第二章 工业控制机

第一节 工业控制机的特点与组成

一、工业控制机的特点

工业控制机也称为工业计算机IPC（Industrial Personal Computer），简称工控机，主要应用于工业过程控制、数据采集等，在水电站中可作为上位机。与通用的计算机相比，工控机具有以下特点：

（1）可靠性高。工控机通常用于控制不间断的生产过程，在运行期间不允许停机检修，一旦发生故障将会导致生产事故，因此要求工控机具有很高的可靠性。通过采取提高安全可靠性的措施，可以确保平均无故障工作时间（MTBF）达到几万小时；缩短故障修复时间（MTTR）以达到很高的运行效率。

（2）实时性好。工控机对生产过程进行实时控制与监测，能实时地响应控制对象各种参数的变化。当生产过程参数出现偏差或故障时，工控机及时响应，并能实时地进行报警和处理。

（3）环境适应性强。工业现场环境恶劣，特别是电能生产企业环境中，电磁干扰严重，也常受波动大负荷设备启停的干扰，由于其接地系统复杂，共模及串模干扰大。因此要求工控机具有很强的环境适应能力，如对温度、湿度变化范围要求高；要有防尘、防腐蚀、防振动冲击的能力；要具有较好的电磁兼容性和高抗干扰能力以及高共模抑制的能力。

（4）过程输入和输出配套良好。工控机具有丰富的多种功能的过程输入和输出配套模板，如模拟量、开关量、脉冲量、频率量等输入输出模板。并具有多种类型的信号调理功能，如隔离型和非隔离型信号调理；各类热电偶、热电阻信号输入调理；电压（V）和电流（mA）信号输入和输出信号的调理等。

（5）系统扩展性好。随着生产过程自动化水平的提高，控制规模也在不断扩大，因此要求工控机具有灵活的扩展性。

（6）系统开放性。工控机具有开放性体系结构，在主机接口、网络通信、软件兼容及升级等方面遵守开放性原则，以便于系统扩充、异机种的连接、软件的可移植和互换。

（7）控制软件包功能强。工控软件包应具备人机交互方便、画面丰富、实时性好等性能，并具有系统组态和系统生成功能、实时及历史的趋势记录与显示功能、实时报警及事故追忆等功能。此外还具有丰富的控制算法，除了常规控制算法外，还应具有一些高级控制算法，如模糊控制、神经元网络、优化、自适应、自整定等。

（8）系统通信功能强。具有串行通信、网络通信功能。由于实时性要求高，因此要求工控机通信网络速度高，并且符合国际标准通信协议，如IEEE 802.4，IEEE 802.3协议等。

（9）后备措施齐全。包括供电后备、存储器信息保护、手动／自动操作后备、紧急事故切换装置等。

（10）具有冗余性。在可靠性要求高的场合，要求有双机工作及冗余系统，包括双控制站、双操作站、双网通信、双供电系统、双电源等。并具有双机切换功能、双机监视软件等，以确保系统长期不间断地运行。

二、工业控制机的组成

典型的工业控制机系统组成包括工控机主机、输入/输出接口模板、通信接口模板、信号调理单元、远程采集模块、工控软件包等。

1.工控机主机

包括主板、显示板、磁盘驱动器、无源多槽ISA/PCL底板、电源和机箱等。

2.输入接口模板

包括模拟量输入、数字量输入等。

3.输出接口模板

包括模拟量输出、数字量输出等。

4.通信接口模板

包括串行通信接口模板（RS—232、RS—422、RS—485等）与网络通信模板（Arcnet网板或Ethernet网板），还需配备现场总线通信板等。

5.信号调理单元

对工业现场各类输入信号进行预处理，包括对输入信号的隔离、放大、多路转换、统一电平信号等处理，对输出信号进行隔离、驱动、电压转换成电流信号等。信号处理单元由模块或模板构成，一般具有独立的机箱、供电电源、接线端子。现场输入/输出信号可直接连接到信号调理模块的端子上。

6.远程采集模块

将现场信号直接就地处理，然后通过现场总线与工控机通信。目前采用较好的现场总线类型有CAN总线、LON总线、PROFIBUS总线及RS—485串行通信总线等。

7.工控软件包

包括数据采集、控制、监视、画面显示、趋势显示、报表、报警、通信等功能，采用的平台为MS—DOS、Windows、实时多任务操作系统。

典型的工控机系统构成原理如图2-1所示。