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工控机的结 嵌入式工控机构与特点

blog 2021-02-23 6 0

  工控机的结构与特点_计算机硬件及网络_IT/计算机_专业资料。工控机的结构与特点

  工控机的结构与特点 工控机全称为工业控制计算机,其基于 PC 总线结构,主要的组成部份为工业机箱、无源底 板及可插入其上的各种板卡组成如 CPU 卡、I/O 卡等。并采取全钢机壳、机卡压条过滤网, 双正压风扇等设计及 EMC(electro magnetic compatibility)技术以解决工业现场的电 磁干扰、震动、灰尘、高/低温等问题。 工控机的特点有: 1、可靠性:工业 PC 具有在粉尘、烟雾、高/低温、潮湿、震动、腐蚀和快速诊断和可维护 性,其 MTTR (Mean Time to Repair)一般为 5min,MTTF 10 万小时以上,而普通 PC 的 MTTF 仅为 10000~15000 小时。 2、实时性:工业 PC 对工业生产过程进行实时在线检测与控制,对工作状况的变化给予快速 响应,及时进行采集和输出调节, (看门狗功能这是普通 PC 所不具有的)遇险自复位,保证 系统的正常运行。 3、扩充性:工业 PC 由于采用底板+CPU 卡结构,因而具有很强的输入输出功能,最多可扩 充 20 个板卡,能与工业现场的各种外设、板卡如车道控制器、视频监控系统、车辆检测仪 等相连,以完成各种任务。 4、软硬件兼容性:能同时利用 ISA 与 PCI 及 PICMG 资源,并支持各种操作系统,多种编程 语言,多任务操作系统,充分利用商用 PC 所积累的软、硬件资源。 5、系统监测和自复位:如今,看家狗电路已成为工业 PC 设计不可缺少的一部分。它能在系 统出现故障时迅速报警,并在无人干预的情况下,使系统自动恢复运行。 二、工控机与商用 PC 在结构上的区别 1、工控机采用无源底板结构,而非商用机的大板结构,从而提高了系统的扩充性,最多可 扩充 20 块板卡,板卡插拔方便、快速修复时间更短; 无源底板是以总线结构形式(如 STD、ISA、PCI 总线等) ,设计成多插槽的底板,在底板插 槽中可插入各种功能模板,如 CPU 主板、CRT 显示器接口板等。 底板的结构是基于模块化的设计思想, 即可根据不同的控制, 以板块结构形式设计成不同的 功能模板,组成不同控制对象的控制系统。 而个人 pc 的底板是总线和功能模块的集成体。扩展功能差(插槽少) ,但节省空间。 2、工控机机箱采用全钢结构、CPU 卡压条、过滤网、双正压风扇、EMI 弹片等来解决工业现 场存在的重压、振动、灰尘、散热、温度、电磁干扰,商用机箱均无以上结构,无法解决上 述问题; 3、工控机支持 19 英寸上架标准,商用机不支持; 4、工控机主板均设计了看门狗功能,支持远程唤醒,自动复位; 5、工控机主板均采用独特的设计、制造、检测工艺,以提高无故障运行时间; 6、工控机相对商用机的宽温、防磁、抗静电等特点更适合要求较高的现场使用。 工控机通俗的说就是专门为工业现场而设计的计算机, 而工业现场一般具有强烈的震动, 灰 尘特别多, 另有很高的电磁场力干扰等特点, 且一般工厂均是连续作业即一年中一般没有休 息。因此,工控机与普通计算机相比必须具有以下特点: 1) 机箱采用钢结构,有较高的防磁、防尘、防冲击的能力。 2) 机箱内有专用底板,底板上有 PCI 和 ISA 插槽。 3) 机箱内有专门电源,电源有较强的抗干扰能力。 4) 要求具有连续长时间工作能力。 5) 一般采用便于安装的标准机箱(4U 标准机箱较为常见) 注:除了以上的特点外,其余基本相同。另外,由于以上的专业特点,同层次的工控机在价 格上要比普通计算机偏贵,但一般不会相差太多。 一、目前工控机的劣势 尽管工控机与普通的商用计算机机相比, 具有得天独厚的优势, 但其劣势也是非常明显的-数据处理能力差,具体如下: 1) 配置硬盘容量小 2) 数据安全性低 3) 存储选择性小 4)价格较高 二、控机工箱分类 IPC(Industry Personal Computer)简称工控机,或者硬盘录像机,DVR(digital video recording) 。工控电脑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。如中昌的工控基本没有这些保护. 工控机箱分类: (1)高度一般分 1U(44MM*430MM*XX) ,2U(88*430*XX) ,3U,4U(178MM*430MM * XX) , 5U,6U,7U,8U 等,一个 1U 的高度是 44MM,其他高度依次类推; (2)长度:国际标准的长度有两种 450MM 与 505MM,根据客户的具体要求还可以扩分其他 长度,比如:480MM,500MM,520MM,530MM,600MM 等;其中 450MM~~520MM 的尺寸机箱占 市场需求的 90%以上;加长型机箱的作用主要是有以下 3 个:一个是安装双 CPU 至强 12” * 13”的主板,必须要 520MM 的长度才能安装这样的大板;另外一个是安装工业 CPU 长卡或 者是 300MM 长的视频卡等需要足够的扩展空间; 最后一个是散热空间的考虑, 由于有些监控 用户需要安装多路视频卡与多个硬盘,比如 64 路,128 路等,10 个硬盘就需要很好的散热 效果; (3)卧式与壁挂式 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。例如某品牌的 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。 服务器机箱--1U 与 2U。 三、工控机箱内部结构 硬盘架,光驱架:硬盘架一般分两种,一种是分拆式,一种是压卡式。品质优异的机箱一般 都带金属弹簧防震功能;安装硬盘数量一般从 4—15 个;底板:底板的规格有多种;主要以 主板的规格来划分。普通的主板一般都可以安装;其中 520MM 以下长度的机箱是安装不了 12”*13”的双至强大板的主板的,必须要 520MM 长度的机箱才能安装。 压卡条:主要起固定作用。有安防监控的安装视频长卡,或者是工业 CPU 长卡时,必须要固 定长卡,一面使用过程中出现晃动,不牢固等现象。后槽的扩展:有 7 槽或 14 槽两种;14 槽的背板主要的用途是安装多路视频卡,比如有些大型的监控系统,则要 64 路,或者 128 路时,必须要换成 14 槽的背板;如右上图 四、工控机箱的导热 散热结构的合理性是关系到计算机能否稳定工作的重要因素。 目前最有效的机箱散热解决方 案是利用互动散热通道结构散热: 外部低温空气由机箱前部 120mm 高速滚珠风扇和机箱两侧 散热孔吸入进入机箱,经过硬盘架、嵌入式工控机, 南北桥芯片、各种板卡、北桥芯片,最后到达 CPU 附近, 在经过 CPU 散热器后,热空气一部分从机箱后部的两个 80mm 高速滚珠排气风扇抽出机箱, 另外一部分通过电源风扇排出机箱。机箱风扇采用滚珠风扇,其优点是风量大、转速高、发 热少、寿命长、噪音低,避免了过大的噪音,真正实现了“绿色”散热。 五、工控机箱的抗震 工控机箱在工作的时候,由于机箱内部的光驱、硬盘、机箱里的多个风扇在高速运转的时候 都会产生震动, 而震动很容易导致光盘读错和硬盘磁道损坏以至丢失数据, 所以机箱的抗震 性也是我们机箱关键的一个结构设计方案。因为考虑到机箱的抗腐蚀、导电、导热等的内部 要求, 我们的机箱减震系统全部采用金属材料制成, 这比起用橡胶材料做减震不光能达到上 述要求,还能起到抗老化,无风扇工控机,耐热等作用。我们这套减震系统的解决方案得到了国内外客户的 好评。 六、工控机箱的电磁屏蔽 我们的主机在工作的时候,主板、CPU、内存和各种板卡都会产生大量的电磁辐射,如果不 加以防范也会对人体造成一定伤害。 这个时候机箱就成为了屏蔽电磁辐射, 保护我们健康的 一道重要防线。 屏蔽良好的机箱还可以有效地阻隔外部辐射干扰, 保证计算机内部配件不受 外部辐射影响。 工控机箱为了增加散热效果, 机箱上必要的部分都会开孔, 包括箱体侧板孔、 抽气扇进风孔和排气扇排风孔等等, 所以孔的形状必须符合能阻挡辐射的技术要求。 机箱上 的开孔要尽量小,而且要尽量采用阻隔辐射能力较强的圆孔。其次,要注意各种指示灯和开 关接线的电磁屏蔽。 比较长的连接线需要设计成绞线, 线两端的裸露的焊接金属部分必需用 胶套包裹,这样也避免了机箱内用电线路产生的电磁辐射。

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