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2022研华工控机基础教程(完整版)!你收藏了吗?

作者:东田工控时间:2022-05-28 11:09:333976 次浏览

信息摘要:
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。 


研华工控机基础教程(完整版)



第一部分引言



工业控制计算机,中文简称工控机,英文简称IPC(IndustryPersonalComputer),在工业自动化背景下应运而生。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。

个人PC通常分为家用电脑和商用电脑两大类。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。


第二部分正文


一、工控机的设计分析与选择

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。

如图1 所示:


IPC-610H


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。)


ACP-1000


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。



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。

二、工控机的架构分析

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。

这种架构主要有如下的优点:

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PC104总线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


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。

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,系统的风流图如下:


4U上架机箱的散热设计



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)。


三、工控机的散热分析

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IntelLGA775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:



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。


第二代610系列机箱IPC-610H


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。




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:



ACP-1000机箱内部架构图


研华的2U机箱和ACP1000设计理念基本相同,在此不再赘述。





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