6.1.3.1 主机性能

1.工控机的结构特点

（1）工控机的尺寸设计 工控机在很多情况下是应用于某个系统中，常常被放置在某台设备之中或上架，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。

1）上架式：现在市场上最为常见的研华公司IPC-610工控机就是标准的4U高度19in（1in＝25.4mm，下同）上架式机箱，可以应用在标准的机柜中。研华公司IPC-610工控机如图6-2所示。

针对不同需求，可提供1U、2U、3U、4U、5U和7U高度的机箱。在1U或2U的机构设计上，由于机箱体积有限，但CPU的功耗日益加大（Pentium4 CPU功耗已超过100W），因此内部散热通风设计变成了面临的最大问题。

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高度的蝶形底板，可支持最高2个PCI全长板卡，从而满足某些要在1U机箱中集成某些特殊规格板卡的用户需求。

对于4U、7U的结构设计，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。因此如何合理地利用机箱空间在有限的空间内提供更多的驱动器托架、提供多个扩展卡槽位、支持双CPU卡、抗振动、易于维护等因素变成结构设计的主要考虑因素。

2）壁挂式：由于某些设备需要把IPC放置在其设备中，因此对工控机的体积有较为严格的要求。传统的上架式19in机箱体积很难满足要求，因此针对此种需求，推出了壁挂式机箱。例如研华科技（中国）有限公司（以下简称研华公司）的IPC-6606/6608壁挂式机箱系列。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。研华公司IPC-6608壁挂式工控机如图6-3所示。

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。

图6-2 研华公司IPC-610工控机

图6-3 研华公司IPC-6608壁挂式工控机

（2）底板加插卡架构的优点

1）维护时间减少：取消母板架构，而把核心的CPU做在一张插卡上，其他的扩展界面则做在底板上，底板是由一些连接器和无源元件组成的。这种结构使得系统更新和修复简单而且停机时间最少。

1994年，全球PCI工业计算机制造组织（PICMG）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。

2）极佳的扩展性：传统的商用母板上PCI、ISA数量固定，早期主板由于面积所限，一般仅提供3个PCI槽、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为了降低成本，取消ISA槽，或仅提供一个ISA槽。由于工控机用户的多样性，商用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。

3）优秀的散热特性：底板加插卡的物理架构还有一些缺陷，例如金手指（指插入槽位内板卡等的金属部分）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工作。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。

（3）抗EMI（电磁干扰）研华公司的所有工控板都采用6层板设计，并在PCB走线时严格遵循了时钟线等长的概念，采用减少电磁干扰（EMI）阻抗设计与串音控制，走线拓扑的决定都充分遵守了Intel公司的规范标准。因此在板卡设计方面，就大幅减少了电磁干扰，但由于处理器的频率的提升，单纯依靠板卡本身在抗EMI方面的设计，无法充分满足电磁兼容性（EMC）认证的要求。因此工控机机箱的EMC设计变得更为重要了。由于工控机的应用环境较为复杂，除了考虑工控机的电磁辐射干扰外，防止外界的各种因素对工控机内部设备造成的干扰，也是EMC设计的一个要点。

1）散热口的EMC设计：散热孔采用方形孔，方形孔要比圆形孔具有更出色的防止电磁泄漏效果。

2）机箱接缝处的EMC设计：工控机采用的机箱材料为1.2mm厚的优质钢板，本身具有优秀的抗形变特性，由于工控机机箱多为卧式的，顶部钢板自身的重量和钢材特性已经能够保证机箱壁之间的严密接触。

3）机箱表面的特殊设计：机箱内外表面都必须做抗腐蚀处理。

下面介绍几种典型产品。

2.研华公司ATM-4233工业自动化机箱

（1）概述 为了满足应用需求以及为了提高产品性能和在当前工控机市场中的竞争力，研华公司在ACP-4001的基础上推出了ATM-4233。ATM-4233工业自动化机箱，如图6-4所示。

图6-4 ATM-4233工业自动化机箱

（2）特点

1）4U高19in架装机箱带6in薄膜晶体管（TFT）LCD显示；

2）集成视频A-D转换板确保CPU卡与In-tel Pentium 4处理器的兼容性；

3）14槽扩展无源底板；

4）前端抽取软盘驱动器托架，可方便地安装3个抗振动的5.25in驱动器；

5）用于亮度调节的屏幕显示（OSD）控制；

6）适合自动测量设备和生产线测试；

7）高亮度TFT LCD面板（400cd/m²）；(www.daowen.com)

8）视频图形阵列（VGA）显示分辨率为640像素×480像素；

9）前端接线、2个USB端口和电源开/关复位按钮。

3.研华公司AWS-8248V低成本一体化工作站

（1）概述AWS-8248V是一款带有14槽的15in TFT LCD工业级一体化工作站，它是研华公司原有主打产品AWS-8248的升级，相比而言，AWS-8248 V具有更强的扩展性能，更大的LCD。AWS-8248V由于采用了带有三个抽屉的模块化设计，使得维护更为便捷，AWS-8248V采用最为经济和易于维护的设计方案，为用户提供了多个扩展槽和15in LCD，可选择不同的CPU卡。AWS-8248V一体化工作站如图6-5所示。

（2）一般特点

1）15in TFT LCD经济型模块化14槽工作站，分辨率为1024像素×768像素；

2）板卡安装模块化设计，可方便维护插卡、CPU卡和电源；

3）机箱背面带2个含可移动托架的3.5in硬盘和CD-ROM驱动器；

4）前面板带OSD和操作键；

5）铝质前面板符合NEMA4/CP65标准；

6）可选电阻型触摸屏。

图6-5 AWS-8248V一体化工作站

（3）详细特征

1）易于维护：AWS-8248V的模块化设计使得维护更为便捷，三个抽屉允许用户添加维护板卡、硬盘、CD-ROM和电源，对其进行维护只需要使用很短的时间，随机附带的扣子使得维护操作更为方便，提高了系统维护的效率。

2）易于操作的控制板：打开前面板上的保护门后，可以方便地对AWS-8248V进行操作，可做的操作包括电源开关键、复位键、面板下方的OSD键以及一个3.5in 1.44MB软驱铝质防护门，可以防止他人控制系统，同时具有防尘防水的功能，此外还能防止不必要的误操作。

3）满足恶劣环境要求的工业级设计：AWS-8248V的许多独具匠心的设计使得它能满足各种工业等级的需求，前面板由铝合金制成，可以防止其受到盐酸及其他成分的侵蚀，同时采用了防水设计，符合NEMA4/CP65标准。AWS-8248V提供三种安装方式，19in机架安装、面板安装和台式安装。AWS-8248V后视图如图6-6所示。

图6-6 AWS-8248V后视图

4.研华公司TPC-1560T嵌入式平板工控机

它是目前市场上功能最强大的全集成LCD工控机，具有超轻超薄的紧凑型设计，可以安装在所有工作环境或各种应用中。嵌入式平板工控机可以采用壁挂式安装或面板安装方式，也可以使用时尚的支座或悬臂将其安装在桌面上，集成的安装孔和特点使用户可以根据自己的需要采用任何安装方式。通过使用扩展套件，用户可以方便地插入标准PCI插卡。TPC-1560T嵌入式平板工控机带有一个高质量的LCD，使用的处理器为Transmeta^TMCrusoe^TM5400。Crusoe^TM5400是一款低功耗的x86兼容处理器，工作频率为500MHz。因此该系统在提供强大功能的同时，采用了无风扇设计，使系统运行更加可靠。此外，TPC-1560T采用了无运动部件的存储方案，是一套持久耐用的可靠平台，对于需要使用运动部件的存储应用，则可以使用一块硬盘，此硬盘的安装非常方便，它还提供了一个PC/104＋扩展槽用于特殊要求下的扩展，研华公司TPC-1560T嵌入式平板工控机如图6-7所示。

5.康泰克（CONTEC）公司IPC-88D工控机

它采用All-in-one（全部集成在一块）主板、486～Pentium 3可选、300V工业电源、47cm（19in）加固型工业机箱、双冷风扇、防尘防振动、14槽无源PCI/ISA总线板，风扇及风扇过滤层可拆卸，调换方便。驱动器门可上锁，且具备密封性能，防止灰尘进入，确保系统运行安全可靠。U形结构的卡板压条，使刚性增强，不易弯曲；三种规格的卡板压块适于固定不同大小的卡板。机箱操作面板装有复位、电源开/关和键盘锁定控制。LED显示电源（POWER）、硬盘驱动器（HDD）、键盘连接（KB-LK）工作状态，且可拆卸，便于维护。可安装8/14槽ISA或PCI/ISA PICMG总线板和Baby-AT或ATX主机板。有4种不同规格的接口挡片设计，可根据用户对接口的不同扩充需求，随意拆装。机箱侧面采用导轨设计，可置于机柜或桌面。采用防振动设计的可拆卸内嵌式驱动器机架，可安装3台130mm（5.25in）软盘驱动器（FDD）和2台90mm（3.5in）硬盘驱动器（HDD），以便用户自由组合。康泰克公司IPC-88D工控机如图6-8所示。

图6-7 TPC-1560T嵌入式平板工控机

图6-8 康泰克公司IPC-88D工控机

6.1.3.2 过程通道

应用计算机对生产现场的设备进行控制，首先要把各种测量参数送入计算机中，计算机对这些采样数据进行计算处理后将计算结果输出。由于计算机的输出结果是以数字量的形式输出的，必须将其转换成可对生产过程进行控制的量。工业控制需要处理和控制的信号主要有模拟量信号和开关量信号（数字量信号）两类，由于模拟量信号和开关量信号这两种信号特性不同，需采用不同的信号处理方式。

工控机的接口板卡一般由三部分组成：PC总线接口部分、板卡功能实现部分和信号处理部分。对于模拟信号，板卡功能实现部分主要包括采样、隔离、放大、A-D和D-A转换电路的设计和接口控制逻辑；对于芯片的选择，则应根据工业控制的精度和可靠性来选取；对于开关信号，板卡功能实现部分主要包括数据的输入缓冲和输出锁存器以及隔离电路等。

显然，构成一个工业控制系统，除了工控机主机外，还需要配备各种用途的I/O接口板卡。表6-1列出部分I/O接口板卡的用途。

表6-1 部分I/O接口板卡的用途

此外，还有其他一些专用I/O板卡，如虚拟存储板（电子盘）、信号调理板卡、专用（接线）端子板等，由这些种类齐全、功能良好的I/O接口板卡与工控机配合使用，使构成实际系统成为较简单的事。