工控機的基本知識

工控機的概念

工控機（Industrial Personal Computer，IPC）即工業控制計算機，是一種采用總線結構，對生產過程及機電設備、工藝裝備進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、內存、外設及接口，并有操作系統、控制網絡和協議、計算能力、友好的人機界面。工控行業的產品和技術非常特殊，屬于中間產品，是為其他各行業提供可靠、嵌入式、智能化的工業計算機。

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

1. IPC

即基于PC總線的工業電腦。如下圖所示。據2000年IPC統計PC機已占到通用計算機的95%以上，因其價格低、質量高、產量大、軟/硬件資源豐富，已被廣大的技術人員所熟悉和認可，這正是工業電腦熱的基礎。其主要的組成部分為工業機箱、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，雙正壓風扇等設計及EMC技術以解決工業現場的電磁干擾、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PC對工業生產過程進行實時在線檢測與控制，對工作狀況的變化給予快速響應，及時進行采集和輸出調節（看門狗功能這是普通PC所不具有的），遇險自復位，保證系統的正常運行。擴充性，工業PC由于采用底板+CPU卡結構，因而具有很強的輸入輸出功能，最多可擴充20個板卡，能與工業現場的各種外設、板卡如與道控制器、視頻監控系統、車輛檢測儀等相連，以完成各種任務。

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

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：一種專門為在工業環境下應用而設計的數字運算操作電子系統。它采用一種可編程的存儲器，在其內部存儲執行邏輯運算、順序控制、定時、計數和算術運算等操作的指令，通過數字式或模擬式的輸入輸出來控制各種類型的機械設備或生產過程。

可編程控制器是計算機技術與自動化控制技術相結合而開發的一種適用工業環境的新型通用自動控制裝置，是作為傳統繼電器的替換產品而出現的。隨著微電子技術和計算機技術的迅猛發展，可編程控制器更多地具有了計算機的功能，不僅能實現邏輯控制，還具有了數據處理、通信、網絡等功能。由于它可通過軟件來改變控制過程，而且具有體積小、組裝維護方便、編程簡單、可靠性高、抗干擾能力強等特點，已廣泛應用于工業控制的各個領域，大大推進了機電一體化的進程。

3．分散型控制系統（DCS）

DCS 英文全稱Distributed Control System，中文全稱為分布式控制系統。它是一種高性能、高質量、低成本、配置靈活的分散控制系統系列產品，可以構成各種獨立的控制系統、分散控制系統DCS、監控和數據采集系統（SCADA），能滿足各種工業領域對過程控制和信息管理的需求。系統的模塊化設計、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、發電廠自動化系統的改造以及鋼鐵、石化、造紙、水泥等工業生產過程控制。

4．現場總線系統（FCS）

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

5．數控系統（CNC）

CNC英文全稱Computer Numerical Control，中文全稱為計算機數字控制系統。它是采用微處理器或專用微機的數控系統，由事先存放在存儲器里系統程序（軟件）來實現控制邏輯，實現部分或全部數控功能，并通過接口與外圍設備進行聯接，稱為計算機數控，簡稱CNC系統，如圖1.4所示。數控機床是以數控系統為代表的新技術對傳統機械制造產業的滲透形成的機電一體化產品；其技術范圍覆蓋很多領域。

1）機械制造技術；

2）信息處理、加工、傳輸技術；

3）自動控制技術；

4）伺服驅動技術；

5）傳感器技術；

6）軟件技術等。

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

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PC機

工業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計算機，它可以作為一個工業控制器在工業環境中可靠運行。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、無風扇結構、體積小巧、價格低廉，而在工控機中應用日趨廣泛。

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現場而設計的機構緊湊的計算機。

工控機經常會在環境比較惡劣的環境下運行，對數據的安全性要求也更高，所以工控機通常會進行加固、防塵、防潮、防腐蝕、防輻射等特殊設計。

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

技術特點：

（1）采用符合“EIA”標準的全金屬工業機箱，增強了抗電磁干擾能力。

（2）機箱內無風扇，靠機殼散熱。

（3）配有高度可靠的工業電源，并有過壓、過流保護。

（4）電源及鍵盤均帶有電子鎖開關，可防止非法開、關和非法鍵盤輸入。

（5）具有自診斷功能。

（6）設有“看門狗”定時器，在因故障死機時，無需人的干預而自動復位。

（7）便于多任務的調度和運行。

BOX工控機的特點使用行業：

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

嵌入式工控機與普通工控機的區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、數據庫支持等方面都是嵌入式工控機難以企及的;

其次，在大型系統構建中，普通工控機的系統擴展能力、網絡通訊能力也是嵌入式工控機難以替代的;

還有，在可視化設計、流程監控、數據統計、科學計算、原型仿真設計、在環仿真等領域，普通工控機具有先天的優勢。