一文读懂：什么是工控机

经常会有人问到，什么是工控机？工控机与电脑具体又有哪些区别？由高级工程师具体分析工控机和电脑的区别：

首先工控机与大家口中的电脑（即普通电脑）工作原理上是一样的，但在实际的应用中，两者并不能互为替代。先分别具体了解下什么是普通电脑，什么是工控机？

普通电脑

计算机（Computer）俗称电脑，是现代一种用于高速计算的电子计算机器，可以进行数值计算，又可以进行逻辑计算，还具有存储记忆功能。是能够按照程序运行，自动、高速处理海量数据的现代化智能电子设备。由硬件系统和软件系统所组成，没有安装任何软件的计算机称为裸机。可分为超级计算机、工业控制计算机、网络计算机、个人计算机、嵌入式计算机五类，较先进的计算机有生物计算机、光子计算机、量子计算机等。

而往往大家说的电脑即指普通电脑 (personal computer— PC) 即“个人计算机”。现在的个人计算机一词则泛指所有的个人计算机、如桌上型计算机、笔记型计算机。这就是大家所说的电脑。

什么是工控机？这个问题对某些人行业内的人来说是不用解释的，但是对于业外人士来说，总得有一个说法或定义。

工控机由三个特征定义：

工控机应用领域相对特殊，有AI智能、机器视觉、无人机、特种装备、轨道交通、新零售、工业4.0、智慧城市、汽车制造、图书馆、档案馆、智慧图书馆、轨道交通、物流、服装、制药、航空、票证、物品追踪防伪等领域。每一个领域所需求的形状因数和安装选项不尽相同。

工控机是坚固耐用的解决方案，可满足苛刻的环境要求，例如防止液体和灰尘，极端温度以及高冲击和振动等。

工控机用的工业主板

工控机是长寿命周期解决方案，可以使用多年。

工控机通俗地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，工控系统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、机箱内有专门的电源，电源有较强的抗干扰能力。

4、要求具有连续长时间工作的能力。

5、一般采用便于安装的标准机箱(4U标准机箱较为常见)

4U工控机

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，如具有计算机主板、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稳定、可靠、嵌入式、智能化的工业计算机。

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。

许多工业自动化应用需要能够承受恶劣环境条件的计算机。一些例子包括防尘计算机，宽温计算机和防水计算机的要求。

选择在多尘环境中使用的计算机时，无风扇工业计算机是最佳选择。带风扇的计算机可能会因灰尘污染而失效并降低性能。带风扇的计算机吸入灰尘，这些灰尘会聚集在内部组件上并阻碍必要的气流。

无风扇工控机

当系统受到灰尘污染的影响时，其冷却能力会降低。当英特尔处理器未正确冷却时，会启动称为热量限制的内置保护机制。热量限制降低了CPU的时钟速度，以防止CPU过热，从而降低了系统的性能。如果系统在这些条件下长时间运行，则受压的内部组件会发生早期故障。Teguar的许多工业计算机都具有增强的防尘功能。这些工业计算机不仅没有风扇，而且采用独特的散热设计，压铸铝或不锈钢外壳，没有通风孔，因此不存在灰尘污染的威胁。建议将工业无风扇工控机应用于防尘环境中。

工控一体机应用

普通电脑主要是民用级的，在物理环境的要求并不是很多。工控机一般使用在环境比较恶劣的地方，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。

18.5工业平板一体机

主要特点：

1、工控机要求有强大的抗冲击能力，能够在各种特殊情况、特殊场合下工作。因此工控机的材质为了更适应工程车间或者各种特殊环境下工作，大部分以铝合金和钢板结构为主。

2、有些工控机要在湿度比较大的严酷环境下工作，所以工业电脑要在设计上能够适应各种温湿度环境，使它能够在温湿度较大的环境稳定的工作，然而家用电脑却做不到这一点。

3、工控机要有强大的抗干扰能力。因为工业的环境总是复杂多变了，掺杂了许多有干扰的噪音，因此要有极佳屏蔽、抗干扰能力才可以保证工业电脑稳定运行。

4、工控机必须拥有更多的工业控制协议接口种类和数量。因为工控机必须保证能与下面的工业设备连接，要具备各种接口才能保证各设备的稳定运行。

5、工控机必须拥有极强的稳定性，可以自行解决电脑程序卡死或者断电等突发状况，能够保护工业数据的有效完整，对于家用电脑来说这是不可能达到的。

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。

1. IPC

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。

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