试论工控机的工作原理.docx

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试论工控机的工作原理

大家接触工控机也很久了吧，但是对工控机的设计理念也许不是所有的人都清楚。

即使大家熟悉的610和6608/6606系列，也不知多少同仁清楚的知道它的设计理念和详细的卖点。

    针对此情况，PSM团队想通过内部邮件的方式给大家做一下关于工控机的特性的更详细的文章，帮助诸位加强工控机的概念。

这篇文章将会形成一个系列，分期完成。

如果任何同仁有任何建议或者想法，欢迎给我来信：

                 如何选择工控机？

（一）

简介

IPC（IndustryPersonalComputer）简称工控机，伴随着PC产业的发展，得到了长足的发展。

尽管IPC在架构上也是基于X86为主，在用户使用端和PC电脑产业相同，但与个人PC电脑产业的发展却完全是不同的道路。

PC机的设计理念是追求更高的速度、更好的使用舒适度、更好的用户体验………………

由于消费者需求的不同。

PC机又衍生出家用电脑和商用电脑两大方向。

对于家用电脑，是以时尚的外形、较高的显卡性能、多媒体显示性能、丰富的扩展性能、多声道声卡等方面作为吸引消费者的卖点，有些高档家用电脑甚至配备遥控器，时尚的音响，俨然一个家庭多媒体中心。

对于商用客户，则是通过稳重的外观、完备的售后服务、有限的扩展性能、高速度的运算速度等来吸引商用客户采购。

工控电脑是完全不同的设计理念，工控电脑更多的是在恶劣的环境下使用，对产品的易维护性、散热、防尘、产品周期、甚至尺寸方面都有着严格的要求。

因此在设计和选择工控机平台的时候，考虑的更多的是机构的设计，然后才是对性能等的考虑。

下面我们将会一一论述。

首先我们先来谈谈机构设计的理念：

1、工控机的尺寸设计

工控机在很多情况下使用是应用于某个系统之中，因此常常被放置在某个设备之中或上架。

因此对尺寸有较严格的要求。

根据用户的使用情况，分为上架式和壁挂式两种设计。

上架式：

现在市场上最为常见的研华工机IPC－610就是标准的4U高度19英寸上架式机箱。

可以应用在标准的机柜之中。

如图1所示：

图1、标准4U上架式机箱

针对客户的不同需求，我们会提供1U、2U、3U、4U、5U和7U高度的机箱。

一般来说，在1U或2U的机构设计上面。

由于机箱体积有限，但CPU的功耗日益加大（最新的P4CPU功耗已超过100W），因此内部散热风流设计变成了厂商面临的最大问题。

而机构散热设计的功力在很大程度上反映了一个厂商的技术实力。

（关于机构散热的设计我们会在后期的文章中讨论）。

对于1U工控机，多用于对体积要求较高的电信领域，大多配合上架使用，工控机厂商通过PICMG1.0架构的CPU卡的体积优势，配合1U高度的蝶型底板，可支持最高2个PCI全长卡。

从而满足某些要在1U机箱中集成某些特殊规格卡的用户需求。

可支持两个全长的PCI卡

图2、ACP－1000

对于4U，7U的机构设计，由于机箱的体积变大，在狭小机箱中面临散热因素已不是主要考虑因素。

因此如何合理的利用机箱空间在有限的空间内提供更多的驱动器托架、如何提供多个扩展卡槽位、如何支持双CPU卡、如何抗振动、如何易于维护等因素变成机构设计的主要考虑因素了（这些我们也会在后继的文章中同读者一起来探讨）

壁挂式：

此外，由于某些设备制造商需要把控制中心（IPC）放置在其设备之中。

因此对工控机的体积有较为严格的要求。

传统的上架式19英寸机箱体积基本很难满足要求，因此针对此种客户需求，推出了壁挂式的机箱。

例如研华的IPC－6606/6608壁挂机箱系列。

这类机箱由于体积小，并且应用环境在某设备内部，因此设计理念也重在散热和扩展性能上。

下图是IPC－6806应用在某测试平台的机柜内部状态。

图3 IPC－6806应用在某设备内部

这次我们简单讨论了工控机的尺寸上面的设计，工控机根据应用需求整体上可以分为两大类上架式工控机和壁挂式工控机，后面我们将会从机构设计的散热、抗振、防尘、易于维护、防EMC等角度慢慢来和大家一起探讨工控机的独特特性。

如何选择工控机

（二）                文/冰雷（INCGPSM）

上期我们讨论了工控机在体积方面的设计，由于使用方式的不同，大致可以分为上架式和壁挂式两大类。

这期我们会来讨论一下工控机内部的机构设计理念。

    早在80年代初期，美国AD公司就推出了类似IPC的MAC-150工控机，随后美国IBM公司在85年正式推出工业个人计算机IBM7532。

我现在我们手头有一份当时宣传IBM7532的广告词。

供大家参考：

   IBM7532工业计算机

   IBM7532工业计算机是针对工厂作业需求而设计的，以实现计算机整合制造（CIM）观念为中心目标。

它重点用在生产设备的机器间接口，强调机器之间

如何自动沟通呼应。

它也讲求在工作场所的实际操作，符合在真正作业环境中的各种相关因素。

最重要的，它具有丰富功能的组合，可适应广泛的应用层面。

   它采用高速微处理机，可以发挥强力信息处理的功能；它使用智能型通讯谐调器，可以展现实时处理分配处理和高速数据处理的境界。

不论在那一个作业领域，由于它拥有许多通信功能的组合，均得以针对特殊需求，构建具有多元性质的网络，沟通整条生产线。

IBM7532工业计算机

   特色

   ．可以在差距很大的温度和湿度条件下操作。

   ．具有防尘结构和磁盘保护装置。

   ．有极佳防震和防电击的外壳。

   ．供电装置受到避免外在噪声和电压频率波动的保护。

   ．配置安全键锁。

以防止不当操作，和保障数据安全。

   ．备有系统重置开关，符合人体工学需求。

   ．附有19英寸顶架设计，易于和其它设备结合操作。

    从这些广告词也可以看出工控机和PC的在宣传的不同着眼之处。

但当时的IBM工控机的机构设计方面和IBMAT/XT个人电脑基本类似，仅在防尘和外壳、硬盘保护方面做出了加强。

简言之：

早期的工控机就是一个质量更好的PC。

但是随着时间的推移，工控机架构有了本质上的变化，根据用户使用环境的变化，演变成了现在流行的底板加插卡的架构（BP架构），研华在1989年推出的第一台工控机也是基于这种架构。

顺便说一下：

随着研华为代表的台湾工控机厂商进入工控领域，原本被欧美垄断的高价工控机市场被打破。

该架构主要有如下的优点：

  1、维护时间减少：

随着工控机被大量用于工业现场，基于母板的系统是不灵活的，为了修复或更新系统需要更换整个母板。

更换母板需要在母板拿走之前把所有的插卡和电缆都拔掉。

这就导致修复或更新时系统停机时间增加，这在时间要求苛刻的工控现场是不可接受的。

  因此工程师们想到另外一个方法，取消母板架构，而把核心的CPU处理单元做在一张插卡上，其它的扩展界面则做在底板上，底板是由一些连接器和无源器件组成的。

这种结构使得系统更新和修复简单而且停机时间最少。

这种设计理念影响了整个工控机的发展。

现在我们ECG事业群的ETX技术的嵌入式小板也和这种理念有异曲同工之妙。

研华第一款BP架构的产品出现在1991年，早期由于没有PCI总线，该款产品是基于ISA总线的。

后来PCI总线技术成为PC技术的主流时，1994年，PICMG组织及时在无源底板结构中导入了PCI技术，制定了基于ISA/PCI技术的PICMG1.0标准。

PICMG1.0标准

2、极佳的扩展性

PICMG1.0标准除了上文所阐述的系统更新和修复时间短的主要优点外，还存在另外一个主要优点：

具有极佳的扩展性。

工业现场使用工控机做控制核心，会接上多种扩展卡，扩展卡以早期的ISA卡、主流PCI卡为主，比如我们研华IAG部门的多种采集卡和测量卡。

而视用户需求，所使用的ISA、PCI槽也不同。

举例来说，某些传统的数控机床厂家，为保障其早期在ISA技术上的投资，会采用传统的ISA控制卡为主。

而一些从事视频监控的厂家，由于ISA带宽根本无法满足苛刻的视频带宽需要，必然要采用PCI视频捕捉卡，但是也许会同时选择几个ISA界面的IO卡配合摄像头云台使用。

因此用户对ISA和PCI插槽的需求多种多样。

传统的商用母板上PCI、ISA数量固定，早期主板由于面积所显，一般仅提供3个PCI，3个ISA槽，后来ISA在民用市场面临淘汰，因此诸多商用主板厂商基于成本考量，取消ISA槽，或仅提供一个ISA槽。

因此对于工控用户的多样性，商规主板提供的槽数难免捉襟见肘。

PICMG1.0无源底板标准最高可提供20槽，所提供的ISA、PCI数量也可根据用户需求随意调整。

19英寸4U上架式机箱最高可支持20槽

3、优秀的散热特性

此外采用PICMG1.0架构也有助于整体系统的散热，尤其面对日益严重的系统功耗问题，尤其在工控领域，整机系统中会插入多个扩展卡。

对整机散热的要求更为苛刻。

工控机系统与商用机比较的风流图如下

机箱风扇靠近CPU位置，辅助CPU周围空间散热，并且顺着风流的插卡结构，便于多个卡片的散热

   4U上架机箱的散热设计

机箱风扇风流吹过硬盘表面，辅助硬盘散热

机箱风扇顺着插卡方向，利于系统散热，

壁挂式机箱IPC－6606的散热设计

加装多个PCI卡后，风道受阻，CPU周围形成一个风流回环。

不利于散热。

此外由于机箱空间有限，不利于加装全长PCI卡。

机箱风扇远离CPU核心，仅靠电源风扇辅助散热，效能差

      商用PC的散热风道设计

当然，底板加插卡的物理架构还有一些缺陷，例如，金手指处容易氧化，槽部位容易在振动的情况下松动，因此不太适应那些具有腐蚀性和振动性的环境下。

对于这些情况，业界推出了基于PICMG2.0规范的CompactPCI技术，但由于价格、开发难度等因素，CompactPCI在一段时期内较难进入主流市场。

因此研华针对这种情况推出的工业母板系列作为补充（后文会来探讨工业母板的市场）。

这篇文章我们主要讨论了无源底板加插板架构（BP）的优势。

主要是在维护难度时间、扩展性、散热性等三个方面。

下期我们将会继续讨论研华工控机箱在散热方面的改进

工控机之路（三）－机构散热篇                 文/冰雷 PSM

上文我们介绍了工控机内部架构演变成为底板加插卡的来由及其好处，从本文起，我将会从细节上讨论一台设计优良的工控机的设计理念。

据统计，灰尘、散热、静电是造成计算机不稳定的三大主要因素。

但商用PC机由于使用环境的不同，仅在散热方面遵守AT、ATX、乃至最新的BTX架构，而灰尘和静电问题在普通使用环境下并不突出，因此商用PC对此考虑很少。

但工控机使用环境比较特殊，经常在高温、粉尘、供电条件不好的环境下运行，并大多是在7X24小时环境下运行。

而由于架构的不同，商用PC的机箱设计理念也不能直接照搬到工控机。

因此在散热、防尘方面工控机必须有自己的设计理念，散热的好坏直接影响到工控机的稳定性，下面我们重点来介绍一下工控机在散热和防尘的特性。

早期的CPU由于功耗问题并不突出，因此工控机的散热不是设计的主要考虑因素。

但随着人们对CPU性能需求的增加，处理器的功耗也日益增加。

最新的Intel LGA775架构的P4处理器最大功耗居然在100W以上。

工控机内部的散热问题也变得日益严峻起来。

研华公司针对此问题，不断的在自身的产品上做出改进。

下面我们拿研华的最经典4U上架式机箱610系列来具体分析：

侧面抽取的过滤网

一个易于维护、可热拔插的风扇，支持不关机的情况下更换风扇

第一代IPC－610系列，F版机箱

     这是第一代的IPC610系列机箱中的高端产品IPC－610BP－F，由于这款机箱设计时CPU的功耗问题并不突出，因此其仅采用了单风扇辅助散热设计。

而且我们可以看出，为了考虑工控机应用环境的复杂多样性，风扇的前面是有过滤网设计的的。

由于在某些恶劣环境下，过滤网和风扇必须经常清洗才能保证正常工作，因此在这款机箱上的风扇和过滤网都设计为易于更换的，易于维护的设计理念一直体现在工控机箱的设计中。

尤其在高端工控机产品中，系统的易于维护性是高端市场工控机的设计理念之一。

    当P4处理器进入工控机市场后，其高发热量使得各个工控厂商不得不重视工控机的散热问题。

研华推出了第二代IPC－610系列的工控机便加强了散热方面的考虑。

例如热卖的面对中高端市场的IPC－610H，为了提升散热效果，加大机箱内部风流，采用双风扇的设计。

并基于维护考虑，将双风扇采用模块式的设计理念，固定在一个抽取板上，从而容易更换。

由于采用双风扇后，过滤网的面积加大，因此原有的侧面抽取式过滤网更换方式无法适用，因此工程师们采用了滤网前置前开口的方式便于抽取滤网。

前置易更换的滤网设计

易于插拔的双风扇的散热设计

       第二代610系列机箱IPC－610H

滤网易于抽取更换

即使面对中低端市场的IPC－610L，也在散热风扇和过滤网的设计上有独特的设计理念。

采用前开口的单风扇设计，风扇可前置打开，滤网也易于抽取。

前置风扇易于拆卸

         第二代610系列机箱IPC－610L

看过4U的大机身散热设计，再来考虑1U和2U的机箱内部散热设计。

这类机器由于机箱体积限制，都采用蝶型背板的设计，并提供模块化的设计便于用户维护，但由于小风扇的CFM都比较小，因此只能多采用多风扇来增大风流。

下面我们来看看1U的机箱散热设计：

后备板加装一个小风扇往外抽风，加速机箱内部的风流，并辅助电源的散热

采用单风扇辅助全长扩展卡的散热

                             ACP－1000机箱内部架构图

特殊的模块化设计使得用户维护时间最小

        研华的2U机箱和ACP1000设计理念基本相同，在此不再赘述。

再来了解一下壁挂式机箱的散热设计考虑：

壁挂式机箱要求机构设计紧凑以便满足各种不同场合下的应用，机箱内部寸土寸金，每一个空间都需要合理的应用。

但小机箱内部由于体积所限，采用的风扇功率也不能太大，因此小机箱的散热更考察一个公司的设计功底。

总体来说，小机箱里面有两个最重要的散热对象：

CPU和硬盘。

下面我们来看看壁挂式机箱IPC－6806的在散热方面的设计及其后继版本的改进：

合上上盖后，前置风扇的风流辅助硬盘的散热，硬盘紧贴机箱，利用机箱表面进行散热

1U200W电源在中部，加装CPU长卡后，电源位置会阻碍CPU长卡的散热片散热

易维护的前置过滤网设计，53CFM的风扇

IPC－6806WH

机箱后部的散热口加大，辅助硬盘的散热

易维护的前置过滤网设计，风扇加大到58CFM

1U300W电源改在了后部，有效的改善了CPU散热片的散热

            改进版本IPC－6806W

在这种小机箱内部，采用不同的无源底板、内部的插卡数量也会对散热造成不同的影响。

总体来说，所插入的扩展卡尽量远离电源模块和CPU长卡。

以便留出足够的空隙给机箱内部的板卡。

今年研华推出了一款紧凑型的采用ATX母板的壁挂式/桌上式机箱IPC－7120，这款机箱以所有接口前置为主要卖点，便于用户集成在设备内部并易于维护使用，所以一经推出就吸引了众多用户的眼球。

但由于机身体积较小并可能会被用户集成在散热条件不好的设备内部，且要求支持Intel最新的高性能处理器，因此对散热的要求更高。

多说无益，上图说话。

通过光驱、硬盘支架形成一个风道，便于对CPU和硬盘的散热,且前置小风扇进行抽风散热

此处的硬盘设计可以借助机箱的表面进行辅助散热

85CFM的强力散热风扇

易于更换的风扇过滤网设计

         IPC－7120

以上我们分析了研华在上架式和壁挂式机箱的散热设计理念。

下篇我们会来谈谈工控机在EMC方面的设计考虑。

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连载第一章：

工控机箱的分类

　工控机简介

　 IPC（IndustryPersonalComputer）简称工控机，伴随着PC产业的发展，得到了长足的发展。

尽管IPC在架构上也是基于X86为主，在用户使用端和PC电脑产业相同，但与个人PC电脑产业的发展却完全是不同的道路。

　　　　PC机的设计理念是追求更高的速度、更好的使用舒适度、更好的用户体验………………

　　　　由于消费者需求的不同。

PC机又衍生出家用电脑和商用电脑两大方向。

　　　　对于家用电脑，是以时尚的外形、较高的显卡性能、多媒体显示性能、丰富的扩展性能、多声道声卡等方面作为吸引消费者的卖点，有些高档家用电脑甚至配备遥控器，时尚的音响，俨然一个家庭多媒体中心。

　　　　对于商用客户，则是通过稳重的外观、完备的售后服务、有限的扩展性能、高速度的运算速度等来吸引商用客户采购。

　　工控电脑是完全不同的设计理念，工控电脑更多的是在恶劣的环境下使用，对产品的易维护性、散热、防尘、产品周期、甚至尺寸方面都有着严格的要求。

因此在设计和选择工控机平台的时候，考虑的更多的是机构的设计，然后才是对性能等的考虑。

工控机的尺寸设计

  工控机在很多情况下使用是应用于某个系统之中，因此常常被放置在某个设备之中或上架。

因此对尺寸有较严格的要求。

根据用户的使用情况，分为上架式和壁挂式两种设计：

   上架式机箱：

现在市场上最为常见的研华工控机IPC－610就是标准的4U高度19英寸上架式机箱。

可以应用在标准的机柜之中。

图一：

IPC-610（4U）

　　针对客户的不同需求，我们会提供1U、2U、3U、4U、5U和7U高度的机箱。

　　一般来说，在1U或2U的机构设计上面。

由于机箱体积有限，但CPU的功耗日益加大（最新的P4CPU功耗已超过100W），因此内部散热风流设计变成了厂商面临的最大问题。

而机构散热设计的功力在很大程度上反映了一个厂商的技术实力。

（关于机构散热的设计我们会在后期的文章中讨论）。

　　对于1U工控机，多用于对体积要求较高的电信领域，大多配合上架使用，工控机厂商通过PICMG1.0架构的CPU卡的体积优势，配合1U高度的蝶型底板，可支持最高2个PCI全长卡。

从而满足某些要在1U机箱中集成某些特殊规格卡的用户需求。

　　对于4U，7U的机构设计，由于机箱的体积变大，在狭小机箱中面临散热因素已不是主要考虑因素。

因此如何合理的利用机箱空间在有限的空间内提供更多的驱动器托架、如何提供多个扩展卡槽位、如何支持双CPU卡、如何抗振动、如何易于维护等因素变成机构设计的主要考虑因素了（这些我们也会在后继的文章中同读者一起来探讨）

图二：

ACP-2320（2U）

图三：

ACP-1000（1U）

　　　壁挂式机箱：

此外，由于某些设备制造商需要把控制中心（IPC）放置在其设备之中。

因此对工控机的体积有较为严格的要求。

传统的上架式19英寸机箱体积基本很难满足要求，因此针对此种客户需求，推出了壁挂式的机箱。

例如研华的IPC－6606/6608壁挂机箱系列。

这类机箱由于体积小，并且应用环境在某设备内部，因此设计理念也重在散热和扩展性能上。

下图是IPC－6806应用在某测试平台的机柜内部状态。

 本章总结

　　这次我们简单讨论了工控机的尺寸上面的设计，工控机根据应用需求整体上可以分为两大类上架式工控机和壁挂式工控机，后面我们将会从机构设计的散热、抗振、防尘、易于维护、防EMC等角度慢慢来和大家一起探讨工控机的独特特性。

（未完待续）

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研华工控机基础教程（连载）[第4讲]——研华工控机基础教程——工控机的EMC设计（连载）

提供:

ADVANTECH—研华（中国）有限公司

作者:

薛冰雷　　浏览次数：

26

　　前三期我们分别从工控机机箱的分类、工控机架构、工控机的散热设计等讲述了工控机的设计理念。

这期我们会来讲述工控机的EMC设计的思想。

　　当我们使用电子设备的时候，就会形成电磁干扰。

EMC（Electromagneticcompatibility电磁兼容性）现象在我们生活中随处可见。

例如我们在看电视的时候，如果手机放在电视机旁边，在来电时手机信号会干扰电视信号形成雪花片。

而随着日常电子设备的广泛使用，电子设备的EMC设计正变得日益重要起来。

　　世界大多数发达国家都制定了EMC标准，销往该国家或地区的电子产品必须要符合相应的EMC标准，并通过其认证才可以。

其中比较知名的认证有美国的FCC认证、日本的VCCI认证、欧盟的CE认证，以及我们中国大陆的3C认证等。

　　工控机作为电子产品，自然也要通过苛刻的认证。

研华的产品行销全球，也通过了上述各国的认证标准，具体的通过认证标准可以在我们的产品型录上找到。

　　下面我们来解释一个优秀的工控机如何进行EMC设计的。

　　无论工控机还是商用机，EMC设计中的最首先考虑的是板卡本身的EMI（电磁干扰）设计，研华具有十几年的板卡设计经验，所有工控板都采用6层板设计，并在PCB走线时严格遵循了时钟线等长的概念,采用减少电磁辐射（EMI）阻抗设计与串音控制,走线拓扑的决定都充分尊守了Intel的规范标准。

因此在板卡设计方面就大幅减少了电磁辐射，但由于处理器的频率的提升，单纯依靠板卡本身在EMI方面的设计无法充分满足EMC认证的要求。

因此工控机机箱的EMC设计变得更为重要了。

这篇文章也以机箱的EMC设计为主。

　　在解释工控机机箱的EMC设计之前，我们先来看看商用PC机机箱的EMC设计，商用PC机由于应用在家庭环境中，与人体接触的时间更长，因此对EMC设计的要求也十分严格。

　　虽大多数著名PC品牌由于行销全球，也通过了各国的电磁兼容认证。

但由于用途的不同，商用PC通过的EMC认证和工控机的EMC认证侧重点是不同的。

商用PC的EMC认证更偏向PC机本身对人体的辐射量的考虑，所以在用料和机箱设计上都基于这个方面考虑的。

而工控机的应用环境较为复杂，EMC认证涉及的范围也更为广泛，除了考