工业控制计算机

工控机（Industrial Personal Computer，IPC）即工业控制计算机，是一种采用总线结构，对生产过程及机电设备、工艺装备进行检测与控制的工具总称。工控机具有重要的计算机属性和特征，如具有计算机CPU、硬盘、内存、外设及接口，并有操作系统、控制网络和协议、计算能力、友好的人机界面。工控行业的产品和技术非常特殊，属于中间产品，是为其他各行业提供可靠、嵌入式、智能化的工业计算机。

主要分类

工控机的主要类别有：IPC（PC总线工业电脑）、PLC（可编程控制系统）、DCS（分散型控制系统）、FCS（现场总线系统）及CNC（数控系统）五种。

1、IPC

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。其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（electromagneticcompatibility）技术以解决工业现场的电磁干扰、震动、灰尘、高/低温等问题。

IPC有以下特点：

实时性，工业PC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（看门狗功能这是普通PC所不具有的），遇险自复位，保证系统的正常运行。扩充性，工业PC由于采用底板+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、板卡如与道控制器、视频监控系统、车辆检测仪等相连，以完成各种任务。

兼容性，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、可编程序控制器（PLC）

制器。定义是：一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作电子系统。它采用一种可编程的存储器，在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，通过数字式或模拟式的输入输出来控制各种类型的机械设备或生产过程。

可编程控制器是计算机技术与自动化控制技术相结合而开发的一种适用工业环境的新型通用自动控制装置，是作为传统继电器的替换产品而出现的。随着微电子技术和计算机技术的迅猛发展，可编程控制器更多地具有了计算机的功能，不仅能实现逻辑控制，还具有了数据处理、通信、网络等功能。由于它可通过软件来改变控制过程，而且具有体积小、组装维护方便、编程简单、可靠性高、抗干扰能力强等特点，已广泛应用于工业控制的各个领域，大大推进了机电一体化的进程。

3、分散型控制系统（DCS）

DCS 英文全称Distributed Control System，中文全称为分布式控制系统。它是一种高性能、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，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。

4、现场总线系统（FCS）

FCS英文全称Fieldbus Control System，中文全称为现场总线控制系统。它是全数字串行、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。现今，国际上已知的现场总线类型有四十余种，比较典型的现场总线有：FF，Profibus，LONworks，CAN，HART，CC-LINK等。

5、数控系统（CNC）

它是采用微处理器或专用微机的数控系统，由事先存放在存储器里系统程序（软件）来实现控制逻辑，实现部分或全部数控功能，并通过接口与外围设备进行联接，称为计算机数控，简称CNC系统。数控机床是以数控系统为代表的新技术对传统机械制造产业的渗透形成的机电一体化产品；其技术范围覆盖很多领域：

1）机械制造技术；

2）信息处理、加工、传输技术；

3）自动控制技术；

4）伺服驱动技术；

5）传感器技术；

6）软件技术等。

软件系统

件和应用软件开发环境等三大部分。其中系统软件是其它两者的基础核心，因而影响系统软件设计的开发质量。工控应用软件主要是根据用户工业控制和管理的需求而生成的，因此具有专用性。从工控软件系统发展历史和现状来看，工控软件系统应具5大主要特性：

1、开放性。这是现代控制系统和工程设计系中一个至关重要的指标。开放性有助于各种系统的互连、兼容，它有利于设计、建立和应用为一体（集体）的工业思路形成与实现。为了使系统工具良好的开放性，必须选择开放式的体系结构、工业软件和软件环境，这已引起工控界人士的极大关注。

2、实时性。工业生产过程的主要特性之一就是实时性，因此相应地要求工控软件系统应具有较强的实时性。

3、网络集成化。这是由工业过程控制和管理趋势。

4、人机界面更加友好。这不仅是指像菜单驱动所带来的操作方便，应包括设计和应用两个方面的人机界面。

5、多任务和多线程性。现代许多控制软件所面临的工业对象不再是单任务线，而是较复杂的多任务系统，因此，如何有效地控制和管理这样的系统仍是日前工控软件主要的研究对象 为适应这种要求，工控软仵，特别是底层的工控系统软件必须具有此特性 ，如多任务实进操作系统的研究和应用等。

从工控软件基本组成上看 它可大致划分为3层；实时操作系统层、拄制管理层以及应用层，实时操作系统OS层是其他层的基础。

主要结构

1、全钢机箱

IPC的全钢机箱是按标准设计的，抗冲击、抗振动、抗电磁干扰，内部可安装同PC-bus兼容的无源底板。

工控机箱分类：

DVR（digital video recording）。工控电脑是在恶劣的环境下使用，对产品的易维护性、散热、防尘、产品周期、甚至尺寸方面都有着严格的要求。因此在设计和选择工控机平台的时候，考虑的更多的是机构的设计，然后才是对性能等的考虑。如中昌的工控基本没有这些保护.

工控机箱分类：

（一）高度一般分1U（44MM*430MM*XX），2U（88*430*XX），3U，4U（176MM*430MM * XX），5U，6U，7U，8U等，一个1U的高度是44MM，其他高度依次类推；

（二）长度：国际标准的长度有两种450MM与505MM，根据客户的具体要求还可以扩分其他长度，比如：480MM，500MM，520MM，530MM，600MM等；其中450MM~~520MM的尺寸机箱占市场需求的90%以上；加长型机箱的作用主要是有以下3个：一个是安装双CPU至强12” * 13”的主板，必须要 520MM的长度才能安装这样的大板；另外一个是安装工业CPU长卡或者是300MM长的视频卡等需要足够的扩展空间；最后一个是散热空间的考虑，由于有些监控用户需要安装多路视频卡与多个硬盘，比如64路，128路等，10个硬盘就需要很好的散热效果；

（三）卧式与壁挂式

壁挂式：此外，由于某些设备制造商需要把控制中心（IPC）放置在其设备之中。因此对工控机的体积有较为严格的要求。传统的上架式19英寸机箱体积基本很难满足要求，因此针对此种客户需求，推出了壁挂式的机箱。例如某品牌的IPC－6606/6608壁挂机箱系列。这类机箱由于体积小，并且应用环境在某设备内部，因此设计理念也重在散热和扩展性能上。下图是IPC－6806应用在某测试平台的机柜内部状态。

工控机箱内部结构：

品质优异的机箱一般都带金属弹簧防震功能；安装硬盘数量一般从4—15个；

底板：底板的规格有多种；主要以主板的规格来划分。普通的主板一般都可以安装；其中520MM以下长度的机箱是安装不了12*13的双至强大板的主板的，必须要520MM长度的机箱才能安装。

压卡条：主要起固定作用。有安防监控的安装视频长卡，或者是工业CPU长卡时，必须要固定长卡，以免使用过程中出现晃动，不牢固等现象。

后槽的扩展：有7槽或14槽两种；14槽的背板主要的用途是安装多路视频卡，比如有些大型的监控系统，则要64路，或者128路时，必须要换成14槽的背板；

工控机箱的导热：散热结构的合理性是关系到计算机能否稳定工作的重要因素。

工控机箱的抗震：工控机箱在工作的时候，由于机箱内部的光驱、硬盘、机箱里的多个风扇在高速运转的时候都会产生震动，而震动很容易导致光盘读错和硬盘磁道损坏以至丢失数据，所以机箱的抗震性也是机箱关键的一个结构设计方案。

工控机箱的电磁屏蔽：主机在工作的时候，主板、CPU、内存和各种板卡都会产生大量的电磁辐射，如果不加以防范也会对人体造成一定伤害。这个时候机箱就成为了屏蔽电磁辐射，保护健康的一道重要防线。屏蔽良好的机箱还可以有效地阻隔外部辐射干扰，保证计算机内部配件不受外部辐射影响。工控机箱为了增加散热效果，机箱上必要的部分都会开孔，包括箱体侧板孔、抽气扇进风孔和排气扇排风孔等等，所以孔的形状必须符合能阻挡辐射的技术要求。机箱上的开孔要尽量小，而且要尽量采用阻隔辐射能力较强的圆孔。其次，要注意各种指示灯和开关接线的电磁屏蔽。比较长的连接线需要设计成绞线，线两端的裸露的焊接金属部分必需用胶套包裹，这样就避免了机箱内用电线路产生的电磁辐射。

2、无源底板

无源底板的插槽由总线扩展槽组成。总线扩展槽可依据用户的实际应用选用扩展ISA总线、PCI总线和PCI-E总线、PCIMG总线的多个插槽组成，扩展插槽的数量和位置根据需要有一定选择，但依据不同PCIMG总线规范版本各种总线在组合搭配上有要求，如PCIMG1.3版本总线不提供ISA总线支持，该板为四层结构，中间两层分别为地层和电源层，这种结构方式可以减弱板上逻辑信号的相互干扰和降低电源阻抗。底板可插接各种板卡，包括CPU卡、显示卡、控制卡、I/O卡等。

3、工业电源

早期在以Intel 奔腾处理器为主的之前的工控机主要使用为AT开关电源，与PC机一样主要采用的是ATX电源，平均无故障运行时间达到250，000小时。

4、CPU卡

IPC的CPU卡有多种，根据尺寸可分为长卡和半长卡，多采用的是桌面式系统处理器，如早期的有386\486\586\PIII，现主流为P4、酷睿双核等处理器，主板用户可视自己的需要任意选配。其主要特点是：工作温度0-60℃；带有硬件；也有部份要求低功耗的CPU卡采用的是嵌入式系列的CPU。

5、其他配件

IPC的其他配件基本上都与PC机兼容，主要有CPU、内存、显卡、硬盘、软驱、键盘、鼠标、光驱、显示器等。

适用领域

IPC已被广泛应用于工业及人们生活的方方面面。

例如：控制现场、路桥控制收费系统、医疗仪器、环境保护监测、通讯保障、智能交通管控系统、楼宇监控安防、语音呼叫中心、排队机、POS柜台收银机、数控机床、加油机、金融信息处理、石化数据采集处理、物探、野外便携作业、环保、军工、电力、铁路、高速公路、航天、地铁、智能楼宇、户外广告、等等。

主要特点

工控机通俗的说就是专门为工业现场而设计的计算机，而工业现场一般具有强烈的震动，灰尘特别多，另有很高的电磁场力干扰等特点，且一般工厂均是连续作业即一年中一般没有休息。因此，工控机与普通计算机相比必须具有以下特点：

1、机箱采用钢结构，有较高的防磁、防尘、防冲击的能力。

2、机箱内有专用底板，底板上有PCI和ISA插槽。

3、机箱内有专门电源，电源有较强的抗干扰能力。

4、要求具有连续长时间工作能力。

5、一般采用便于安装的标准机箱（4U标准机箱较为常见）

注：除了以上的特点外，其余基本相同。另外，由于以上的专业特点，同层次的工控机在价格上要比普通计算机偏贵，但一般不会相差太多。

尽管工控机与普通的商用计算机机相比，具有得天独厚的优势，但其劣势也是非常明显的--数据处理能力差，具体如下：

1、配置硬盘容量小；

2、数据安全性低；

3、存储选择性小；

4、价格较高。

日常维护

首先，要给工控机一个平稳的工作环境。如当机器对磁盘或硬盘进行读写操作时出现震动，驱动器会严重磨损或导致硬盘损坏。如果要靠墙放置，距离墙壁至少应有的间隙，以保证散热良好，否则，会导致元器件加速老化。具体要做好以下几点：

1、机箱

机箱中包括工控电源、无源底板、风扇。工控电源：它是为N小时不间断开机服务的，所以它的性能较好，主要需注意的是尽量减少灰尘的进入，防止灰尘影响风扇的运行。防止瞬时断电，瞬时断电又突然来电往往会产生一个瞬间极高的电压，很可能“烧”坏电脑，电压的波动（过低或过高）也会对电脑造成损伤。因此，应尽量配备电源。另外，还应防静电、防雷击。

无源底板：它是为各种板卡包括,)( 卡、显卡、声卡、网卡等）提供电源的，它的日常维护要注意三点：不能在底板带电的情况下拨插板卡，插拨板卡时不可用力过猛，过大，用酒精等清洗底板时，要注意防止工具划伤底板。插槽内不能积灰尘，否则会导致接触不良，甚至短路。插槽内的金属脚是否对齐,有无弯曲，否则影响板卡在系统中的运行，会因此出现开机不显示、板卡找不到、死机等各种现象。风扇：工控箱内风扇是专门为工控机设计的，它是向机箱内吹风，降低机箱内温度。它要注意的是：电源是否接到插头上，风扇外部的过滤网要定时清洗（每月一次），以防过多的灰尘进入机箱，禁止尖锐物品损坏风扇页片。

2、主板

工控机主板是专为在高、低温特殊环境中，长时间运行而设计的，它在运用中所要注意的是：不能带电插拨（内存条，板卡后面的鼠标、键盘等），带电插拨会导致插孔损坏，不能用，严重的甚至会使主板损坏。主板上的跳线不能随便跳，要查看说明书或用户手册，否则会由于不同型号主板的电压设置不同而导致损坏。对主板的灰尘应定时清洁，不能用酒精或水，应用干刷子、吸尘器或皮老虎把灰尘吸完或吹掉。保持主板上内存扦槽的干净，无断脚、歪脚。主板下插入无源底板中的金手指要干净，在底板上要插紧、插到位。

3、硬盘、光驱、软驱

硬盘：不要随意拆卸硬盘,避免振动、挤压。尽量不要在硬盘运行时关闭计算机电源，这样突然关机会导致硬盘磁道损坏，数据丢失。不要随意触动硬盘上的跳线装置。搬运时一定要用抗静电塑料袋包装或用海绵等防震压材料固定好，经常检查病毒，以防侵蚀。在操作系统中有节能功能时要尽量合理使用，以延长硬盘使用寿命。

光驱：在使用中不要随意打开光驱门，不能使用有损伤、盗版光碟，防止灰尘进入光驱内，光驱在使用过程中不要震动，歪曲，拍打。数据线要连接通畅，保证光驱读盘顺利。

软驱：不能把坏盘、有毒盘放入软驱中，勿使用劣质和发霉的软盘，匆用尖锐的物品碰撞以防划伤磁头。当软驱正在对磁盘进行读写操作时（软驱指示灯亮），不要强行将磁盘取出，以防损伤磁头或使磁头偏移，导致无法正常读写。

4、各种板卡

板卡所要注意的就是防尘，插脚要完好，板卡竖直插入不能歪曲，并且板卡外插孔上的连接件不能带电拨插。

发展前景

随着社会信息化的不断深入，关键性行业的关键任务将越来越多地依靠工控机，而以IPC为基础的低成本工业控制自动化正在成为主流，本土工控机厂商所受到的重视程度也越来越高。随着电力、冶金、石化、环保、交通、建筑等行业的迅速发展，从数字家庭用的机顶盒、数字电视，到银行柜员机、高速公路收费系统、加油站管理、制造业生产线控制，金融、政府、国防等行业信息化需求不断增加，对工控机的需求很大，工控机市场发展前景十分广阔。

发展趋势分析：

1、DCS(集散控制系统)的发展趋势

虽然以现场总线为基础的FCS发展很快，并将最终取代传统的DCS，但Fcs发展有很多工作要做，如统一标准，仪表智能化等。另外传统控制系统的维护和改造还需要DCS，因此FCS完全取代传统的DCS还需要一个较长的过程。

当前工控机仍以大系统、分散对象、连续生产过程(如：冶金、石化、电力)为主，采用分布式系统结构的分散型控制系统仍在发展。由于开放结构和集成技术的发展，促使大型分散型控制系统销售增加。

1）向综合方向发展：由于标准化数据通信线路和通信网络的发展，将各种单(多)回路调节器、PLC、工业比、NC等工控设备构成大系统，以满足工厂自动化要求，并适应开放化的大趋势。

2）向智能化方向发展：由于数据库系统、推理机能等的发展，尤其是知识库系统(KBS)和专家系统(ES)的应用，如自学习控制、远距离诊断和自寻优等，人工智能会在DCS各级实现。和FF现场总线类似，以微处理器为基础的智能设备，如智能I/O智能PID控制、智能传感器、变送器、执行器、智能人接口及可编程调节器相继出现。

3）工业PC化：由于巩组成此S成为一大趋势，PC作为DCS的操作站或节点机已经很普遍.PC—PLC、PC—S，19、Pc—Nc等就是Pc—Dcs先驱。

4）专业化：DCS为更适合各相应领域的应用，就要进一步了解这个专业的工艺和应用要求，以逐步形成如核电站此S，变电钻DGS、玻璃DCS及水泥DCS等。

2、数控装置的发展趋势

80年代以来，为适应FMC、FMS、CAM、CIMS的发展需要，数控装置采用大规模、超大规模集成电路，提高了柔性，功能和效率。

1）PC化：由于大规模集成电路制造技术的高度发展，PC硬件结构做得更小，CPU的运行速度越来越高，存储容量很大。PC机大批量生产，成本大大降低，可靠性不断提高。PC机的开放性，Windows的应用，更多的技术人员的应用和软件开发，使PC机的软件极为丰富。PC机功能已经很强，CAD/CAM的软件已大量由小型机，工作站向PC机移植，三维图形显示工艺数据已经在PC机上建立。因此，PC机已成为开发CNC系统的重要资源与途径。

2）交流伺服化：交流伺服系统恒功率范围已做到1：4，速度范围可达到1：1000，基本与直流伺服相当。交流伺服体积小，价格低，可靠性高，应用越来越广泛。

3）高功能的数控系统向综合自动化方向发展：为适应FMS、CIMS、无人工厂的要求，发展与机器人、自动化小车、自动诊断跟踪监视系统等的相互联合，发展控制与管理集成系统，已成为国际上数控系统的方向。

4）方便使用：改善人机接口，简化编程、操作面板使用符号键，尽量采用对话方式等，以方便用户使用。

5）柔性化和系统化：数控系统均采用模块结构，其功能覆盖面大，从三轴两联动的机床到多达24轴以上的柔性加工单元。

6）高精度：提高加工精度，高分1辨率旋转编码器必不可少。为在超精密加工领域能实现0.001um的精度，必须开发超高分辨率的编码器，0.0001um最小设定单位的NC装置。为在加工中即使负荷变动伺服系统的特性也保持不变，还需采用控制和鲁棒(Robust)控制。在伺服系统的控制中，用高速微处理器，采用基于现代控制论前馈控制、二自由度控制、学习控制等。其数字控制系统的跟踪误差不超过2um。

7）机械智能化：它在NC领域内是一种新技术，所谓机械智能化功能，是指机械自身可补偿温度、机械负荷等引起的机械变形的功能。这就需要检测主轴负荷、主轴及机座变形的传感器和处理传感器输出信号的电路。

8）诊断维修智能化：故障的诊断与维修是NC的重要技术。基于AI专家系统的故障诊断已存在，现今主要是建立用于诊断故障的数据库。把NC装置通过internet和Internet与中央计算机相连接，使其具有远距离诊断的功能。

进一步的发展是预维修系统，即在故障将要发生前把将要发生故障的部件更换下来的系统，它需要通过智能传感器、高速PMC及大型数据库来实现。

国内市场

工控机自从上世纪90年代进入中国大陆市场以来，至今已有20年余。期间工控机市场的发展，并不能算是一帆风顺，开拓、尝试、接受、认可、批评、前进等不同声音始终不绝于耳。伴随着计算机技术和自动化技术日新月异的发展，中国经济社会整体自动化、信息化水平的进程也正在加快。而作为计算机技术和自动化技术相融合的一种产品，工控机自身已经取得长足的技术进步，在大陆市场的应用也呈现出了新的局面，具体表现在以下四个方面：

第一、从工控机产品的技术发展来讲，“嵌入式系统”“无风扇结构”“机箱散热”“固态硬盘”“箱式”“平板式”等新技术、新产品的应用，适应了自动化产品“小型化”“智能化”“低功耗”的发展趋势，已经大大提高了工控机的系统稳定性，也降低了制造和应用成本；

第二、从工控机产品的形态来讲，工控机产品的定义范畴日益扩大，甚至与商用PC、商用工作站等其它计算机产品之间的概念区隔逐渐模糊；工控机产品除了传统的4U机架式工控机之外，箱式、面板式、单板电脑、嵌入式、便携式、行业专用电脑等其它工控机产品形式也得到了许多客户的接受认可和大量市场应用；

第三、从工控机产品的销售渠道模式来讲，一些供应商变更了原有的销售渠道及模式，调整了直销分销的销售策略侧重，也变革了原装整机、组装整机、板卡的出货配额。这些调整变革的背后，是各家供应商为适应市场发展的新形势、提高客户满意度、抢占市场份额的深层考虑和市场反应行为；

第四、从工控机下游应用行业来看，一些工控机传统的优势应用行业正在遭遇商用PC、商用工作站的挑战，大有没落甚至被取代的趋势；而一些新兴的应用市场却不断涌现，且呈现快速增长的趋势。

外部原因分析

二、供电电压波动大、易停电：工业的发展和生活水平的提高，对电量的需求量也日益增大，一些比较偏僻的地区容易出现供电不足的现象，电压不稳。造成工控系统经常重新启动，系统重要的日志文件容易丢失而导致无法正常启动。因此工控机工作环境电源的稳定关系到工控机工作正常与否。需要采用稳压电源和UPS不间断电源进行保护，具体设备选型，要依负载功率大小、需保持工作时间多少来定。

三、环境湿度不适宜：工控机是由许多电子元件的集成电路构成，其绝缘性能跟环境湿度有很大关系。湿度过大，很容易造成电路板短路而烧毁;湿度过小，容易产生静电，也会击穿部分电子元件。因此，湿度过大、过小，都会给工控机带来潜在的威胁。静电防护问题上要求我们工控机上必须要有良好的仪表接地。

四、地面震感大：许多工厂生产中需要电机产生拖动、震动等物理性位移动作，不仅带来巨大的噪音，机器工作时带来的震动会给工控机磁盘、光驱、软驱带来巨大的损害。磁盘生产的工艺越来越高。在自动化控制系统中的大量数据交换中，长时间、高速度运转的磁盘，容易因磁盘震动，导致磁盘读写能力下降，磁头定位缓慢，甚至造成磁盘损坏;因此减少工控机环境震感，有利于保护磁盘。