工控计算机在工业控制中的应用

由于工业控制计算机的应用对象及使用环境的特殊性，故决定了工业控制计算机主要有以下一些特点和要求。

（1）实时性。

实时性是指计算机控制系统能在限定的时间内对外来事件做出反应的能力。为满足实时控制要求，通常既要求从信息采集到生产设备受到控制作用的时间尽可能短，又要求系统能实时监视现场的各种工艺参数，并进行在线修正，对紧急事故能及时进行处理。因此，工业控制计算机应具有较完善的中断处理系统以及快速信号通道。

（2）高可靠性。

工业控制计算机通常控制着工业过程的运行，如果其质量不高，运行时发生故障，又没有相应的冗余措施，则轻者使生产停顿，重者可能产生灾难性的后果。很多生产过程是日夜不停地连续运转，因此要求与这些过程相连的工业控制机也必须无故障地连续运行，实现对生产过程的正确控制。另外，许多用于工业现场的工业控制计算机，因环境恶劣，振动、冲击、噪声、高频辐射及电磁波，故受到的干扰十分严重。以上这一切都要求工业控制计算机具有高质量和很强的抗干扰能力，并且具有较长的平均无故障间隔时间。

（3）硬件配置的可装配可扩充性。

工业控制计算机的使用场合千差万别，系统性能、容量要求、处理速度等都不一样，特别是与现场相连接的外围设备的接口种类、数量等差别更大，因此宜采用模块化设计方法。

（4）可维护性。

工业控制计算机应有很好的可维护性，这要求系统的结构设计合理，便于维修，系统使用的板级产品一致性好，更换模板后系统的运行状态和精度不受影响；软件和硬件的诊断功能强，在系统出现故障时能快速准确地定位。另外，模块化模板上的信号应加上隔离措施，保证发生故障时故障不会扩散，这也可使故障定位变得容易。

在进行计算机控制系统的设计时，应根据机电一体化系统（或产品）中的信息处理量、应用环境、市场状况及操作者特点，经济合理地优选工业控制计算机产品。

一、可编程控制器

可编程控制器简称PLC。早期的PLC是用来代替继电器、接触器的，主要用于顺序控制，只能实现逻辑运算，故称为可编程逻辑控制器。随着电子技术、计算机技术的迅速发展，可编程逻辑控制器更多地具有了计算机的功能，不仅用逻辑编程取代了硬连线逻辑，还增加了运算、数据传送和处理等功能。其功能远远超出了顺序控制的范围，故称为可编程控制器，简称PC（Programmable Controller），但由于PC很容易和个人计算机（Personal Computer，PC）混淆，故仍沿用PLC作为可编程控制器的缩写。

1.可编程控制器的特点

从20世纪60年代末第一台可编程控制器诞生到现在，短短几十年内，可编程控制器获得了突飞猛进的发展，它较好地解决了工业控制领域中普遍关心的可靠、安全、灵活、方便、经济等问题。其主要特点如下：

1）可靠性高，抗干扰能力强

高可靠性是电气设备的关键指标之一。PLC由于采用现代大规模集成电路技术和严格的生产制造工艺，在电路内部采用先进的抗干扰技术，大量开关动作由无触点半导体电路来完成，加上PLC充分考虑了工业生产环境电磁、粉尘、温度等各种干扰，在硬件和软件上采取了一系列抗干扰措施，使PLC有极高的可靠性。据有关资料显示，某些品种的PLC平均无故障时间达到几十万小时。

2）编程简单，操作方便

大多数PLC采用与继电器电路相似的梯形图编程方式，编程指令不多，直观易懂，深受工程技术人员的欢迎。

PLC编程器大多采用个人计算机或手持式编程器两种形式。手持式编程器有键盘和显示功能，通过电缆线与PLC相连，具有体积小、质量轻、便于携带、易于现场调试等优点。用户也可以用计算机对PLC编程，进行系统仿真调试，监控运行。近年来，各生产厂家开发了适用于计算机使用的编程软件，使程序组织等工作更加方便。

可编程控制器概述

3）系统设计、安装、调试工作量小，维护方便，改造容易

PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备的外部接线，使控制系统设计、安装及调试周期大大缩短，同时维护也变得很方便。

4）体积小、质量轻、能耗低、易于实现机电一体化

PLC常采用箱式结构，体积、质量相对都较小，易于安装在控制箱中。PLC的控制系统功能强大，调速、定位功能都可以通过电气方式完成，可以大大减少机械结构设计，有利于实现机电一体化。

5）配套齐全，功能完善，模块化结构，适应性强，应用灵活

PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品，可用于各种规模的工业控制场合。

除了单元式的小型PLC以外，绝大多数PLC均采用模块化结构，PLC的各个部件，包括CPU、电源、I／O等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。

2.可编程控制器的应用

PLC在工业自动化领域中起着举足轻重的作用，在国内外已广泛应用于机械、冶金、石油、化工、轻工、纺织、电力、电子、食品、交通等行业。目前PLC的用途大致可以归纳为以下几个方面。

1）顺序控制，即开关量逻辑控制

这是PLC最基本、最广泛的应用领域。可编程控制器具有“与”“或”“非”等逻辑指令，可以实现触点和电路的串、并联，取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，可用于单机控制、多机群控和自动化生产线的控制等。

2）运动控制

现在PLC都有专用的运动控制模块，可实现控制电动机转速、控制步进电动机或伺服电动机单轴或多轴位置等，使得PLC可以应用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。

3）过程控制

过程控制指连续生产场合的控制，例如石油、化工等生产场合，生产过程一般不能间断。在这些场合，被控量可概括为温度、压力、速度、流量等。PLC通过模数转换装置——PID（Proportional-Integral-Derivative）模块进行单回路或多回路闭环调节控制，使这些被控量保持在设定值上。

4）数据处理

现代的PLC具有数学运算（包括逻辑运算、函数运算、矩阵运算等）、数据传送、转换、排序、检索等功能，可完成数据的采集、分析和处理任务。

5）通信和连网

利用PLC的网络通信模块及远程I／O控制模块可以实现多台PLC之间的通信、PLC与其他控制设备（如计算机、变频器、数控装置）之间的通信。

3.可编程控制器的性能指标

PLC的性能指标是在进行PLC控制系统设计时选择PLC产品的重要依据，基本技术指标包括存储器容量、扫描速度、I／O点数、指令条数等。

1）存储器容量

PLC的存储器包括系统程序存储器和用户程序存储器。存储器容量是指用户程序存储器的容量。用户程序存储器的容量决定了PLC可以容纳用户程序的长短，一般以字节（B）为单位来计算，1 024个字为1 K字（1 KB＝1 024 B），中、小型PLC的存储容量一般在8 K以下，大型PLC的存储容量可达到256 K～2 M。也有的PLC用存放用户程序的指令条数来表示容量。一般情况下，PLC系统的控制规模越大，其内存容量也越大，此时用户可编制各种大容量且较为复杂的控制程序。

2）扫描速度

扫描速度反映了PLC运行速度的快慢。扫描速度快，意味着PLC可运行较为复杂的控制程序，并有可能扩大控制规模和控制功能。因此扫描速度是PLC的一项重要性能指标。扫描速度一般以执行1 000步指令所需的时间来衡量，故单位为“毫秒／千步”；有时也以执行一步指令的时间计算，如“微秒／步”　“纳秒／步”。一般大型PLC的扫描速度较快，原因是其采用多个高性能CPU并行工作的方式运行。

3）I／O点数

I／O点数（输入／输出点数）是指PLC外部输入、输出端子的总数。I／O点数越多，控制规模就越大，这是PLC最重要的一项性能指标。一般按I／O点数的多少来区分机型的大小。

4）指令条数

PLC的指令条数是衡量其软件功能强弱的主要指标。PLC具有的指令条数越多，指令种类越丰富，说明其软件功能越强，使用这些指令完成一定的控制目的就越容易。

此外，PLC的可扩展性、组网和通信能力、使用条件、经济性、易操作性等性能指标也是用户在选择PLC时要注意的指标。

4.PLC控制系统的设计

在进行PLC控制系统设计时，应遵循以下原则：

（1）最大限度地满足控制要求。充分发挥PLC功能，最大限度地满足被控对象的控制要求，是设计中最重要的一条原则。设计人员要深入现场进行调查研究，收集资料。同时要注意与现场工程管理和技术人员及操作人员紧密配合，弄清控制要求，共同拟订电气控制方案，协商解决重点问题和疑难问题。

（2）保证系统的安全可靠。保证PLC控制系统能够长期安全、可靠、稳定运行，是设计控制系统的重要原则。

（3）力求简单、经济、使用与维修方便。在满足控制要求的前提下，一方面要注意不断地扩大工程的效益，另一方面也要注意不断地降低工程的成本，不宜盲目追求自动化和高指标。(www.xing528.com)

（4）适应发展的需要。考虑到生产的发展和工艺的改进，在选择控制系统设备时，设备的能力应适当留有裕量。如在选择PLC容量时，应适当留有余量。

PLC控制系统设计的一般步骤如下：

（1）根据生产的工艺过程分析控制要求。了解各种机械、液压、气动、仪表、电气系统之间的关系，系统工作方式（如自动、半自动、手动等），PLC与系统中其他智能装置之间的关系，人机界面的种类，通信连网的方式，报警的种类与范围，电源停电及紧急情况的处理等。

（2）根据控制要求确定所需要的用户输入／输出设备，并据此确定PLC的I／O点数。根据系统的控制要求，确定系统所需的全部输入设备（如按钮、位置开关、转换开关及各种传感器等）和输出设备（如接触器、电磁阀、信号指示灯及其他执行器等），从而确定与PLC有关的输入／输出设备，以确定PLC的I／O点数。

（3）选择PLC。包括PLC的机型、容量、I／O模块、电源的选择。

（4）分配PLC的I／O点数，设计I／O连接图。画出PLC的I／O点与输入／输出设备的连接图或对应关系表，可结合第2步进行。

（5）PLC的程序设计。程序设计的内容包括设计控制程序，初始化程序，检测、故障诊断和显示等程序，保护和联锁程序。

（6）如果必要的话，需设计控制柜、操作台等。

（7）联机调试。

联机调试是将通过模拟调试的程序进一步进行在线统调。联机调试过程应循序渐进，从PLC只连接输入设备，再连接输出设备，然后接上实际负载等逐步进行调试。如不符合要求，则对硬件和程序做调整。通常只需修改部分程序即可。全部调试完毕后，交付试运行。经过一段时间运行，如果工作正常、程序不需要修改，则应将程序固化到EPROM中，以防程序丢失。

（8）整理和编写技术文件。

技术文件包括设计说明书、硬件原理图、安装接线图、电气元件明细表、PLC程序以及使用说明书等。

二、单片机

单片机属于微型计算机的一种，是把微型计算机中的微处理器、存储器、I／O接口、定时器／计数器、串行接口、中断系统等电路集成在一块集成电路芯片上形成的微型计算机，因而被称为单片微型计算机，简称为单片机。

单片机的应用领域十分广泛，如工业自动化、智能仪器仪表、家用电器、信息和通信产品、军事装备等。

1.单片机的特点

1）高集成度，体积小，高可靠性

单片机将各功能部件集成在一块晶体芯片上，集成度很高，体积自然也是最小的。芯片本身是按工业测控环境要求设计的，内部布线很短，其抗工业噪声性能优于一般通用的CPU。

2）控制功能强

为了满足对对象的控制要求，单片机的指令系统均有极丰富的条件、分支转移能力，I／O口的逻辑操作及位处理能力，非常适用于专门的控制功能。

3）低电压，低功耗，便于生产便携式产品

为了满足广泛使用于便携式系统，许多单片机内的工作电压仅为1.8～3.6 V，而工作电流仅为数百微安。

4）易扩展

片内具有计算机正常运行所必需的部件。芯片外部有许多供扩展用的三总线及并行、串行输入／输出引脚，很容易构成各种规模的单片机应用系统。

5）性价比高

2.单片机控制系统设计

单片机控制系统的基本设计内容包括方案设计、硬件设计、软件设计和系统调试，具体内容如下：

1）方案设计

在选择单片机机型和器件时应遵循的原则有：性能特点要适合所要完成的任务，避免过多的功能闲置；性价比要高，以提高整个系统的性价比；结构原理要熟悉，以缩短开发周期；货源要稳定，有利于批量的增加和系统的维护。

系统的硬件和软件要作统一的考虑，在做方案设计时就应划分硬件与软件的功能。因为一种功能既可以由硬件实现，又可以由软件实现，要根据系统的实时性和系统的性能价格比进行综合确定。

2）硬件设计

硬件设计的内容包括单片机电路设计，主要完成时钟电路、复位电路、供电电路、I／O电路的设计；扩展电路设计，主要完成程序存储器、数据存储器、I／O接口电路的设计；输入／输出通道设计，主要完成传感器电路、放大电路、多路开关、A／D转换电路、D／A转换电路、开关量接口电路、驱动及执行机构的设计；控制面板设计，主要完成按键、开关、显示器、报警等电路的设计。

在进行硬件设计时，要尽可能地充分利用单片机的片内资源，使所设计的电路向标准化、模块化方向靠拢。硬件设计结束后，要绘制硬件电路原理图和编写硬件设计的说明书。

3）软件设计

软件设计时要结合硬件组成，明确软件应完成的功能，再进行软件结构设计，划分软件模块，明确各个模块的功能，详细地画出各模块的流程图，然后进行主程序设计和各模块程序设计，最后连接起来得到完整的应用程序。完成软件设计后，还应编写详细的软件设计说明书。

4）系统调试

将硬件和软件相结合，分模块进行调试，修正和完善原始方案。最后进行整个系统的调试，以达到控制系统的要求。调试完成后将应用程序固化在单片机的程序存储器中。

三、总线式工业控制计算机

总线式工业控制计算机简称总线工控机，是目前工业领域应用相当广泛的工业控制计算机。

所谓总线就是一组信号线的集合，它定义了引线的信号、电气、机械特性，使计算机内部各组成部分之间以及不同的计算机之间建立信号联系，进行信号传送即通信。通常传递三种信号：地址、数据和控制信号。工控机早期使用的总线是STD总线，目前常用的总线有PCI总线、ISA总线等。

总线规范一般包含以下基本内容。

（1）机械结构规范：确定模块尺寸、总线插头、边沿连接器插座等规格及位置。

（2）性能规范：确定总线每根线（引脚）的信号名称与功能，对它们相互作用的协议（如定时关系）进行说明。

（3）电气规范：规定总线每根信号线工作时的有效电平、动态转换时间、负载能力、各电气性能的额定值及最大值。

总线式工控机采用标准并行底板总线，其特点是能以简单的硬件支持高速的数据传送和处理，且使系统具有标准化、模块化、组合化的开放式结构，能适应各种不同的控制对象。总线式工控机系统的优势在于构成总线式工控机系统的硬件都是模块化的，便于维护和升级扩充，也便于用户开发自己所需要的功能板卡。

图5-2所示为工控机控制系统，系统组成主要有以下几部分。

图5-2　工控机控制系统组成框图

（1）工控机主机：包括机箱、电源、无源底板、CPU卡、显示器、磁盘驱动器、键盘、鼠标等；

（2）输入接口板卡：包括模拟量输入板卡、开关量输入板卡等；

（3）输出接口板卡：包括模拟量输出板卡、开关量输出板卡等；

（4）通信接口模块：包括串行通信接口模块（RS-232、RS-422、RS-485等）、网络通信模块（如以太网模块、光纤模块、无线调制解调器模块等）等；

（5）信号调理模块：完成对工业现场各种输入信号的预处理，对输入／输出信号进行隔离、驱动，还能完成信号的转换等；

（6）远程数据采集模块：可以直接安装在工业现场，能够通过多通道I／O模块进行数据采集和过程监控，可以将现场信号通过现场总线与工控机进行通信；

（7）工控软件包：支持数据采集、监视、控制、报警、画面显示、通信等功能，目前大部分控制软件以Windows操作系统为平台，也有以实时多任务操作系统为平台的，可根据实际需要选择。