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国外工控机插入式I/O接口板及前端信号调理电路发展动

国外工控机插入式I/O接口板及前端信号调理电路发展动

2010/12/1 13:54:40

一、概述 随着计算机技术的发展与应用的普及,采用工业控制计算机构成的测量、控制装置越来越多地进入了工业生产现场、产品性能质量检测线和科学研究实验室。当前国外流行的微型计算机总线标准有:VME/VXIBus、MultiBusⅡ、STD 32、NUBus、FurtureBus+、EISA、MCA、ISA等等。其中与ISA总线标准兼容的微机占据工业测控领域应用微型计算机数量之首。

根据美国市场调查,有关专家预测,PLC的市场占有份额将从现在的60%降到47.1%(1997年)直至29.3%(2007年),而工业计算机将从现在的10%升到20%(1997年)直至34.6%(2007年)。有关专家还预测,工控机体积会越来越小,性能会越来越高,今后成为控制系统的硬件核心。工控计算机所占的市场份额之所以能不断提高,其实质得力于开放的标准。众多的中小型软、硬件OEM生产厂商积极介入,通过竞争去扩大市场,占领各个应用领域,以用户熟悉的使用环境、操作方法、视听界面,征服广大用户。 工业控制微机与商业微机在应用过程中最大的不同处在于: 1.要具备适应工业现场环境恶劣、电磁干扰大、震动冲击高的能力; 2.能够完成现场信号到总线信号间的转换及总线信号对现场执行装置的控制。 针对上述要求,众多厂商推出了不同总线标准、结构多样的工控机和上万种现场信号——总线信号间的接口电路。以ISA总线为例,国外流行的结构有:台式、手提式、笔记本式、19英寸、NEMA、PCXI、PC104等。与ISA总线兼容的接口电路有上千个品种。据粗略统计,在美国生产工控微机的厂家近80家,生产接口电路的厂家近百家。 工控机的体积会越来越小,这是用户的要求。随着电子技术的发展,这一倾向越来越明显。但是从现场角度看,用户要求接线方式方便、快捷,系统抗现场干扰的能力强,对不同控制对象和大小不等的规模能任意裁剪接口电路的容量。因此,有关专家进一步推论,由于机箱体积越来越小,插入式I/O接口板的发展将受到限制,而信号调理电路的体积因接线端子和信号隔离的要求,用户并不希望太小;再有信号调理电路可以与任意总线标准、任意机箱结构的工控机的插入式I/O接口板联接,所以,发展信号调理电路是今后的重点。 二、接口电路的组成结构和性能 接口电路主要由插入式I/O接口板和前端信号调理电路两部分组成。插入式I/O接口板主要完成总线信号介面与标准的模拟量信号、数字量信号间的转换功能。标准的模拟量输入/输出信号通常是0~5V或0~10V的电压信号。标准的数字量信号是TTL电平兼容的输入/输出状态、脉冲信号或通信网络信号。前端信号调理电路主要完成:信号提升(小信号的放大或输出信号的功率驱动)、信号报警(保护对超过预定范围的输入/输出信号报警和保护输入/输出电路),信号变换(根据需要进行V/I、I/V变换),信号隔离(阻断地环流,提高系统抗干扰能力)。 接口电路的组成结构主要有以下五种: 插卡式I/O 简单数字式 智能数字式 直联式模块 SCXI通道扩展能力 低 高 高 低 高通过率 高 低 高 高 高信号隔离性能 低 高 高 高 高抗现场干扰 低 中 中 中 高信号能力主机内是否需要 是 否 否 是 是或否多功能I/O板分布式 无 有 有 无 有I/O功能

�I/O接口板和信号调理电路均插入计算机机箱内的总线扩展槽。这种结构适用于小系统的应用。由于现场干扰信号引入了机箱,所以对现场条件有一定要求。 �简单型数字式接口电路。信号调理电路和A/D、D/A变换电路安装在专用模块中,通过通信口(如RS-232)或自定义的数据交换标准实现数据传输,构成分布式I/O系统。 �智能型数字式接口电路。同简单型数字式接口电路比较,增加了CPU,能实现信号分析、故障判断等功能,提高了数据采集通过率,宜于构成较大的分布式I/O系统。 问题是产品开发难度大。 �直联式接口电路。I/O接口板插入计算机机箱内的总线扩展槽,信号调理模块安装在机箱外。I/O接口板的每一路输入/输出端通过信号调理模块与现场传感器、执行装置联接。这种结构适用于现场信号种类多、采集通过率要求高的场合。缺点是计算机与现场不能太远,通道不易扩展。 �SCXI方式接口电路(Signal Conditional Xtensions For Instrumetation)。I/O接口板插入计算机机箱内的总线扩展槽。信号调理电路单独构成一个系统。在SCXIBUS的控制下,监控采集与总线介面接口。SCXI是较理想的信号调理电路结构,适用于通道较多的场合。 三、接口电路的实现 插入式I/O接口板功能的实现主要有两种形式: ①在单块插入式接口板上将A/D、D/A、数字I/O、定时、计数等功能集成为多功能数据采集系统,并具有自校正、自诊断功能。通过信号调理电路完成信号接口、通道扩展等功能。适用于采集通道多的应用场合。 ②插入式接口板上仅有单一功能,可以大大简化电路,提高单板的可靠性。通过组合多块板可实现多功能的要求,这样不会造成资源浪费。通过信号调理电路完成信号接口等功能,适用于通道数较少的场合。 随着电子技术的发展,I/O接口板越来越多地采用低功耗大规模混合信号集成电路,并且采用SMT元件,这将大大减小PCB板的布线面积,以适应工控机小型化的发展趋势。今后的主机箱内可能只允许插入一二块I/O板,因而要求I/O板是多功能的。 这对I/O板的信号出线数提出了要求。所以采用高密度连接插头,增加信号出线是发展的趋势。由前端信号调理电路完成信号隔离、信号整定等功能。 利用标准的串、并通信口、现场总线、IEEE-488通信口、PCMCIA接口与信号调理电路联接。 信号调理电路主要由接线端子、输入/输出保护、激励、导线电阻补偿、滤波、通道扩展、小信号放大、功率驱动、V/I、I/V变换、状态指示电路、自校正、自诊断等电路组成。用户对信号调理电路的基本要求是:能快速接线,灵活方便地安装。 主要的信号调理电路的结构有两种:①信号调理模块。②信号调理板扩展机箱。前者通常是单通道、单功能型的。后者通常采用19英寸机箱标准,将多块信号调理板安装在机箱中,形成多通道、多功能的现场接口界面。信号调理模块的安装结构采用导轨式安装,优点是:较少地占用安装位置空间,减少安装时间,各种功能可以随意选择。导轨安装形式有二种标准:非对称形式符合DIN 46277-1标准,对称形式符合DIN46277-3标准。信号调理扩展机箱由19英寸标准机箱、电源、通风部件、各种信号调理功能板和信号调理总线组成。通过信号调理总线,各种插入式I/O接口板,可以 有序地控制信号调理板的操作,并能实现通道冗余、自动/手动切换、电源冗余和主机控制冗余。 四、结论 综上所述,今后的信号调理模块是向着开发智能型的分布式I/O方式发展,通过局部网络构成中小规模的控制系统。信号调理扩展机箱是向着集CPU系统、I/O接口板、信号调理电路和接线端子一体化的方式发展,构成工业现场控制站,通过局部网络构成控制子系统。

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王静
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