研華《工控機基礎教程》完整版
前些天，我們分享了松下伺服入門教程（點擊查看：新手教程 | 松下伺服快速入門），不少小伙伴反饋不錯，并建議發(fā)布更多的新手教程。同時，有工程師指出文中出現(xiàn)的少許錯誤，在這里誠摯地向他們表示感謝。
今天要分享的是研華發(fā)布的《工控機基礎教程》網絡版，本文沒有涉及太多的技術知識，更多的是介紹工控機的設計原理以及部分箱體硬件，當新手面臨“選擇什么樣工控機”時，可以為其提供參考。其中若有紕漏之處，還請不吝指摘。
以下是正文：
研華工控機基礎教程（完整版）?第一部分?引言?? 工業(yè)控制計算機，中文簡稱工控機，英文簡稱IPC（Industry?Personal?Computer），在工業(yè)自動化背景下應運而生。伴隨著PC產業(yè)的發(fā)展，得到了長足的發(fā)展。盡管IPC在架構上也是基于X86為主，在用戶使用端和PC電腦產業(yè)相同，但與個人PC電腦產業(yè)的發(fā)展卻完全是不同的道路。 個人PC通常分為家用電腦和商用電腦兩大類。對于家用電腦，是以時尚的外形、較高的顯卡性能、多媒體顯示性能、豐富的擴展性能、多聲道聲卡等方面作為吸引消費者的賣點，有些高檔家用電腦甚至配備遙控器，時尚的音響，儼然一個家庭多媒體中心。對于商用客戶，則是通過穩(wěn)重的外觀、完備的售后服務、有限的擴展性能、高速度的運算速度等來吸引商用客戶采購。? 工控電腦是完全不同的設計理念，工控電腦更多的是在惡劣的環(huán)境下使用，對產品的易維護性、散熱、防塵、產品周期、甚至尺寸方面都有著嚴格的要求。因此在設計和選擇工控機平臺的時候，考慮的更多的是機構的設計，然后才是對性能等的考慮。? 第二部分?正文?? ? 一、工控機的設計分析與選擇1、工控機的尺寸設計??? 工控機在很多情況下使用是應用于某個系統(tǒng)之中，因此常常被放置在某個設備之中或上架。因此對尺寸有較嚴格的要求。根據用戶的使用情況，分為上架式和壁掛式兩種設計。??? 上架式：現(xiàn)在市場上最為常見的研華工控機IPC－610就是標準的4U高度19英寸上架式機箱。可以應用在標準的機柜之中。 如圖1 所示：????
?IPC-610H??? 針對客戶的不同需求，我們會提供1U、2U、3U、4U、5U和7U高度的機箱。 一般來說，在1U或2U的機構設計上面。由于機箱體積有限，但CPU的功耗日益加大（最新的P4CPU功耗已超過100W），因此內部散熱風流設計變成了廠商面臨的最大問題。而機構散熱設計的功力在很大程度上反映了 一個廠商的技術實力。 （關于機構散熱的設計我們會在后期 的 文章中討論。） ??? 對于1U工控機，多用于對體積要求較高的電信領域，大多配合上架使用，工控機廠商通過PICMG1.0架構的CPU卡的體積優(yōu)勢，配合1U高度的蝶型底板，可支持最高2個PCI全長卡。從而滿足某些要在1U機箱中集成某些特殊規(guī)格卡的用戶需求。??? 對于4U、7U的機構設計，由于機箱的體積變大，在狹小機箱中面臨散熱因素已不是主要考慮因素。因此如何合理的利用機箱空間在有限的空間內提供更多的驅動器托架、如何提供多個擴展卡槽位、如何支持雙CPU卡、如何抗振動、如何易于維護等因素變成機構設計的主要考慮因素了。（這些我們也會在后繼的文章中同讀者一起來探討。）? ???
PICMG1.0標準??? 極佳的擴展性??? PICMG1.0標準除了上文所闡述的系統(tǒng)更新和修復時間短的主要優(yōu)點外，還存在另外一個主要優(yōu)點：具有極佳的擴展性。 工業(yè)現(xiàn)場使用工控機做控制核心，會接上多種擴展卡，擴展卡以早期的ISA卡、主流PCI卡為主，比如我們研華IAG部門的多種采集卡和測量卡。而視用戶需求，所使用的ISA、PCI槽也不同。舉例來說，某些傳統(tǒng)的數控機床廠家，為保障其早期在ISA技術上的投資，會采用傳統(tǒng)的ISA控制卡為主。而一些從事視頻監(jiān)控的廠家，由于ISA帶寬根本無法滿足苛刻的視頻帶寬需要，必然要采用PCI視頻捕捉卡，但是也許會同時選擇幾個ISA界面的IO卡配合攝像頭云臺使用。因此用戶對ISA和PCI插槽的需求多種多樣。 傳統(tǒng)的商用母板上PCI、ISA數量固定，早期主板由于面積所顯，一般僅提供3個PCI，3個ISA槽，后來ISA在民用市場面臨淘汰，因此諸多商用主板廠商基于成本考量，取消ISA槽，或僅提供一個ISA槽。因此對于工控用戶的多樣性，商規(guī)主板提供的槽數難免捉襟見肘。PICMG1.0無源底板標準最高可提供20槽，所提供的ISA、PCI數量也可根據用戶需求隨意調整。?? ? 優(yōu)秀的散熱特性?? ? 此外采用PICMG1.0架構也有助于整體系統(tǒng)的散熱，系統(tǒng)的風流圖如下： 
4U上架機箱的散熱設計? ????商用PC的散熱風道設計????
當然，底板加插卡的物理架構還有一些缺陷，例如，金手指處容易氧化，槽部位容易在振動的情況下松動，因此不太適應那些具有腐蝕性和振動性的環(huán)境下。對于這些情況，業(yè)界推出了基于PICMG2.0規(guī)范的CompactPCI技術，但由于價格、開發(fā)難度等因素，CompactPCI在一段時期內較難進入主流市場。因此研華針對這種情況推出的工業(yè)母板系列作為補充（后文會來探討工業(yè)、母板的市場）。????
三、工控機的散熱分析?
據統(tǒng)計，灰塵、散熱、靜電是造成計算機不穩(wěn)定的三大主要因素。但商用PC機由于使用環(huán)境的不同，僅在散熱方面遵守AT、ATX、乃至最新的BTX架構，而灰塵和靜電問題在普通使用環(huán)境下并不突出，因此商用PC對此考慮很少。
但工控機使用環(huán)境比較特殊，經常在高溫、粉塵、供電條件不好的環(huán)境下運行，并大多是在7X24小時環(huán)境下運行。而由于架構的不同，商用PC的機箱設計理念也不能直接照搬到工控機。因此在散熱、防塵方面工控機必須有自己的設計理念，散熱的好壞直接影響到工控機的穩(wěn)定性，下面我們重點來介紹一下工控機在散熱和防塵的特性。???
早期的CPU由于功耗問題并不突出，因此工控機的散熱不是設計的主要考慮因素。但隨著人們對CPU性能需求的增加，處理器的功耗也日益增加。最新的Intel?LGA775架構的P4處理器最大功耗居然在100W以上。工控機內部的散熱問題也變得日益嚴峻起來。研華公司針對此問題，不斷的在自身的產品上做出改進。下面我們拿研華的最經典4U上架式機箱610系列來具體分析：?
第一代IPC－610系列，F(xiàn)版機箱???
這是第一代的IPC610系列機箱中的高端產品IPC－610BP－F，由于這款機箱設計時CPU的功耗問題并不突出，因此其僅采用了單風扇輔助散熱設計。而且我們可以看出，為了考慮工控機應用環(huán)境的復雜多樣性，風扇的前面是有過濾網設計的的。由于在某些惡劣環(huán)境下，過濾網和風扇必須經常清洗才能保證正常工作，因此在這款機箱上的風扇和過濾網都設計為易于更換的，易于維護的設計理念一直體現(xiàn)在工控機箱的設計中。尤其在高端工控機產品中，系統(tǒng)的易于維護性是高端市場工控機的設計理念之一。???
當P4處理器進入工控機市場后，其高發(fā)熱量使得各個工控廠商不得不重視工控機的散熱問題。研華推出了第二代IPC－610系列的工控機便加強了散熱方面的考慮。例如熱賣的面對中高端市場的IPC－610H，為了提升散熱效果，加大機箱內部風流，采用雙風扇的設計。并基于維護考慮，將雙風扇采用模塊式的設計理念，固定在一個抽取板上，從而容易更換。由于采用雙風扇后，過濾網的面積加大，因此原有的側面抽取式過濾網更換方式無法適用，因此工程師們采用了濾網前置前開口的方式便于抽取濾網。
第二代610系列機箱IPC－610H?
即使面對中低端市場的IPC－610L，也在散熱風扇和過濾網的設計上有獨特的設計理念。采用前開口的單風扇設計，風扇可前置打開，濾網也易于抽取。???
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??第二代610系列機箱IPC－610L?
看過4U的大機身散熱設計，再來考慮1U和2U的機箱內部散熱設計。這類機器由于機箱體積限制，都采用蝶型背板的設計，并提供模塊化的設計便于用戶維護，但由于小風扇的CFM都比較小，因此只能多采用多風扇來增大風流。下面我們來看看1U的機箱散熱設計：
ACP－1000機箱內部架構圖????
研華的2U機箱和ACP1000設計理念基本相同，在此不再贅述。???
再來了解一下壁掛式機箱的散熱設計考慮：???
壁掛式機箱要求機構設計緊湊以便滿足各種不同場合下的應用，機箱內部寸土寸金，每一個空間都需要合理的應用。但小機箱內部由于體積所限，采用的風扇功率也不能太大，因此小機箱的散熱更考察一個公司的設計功底?？傮w來說，小機箱里面有兩個最重要的散熱對象：CPU和硬盤。
下面我們來看看壁掛式機箱IPC－6806的在散熱方面的設計及其后繼版本的改進：? ??
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IPC－6806WH??
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改進版本IPC－6806W???
在這種小機箱內部，采用不同的無源底板、內部的插卡數量也會對散熱造成不同的影響?？傮w來說，所插入的擴展卡盡量遠離電源模塊和CPU長卡。以便留出足夠的空隙給機箱內部的板卡。???
今年研華推出了一款緊湊型的采用ATX母板的壁掛式/桌上式機箱IPC－7120，這款機箱以所有接口前置為主要賣點，便于用戶集成在設備內部并易于維護使用，所以一經推出就吸引了眾多用戶的眼球。但由于機身體積較小并可能會被用戶集成在散熱條件不好的設備內部，且要求支持Intel最新的高性能處理器，因此對散熱的要求更高。???
多說無益，上圖說話。
IPC－7120???
以上我們分析了研華在上架式和壁掛式機箱的散熱設計理念。? ???
四、工控機的EMC設計???
當我們使用電子設備的時候，就會形成電磁干擾。EMC（Electromagnetic?compatibility電磁兼容性）現(xiàn)象在我們生活中隨處可見。例如我們在看電視的時候，如果手機放在電視機旁邊，在來電時手機信號會干擾電視信號形成雪花片。而隨著日常電子設備的廣泛使用，電子設備的EMC設計正變得日益重要起來。???
世界大多數發(fā)達國家都制定了EMC標準，銷往該國家或地區(qū)的電子產品必須要符合相應的EMC標準，并通過其認證才可以。其中比較知名的認證有美國的FCC認證、日本的VCCI認證、歐盟的CE認證，以及我們中國大陸的3C認證等。???
工控機作為電子產品，自然也要通過苛刻的認證。研華的產品行銷全球，也通過了上述各國的認證標準，具體的通過認證標準可以在我們的產品型錄上找到。?
下面我們來解釋一個優(yōu)秀的工控機如何進行EMC設計的。
無論工控機還是商用機，EMC設計中的最首先考慮的是板卡本身的EMI（電磁干擾）設計，研華具有十幾年的板卡設計經驗，所有工控板都采用6層板設計，并在PCB走線時嚴格遵循了時鐘線等長的概念,?采用減少電磁輻射(EMI)阻抗設計與串音控制?,?走線拓撲的決定都充分尊守了Intel?的規(guī)范標準。因此在板卡設計方面就大幅減少了電磁輻射，但由于處理器的頻率的提升，單純依靠板卡本身在EMI方面的設計無法充分滿足EMC認證的要求。因此工控機機箱的EMC設計變得更為重要了。這篇文章也以機箱的EMC設計為主。???
在解釋工控機機箱的EMC設計之前，我們先來看看商用PC機機箱的EMC設計，商用PC機由于應用在家庭環(huán)境中，與人體接觸的時間更長，因此對EMC設計的要求也十分嚴格。???
雖大多數著名PC品牌由于行銷全球，也通過了各國的電磁兼容認證。但由于用途的不同，商用PC通過的EMC認證和工控機的EMC認證側重點是不同的。商用PC的EMC認證更偏向PC機本身對人體的輻射量的考慮，所以在用料和機箱設計上都基于這個方面考慮的。而工控機的應用環(huán)境較為復雜，EMC認證涉及的范圍也更為廣泛，除了考慮工控機的電磁輻射干擾外，防止外界的各種因素對工控機內部設備造成的干擾也是一個EMC設計要點。???
簡而言之，商用PC的EMC設計是對內的，而工控機的EMC設計則是雙向的。???
下面我們通過和商用PC的對比，來闡述對內和雙向的區(qū)別：???
1、散熱口的EMC設計???
首先我們明確一個概念，無論對內還是對外，對付電磁輻射最好的方法就是用一個全密封的金屬盒子把電磁輻射體遮蔽起來，而且屏蔽用的金屬層越厚越好。這樣無論對內還是對外，電磁屏蔽的效果都最好。但是由于散熱、外接擴展設備的因素。無論商用PC還是工控機，都無法做到嚴格密封的狀態(tài)。機箱關于防止電磁泄漏設計很重要的一點就是關于散熱和電磁泄漏之間的良好平衡性設計，既要充分散熱，也需要兼顧到電磁兼容方面的設計，我們通常在商用PC上所見到的，是上面這樣的散熱孔徑，圓形而多孔。? ??
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商用PC的散熱孔設計???
但實際上防止電磁泄漏的設計標準對散熱孔徑的大小，以及形狀是有諸多限制的，研究實驗表明，方形孔徑要比圓形孔徑具有更出色的防止電磁泄漏效果。商用PC為何多采用圓形孔徑，恐怕只有商用PC廠商明白吧。?下面我們再來看看工控機的散熱孔的設計。還是以經典機型IPC－610H為例：
2、機箱接縫處的EMC設計???
根據理論，當機箱上兩個接觸點之間的距離大于0.25xλ（波長符號）時，兩點之間就會很容易泄漏出有害的電磁輻射。因此在機箱接縫處的設計，也是考察EMC設計功底的一個重要指標。????
現(xiàn)在商用PC機的機箱鋼板厚度僅為0.6mm，鋼板的強度有限，難以保證機箱本身受力后不產生形變，并且由于現(xiàn)在商用PC基本多是立式機箱，因此側開口的面板也難以保證接縫處的緊密結合，為了克服這些現(xiàn)象，一些高檔商用PC在機箱的接縫處留有EMI彈片設計。
但工控機的使用環(huán)境復雜多變，某些環(huán)境是具有較強的振動性的，采用EMI彈片設計容易在振動的環(huán)境下失去彈片的彈性。工控機采用的機箱材料為1.2mm的優(yōu)質鋼板，本身具有優(yōu)秀的抗形變特性，由于工控機機箱多為臥式的，頂部鋼板自身的重量和鋼材特性已經能夠保證機箱壁之間的嚴密接觸。優(yōu)秀的工控機機箱在不采用EMI彈片的時候也完全可以通過CE，F(xiàn)CC等EMC認證。如果某些對電磁兼容極為嚴格的環(huán)境，例如軍工行業(yè)，我們會推薦客戶在機箱接縫處使用更為可靠的金屬導電布。? ?
金屬導電布???
在板卡和機箱的接縫處，這個地方也是極其容易引起電磁泄漏的地方，商用PC由于擴展卡較少，很少有品牌在這個地方采用EMI彈片設計。而工控機內部會插入多塊板卡，板卡和機箱的接觸嚴密與否是電磁兼容是否優(yōu)秀的一個重要指標，因此做工優(yōu)良的工控機會采用EMI彈片確保板卡和機箱之間的接縫緊密可靠。?
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確保機箱和板卡緊密接觸的EMI彈片?? ?
3、機箱表面的特殊設計???
商用PC機箱材料多采用鍍鋅鋼板，并考慮吸收機箱內輻射的有效性，在機箱內部沒有進行噴漆處理，因此機箱內壁的鍍鋅鋼板是可以導電的，也更容易吸收電磁輻射，這也使得商用PC機在靜電防護、電磁屏蔽方面有著先天的優(yōu)勢。商用PC的這種機箱在普通使用下沒有問題，但是如果用于工控環(huán)境則是十分不合適的。????
首先，工控機在某些時候要用在有強烈腐蝕性的環(huán)境下，例如海上的海鹽、高速公路上排出的汽車尾氣、化工廠的氣體都具有強烈的腐蝕性。因此機箱內外表面都必須要做抗腐蝕處理。下圖為研華工控機在機箱外表面和機箱內壁進行防腐蝕烤漆處理后的機箱。???
其次，有時計算機會在振動的環(huán)境下工作，在某些特殊的情況下，振動會導致機箱內的某些電器元件接觸到機箱內部表面，由于機箱內壁導電，所以很容易造成短路，燒毀設備。???
而工控機在內部的噴漆處理使得機箱內壁不導電，可以杜絕這類現(xiàn)象的發(fā)生。但是正所謂成也蕭何、敗也蕭何，正是因為這些不導電的機箱內壁對工控機的EMC設計有著更高的挑戰(zhàn)。工控機由于內壁也進行了烤漆處理，因此機箱表面不導電，無法象商用PC一樣形成等地體，因此只得在部分位置處留出沒有噴漆的接觸面，形成導電體，在整個機箱表面形成等勢體，處理工藝較為復雜。???
還是讓我們來看看工控機箱內部噴漆的設計把，以今年INCG新推出的新ACP－4320為例把黑色機箱看的更清楚。?? ?
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再來看看磁盤托架的接地處理。還是拿這款ACP－4320為例：
說了這么多，您是不是對商用PC和工控機的EMC設計有一個初步的了解了呢？其實作為普通的用戶，檢測您購買產品EMC設計是否合格的一個重要指標是，仔細查看您購買的該款產品是否通過了相關EMC認證，F(xiàn)CC，CCC，CE，UL等，當然認證越多，也證明該款產品的EMC設計越嚴謹。
