集和输出调节（看门狗功能是普通PC所不具有的），遇险自复位，保证系统的正常运行。

图5－18　工控机外形图

IPC有以下特点：

PLC控制原理图

③易扩充性：采用底板＋CPU卡结构，因而具有很强的输入／输出功能，最多可扩充20个板卡，能与工业现场的各种外设、板卡、控制器、视频监控系统、车辆检测仪等相连，以完成各种任务。

④兼容性优。能同时利用ISA与PCI及PICMG资源，并支持各种操作系统，多种语言汇编，多任务操作系统。

（2）可编程序逻辑控制器（PLC）

可编程序逻辑控制器简称PLC（Programmable Logic Controller），是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入／输出控制各种类型的自动控制系统。PLC自20世纪60年代由美国推出以取代传统继电器控制装置以来，得到了快速发展，在工业控制领域得到了广泛应用。图5－19所示为两种不同的PLC实物图。

PLC控制原理图

④兼容性优。能同时利用ISA与PCI及PICMG资源，并支持各种操作系统，多种语言汇编，多任务操作系统。

（2）可编程序逻辑控制器（PLC）

图5－19　两种不同的PLC实物图

图5－20所示为PLC应用于逻辑控制的简单例子。输入信号是由按钮开关、限位开关、传感器等提供的各种开关量或模拟量信号，通过接口端进入PLC，经PLC处理后，产生输出信号，通过输出端接口，控制接触器线圈、继电器线圈、指示灯、电磁阀等外部执行器工作。

图5－19　两种不同的PLC实物图

图5－20　PLC的逻辑控制工作电路

PLC具有以下特点：

①工作可靠：由于输入／输出采用了光电耦合技术，因此，具有很强的抗干扰能力，适用于工业现场控制。

②可与工业现场信号直接连接。

③积木式组合：尤其是模块式PLC，除了电源模块和CPU模块之外，其他模块可以根据需要变化和增减，运用起来十分方便。

④编程操作容易：由于PLC采用的是脱胎于继电控制系统的梯形图编程，因此，只要具备常规的控制电路分析能力，在逻辑上就很容易掌握PLC的编程方式。

⑤易于安装及维修。

（3）单片微型计算机及嵌入式系统

单片微型计算机是将CPU、RAM、ROM、定时／计数、多功能I／O（并行、串行、A／D）、通信控制器，甚至图形控制器、高级语言、操作系统等都集成在一块大规模集成电路芯片上。

在单片机的技术基础上，将计算机控制系统直接“嵌入”系统控制板的嵌入式系统目前也是大行其道。

嵌入式系统的定义为：以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适合应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统，如图5－21所示。

图5－20　PLC的逻辑控制工作电路

PLC具有以下特点：

①工作可靠：由于输入／输出采用了光电耦合技术，因此，具有很强的抗干扰能力，适用于工业现场控制。

②可与工业现场信号直接连接。

③积木式组合：尤其是模块式PLC，除了电源模块和CPU模块之外，其他模块可以根据需要变化和增减，运用起来十分方便。

⑤易于安装及维修。

（3）单片微型计算机及嵌入式系统

在单片机的技术基础上，将计算机控制系统直接“嵌入”系统控制板的嵌入式系统目前也是大行其道。

图5－21　嵌入式计算机系统

嵌入式系统涵盖了硬件和软件两个层面，它是建立在一个高性能的微处理器（相对单片机）的硬件基础上的，并以一个成熟的实时多任务操作系统（RTOS）为软件平台。

嵌入式系统软硬件是可裁减的，并具有软硬件一体化、低功耗、体积小、可靠性高、技术密集等特点。

一个典型的嵌入式系统由几个组成部分：硬件平台、板级支持包（BSP，Board Support Package）、实时操作系统（RTOS，Real Time Operating System）、应用程序。

硬件平台主要包括嵌入式微处理器和控制所需要的相关外设，微处理器是嵌入式系统的硬件核心。嵌入式操作系统是嵌入式系统的灵魂，它大大提高了嵌入式系统开发的效率，减少了系统开发的工作量，而且操作系统使得应用程序具有了较好的可移植性。可以依托嵌入式处理器和操作系统为软硬件平台设计专门的工业控制器，使它作为现场的控制装置安放到设备层当中。与传统采用的单片机控制方式相比，它具有处理能力强大、便于系统集成开发等优点；同时其软硬件可剪裁，因此与PLC相比具有更紧凑的结构和更低的价格。而且，嵌入式控制器上可嵌入各种通信接口，所以比PLC具有更强的系统适应性。此外，嵌入式控制器可以具有大容量的数据存储和LCD、触摸屏接口，因此也可作为控制层的工作站，集中管理现场的各个控制节点。

（4）分散型控制系统（DCS）

分散型控制系统（Distributed Control System，DCS）是一种高性能、高质量、低成本、配置灵活的分散控制系统系列产品，可以构成各种独立的控制系统、分散型控制系统（DCS）、监控和数据采集系统（SCADA），能满足各种工业领域对过程控制和信息管理的需求。系统的模块化设计、合理的软硬件功能配置和易于扩展的能力使其能广泛用于各种大、中、小型电站的分散型控制、发电厂自动化系统的改造以及钢铁、石化、造纸、水泥等工业生产过程控制。

（5）现场总线控制系统（FCS）

现场总线控制系统（Fieldbus Control System，FCS）是全数字串行、双向通信系统。系统内测量和控制设备如探头、激励器和控制器可相互连接、监测和控制。在工厂网络的分级中，它既作为过程控制（如PLC，LC等）和应用智能仪表（如变频器、阀门、条码阅读器等）的局部网，又具有在网络上分布控制应用的内嵌功能。由于其广阔的应用前景，众多国外有实力的厂家竞相投入力量，进行产品开发。目前，国际上已知的现场总线类型有40余种，比较典型的现场总线有：FF，Profibus，LONworks，CAN，HART，CC－LINK等。