研華《工控機(jī)基礎(chǔ)教程》完整版
前些天，我們分享了松下伺服入門教程（點擊查看：新手教程 | 松下伺服快速入門），不少小伙伴反饋不錯，并建議發(fā)布更多的新手教程。同時，有工程師指出文中出現(xiàn)的少許錯誤，在這里誠摯地向他們表示感謝。
今天要分享的是研華發(fā)布的《工控機(jī)基礎(chǔ)教程》網(wǎng)絡(luò)版，本文沒有涉及太多的技術(shù)知識，更多的是介紹工控機(jī)的設(shè)計原理以及部分箱體硬件，當(dāng)新手面臨“選擇什么樣工控機(jī)”時，可以為其提供參考。其中若有紕漏之處，還請不吝指摘。
以下是正文：
研華工控機(jī)基礎(chǔ)教程（完整版）?第一部分?引言?? 工業(yè)控制計算機(jī)，中文簡稱工控機(jī)，英文簡稱IPC（Industry?Personal?Computer），在工業(yè)自動化背景下應(yīng)運(yùn)而生。伴隨著PC產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，得到了長足的發(fā)展。盡管IPC在架構(gòu)上也是基于X86為主，在用戶使用端和PC電腦產(chǎn)業(yè)相同，但與個人PC電腦產(chǎn)業(yè)的發(fā)展卻完全是不同的道路。 個人PC通常分為家用電腦和商用電腦兩大類。對于家用電腦，是以時尚的外形、較高的顯卡性能、多媒體顯示性能、豐富的擴(kuò)展性能、多聲道聲卡等方面作為吸引消費者的賣點，有些高檔家用電腦甚至配備遙控器，時尚的音響，儼然一個家庭多媒體中心。對于商用客戶，則是通過穩(wěn)重的外觀、完備的售后服務(wù)、有限的擴(kuò)展性能、高速度的運(yùn)算速度等來吸引商用客戶采購。? 工控電腦是完全不同的設(shè)計理念，工控電腦更多的是在惡劣的環(huán)境下使用，對產(chǎn)品的易維護(hù)性、散熱、防塵、產(chǎn)品周期、甚至尺寸方面都有著嚴(yán)格的要求。因此在設(shè)計和選擇工控機(jī)平臺的時候，考慮的更多的是機(jī)構(gòu)的設(shè)計，然后才是對性能等的考慮。? 第二部分?正文?? ? 一、工控機(jī)的設(shè)計分析與選擇1、工控機(jī)的尺寸設(shè)計??? 工控機(jī)在很多情況下使用是應(yīng)用于某個系統(tǒng)之中，因此常常被放置在某個設(shè)備之中或上架。因此對尺寸有較嚴(yán)格的要求。根據(jù)用戶的使用情況，分為上架式和壁掛式兩種設(shè)計。??? 上架式：現(xiàn)在市場上最為常見的研華工控機(jī)IPC－610就是標(biāo)準(zhǔn)的4U高度19英寸上架式機(jī)箱?？梢詰?yīng)用在標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)柜之中。 如圖1 所示：????
?IPC-610H??? 針對客戶的不同需求，我們會提供1U、2U、3U、4U、5U和7U高度的機(jī)箱。 一般來說，在1U或2U的機(jī)構(gòu)設(shè)計上面。由于機(jī)箱體積有限，但CPU的功耗日益加大（最新的P4CPU功耗已超過100W），因此內(nèi)部散熱風(fēng)流設(shè)計變成了廠商面臨的最大問題。而機(jī)構(gòu)散熱設(shè)計的功力在很大程度上反映了 一個廠商的技術(shù)實力。 （關(guān)于機(jī)構(gòu)散熱的設(shè)計我們會在后期 的 文章中討論。） ??? 對于1U工控機(jī)，多用于對體積要求較高的電信領(lǐng)域，大多配合上架使用，工控機(jī)廠商通過PICMG1.0架構(gòu)的CPU卡的體積優(yōu)勢，配合1U高度的蝶型底板，可支持最高2個PCI全長卡。從而滿足某些要在1U機(jī)箱中集成某些特殊規(guī)格卡的用戶需求。??? 對于4U、7U的機(jī)構(gòu)設(shè)計，由于機(jī)箱的體積變大，在狹小機(jī)箱中面臨散熱因素已不是主要考慮因素。因此如何合理的利用機(jī)箱空間在有限的空間內(nèi)提供更多的驅(qū)動器托架、如何提供多個擴(kuò)展卡槽位、如何支持雙CPU卡、如何抗振動、如何易于維護(hù)等因素變成機(jī)構(gòu)設(shè)計的主要考慮因素了。（這些我們也會在后繼的文章中同讀者一起來探討。）? ???
PICMG1.0標(biāo)準(zhǔn)??? 極佳的擴(kuò)展性??? PICMG1.0標(biāo)準(zhǔn)除了上文所闡述的系統(tǒng)更新和修復(fù)時間短的主要優(yōu)點外，還存在另外一個主要優(yōu)點：具有極佳的擴(kuò)展性。 工業(yè)現(xiàn)場使用工控機(jī)做控制核心，會接上多種擴(kuò)展卡，擴(kuò)展卡以早期的ISA卡、主流PCI卡為主，比如我們研華IAG部門的多種采集卡和測量卡。而視用戶需求，所使用的ISA、PCI槽也不同。舉例來說，某些傳統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床廠家，為保障其早期在ISA技術(shù)上的投資，會采用傳統(tǒng)的ISA控制卡為主。而一些從事視頻監(jiān)控的廠家，由于ISA帶寬根本無法滿足苛刻的視頻帶寬需要，必然要采用PCI視頻捕捉卡，但是也許會同時選擇幾個ISA界面的IO卡配合攝像頭云臺使用。因此用戶對ISA和PCI插槽的需求多種多樣。 傳統(tǒng)的商用母板上PCI、ISA數(shù)量固定，早期主板由于面積所顯，一般僅提供3個PCI，3個ISA槽，后來ISA在民用市場面臨淘汰，因此諸多商用主板廠商基于成本考量，取消ISA槽，或僅提供一個ISA槽。因此對于工控用戶的多樣性，商規(guī)主板提供的槽數(shù)難免捉襟見肘。PICMG1.0無源底板標(biāo)準(zhǔn)最高可提供20槽，所提供的ISA、PCI數(shù)量也可根據(jù)用戶需求隨意調(diào)整。?? ? 優(yōu)秀的散熱特性?? ? 此外采用PICMG1.0架構(gòu)也有助于整體系統(tǒng)的散熱，系統(tǒng)的風(fēng)流圖如下： 
4U上架機(jī)箱的散熱設(shè)計? ????商用PC的散熱風(fēng)道設(shè)計????
當(dāng)然，底板加插卡的物理架構(gòu)還有一些缺陷，例如，金手指處容易氧化，槽部位容易在振動的情況下松動，因此不太適應(yīng)那些具有腐蝕性和振動性的環(huán)境下。對于這些情況，業(yè)界推出了基于PICMG2.0規(guī)范的CompactPCI技術(shù)，但由于價格、開發(fā)難度等因素，CompactPCI在一段時期內(nèi)較難進(jìn)入主流市場。因此研華針對這種情況推出的工業(yè)母板系列作為補(bǔ)充（后文會來探討工業(yè)、母板的市場）。????
三、工控機(jī)的散熱分析?
據(jù)統(tǒng)計，灰塵、散熱、靜電是造成計算機(jī)不穩(wěn)定的三大主要因素。但商用PC機(jī)由于使用環(huán)境的不同，僅在散熱方面遵守AT、ATX、乃至最新的BTX架構(gòu)，而灰塵和靜電問題在普通使用環(huán)境下并不突出，因此商用PC對此考慮很少。
但工控機(jī)使用環(huán)境比較特殊，經(jīng)常在高溫、粉塵、供電條件不好的環(huán)境下運(yùn)行，并大多是在7X24小時環(huán)境下運(yùn)行。而由于架構(gòu)的不同，商用PC的機(jī)箱設(shè)計理念也不能直接照搬到工控機(jī)。因此在散熱、防塵方面工控機(jī)必須有自己的設(shè)計理念，散熱的好壞直接影響到工控機(jī)的穩(wěn)定性，下面我們重點來介紹一下工控機(jī)在散熱和防塵的特性。???
早期的CPU由于功耗問題并不突出，因此工控機(jī)的散熱不是設(shè)計的主要考慮因素。但隨著人們對CPU性能需求的增加，處理器的功耗也日益增加。最新的Intel?LGA775架構(gòu)的P4處理器最大功耗居然在100W以上。工控機(jī)內(nèi)部的散熱問題也變得日益嚴(yán)峻起來。研華公司針對此問題，不斷的在自身的產(chǎn)品上做出改進(jìn)。下面我們拿研華的最經(jīng)典4U上架式機(jī)箱610系列來具體分析：?
第一代IPC－610系列，F(xiàn)版機(jī)箱???
這是第一代的IPC610系列機(jī)箱中的高端產(chǎn)品IPC－610BP－F，由于這款機(jī)箱設(shè)計時CPU的功耗問題并不突出，因此其僅采用了單風(fēng)扇輔助散熱設(shè)計。而且我們可以看出，為了考慮工控機(jī)應(yīng)用環(huán)境的復(fù)雜多樣性，風(fēng)扇的前面是有過濾網(wǎng)設(shè)計的的。由于在某些惡劣環(huán)境下，過濾網(wǎng)和風(fēng)扇必須經(jīng)常清洗才能保證正常工作，因此在這款機(jī)箱上的風(fēng)扇和過濾網(wǎng)都設(shè)計為易于更換的，易于維護(hù)的設(shè)計理念一直體現(xiàn)在工控機(jī)箱的設(shè)計中。尤其在高端工控機(jī)產(chǎn)品中，系統(tǒng)的易于維護(hù)性是高端市場工控機(jī)的設(shè)計理念之一。???
當(dāng)P4處理器進(jìn)入工控機(jī)市場后，其高發(fā)熱量使得各個工控廠商不得不重視工控機(jī)的散熱問題。研華推出了第二代IPC－610系列的工控機(jī)便加強(qiáng)了散熱方面的考慮。例如熱賣的面對中高端市場的IPC－610H，為了提升散熱效果，加大機(jī)箱內(nèi)部風(fēng)流，采用雙風(fēng)扇的設(shè)計。并基于維護(hù)考慮，將雙風(fēng)扇采用模塊式的設(shè)計理念，固定在一個抽取板上，從而容易更換。由于采用雙風(fēng)扇后，過濾網(wǎng)的面積加大，因此原有的側(cè)面抽取式過濾網(wǎng)更換方式無法適用，因此工程師們采用了濾網(wǎng)前置前開口的方式便于抽取濾網(wǎng)。
第二代610系列機(jī)箱IPC－610H?
即使面對中低端市場的IPC－610L，也在散熱風(fēng)扇和過濾網(wǎng)的設(shè)計上有獨特的設(shè)計理念。采用前開口的單風(fēng)扇設(shè)計，風(fēng)扇可前置打開，濾網(wǎng)也易于抽取。???
?
??第二代610系列機(jī)箱IPC－610L?
看過4U的大機(jī)身散熱設(shè)計，再來考慮1U和2U的機(jī)箱內(nèi)部散熱設(shè)計。這類機(jī)器由于機(jī)箱體積限制，都采用蝶型背板的設(shè)計，并提供模塊化的設(shè)計便于用戶維護(hù)，但由于小風(fēng)扇的CFM都比較小，因此只能多采用多風(fēng)扇來增大風(fēng)流。下面我們來看看1U的機(jī)箱散熱設(shè)計：
ACP－1000機(jī)箱內(nèi)部架構(gòu)圖????
研華的2U機(jī)箱和ACP1000設(shè)計理念基本相同，在此不再贅述。???
再來了解一下壁掛式機(jī)箱的散熱設(shè)計考慮：???
壁掛式機(jī)箱要求機(jī)構(gòu)設(shè)計緊湊以便滿足各種不同場合下的應(yīng)用，機(jī)箱內(nèi)部寸土寸金，每一個空間都需要合理的應(yīng)用。但小機(jī)箱內(nèi)部由于體積所限，采用的風(fēng)扇功率也不能太大，因此小機(jī)箱的散熱更考察一個公司的設(shè)計功底?？傮w來說，小機(jī)箱里面有兩個最重要的散熱對象：CPU和硬盤。
下面我們來看看壁掛式機(jī)箱IPC－6806的在散熱方面的設(shè)計及其后繼版本的改進(jìn)：? ??
??
IPC－6806WH??
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改進(jìn)版本IPC－6806W???
在這種小機(jī)箱內(nèi)部，采用不同的無源底板、內(nèi)部的插卡數(shù)量也會對散熱造成不同的影響?？傮w來說，所插入的擴(kuò)展卡盡量遠(yuǎn)離電源模塊和CPU長卡。以便留出足夠的空隙給機(jī)箱內(nèi)部的板卡。???
今年研華推出了一款緊湊型的采用ATX母板的壁掛式/桌上式機(jī)箱IPC－7120，這款機(jī)箱以所有接口前置為主要賣點，便于用戶集成在設(shè)備內(nèi)部并易于維護(hù)使用，所以一經(jīng)推出就吸引了眾多用戶的眼球。但由于機(jī)身體積較小并可能會被用戶集成在散熱條件不好的設(shè)備內(nèi)部，且要求支持Intel最新的高性能處理器，因此對散熱的要求更高。???
多說無益，上圖說話。
IPC－7120???
以上我們分析了研華在上架式和壁掛式機(jī)箱的散熱設(shè)計理念。? ???
四、工控機(jī)的EMC設(shè)計???
當(dāng)我們使用電子設(shè)備的時候，就會形成電磁干擾。EMC（Electromagnetic?compatibility電磁兼容性）現(xiàn)象在我們生活中隨處可見。例如我們在看電視的時候，如果手機(jī)放在電視機(jī)旁邊，在來電時手機(jī)信號會干擾電視信號形成雪花片。而隨著日常電子設(shè)備的廣泛使用，電子設(shè)備的EMC設(shè)計正變得日益重要起來。???
世界大多數(shù)發(fā)達(dá)國家都制定了EMC標(biāo)準(zhǔn)，銷往該國家或地區(qū)的電子產(chǎn)品必須要符合相應(yīng)的EMC標(biāo)準(zhǔn)，并通過其認(rèn)證才可以。其中比較知名的認(rèn)證有美國的FCC認(rèn)證、日本的VCCI認(rèn)證、歐盟的CE認(rèn)證，以及我們中國大陸的3C認(rèn)證等。???
工控機(jī)作為電子產(chǎn)品，自然也要通過苛刻的認(rèn)證。研華的產(chǎn)品行銷全球，也通過了上述各國的認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，具體的通過認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)可以在我們的產(chǎn)品型錄上找到。?
下面我們來解釋一個優(yōu)秀的工控機(jī)如何進(jìn)行EMC設(shè)計的。
無論工控機(jī)還是商用機(jī)，EMC設(shè)計中的最首先考慮的是板卡本身的EMI（電磁干擾）設(shè)計，研華具有十幾年的板卡設(shè)計經(jīng)驗，所有工控板都采用6層板設(shè)計，并在PCB走線時嚴(yán)格遵循了時鐘線等長的概念,?采用減少電磁輻射(EMI)阻抗設(shè)計與串音控制?,?走線拓?fù)涞臎Q定都充分尊守了Intel?的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。因此在板卡設(shè)計方面就大幅減少了電磁輻射，但由于處理器的頻率的提升，單純依靠板卡本身在EMI方面的設(shè)計無法充分滿足EMC認(rèn)證的要求。因此工控機(jī)機(jī)箱的EMC設(shè)計變得更為重要了。這篇文章也以機(jī)箱的EMC設(shè)計為主。???
在解釋工控機(jī)機(jī)箱的EMC設(shè)計之前，我們先來看看商用PC機(jī)機(jī)箱的EMC設(shè)計，商用PC機(jī)由于應(yīng)用在家庭環(huán)境中，與人體接觸的時間更長，因此對EMC設(shè)計的要求也十分嚴(yán)格。???
雖大多數(shù)著名PC品牌由于行銷全球，也通過了各國的電磁兼容認(rèn)證。但由于用途的不同，商用PC通過的EMC認(rèn)證和工控機(jī)的EMC認(rèn)證側(cè)重點是不同的。商用PC的EMC認(rèn)證更偏向PC機(jī)本身對人體的輻射量的考慮，所以在用料和機(jī)箱設(shè)計上都基于這個方面考慮的。而工控機(jī)的應(yīng)用環(huán)境較為復(fù)雜，EMC認(rèn)證涉及的范圍也更為廣泛，除了考慮工控機(jī)的電磁輻射干擾外，防止外界的各種因素對工控機(jī)內(nèi)部設(shè)備造成的干擾也是一個EMC設(shè)計要點。???
簡而言之，商用PC的EMC設(shè)計是對內(nèi)的，而工控機(jī)的EMC設(shè)計則是雙向的。???
下面我們通過和商用PC的對比，來闡述對內(nèi)和雙向的區(qū)別：???
1、散熱口的EMC設(shè)計???
首先我們明確一個概念，無論對內(nèi)還是對外，對付電磁輻射最好的方法就是用一個全密封的金屬盒子把電磁輻射體遮蔽起來，而且屏蔽用的金屬層越厚越好。這樣無論對內(nèi)還是對外，電磁屏蔽的效果都最好。但是由于散熱、外接擴(kuò)展設(shè)備的因素。無論商用PC還是工控機(jī)，都無法做到嚴(yán)格密封的狀態(tài)。機(jī)箱關(guān)于防止電磁泄漏設(shè)計很重要的一點就是關(guān)于散熱和電磁泄漏之間的良好平衡性設(shè)計，既要充分散熱，也需要兼顧到電磁兼容方面的設(shè)計，我們通常在商用PC上所見到的，是上面這樣的散熱孔徑，圓形而多孔。? ??
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商用PC的散熱孔設(shè)計???
但實際上防止電磁泄漏的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)對散熱孔徑的大小，以及形狀是有諸多限制的，研究實驗表明，方形孔徑要比圓形孔徑具有更出色的防止電磁泄漏效果。商用PC為何多采用圓形孔徑，恐怕只有商用PC廠商明白吧。?下面我們再來看看工控機(jī)的散熱孔的設(shè)計。還是以經(jīng)典機(jī)型IPC－610H為例：
2、機(jī)箱接縫處的EMC設(shè)計???
根據(jù)理論，當(dāng)機(jī)箱上兩個接觸點之間的距離大于0.25xλ（波長符號）時，兩點之間就會很容易泄漏出有害的電磁輻射。因此在機(jī)箱接縫處的設(shè)計，也是考察EMC設(shè)計功底的一個重要指標(biāo)。????
現(xiàn)在商用PC機(jī)的機(jī)箱鋼板厚度僅為0.6mm，鋼板的強(qiáng)度有限，難以保證機(jī)箱本身受力后不產(chǎn)生形變，并且由于現(xiàn)在商用PC基本多是立式機(jī)箱，因此側(cè)開口的面板也難以保證接縫處的緊密結(jié)合，為了克服這些現(xiàn)象，一些高檔商用PC在機(jī)箱的接縫處留有EMI彈片設(shè)計。
但工控機(jī)的使用環(huán)境復(fù)雜多變，某些環(huán)境是具有較強(qiáng)的振動性的，采用EMI彈片設(shè)計容易在振動的環(huán)境下失去彈片的彈性。工控機(jī)采用的機(jī)箱材料為1.2mm的優(yōu)質(zhì)鋼板，本身具有優(yōu)秀的抗形變特性，由于工控機(jī)機(jī)箱多為臥式的，頂部鋼板自身的重量和鋼材特性已經(jīng)能夠保證機(jī)箱壁之間的嚴(yán)密接觸。優(yōu)秀的工控機(jī)機(jī)箱在不采用EMI彈片的時候也完全可以通過CE，F(xiàn)CC等EMC認(rèn)證。如果某些對電磁兼容極為嚴(yán)格的環(huán)境，例如軍工行業(yè)，我們會推薦客戶在機(jī)箱接縫處使用更為可靠的金屬導(dǎo)電布。? ?
金屬導(dǎo)電布???
在板卡和機(jī)箱的接縫處，這個地方也是極其容易引起電磁泄漏的地方，商用PC由于擴(kuò)展卡較少，很少有品牌在這個地方采用EMI彈片設(shè)計。而工控機(jī)內(nèi)部會插入多塊板卡，板卡和機(jī)箱的接觸嚴(yán)密與否是電磁兼容是否優(yōu)秀的一個重要指標(biāo)，因此做工優(yōu)良的工控機(jī)會采用EMI彈片確保板卡和機(jī)箱之間的接縫緊密可靠。?
???
確保機(jī)箱和板卡緊密接觸的EMI彈片?? ?
3、機(jī)箱表面的特殊設(shè)計???
商用PC機(jī)箱材料多采用鍍鋅鋼板，并考慮吸收機(jī)箱內(nèi)輻射的有效性，在機(jī)箱內(nèi)部沒有進(jìn)行噴漆處理，因此機(jī)箱內(nèi)壁的鍍鋅鋼板是可以導(dǎo)電的，也更容易吸收電磁輻射，這也使得商用PC機(jī)在靜電防護(hù)、電磁屏蔽方面有著先天的優(yōu)勢。商用PC的這種機(jī)箱在普通使用下沒有問題，但是如果用于工控環(huán)境則是十分不合適的。????
首先，工控機(jī)在某些時候要用在有強(qiáng)烈腐蝕性的環(huán)境下，例如海上的海鹽、高速公路上排出的汽車尾氣、化工廠的氣體都具有強(qiáng)烈的腐蝕性。因此機(jī)箱內(nèi)外表面都必須要做抗腐蝕處理。下圖為研華工控機(jī)在機(jī)箱外表面和機(jī)箱內(nèi)壁進(jìn)行防腐蝕烤漆處理后的機(jī)箱。???
其次，有時計算機(jī)會在振動的環(huán)境下工作，在某些特殊的情況下，振動會導(dǎo)致機(jī)箱內(nèi)的某些電器元件接觸到機(jī)箱內(nèi)部表面，由于機(jī)箱內(nèi)壁導(dǎo)電，所以很容易造成短路，燒毀設(shè)備。???
而工控機(jī)在內(nèi)部的噴漆處理使得機(jī)箱內(nèi)壁不導(dǎo)電，可以杜絕這類現(xiàn)象的發(fā)生。但是正所謂成也蕭何、敗也蕭何，正是因為這些不導(dǎo)電的機(jī)箱內(nèi)壁對工控機(jī)的EMC設(shè)計有著更高的挑戰(zhàn)。工控機(jī)由于內(nèi)壁也進(jìn)行了烤漆處理，因此機(jī)箱表面不導(dǎo)電，無法象商用PC一樣形成等地體，因此只得在部分位置處留出沒有噴漆的接觸面，形成導(dǎo)電體，在整個機(jī)箱表面形成等勢體，處理工藝較為復(fù)雜。???
還是讓我們來看看工控機(jī)箱內(nèi)部噴漆的設(shè)計把，以今年INCG新推出的新ACP－4320為例把黑色機(jī)箱看的更清楚。?? ?
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再來看看磁盤托架的接地處理。還是拿這款A(yù)CP－4320為例：
說了這么多，您是不是對商用PC和工控機(jī)的EMC設(shè)計有一個初步的了解了呢？其實作為普通的用戶，檢測您購買產(chǎn)品EMC設(shè)計是否合格的一個重要指標(biāo)是，仔細(xì)查看您購買的該款產(chǎn)品是否通過了相關(guān)EMC認(rèn)證，F(xiàn)CC，CCC，CE，UL等，當(dāng)然認(rèn)證越多，也證明該款產(chǎn)品的EMC設(shè)計越嚴(yán)謹(jǐn)。
