工控机的基本知识

工控机的概念

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。

工控机的广义分类

广义上讲，工控机的主要类别有：IPC（PC总线的工业电脑）、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。下面分别简单介绍一下。

即基于PC总线的工业电脑。如下图所示。据2000年IPC统计PC机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：

可靠性：工业PC具有在粉尘、烟雾、高/低温、潮湿、震动、腐蚀和快速诊断和可维护性，其MTTR（Mean Time to Repair）一般为5min，MTTF10万小时以上，而普通PC的MTTF仅为10000～15000小时。

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 ）

PLC 英文全称Programmable Logic Controller，中文全称为可编程逻辑控制器，其外观如下图所示。它的定义是：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 ）

CNC英文全称Computer Numerical Control，中文全称为计算机数字控制系统。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，如图1.4所示。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。

工控机的狭义分类

在工业控制中使用的工业PC机从结构上可分为一体机、一体化工作站和工业PC机（或称工控机），下面分别进行讨论。

1.一体机

所谓一体机，是将主机、显示器（液晶显示器）、键盘或者触摸屏和其他输入/输出接口等全部做在一起，没有扩展插槽。其外观如下图所示。

2.一体化工作站

所谓一体化工作站，是将主机、显示器（液晶显示屏）、键盘或者触摸屏和其他输入/输出接口等全部做在一起，并带有数量不等的扩展插槽。一体化工作站的外观与一体机的外观相同，如图1.6所示。

3.工业PC机

工业PC机（工控机或分体机）是将主机、显示器（液晶显示器）、键盘、鼠标分开放置，像常用的PC机一样，如下图所示。

4.嵌入式工控机

如果再详细分一下，还可以多出一种分类，这种工控机叫做“嵌入式工控机”。 嵌入式工控机（Embedded Industrial Computer）是一种加固的增强型工业计算机，它可以作为一个工业控制器在工业环境中可靠运行。如图1.8所示。

早在90年代初期，美国AD公司就推出了类似的工控机。由于嵌入式工控机的性能可靠、无风扇结构、体积小巧、价格低廉，而在工控机中应用日趋广泛。

嵌入式工控机，更时髦的叫法是盒式电脑或无风扇工控机，英文全称Embedded Industrial Computer。嵌入式工控机通俗的说就是专门为工业现场而设计的机构紧凑的计算机。

工控机经常会在环境比较恶劣的环境下运行，对数据的安全性要求也更高，所以工控机通常会进行加固、防尘、防潮、防腐蚀、防辐射等特殊设计。

工控机对于扩展性的要求也非常高，接口的设计需要满足特定的外部设备，因此大多数情况下工控机需要单独定制才能满足需求。

技术特点：

（1）采用符合“EIA”标准的全金属工业机箱，增强了抗电磁干扰能力。

（2）机箱内无风扇，靠机壳散热。

（3）配有高度可靠的工业电源，并有过压、过流保护。

（4）电源及键盘均带有电子锁开关，可防止非法开、关和非法键盘输入。

（5）具有自诊断功能。

（6）设有“看门狗”定时器，在因故障死机时，无需人的干预而自动复位。

（7）便于多任务的调度和运行。

BOX工控机的特点使用行业：

低功耗工控机应用行业：能够提供完整的控制和通讯功能，非常适合应用于汽车电子、数字电子/广告广告牌 （DSA）、医疗保健用计算机、博弈/游戏机台、以及飞航信息娱乐系统等嵌入式产业。

嵌入式工控机与普通工控机的区别主要在于以下几个方面：

首先，嵌入式工控机在整个测控系统中所处的位置，往往在前端，嵌入式工控机向上的连接往往是普通工控机，普通工控机的运算能力、软件资源、数据库支持等方面都是嵌入式工控机难以企及的;

其次，在大型系统构建中，普通工控机的系统扩展能力、网络通讯能力也是嵌入式工控机难以替代的;

还有，在可视化设计、流程监控、数据统计、科学计算、原型仿真设计、在环仿真等领域，普通工控机具有先天的优势。

购买工控机时需要注意的几个参数

1、使用环境需求

工控机之所以不同于普通私人计算机，是因为它能够应用于恶劣的环境，如超高或超低的温度、高粉尘、高振动等场合。所以在选择工控机时要详细察，看其参数是否能够满足自身应用环境的需求。如操作温度、存储温度等。

2、根据使用工控机的空间大小选择

工控机通常需要安装在机架上或其他狭小空间中，所以安装尺寸就构成了他的首要限制条件。工控机根据安装尺寸，高度从1U到7U不等(1U=4.45厘米)，同时，近十年发展出体积更小的无风扇嵌入式工控机，长仅为十余厘米，也有功能更为复杂的工作站，所以，首先要根据现场安装尺寸的大小，选择产品规格。

3、根据现场可行的安装方式

可分为壁挂式、机架式、台式、嵌入式，同时也要考虑出线方式以避免接线困难，如前出线、后出线等。

4、技术参数

如同选择个人电脑一样，买工控机也要看看配置：处理器(处理速度)、存储、内存、软件等。每台工控机选择什么样的配置，都是需要根据现场使用的设备情况综合来考量的，配置太高，不能完全发挥工控机的效率，也会造成一种浪费；配置太低，可能对现场的运行速度，功能方面都会打折扣，也降低了生产效率，所以工控机的技术参数真的是一个很重要的考量。

5、扩展性

要考虑工控机的接口类型需要哪些，是否有RS-232/485、CPCI、USB、Profinet等种类的接口，如果购买的不是工控机整机而是组装机，注意在选择板卡的时候考虑接口问题。

6、品牌

工控机是应用在关键场合的产品，稳定性、可靠性、质量等直接影响到整个项目的成败，所以品牌也是非常重要的考虑因素。

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