工控機(jī)的基本知識(shí)

工控機(jī)的概念

工控機(jī)（Industrial Personal Computer，IPC）即工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，是一種采用總線結(jié)構(gòu)，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程及機(jī)電設(shè)備、工藝裝備進(jìn)行檢測(cè)與控制的工具總稱。工控機(jī)具有重要的計(jì)算機(jī)屬性和特征，如具有計(jì)算機(jī)CPU、硬盤(pán)、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(jì)算能力、友好的人機(jī)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(jì)算機(jī)。

廣義上講，工控機(jī)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(chǎng)總線系統(tǒng)）及CNC（數(shù)控系統(tǒng)）五種。下面分別簡(jiǎn)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(jì)PC機(jī)已占到通用計(jì)算機(jī)的95%以上，因其價(jià)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(jī)箱、無(wú)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(jī)殼、機(jī)卡壓條過(guò)濾網(wǎng)，雙正壓風(fēng)扇等設(shè)計(jì)及EMC技術(shù)以解決工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的電磁干擾、震動(dòng)、灰塵、高/低溫等問(wèn)題。

IPC有以下特點(diǎn)：

可靠性：工業(yè)PC具有在粉塵、煙霧、高/低溫、潮濕、震動(dòng)、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(wàn)小時(shí)以上，而普通PC的MTTF僅為10000～15000小時(shí)。

實(shí)時(shí)性，工業(yè)PC對(duì)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)在線檢測(cè)與控制，對(duì)工作狀況的變化給予快速響應(yīng)，及時(shí)進(jìn)行采集和輸出調(diào)節(jié)（看門(mén)狗功能這是普通PC所不具有的），遇險(xiǎn)自復(fù)位，保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。擴(kuò)充性，工業(yè)PC由于采用底板+CPU卡結(jié)構(gòu)，因而具有很強(qiáng)的輸入輸出功能，最多可擴(kuò)充20個(gè)板卡，能與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)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(cè)儀等相連，以完成各種任務(wù)。

兼容性，能同時(shí)利用ISA與PCI及PICMG資源，并支持各種操作系統(tǒng)，多種語(yǔ)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(mén)為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作電子系統(tǒng)。它采用一種可編程的存儲(chǔ)器，在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，通過(guò)數(shù)字式或模擬式的輸入輸出來(lái)控制各種類型的機(jī)械設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程。

可編程控制器是計(jì)算機(jī)技術(shù)與自動(dòng)化控制技術(shù)相結(jié)合而開(kāi)發(fā)的一種適用工業(yè)環(huán)境的新型通用自動(dòng)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(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，可編程控制器更多地具有了計(jì)算機(jī)的功能，不僅能實(shí)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(guò)軟件來(lái)改變控制過(guò)程，而且具有體積小、組裝維護(hù)方便、編程簡(jiǎn)單、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制的各個(gè)領(lǐng)域，大大推進(jìn)了機(jī)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(dú)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)^(guò)程控制和信息管理的需求。系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)、合理的軟硬件功能配置和易于擴(kuò)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(dòng)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(guò)程控制。

4．現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)（FCS）

FCS英文全稱Fieldbus Control System，中文全稱為現(xiàn)場(chǎng)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(cè)量和控制設(shè)備如探頭、激勵(lì)器和控制器可相互連接、監(jiān)測(cè)和控制。在工廠網(wǎng)絡(luò)的分級(jí)中，它既作為過(guò)程控制（如PLC，LC等）和應(yīng)用智能儀表（如變頻器、閥門(mén)、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(guó)外有實(shí)力的廠家競(jìng)相投入力量，進(jìn)行產(chǎn)品開(kāi)發(fā)?，F(xiàn)今，國(guó)際上已知的現(xiàn)場(chǎng)總線類型有四十余種，比較典型的現(xiàn)場(chǎng)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(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)。它是采用微處理器或?qū)Ｓ梦C(jī)的數(shù)控系統(tǒng)，由事先存放在存儲(chǔ)器里系統(tǒng)程序（軟件）來(lái)實(shí)現(xiàn)控制邏輯，實(shí)現(xiàn)部分或全部數(shù)控功能，并通過(guò)接口與外圍設(shè)備進(jìn)行聯(lián)接，稱為計(jì)算機(jī)數(shù)控，簡(jiǎn)稱CNC系統(tǒng)，如圖1.4所示。數(shù)控機(jī)床是以數(shù)控系統(tǒng)為代表的新技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)機(jī)械制造產(chǎn)業(yè)的滲透形成的機(jī)電一體化產(chǎn)品；其技術(shù)范圍覆蓋很多領(lǐng)域。

1）機(jī)械制造技術(shù)；

2）信息處理、加工、傳輸技術(shù)；

3）自動(dòng)控制技術(shù)；

4）伺服驅(qū)動(dòng)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(jī)從結(jié)構(gòu)上可分為一體機(jī)、一體化工作站和工業(yè)PC機(jī)（或稱工控機(jī)），下面分別進(jìn)行討論。

1.一體機(jī)

所謂一體機(jī)，是將主機(jī)、顯示器（液晶顯示器）、鍵盤(pán)或者觸摸屏和其他輸入/輸出接口等全部做在一起，沒(méi)有擴(kuò)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(jī)、顯示器（液晶顯示屏）、鍵盤(pán)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(kuò)展插槽。一體化工作站的外觀與一體機(jī)的外觀相同，如圖1.6所示。

3.工業(yè)PC機(jī)

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

4.嵌入式工控機(jī)

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

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

嵌入式工控機(jī)，更時(shí)髦的叫法是盒式電腦或無(wú)風(fēng)扇工控機(jī)，英文全稱Embedded Industrial Computer。嵌入式工控機(jī)通俗的說(shuō)就是專門(mén)為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)而設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)緊湊的計(jì)算機(jī)。

工控機(jī)經(jīng)常會(huì)在環(huán)境比較惡劣的環(huán)境下運(yùn)行，對(duì)數(shù)據(jù)的安全性要求也更高，所以工控機(jī)通常會(huì)進(jìn)行加固、防塵、防潮、防腐蝕、防輻射等特殊設(shè)計(jì)。

工控機(jī)對(duì)于擴(kuò)展性的要求也非常高，接口的設(shè)計(jì)需要滿足特定的外部設(shè)備，因此大多數(shù)情況下工控機(jī)需要單獨(dú)定制才能滿足需求。

技術(shù)特點(diǎn)：

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

（2）機(jī)箱內(nèi)無(wú)風(fēng)扇，靠機(jī)殼散熱。

（3）配有高度可靠的工業(yè)電源，并有過(guò)壓、過(guò)流保護(hù)。

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

（5）具有自診斷功能。

（6）設(shè)有“看門(mén)狗”定時(shí)器，在因故障死機(jī)時(shí)，無(wú)需人的干預(yù)而自動(dòng)復(fù)位。

（7）便于多任務(wù)的調(diào)度和運(yùn)行。

BOX工控機(jī)的特點(diǎn)使用行業(yè)：

低功耗工控機(jī)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(jì)算機(jī)、博弈/游戲機(jī)臺(tái)、以及飛航信息娛樂(lè)系統(tǒng)等嵌入式產(chǎn)業(yè)。

嵌入式工控機(jī)與普通工控機(jī)的區(qū)別主要在于以下幾個(gè)方面：

首先，嵌入式工控機(jī)在整個(gè)測(cè)控系統(tǒng)中所處的位置，往往在前端，嵌入式工控機(jī)向上的連接往往是普通工控機(jī)，普通工控機(jī)的運(yùn)算能力、軟件資源、數(shù)據(jù)庫(kù)支持等方面都是嵌入式工控機(jī)難以企及的;

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

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