工控機的基本知識

工控機的概念

工控機（Industrial Personal Computer，IPC）即工業(yè)控制計算機，是一種采用總線結(jié)構(gòu)，對生產(chǎn)過程及機電設(shè)備、工藝裝備進(jìn)行檢測與控制的工具總稱。工控機具有重要的計算機屬性和特征，如具有計算機CPU、硬盤、內(nèi)存、外設(shè)及接口，并有操作系統(tǒng)、控制網(wǎng)絡(luò)和協(xié)議、計算能力、友好的人機界面。工控行業(yè)的產(chǎn)品和技術(shù)非常特殊，屬于中間產(chǎn)品，是為其他各行業(yè)提供可靠、嵌入式、智能化的工業(yè)計算機。

廣義上講，工控機的主要類別有：IPC（PC總線的工業(yè)電腦）、PLC（可編程控制系統(tǒng)）、DCS（分散型控制系統(tǒng)）、FCS（現(xiàn)場總線系統(tǒng)）及CNC（數(shù)控系統(tǒng)）五種。下面分別簡單介紹一下。

1. IPC

即基于PC總線的工業(yè)電腦。如下圖所示。據(jù)2000年IPC統(tǒng)計PC機已占到通用計算機的95%以上，因其價格低、質(zhì)量高、產(chǎn)量大、軟/硬件資源豐富，已被廣大的技術(shù)人員所熟悉和認(rèn)可，這正是工業(yè)電腦熱的基礎(chǔ)。其主要的組成部分為工業(yè)機箱、無源底板及可插入其上的各種板卡組成，如CPU卡、I/O卡等。并采取全鋼機殼、機卡壓條過濾網(wǎng)，雙正壓風(fēng)扇等設(shè)計及EMC技術(shù)以解決工業(yè)現(xiàn)場的電磁干擾、震動、灰塵、高/低溫等問題。

IPC有以下特點：

可靠性：工業(yè)PC具有在粉塵、煙霧、高/低溫、潮濕、震動、腐蝕和快速診斷和可維護(hù)性，其MTTR（Mean Time to Repair）一般為5min，MTTF10萬小時以上，而普通PC的MTTF僅為10000～15000小時。

實時性，工業(yè)PC對工業(yè)生產(chǎn)過程進(jìn)行實時在線檢測與控制，對工作狀況的變化給予快速響應(yīng)，及時進(jìn)行采集和輸出調(diào)節(jié)（看門狗功能這是普通PC所不具有的），遇險自復(fù)位，保證系統(tǒng)的正常運行。擴充性，工業(yè)PC由于采用底板+CPU卡結(jié)構(gòu)，因而具有很強的輸入輸出功能，最多可擴充20個板卡，能與工業(yè)現(xiàn)場的各種外設(shè)、板卡如與道控制器、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、車輛檢測儀等相連，以完成各種任務(wù)。

兼容性，能同時利用ISA與PCI及PICMG資源，并支持各種操作系統(tǒng)，多種語言匯編，多任務(wù)操作系統(tǒng)。

2．可編程序控制器（PLC）

PLC 英文全稱Programmable Logic Controller，中文全稱為可編程邏輯控制器，其外觀如下圖所示。它的定義是：一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的數(shù)字運算操作電子系統(tǒng)。它采用一種可編程的存儲器，在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令，通過數(shù)字式或模擬式的輸入輸出來控制各種類型的機械設(shè)備或生產(chǎn)過程。

可編程控制器是計算機技術(shù)與自動化控制技術(shù)相結(jié)合而開發(fā)的一種適用工業(yè)環(huán)境的新型通用自動控制裝置，是作為傳統(tǒng)繼電器的替換產(chǎn)品而出現(xiàn)的。隨著微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展，可編程控制器更多地具有了計算機的功能，不僅能實現(xiàn)邏輯控制，還具有了數(shù)據(jù)處理、通信、網(wǎng)絡(luò)等功能。由于它可通過軟件來改變控制過程，而且具有體積小、組裝維護(hù)方便、編程簡單、可靠性高、抗干擾能力強等特點，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制的各個領(lǐng)域，大大推進(jìn)了機電一體化的進(jìn)程。

3．分散型控制系統(tǒng)（DCS）

DCS 英文全稱Distributed Control System，中文全稱為分布式控制系統(tǒng)。它是一種高性能、高質(zhì)量、低成本、配置靈活的分散控制系統(tǒng)系列產(chǎn)品，可以構(gòu)成各種獨立的控制系統(tǒng)、分散控制系統(tǒng)DCS、監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（SCADA），能滿足各種工業(yè)領(lǐng)域?qū)^程控制和信息管理的需求。系統(tǒng)的模塊化設(shè)計、合理的軟硬件功能配置和易于擴展的能力，能廣泛用于各種大、中、小型電站的分散型控制、發(fā)電廠自動化系統(tǒng)的改造以及鋼鐵、石化、造紙、水泥等工業(yè)生產(chǎn)過程控制。

4．現(xiàn)場總線系統(tǒng)（FCS）

FCS英文全稱Fieldbus Control System，中文全稱為現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。它是全數(shù)字串行、雙向通信系統(tǒng)。系統(tǒng)內(nèi)測量和控制設(shè)備如探頭、激勵器和控制器可相互連接、監(jiān)測和控制。在工廠網(wǎng)絡(luò)的分級中，它既作為過程控制（如PLC，LC等）和應(yīng)用智能儀表（如變頻器、閥門、條碼閱讀器等）的局部網(wǎng)，又具有在網(wǎng)絡(luò)上分布控制應(yīng)用的內(nèi)嵌功能。由于其廣闊的應(yīng)用前景，眾多國外有實力的廠家競相投入力量，進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)?，F(xiàn)今，國際上已知的現(xiàn)場總線類型有四十余種，比較典型的現(xiàn)場總線有：FF，Profibus，LONworks，CAN，HART，CC-LINK等。

5．?dāng)?shù)控系統(tǒng)（CNC）

CNC英文全稱Computer Numerical Control，中文全稱為計算機數(shù)字控制系統(tǒng)。它是采用微處理器或?qū)Ｓ梦C的數(shù)控系統(tǒng)，由事先存放在存儲器里系統(tǒng)程序（軟件）來實現(xiàn)控制邏輯，實現(xiàn)部分或全部數(shù)控功能，并通過接口與外圍設(shè)備進(jìn)行聯(lián)接，稱為計算機數(shù)控，簡稱CNC系統(tǒng)，如圖1.4所示。數(shù)控機床是以數(shù)控系統(tǒng)為代表的新技術(shù)對傳統(tǒng)機械制造產(chǎn)業(yè)的滲透形成的機電一體化產(chǎn)品；其技術(shù)范圍覆蓋很多領(lǐng)域。

1）機械制造技術(shù)；

2）信息處理、加工、傳輸技術(shù)；

3）自動控制技術(shù)；

4）伺服驅(qū)動技術(shù)；

5）傳感器技術(shù)；

6）軟件技術(shù)等。

在工業(yè)控制中使用的工業(yè)PC機從結(jié)構(gòu)上可分為一體機、一體化工作站和工業(yè)PC機（或稱工控機），下面分別進(jìn)行討論。

1.一體機

所謂一體機，是將主機、顯示器（液晶顯示器）、鍵盤或者觸摸屏和其他輸入/輸出接口等全部做在一起，沒有擴展插槽。其外觀如下圖所示。

2.一體化工作站

所謂一體化工作站，是將主機、顯示器（液晶顯示屏）、鍵盤或者觸摸屏和其他輸入/輸出接口等全部做在一起，并帶有數(shù)量不等的擴展插槽。一體化工作站的外觀與一體機的外觀相同，如圖1.6所示。

3.工業(yè)PC機

工業(yè)PC機（工控機或分體機）是將主機、顯示器（液晶顯示器）、鍵盤、鼠標(biāo)分開放置，像常用的PC機一樣，如下圖所示。

4.嵌入式工控機

如果再詳細(xì)分一下，還可以多出一種分類，這種工控機叫做“嵌入式工控機”。 嵌入式工控機（Embedded Industrial Computer）是一種加固的增強型工業(yè)計算機，它可以作為一個工業(yè)控制器在工業(yè)環(huán)境中可靠運行。如圖1.8所示。

早在90年代初期，美國AD公司就推出了類似的工控機。由于嵌入式工控機的性能可靠、無風(fēng)扇結(jié)構(gòu)、體積小巧、價格低廉，而在工控機中應(yīng)用日趨廣泛。

嵌入式工控機，更時髦的叫法是盒式電腦或無風(fēng)扇工控機，英文全稱Embedded Industrial Computer。嵌入式工控機通俗的說就是專門為工業(yè)現(xiàn)場而設(shè)計的機構(gòu)緊湊的計算機。

工控機經(jīng)常會在環(huán)境比較惡劣的環(huán)境下運行，對數(shù)據(jù)的安全性要求也更高，所以工控機通常會進(jìn)行加固、防塵、防潮、防腐蝕、防輻射等特殊設(shè)計。

工控機對于擴展性的要求也非常高，接口的設(shè)計需要滿足特定的外部設(shè)備，因此大多數(shù)情況下工控機需要單獨定制才能滿足需求。

技術(shù)特點：

（1）采用符合“EIA”標(biāo)準(zhǔn)的全金屬工業(yè)機箱，增強了抗電磁干擾能力。

（2）機箱內(nèi)無風(fēng)扇，靠機殼散熱。

（3）配有高度可靠的工業(yè)電源，并有過壓、過流保護(hù)。

（4）電源及鍵盤均帶有電子鎖開關(guān)，可防止非法開、關(guān)和非法鍵盤輸入。

（5）具有自診斷功能。

（6）設(shè)有“看門狗”定時器，在因故障死機時，無需人的干預(yù)而自動復(fù)位。

（7）便于多任務(wù)的調(diào)度和運行。

BOX工控機的特點使用行業(yè)：

低功耗工控機應(yīng)用行業(yè)：能夠提供完整的控制和通訊功能，非常適合應(yīng)用于汽車電子、數(shù)字電子/廣告廣告牌 （DSA）、醫(yī)療保健用計算機、博弈/游戲機臺、以及飛航信息娛樂系統(tǒng)等嵌入式產(chǎn)業(yè)。

嵌入式工控機與普通工控機的區(qū)別主要在于以下幾個方面：

首先，嵌入式工控機在整個測控系統(tǒng)中所處的位置，往往在前端，嵌入式工控機向上的連接往往是普通工控機，普通工控機的運算能力、軟件資源、數(shù)據(jù)庫支持等方面都是嵌入式工控機難以企及的;

其次，在大型系統(tǒng)構(gòu)建中，普通工控機的系統(tǒng)擴展能力、網(wǎng)絡(luò)通訊能力也是嵌入式工控機難以替代的;

還有，在可視化設(shè)計、流程監(jiān)控、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、科學(xué)計算、原型仿真設(shè)計、在環(huán)仿真等領(lǐng)域，普通工控機具有先天的優(yōu)勢。