1 貝加萊的創(chuàng )新型頂級產(chǎn)品APC620工控機

　　APC620是貝加萊生產(chǎn)的世界領(lǐng)先的頂級工控機，憑借APC620 這款極具創(chuàng )新性的產(chǎn)品，貝加萊在2005年MSV國際工業(yè)展（歐洲工業(yè)自動(dòng)化最大、最重要的展會(huì )）的評比中榮獲金獎。

　　它的主要特點(diǎn)包括無(wú)風(fēng)扇運行，緊湊化無(wú)線(xiàn)纜設計和較低的價(jià)格。這款APC集成的奔騰M處理器能在不同使用環(huán)境下提供最優(yōu)性能。無(wú)風(fēng)扇運行意味著(zhù)工控機不會(huì )因為風(fēng)扇故障而導致內部器件過(guò)熱損壞，實(shí)際上因為它采用了奔騰M處理器等低功耗元件，整機產(chǎn)生的熱量通過(guò)特制的合金散熱裝置，以自然風(fēng)冷的方式就可以輕松發(fā)散，同時(shí)因為無(wú)風(fēng)扇運行避免了空氣對流的要求，從而有效地阻止灰塵進(jìn)入工控機內部；無(wú)線(xiàn)纜設計意味著(zhù)該工控機在高溫、強振動(dòng)環(huán)境中工作時(shí)，不至于因為線(xiàn)纜的焊接頭松脫等原因而導致故障，所有電路均采用電路板方式被牢牢地固定在工控機內部；當在特殊環(huán)境下，這款工控機可以不用硬盤(pán)而使用特制的工業(yè)級CF卡，在高溫、高頻震動(dòng)、高粉塵等極其惡劣的環(huán)境中，仍然保持穩定可靠的運行。

　　同時(shí)，APC620既支持使用方便、界面友好的Windows XP 系統，同時(shí)也集成了強大的實(shí)時(shí)嵌入式系統Runtime，即使在偶然情況下Windows XP系統出現問(wèn)題或者崩潰，實(shí)時(shí)系統Runtime仍能保持正常運行，有效地保證了實(shí)時(shí)數據能夠及時(shí)安全地處理和記錄,可以說(shuō)是一款永不死機的工控機。

　　該工控機的平均無(wú)故障運行時(shí)間指標（MTBF）不小于50萬(wàn)小時(shí)。

　　傳統工控機需要配置220 VAC電源，APC620工控機配置的電源為24 VDC，對人員安全毫無(wú)威脅，作為人機交互界面使用，非常安全可靠。

　　2 從PC到IPC

　　提起工控機，大家能想到什么呢？下面跟大家一起回憶一下工控機的發(fā)展進(jìn)程：早在二十世紀80年代初，美國AD公司就推出了類(lèi)似IPC（工業(yè)計算機）的MAC-150工控機，隨后美國IBM公司于85年在個(gè)人計算機（PC）的基礎上正式推出工業(yè)計算機IBM7532。以下是一份當時(shí)宣傳IBM 7532的一段廣告描述，供大家參考。

　　2.1 IBM 7532 工業(yè)計算機及其特點(diǎn)

　　IBM 7532 工業(yè)計算機是針對工廠(chǎng)作業(yè)需求而設計的，以實(shí)現計算機集成制造（ CIM ）觀(guān)念為中心目標。它重點(diǎn)用在生產(chǎn)設備之間作為接口，強調機器之間如何自動(dòng)溝通呼應。它也關(guān)注在工作場(chǎng)所的實(shí)際操作，協(xié)調在真正作業(yè)環(huán)境中的各種相關(guān)因素。最重要的，它具有豐富功能的組合，可適應廣泛的應用層面。
　　
　　它采用高速微處理器，可以發(fā)揮強大信息處理的功能；它使用智能型通訊處理器，可以展現實(shí)時(shí)處理分配處理和高速數據處理的境界。不論在那一個(gè)作業(yè)領(lǐng)域，由于它擁有許多通訊功能的組合，均得以針對特殊需求，構建具有多元性質(zhì)的網(wǎng)絡(luò )，溝通整條生產(chǎn)線(xiàn)。
 
　　IBM 7532 工業(yè)計算機的特點(diǎn)如下：

　?。?） 可以在相差很大的溫度和濕度條件下操作

　?。?） 具有防塵結構和磁盤(pán)保護裝置

　?。?） 有極佳防震和防電擊的外殼

　?。?） 供電裝置可防止所受到的外部噪聲干擾和電壓頻率波動(dòng)的影響

　?。?） 配置安全鍵鎖，以防止不當操作，保障數據安全

　?。?） 備有系統重置開(kāi)關(guān)，符合人體工程學(xué)的要求

　?。?） 附有19英寸機架設計，易于和其它設備組合裝配

　　從上述廣告描述中也可以看出工控機和PC在宣傳方面的不同著(zhù)眼之處。但當時(shí)的IBM工控機在機構設計方面與IBM AT/XT個(gè)人電腦基本類(lèi)似，僅在防塵、外殼和硬盤(pán)保護等方面做出了加強。簡(jiǎn)而言之：早期的工控機就是一種質(zhì)量更好的PC。

　　2.2 工控機BP架構的優(yōu)點(diǎn)

　　隨著(zhù)時(shí)間的推移，工控機架構有了本質(zhì)上的變化，根據用戶(hù)使用環(huán)境的變化，演變成了現在流行的底板加插卡的架構（BP架構）。

　　該架構主要有如下優(yōu)點(diǎn)：

　?。?） 維護時(shí)間減少 

　　隨著(zhù)工控機被大量用于工業(yè)現場(chǎng)，基于母板的系統是不靈活的，為了修復或更新系統需要更換整個(gè)母板。更換母板需要在拆除母板之前把所有的插卡和電纜都拔掉，這就導致修復或更新系統時(shí)停機時(shí)間增加，這在對時(shí)間要求苛刻的工控現場(chǎng)是不可接受的。

　　因此，工程師們提出了另外一種方法，即取消母板架構，而把核心的CPU處理單元做在一張插卡上，其它的擴展界面則做在底板上，底板是由一些連接器和無(wú)源器件構成的。這種結構使得系統的更新和修復比較簡(jiǎn)單而且停機時(shí)間也顯著(zhù)縮短。這種設計理念已經(jīng)影響到整個(gè)工控機的結構格局。

圖1 工控機CPU插卡加底板的結構模式

　?。?） 極佳的擴展性

　　除了能使上述的系統更新和修復時(shí)間縮短的主要優(yōu)點(diǎn)外，還有另外一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)：即具有極佳的擴展性。

　　工業(yè)現場(chǎng)使用工控機做控制核心，會(huì )接上多種擴展卡，擴展卡以早期的ISA卡、主流PCI卡為主。而根據用戶(hù)需求，所使用的ISA、PCI插槽也不相同。舉例來(lái)說(shuō)，某些傳統的數控機床廠(chǎng)家，為保障其早期在ISA技術(shù)上的投資，會(huì )以傳統的ISA控制卡為主。而一些從事視頻監控的廠(chǎng)家，由于ISA卡的帶寬根本無(wú)法滿(mǎn)足苛刻的視頻帶寬需求，必然要采用PCI視頻捕捉卡，但是也可能會(huì )同時(shí)選擇幾個(gè)ISA界面的I/O卡配合攝像頭云臺使用?？磥?lái)，用戶(hù)對ISA和PCI插槽的需求是多種多樣的。

　　傳統的商用PC機母板上PCI、ISA插槽數量固定，早期主板由于受面積所限制，一般僅提供3個(gè)PCI和3個(gè)ISA插槽，后來(lái)ISA在民用市場(chǎng)面臨淘汰，因此諸多商用主板廠(chǎng)商基于成本考慮，取消了ISA插槽，或僅提供一個(gè)ISA插槽。因此對于工控用戶(hù)的多樣性，常規主板提供的插槽數量難免捉襟見(jiàn)肘，而工控機的無(wú)源底板標準最高可提供20個(gè)插槽，所提供的ISA、PCI插槽的數量也可根據用戶(hù)的需求而隨意調整。

圖2  19英寸4UI架式工控機箱可支持20個(gè)插槽

　?。?） 良好的散熱性

　　此外，采用工控機架構也有助于整體系統的散熱，尤其面對日益嚴重的系統功耗問(wèn)題。在工控應用中，整機系統中往往會(huì )插入多個(gè)擴展卡，對散熱的要求更為苛刻。工控機與商用機通風(fēng)流向的比較如下圖所示。

圖3  工控機與商用機內部冷卻通風(fēng)流向的比較

　　3  B&R APC的推出彌補了傳統IPC的不足

　　以上就是對傳統的基于PICMG1.0架構的工控機的特點(diǎn)的描述，但通過(guò)這種工控機在工業(yè)現場(chǎng)大量的長(cháng)時(shí)間的應用中，我們發(fā)現它還存在很多問(wèn)題，下面就是關(guān)于這些問(wèn)題的比較詳細的分析以及闡述B&R APC工控機在結構和電路設計方面是如何解決這些問(wèn)題的。

　　3.1 插接部位容易在振動(dòng)的情況下松動(dòng)

　　由于所有的PCI插卡（包括CPU板）都僅由后端的一顆螺釘固定，在遇到震動(dòng)比較強烈的應用場(chǎng)合使用一段時(shí)間之后往往會(huì )發(fā)現機器運行得不穩定，究其原因，很大一部分故障是由于卡板松動(dòng)，致使電路接觸不良而造成的。

圖4  PCI插卡的插接部位容易在振動(dòng)的情況下松動(dòng)

圖5  安裝在鐵路路旁用作檢測的工控機

　　一臺應用在鐵路路旁用作檢測的工控機，工作狀況一直不穩定。技術(shù)人員到達現場(chǎng)后打開(kāi)機箱，拍下的內部照片如圖5所示。從圖中可以很清楚地看到板卡的金手指部分已經(jīng)跳出了PCI插槽。像這樣的情況其實(shí)在振動(dòng)比較強烈的現場(chǎng)是經(jīng)常發(fā)生的，所以我們需要一種更抗震的結構。B&R APC系列工控機就很好地解決了抗震方面的問(wèn)題。

圖6  B&R APC工控機內部采用無(wú)線(xiàn)纜的插卡與針孔連接結構

　　B&R APC系列工控機內部全部采用插卡與針孔連接結構，沒(méi)有一般的排線(xiàn)和電纜，這種結構不僅能在抗震方面性能有所提升，而且在長(cháng)時(shí)間運行中也能避免由于線(xiàn)纜的老化而造成的運行不穩定的問(wèn)題。

　　3.2 散熱問(wèn)題是導致計算機故障的重要原因

　　傳統ISA、PCI插卡和PICMG 1.0的機箱內部散熱結構不符合空氣對流原理。在機箱內卡片較多的情況下，容易形成內部環(huán)流，在夏季或周?chē)鷼鉁剌^高的環(huán)境下，系統往往會(huì )因過(guò)熱而造成死機。由于機箱內部依靠前面板（抽風(fēng)）和電源部分（送風(fēng)）的兩個(gè)風(fēng)扇進(jìn)行散熱，那么由于風(fēng)扇的故障而可能影響到整個(gè)系統的正常工作和壽命。

圖7  傳統工控機箱內部的散熱結構造成不合理的空氣對流方式

　　而B(niǎo)&R APC系列工控機在散熱方面下足了功夫。 該系統選用了低功耗Pentium M系列CPU。在滿(mǎn)足性能要求的同時(shí)，使發(fā)熱量盡可能降低。在整機冷卻設計中不采用散熱風(fēng)扇，取而代之的是分布在幾乎整個(gè)工控機箱表面的大型銅合金散熱片。這樣就很好地解決了工控機箱內部溫度較高，散熱風(fēng)扇長(cháng)時(shí)間工作容易發(fā)生故障的問(wèn)題，使機器在現場(chǎng)長(cháng)期運行的穩定性和可靠性都有大幅度的提高。

圖8  B&R APC系列低功耗無(wú)風(fēng)扇工控機的機箱表面散熱結構

　　3.3 方便的出線(xiàn)和安裝方式

　　傳統工控機的外形為4U，19inch，引出線(xiàn)全部在后面，因此，這樣的工控機在很多場(chǎng)合安裝都不方便，而且由于是后出線(xiàn)，一旦發(fā)生故障，更換，維修，查線(xiàn)都很不方便。

圖9  傳統工控機的外形

　　由于以上原因，B&R APC系列工控機在傳統工控機的外形結構基礎上做了很多改變：

圖10  B&R APC系列工控機的外形及其外部接口

　　由圖10可以看出，B&R APC系列工控機的外形更像是一臺變頻器或者伺服驅動(dòng)器，這樣做的目的是為了能讓工控機更方便地安裝在現場(chǎng)控制柜中。我們還可以看出，它所有的外部引線(xiàn)和設備接口幾乎全在上方和前面板上，這就使得我們的接線(xiàn)和維護工作更加簡(jiǎn)單和容易，MTTR時(shí)間縮短。另外，通過(guò)圖10的接口說(shuō)明可以看出，B&R APC系列工控機是由24VDC電源供電的，較之傳統工控機直接接入220 VAC電源（內部的電源模塊再將交流電源轉換成系統所需的直流電源），系統的電氣特性更好，干擾更小，運行更穩定。
 
　　4 結束語(yǔ)

　　通過(guò)以上分析我們不難看出，傳統的IPC較之普通PC而言，雖然在控制方面有著(zhù)它的優(yōu)勢，但隨著(zhù)控制需求的不斷提高和控制技術(shù)與控制系統的不斷升級，傳統的IPC已經(jīng)在很多方面暴露出了它的不足，而B(niǎo)&R APC系列工控機正是在這樣一種條件下應運而生的，解決了普通IPC所無(wú)法解決的許多問(wèn)題。所以說(shuō)貝加萊的Automation PC是一種結構獨特、性能出眾的工控機。