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工控机项目开发与系统集成

一.工控机概述
　　 工控机即工业控制计算机，但现在，更时髦的叫法是产业电脑或工业电脑，英文简称IPC，全称Industrial Personal Computer。工控机通俗的说就是专门为工业现场而设计的计算机。它是一种加固的增强型的个人计算机，它可以作为一个工业控制器在工业环境中可靠运行。
  IPC的技术特点：
　　1、采用符合“EIA”标准的全钢化工业机箱，增强了抗电磁干扰能力。
　　 2、采用总线结构和模块化设计技术。CPU及各功能模块皆使用插板式结构，并带有压杆软锁定，提高了抗冲击、抗振动能力。
　　 3、机箱内装有双风扇，正压对流排风，并装有滤尘网用以防尘。
　　 4、配有高度可靠的工业电源，并有过压、过流保护。
　　 5、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。
　　 6、具有自诊断功能。
　　 7、可视需要选配I/O模板。
　　 8、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。
　　 9、开放性好，兼容性好，吸收了PC机的全部功能，可直接运行PC机的各种应用软件。
　　 10、可配置实时操作系统，便于多任务的调度和运行。
　　 11、可采用无源母板（底板），方便系统升级。
　IPC的主要结构：
　　 1、全钢机箱
　　 IPC的全钢机箱是按标准设计的，抗冲击、抗振动、抗电磁干扰，内部可安装同PC-bus兼容的无源底板。
　　 2、无源底板
　　 无源底板的插槽由ISA和PCI总线的多个插槽组成，ISA或PCI插槽的数量和位置根据需要有一定选择，该板为四层结构，中间两层分别为地      层和电源层，这种结构方式可以减弱板上逻辑信号的相互干扰和降低电源阻抗。底板可插接各种板卡，包括CPU卡、显示卡、控制卡、      I/O卡等。
　　 3、工业电源
　　 为AT开关电源，平均无故障运行时间达到250，000小时。
　　 4、CPU卡
　　 IPC的CPU卡有多种，根据尺寸可分为长卡和半长卡，根据处理器可分为386、486、586、PII、PIII主板，用户可视自己的需要任意选配      。其主要特点是：工作温度0-60℃；装有“看门狗”计时器；低功耗，最大时为5V/2.5A。
　 　5、其他配件：
　　 IPC的其他配件基本上都与PC机兼容，主要有CPU、内存、显卡、硬盘、软驱、键盘、鼠标、光驱、显示器等。工控机箱标准长度为19英寸      ，高度为4U。
     6、适用领域
　　 目前，IPC已被广泛应用于工业及人们生活的方方面面。
　　 例如：控制现场、路桥收费、医疗、环保、通讯、智能交通、监控、语音、排队机、POS、数控机床、加油机、金融、石化、物探、野外便      携、环保、军工、电力、铁路、高速公路、航天、地铁等等。

二、工控机总线分类
　　工业控制计算机采用模块化结构，按其不同的功能分成不同的功能模块，通过总线连接成计算机系统。最近几年，模块化结构的工业控制计算机有被功能强大的单板计算机系统（ SBC — Single Board Computer ，包括了计算机绝大部分功能模块的系统板）和“芯片 PC ”所代替，且已产品化、系列化。工业控制计算机一般采用以下几类总线：

1.S — 100 总线 　　即 IEEE696/S — 100 标准，是 IEEE 在原 S — 100 总线的基础上研制的， S — 100 总线也称为 ALTAIR 总线， S — 100 总线也称 ALTAIR 总线，是 MITS 公司生产 Altair 8080 时使用的总线，该总线共有 100 条引线。但它存在着一些缺点，如有些引线定义不明确、布线不合理等。 IEEE 在对其标准化过程中，澄清了定义含糊的内容，调整了总线信号及其时序关系，并对个别技术问题作了修改。 　　其主要性能特点是：支持 8 位和 16 位的数据传送；具有总线仲裁功能；地址线为 24 位；数据线 16 位； I ／ 0 地址为 16 位，允许有 64K 个 1 ／ O 口； S — 100 总线系统可有 4 ～ 22 个插件槽，每个系统有一个“永久性总线主模块”， 通常为 CPU 板；另外可有 16 个“暂时性主模块”，如 DMA 设备、磁盘驱动器等。

2.MULTIBUS 总线 　　Multibus 总线是由 INTEL 公司推出的工业总线标准，分为 Multibus Ⅰ和 Multibus Ⅱ， Multibus Ⅰ总线即为 IEEE796 标准。 　　Multibus Ⅰ是一个通用系统总线，利用它可以方便、灵活地将 CPU 模板、存储器模板、 1 ／ O 扩展板、单板机等联接起来构成计算机系统或多处理机系统。其主要性能特点是： 8 位、 16 位、 32 位装置可共享同一个 Multibus 系统的资源； 24 条地址线，寻址能力为 16MB ；支持多处理机系统和多主系统；数据传输速率可达 5MBPS ；可支持 8 级中断（分为向量和非向量）：异步传输 8 位或 16 位数据；支持 64K 个 1 ／ O 装置；支持主装置从装置和智能装置，数量最多为 16 个。 Multibus Ⅱ是在 Multibus Ⅰ的基础上扩充而成的，其主要性能特点是：支持 8 位、 16 位和 32 位 CPU ；有一组完整的总线出错报告机构；具有变换结构—— 32 位的地址数据通道是可变换的、 8 条系统控制线的作用随输周期中阶段的不同而不同、 6 条仲裁线在系统初如化和正常运行时的用途也不同；在 32 位的通道上可以传输 8 位、 16 位和 32 位的数据，采用同步传输方式，具有很高的带宽。采用突发传输时可达 40MBPS 、利用单周期传送为 20MBPS ，可靠的高达 10MHz 的同步时钟；支持 255 个中断源和 255 个中断服务；定义了 MULTIBUS 正信息传输规约，大大提高了模板间的通信功能。

3.STD 总线 　　STD 总线是由 pro ～ Log 公司和 Mostek 公司共同设计，于 1978 年 12 月推出的 8 位工业微型计算机总线。该总线以小尺寸的模板结合大规模集成电路技术、建立了一种用功能模块来进行控制系统设计的方法，使任何一种模板都可装于一块母板上，并在其任一插槽上工作。 1989 年， Iiatech 公司引入了一个新的工业总线标准 STD32 ，使得 8 位 STD 产品可与 16 位、 32 位 STD 产品一起工作，并使 STD 总线进入 32 位总线领域，广泛用于工业控制的各个方面，通常包括：自动化、机械设备控制、过程控制、工厂控制检测与测试、数据采集与数学计算。 　　其主要性能特点是：采用小板结构，抗干扰、抗振动、抗断裂能力强；兼容性强，该总线支持 hte1 、 Motoro1a 、 Zl1o9 、 NSC 等多家公司的微处理器；采用了开放式结构，使用户可根据自己的需要利用模板构筑自己的控制系统，易于扩充和维护；利于产品的更新换代，目前已有 CMOS STD 总线产品， Pro 一 Log 公司已推出在该总线上运行的 80486 单板机（即 7874 486 STD 总线卡）；具有很高的可靠性，产品的平均无故障间隔（ MTBF ）有的已达 60 年；可用于分散型控制系统中，进入工业网络。

4.VME 总线 　　VME 是广泛使用的 16 位／ 32 位底板、多处理器的 32 位总线，其结构构思来源于 Motorola 公司为 M68000 微处器开发，于 1979 年发布的 VERSABUS ，后经修改并更命为 VMEbus 。 1982 年 IEC 建议将 VMEbus 作为国际标准并称它为 IEC821 总线， 1983 年 IEEE 微处理器标准委员会采纳了 VMEbus 总线， 1987 年成为 IEEE 1014 标准， 1991 年制定的 VME 64 新标准，不仅使基于原标准的产品向上兼容，并且为向 Futurebus 过渡奠定了基础，为广大 WME 用户提供了良好的投资保护。该总线既适用于简单系统，也适用于复杂系统。 　　其主要性能特点是：支持 8 位、 16 位和 32 位的数据传输，传输方式为异步，最大传输速率为 57MBPS ；采用三种总线仲裁方式，解决各主模板竟占总线问题。它们分别是单级方式 SGL 、固定优先级方式 PRI 和分时循环方式 RRS ；有 7 条中断信号线、，使用特定板上中断处理器处理中断的方式，既可集中到主板上处理，又可分配到整个系统；地址线和数据线分离；没有校验信号线，需采取措施以提高其传输信息的可靠性；有 6 位指定数据传输周期的地址修改码信号线，详细地规定了访问方式；允许 8 位、 16 位和 32 位 CPU 同时在总线上工作；地址通道宽度可以是 8 位、 16 位、 24 位或 32 位，并可同任意宽度的 CPU 相接。

5.ISA 总线 　　也称 PC 总线，即 IEEE P996 标准，是 IBM PC/XT 个人计算机采用的微机总线。针对 Intel 8088 微处理器设计的，有 62 条信号线，为 XT 总线；针对 Intel 80286 等高性能 16 位微处理器，在 XT 总线基础上增加了一个 36 个引脚和 AT 扩展插座而形成 AT 总线，这种结构也称 IBM 公司的 ISA 结构，即工业标准结构。

6.PC/104 和 PC/104 Plus 　　PC/104 ，即 P996.1 标准，是 IEEE P996 （ ISA 总线）的简化版。 PC/104 是工业界公认的嵌入式 PC 标准。 PC/104 和 ISA 总线之间的重要差异是： PC/104 的模板仅为数大小 3.550 × 3.775 英寸（ 90 × 96mm ），；通过堆砌（ self-stacking ）式总线，不再需要基板（ backplanes ）和机笼（ card cages ），堆砌的空间为 0.6 英寸（ 15mm ）；减少模板的个数、降低模板的功耗（每个模板约 1-2 W ）和对总线的驱动力的要求（大多数信号为 4mA ， PC/104 plus 为 3 mA ）。 PC/104 模板具有尺寸小、坚固、组件式、高可靠性、可扩充等特点。随着在基于 PC/104 的嵌入 PC 中采用 Inter Pentium ， PC/104 已不能充分发挥 CPU 的处理能力，因此定义 PC/104 plus 。 PC/104 plus 为在嵌入应用中使用高速度 PCI 总线提供了标准，可为用户提供高速数据传送通道（最大为 132 Mbytes/ 秒，是 PC/104 的 26 倍）。 PC/104 plus 保留了 PC/104 的结构特点，增加了高速的 PCI 总线的特性，并与 PC/104 保持兼容，标准的 PCI/104 模板可安装在 PC/104 plus 上。

7.CPCI （ Compact PCI ） 　　CPCI 是由 PCIMG （ PCI Industrial Comptuer Manufacturers Group ）提出的公开标准，是工控机的新标准。它对 PCI 进行了适当的调整后，可用于工业控制和嵌入式应用。 CPCI 模板的尺寸为一和双倍欧洲标准（ 3U — 100x160 和 6U — 233x160 毫米），并提供标准的前面板接口 。

图1.常见工控机

三．工控机的好处

首先，提高了设备的互操作性，即使不同厂家的多个设备可以工作集成在一个系统中，或者任意选择不同厂家的设备来互相替换，而没有任何功能的缺失。
　　 其次，降低了设备的安装和维护费用。 FCS 可以实现数字化终端功能模块，具有了智能信息处理功能，并且简化了与控制计算机的连线，这样便极大降低了设备的安装费用。同时，现场总线将扩大操作人员观察整个过程的视角，可以方便和有效地进行维护和过程管理，加快查找和消除故障的速度，甚至实现在线诊断。
　　 最后，随着控制功能从 DCS 转移到单独的控制回路，由于就地控制更快，更准确，系统的集成度和可靠性也增加了。这样就改进了整个系统的性能。由于现场总线使得更容易从现场获取设备信息，工厂操作员和管理人员能够对其过程进行更严格的控制，从而改进性能、增加过程的可用性和一致性。
　　 基于以上技术，工业控制自动化将主要包含三个层次，从下往上依次是基础自动化、过程自动化和管理自动化，其核心部分是基础自动化和过程自动化。
　　 如下图所示，即一个典型的工业自动化系统的三层网络结构，其低层是以现场总线将智能测试、控制设备、以及工控机或者 PLC 设备的远程 I/O 点连接在一起的设备层、中间是将 PLC 、工控机以及操作员界面连接在一起的控制层网络，而上层的 Ethernet 以 PC 或工作站为主完成管理和信息服务任务。三级网络各司其职，描述了工业自动化的典型结构。

图 2. 工业自动化系统的三层网络结构示意图

　 可以设想，在 IPC 的基础上通过如上三级网络设备构建成的连接工厂生产过程控制到企业 ERP 系统的前景将是多么诱人！企业管理层可以透过网络直接接受工厂端反馈的生产过程控制信息，而工厂控制端也可以直接接受来自管理层的信息指导，工业生产过程就可以变得透明，使不同职能部门可以通过网络实现有机结合。这样就使得企业管控一体化、工业企业信息化、基于网络自动化的目标得以实现。

五、工控机常见应用和意义

如下图所示，在设备层采用了现场总线控制，各种检测控制设备通过现场总线，在总线桥单元转化为 RS-232/485 等串口信号与现场控制室的近端计算机系统连接。近端单元计算机采用了公司高性能低功耗、整机铝挤散热设计的 AEC-6810 。近端单元计算机与工厂控制中心的工作站通过网络互联，工作站由操作员或管理员对工厂的多种设备运行状态进行监控，方便及时发现和排除故障。工作站采用了研扬的 AWK-3501 前面板防水和带触摸屏的高性价比工作站，内部可采用奔 3 或奔 4 多种级别的板卡。最后，控制层的计算机单元通过以太网与远程服务器 ARS-640 （ 4U 工业控制计算机）连接，方便远距离管理人员获取现场信息并实施管理。这样就构成了一个多层次的高弹性扩展能力的工业自动化系统（以上方案仅供参考）。
　　 综上所述，工业控制计算机在工业自动化中的重要意义在于如下几个方面：
　　 首先是工业控制计算机技术是开放式的系统，其高可靠性、易用性方便了工业环境的使用。并且在其基础上发展起来的网络化和现场总线技术又进一步促进了工业自动化的发展。工业控制计算机可谓是工业自动化发展的源动力。
　　 其次， IPC 建立的系统可以显著提高企业的生产效益，节约运营成本，使生产企业得以实现深层次的信息化，对企业管理提供准确可靠的参考，使企业得以取得最大的效益，赢得发展先机。
　　 最后，更深层面上来讲， IPC 是目前阶段满足我国工业自动化改造与创新发展的一个强大的动力，推动了国民经济各个行业的发展，使我国向信息化的方向迈向前进。

图 3. 工控机工业自动化解决方案示意图