今天我要分享的是研华发布的《工业计算机基础教程》网络版。 本文不涉及太多技术知识。 更多的是介绍工业电脑和一些机柜硬件的设计原理。 当新手面临“选择什么样的工控机?”的时候机”,可以为其提供参考。如有错误,欢迎指出。

 

正文如下:

研华工控机基础教程(完整版)

第一部分 简介

工业控制计算机,中文简称工业个人计算机,英文简称IPC(Industry Personal Computer),是在工业自动化的背景下应运而生的。 随着PC产业的发展,它也取得了长足的进步。 虽然IPC的架构也是基于X86,在用户端与PC行业的架构相同,但个人PC行业的发展与个人PC行业完全不同。

个人电脑一般分为两类:家用电脑和商用电脑。 对于家用电脑而言,以时尚的外观、高显卡性能、多媒体显示性能、丰富的扩展性能、多声道声卡等方面作为卖点来吸引消费者。 一些高端家用电脑甚至配备了遥控器和时尚的音响。 ,就像一个家庭多媒体中心。 对于商业客户来说,它通过稳定的外观、完善的售后服务、有限的扩展性能、高速的运算速度来吸引商业客户购买。

工业PC是完全不同的设计理念。 工业PC大多使用在恶劣的环境中,对产品维护、散热、防尘、产品周期、甚至尺寸都有严格的要求。 因此,在设计和选择工业计算机平台时,更多地考虑机构的设计,然后再考虑性能。

第二部分 正文

1、工业计算机的设计分析与选型

1、工控机尺寸设计

很多情况下,工控机是在某个系统中使用的,所以常常将其放置在某个设备中或者放在货架上。 因此,对尺寸有更严格的要求。 根据用户的使用情况,分为机架式和壁挂式两种设计。

机架式:市场上最常见的研华工业计算机IPC-610是标准4U 19英寸机架式机箱。 可用于标准机柜。

如图1所示:

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IPC-610H

根据客户的不同需求,我们将提供高度为1U、2U、3U、4U、5U、7U的机箱。

一般来说,就1U或2U的制度设计而言。 由于机箱尺寸有限,CPU的功耗日益增大(最新的P4CPU功耗已超过100W),因此内部冷却气流的设计成为厂商面临的最大问题。 机构热设计的强弱在很大程度上体现了一个厂家的技术实力。 (我们将在后面的文章中讨论该机构的散热设计。)

对于1U工控机来说,多用于体积要求较高的电信领域,多与架子一起使用。 工控机厂商利用PICMG1.0架构的CPU卡的尺寸优势,配合蝶形背板的1U高度,可支持最多2个PCI全长卡。 为了满足一些用户希望在1U机箱中集成一些特殊规格卡的需求。

对于4U、7U的机构设计,由于机箱尺寸较大,窄小机箱内的散热因素不再是主要考虑因素。 因此,如何合理利用机箱空间,在有限的空间内提供更多的驱动器托架、如何提供多个扩展卡插槽、如何支持双CPU卡、如何抗振动、如何方便维护等因素就成为了当前亟待解决的问题。机构设计的主要因素。 考虑因素。 (我们也会在后续文章中与读者讨论这些。)

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ACP-1000

壁挂式:

另外,一些设备制造商需要将控制中心(IPC)放置在他们的设备中。 因此,对工业计算机的体积有比较严格的要求。 传统的机架式19英寸机箱的体积基本难以满足要求,因此针对这一客户需求,推出了壁挂式机箱。 例如研华的IPC-6606/6608壁挂式机箱系列。 由于此类机箱体积较小,且应用环境在一定设备内部,因此设计理念也注重散热和扩展性能。 下图为测试平台上应用IPC-6806的机柜内部状态。

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IPC-6806应用于某设备内部

这次我们简单讨论一下工控机尺寸的设计。 根据应用要求,工业计算机可分为机架式工业计算机和壁挂式工业计算机两大类。 稍后我们会讨论散热、抗震动,下面我们慢慢从防尘、易维护、防EMC等角度来探讨一下工业电脑的独特特性。

2、工控机架构分析

早期的工业计算机是质量更好的 PC。 然而,随着时间的推移,工业计算机的架构发生了根本性的变化。 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。

该架构主要有以下优点:

减少维护时间

由于工业计算机广泛应用于工业现场,基于主板的系统缺乏灵活性,需要更换整个主板才能修复或更新系统。 更换主板需要先拔掉所有卡和电缆,然后再卸下主板。 这会导致系统因维修或更新而停机的时间增加,这在工业控制站点中是不可接受的。

因此,工程师们想到了另一种方法,取消主板架构,将核心CPU处理单元制作在插卡上,其他扩展接口制作在背板上,由一些连接器和无源器件组成。 。 这种结构允许简单的系统更新和修复,并最大限度地减少停机时间。 这种设计理念影响了整个工业计算机的发展。 现在我们心电事业群的PC104总线技术嵌入式小板也有与这个理念相同的想法。

研华第一款BP架构产品出现于1991年,由于早期没有PCI总线,所以该产品基于ISA总线。 后来,当PCI总线技术成为PC技术的主流时,1994年,PICMG组织及时将PCI技术引入到无源背板结构中,并在ISA/PCI技术的基础上制定了PICMG1.0标准。

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PICMG1.0标准

优秀的可扩展性

除了上面解释的系统更新和修复时间短的主要优点外,PICMG1.0标准还有另一个主要优点:出色的可扩展性。

工业计算机作为工业现场的控制核心,会连接各种扩展卡。 扩展卡主要是早期的ISA卡和主流的PCI卡,比如我们研华IAG部门的各种采集卡和测量卡。 根据用户需求的不同,所使用的ISA和PCI插槽也有所不同。 例如,一些传统的数控机床制造商将主要使用传统的ISA控制卡,以保护其早期对ISA技术的投资。 一些从事视频监控的厂家必须使用PCI视频采集卡,因为ISA带宽无法满足苛刻的视频带宽需求,但他们也可能会选择几块ISA接口IO卡来配合摄像机云台使用。 因此,用户对ISA和PCI插槽有不同的需求。

传统的商用主板具有固定数量的 PCI 和 ISA 插槽。 早期的主板由于面积有限,一般只提供3个PCI和3个ISA插槽。 后来,ISA在民用市场面临淘汰。 因此,不少商用主板厂商基于成本考虑取消了ISA。 插槽,或者只提供1个ISA插槽。 因此,针对工控用户的多样性,商用主板提供的插槽数量不可避免地捉襟见肘。 PICMG1.0无源背板标准最多可提供20个插槽,提供的ISA和PCI数量也可根据用户需求进行调整。

优良的散热特性

另外,PICMG1.0架构的采用也有助于整个系统的散热。 系统气流图如下:

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4U机架式机箱的散热设计

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商用 PC 的冷却管道设计

当然,底板和插卡的物理结构仍然存在一些缺陷。 例如,金手指容易氧化,凹槽容易因振动而松动,因此不适合腐蚀和振动环境。 针对这些情况,业界推出了基于PICMG2.0规范的CompactPCI技术。 但由于价格和开发难度等因素,CompactPCI在一段时间内很难进入主流市场。 因此,研华推出了工业主板系列作为这种情况的补充(稍后我们将讨论工业和主板市场)。

3、工业计算机散热分析

据统计,灰尘、散热、静电是导致电脑不稳定的三大因素。 但由于使用环境不同,商用PC在散热方面仅遵循AT、ATX,甚至最新的BTX架构。 灰尘和静电问题在普通使用环境中并不突出,因此商用PC很少考虑这一点。

然而,工业计算机的使用环境比较特殊。 它们经常在高温、灰尘和供电条件较差的环境中运行,并且大多数在 24/7 环境下运行。 由于架构不同,商用PC的机箱设计理念无法直接照搬到工业PC上。 因此,工业电脑在散热、防尘方面必须有自己的设计理念。 散热的好坏直接影响工控机的稳定性。 下面重点介绍一下工业电脑的散热和防尘特点。

早期的CPU由于功耗问题并不突出,所以工控机的散热并不是设计时主要考虑的。 然而,随着人们对CPU性能需求的提高,处理器的功耗也在不断增加。 采用最新Intel LGA775架构的P4处理器的最大功耗实际上在100W以上。 工控机内部的散热问题也日益严重。 针对这个问题,研华不断改进自己的产品。 我们以研华最经典的4U机架式机箱610系列来具体分析:

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第一代IPC-610系列,F版机箱

这是第一代IPC610系列机箱中的高端产品IPC-610BP-F。 由于这款机箱设计时CPU功耗问题并不突出,因此仅采用了单风扇辅助散热设计。 并且我们可以看到,为了考虑工控机应用环境的复杂性和多样性,风扇前端设计有过滤器。 由于在一些恶劣的环境下,必须经常清洁过滤器和风扇才能保证正常运行,因此该机箱上的风扇和过滤器被设计成易于更换。 易于维护的设计理念一直体现在工控机箱的设计中。 中间。 尤其是在高端工业计算机产品中,系统的易维护性是高端市场工业计算机的设计理念之一。

当P4处理器进入工控机市场后,其高发热量让各工控厂商不得不重视工控机的散热问题。 研华推出第二代IPC-610系列工业电脑,强化散热考虑。 例如,中高端市场最畅销的IPC-610H就采用了双风扇设计,以提高散热效果并增加机箱内部的空气流通。 并且基于维护考虑,双风扇采用模块化设计理念,固定在抽取板上,方便更换。 由于使用双风扇后过滤器面积增大,原有的侧抽式过滤器更换方式无法应用。 因此,工程师们采用了将过滤器前端打开的方法,以方便过滤器的抽出。

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第二代610系列机箱IPC-610H

即使面对中低端市场的IPC-610L,在散热风扇和过滤器的设计上也有独特的设计理念。 采用前开单风扇设计,风扇可前开,滤网易于抽出。

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第二代610系列机箱IPC-610L

看完4U大机身的散热设计,我们再来考虑1U和2U机箱内部的散热设计。 由于机箱尺寸限制,该型机器采用蝶形背板设计,并提供模块化设计,方便用户维护。 但由于小风扇的CFM比较小,只能采用多个风扇来增加风量。 我们来看看1U机箱的散热设计:

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ACP-1000机箱内部架构图

研华的2U机箱和ACP1000的设计理念基本相同,这里不再赘述。

我们来看看壁挂式机箱的散热设计注意事项:

壁挂式机箱需要紧凑的设计,以满足各种场合的应用。 机箱内部的空间非常宝贵,每个空间都需要合理利用。 但由于小机箱内的体积有限,所使用的风扇功率不能太大。 因此,小机箱的散热取决于一个公司的设计功底。 一般来说,一个小机箱里最重要的散热对象有两个:CPU和硬盘。

我们来看看壁挂式机箱IPC-6806的散热设计及其后继版本的改进:

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IPC-6806WH

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改进版IPC-6806W

在如此小的机箱中,采用不同的无源背板以及内部卡的数量也会对散热产生不同的影响。 一般来说,插入的扩展卡应尽量远离电源模块和CPU长卡。 为了给机箱内部的单板留出足够的空间。

今年研华推出了一款采用ATX主板的紧凑型壁挂式/台式机箱IPC-7120。 该机箱以所有接口前置为主要卖点,方便用户集成到设备中,并且易于维护和使用。 因此,它一经推出就吸引了众多用户的关注。 但由于机身较小,可能被用户集成到散热条件较差的设备中,且要求支持Intel最新的高性能处理器,因此对散热的要求更高。

多说也没用,上图就说明了一切。

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IPC-7120

以上我们分析了研华对于机架式和壁挂式机箱的散热设计理念。

4.工业计算机的EMC设计

当我们使用电子设备时,会产生电磁干扰。 EMC(电磁兼容)现象在我们的生活中随处可见。 比如我们在看电视的时候,如果把手机放在电视旁边,来电时手机信号就会干扰电视信号,形成雪花。 随着日常电子设备的广泛使用,电子设备的EMC设计变得越来越重要。

世界上大多数发达国家都制定了EMC标准,销往这些国家或地区的电子产品必须符合相应的EMC标准并通过认证。 其中比较知名的认证有美国的FCC认证、日本的VCCI认证、欧盟的CE认证以及我们中国大陆的3C认证。

工业电脑作为电子产品,自然要通过严格的认证。 研华的产品销往世界各地,并已通过上述国家的认证标准。 具体的认证标准可以在我们的产品目录中找到。

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下面我们来讲解一下一台优秀的工控机是如何进行EMC设计的。

无论工业计算机还是商用计算机,EMC设计首先考虑的是板卡本身的EMI(电磁干扰)设计。 研华在电路板设计方面拥有十多年的经验。 所有工控板均采用6层板设计。 PCB走线严格遵循时钟线等长概念,采用电磁辐射(EMI)阻抗设计和串扰控制,走线拓扑决策完全尊重Intel的规范标准。 因此,在板卡的设计上大大降低了电磁辐射,但由于处理器频率的提高,板卡本身的EMI设计并不能完全满足EMC认证的要求。 因此,工控机机箱的EMC设计变得更加重要。 本文还重点讨论了机箱的 EMC 设计。

在讲解工控机机箱的EMC设计之前,我们先来了解一下商用PC机箱的EMC设计。 由于商用PC是在家庭环境中使用,与人体接触的时间较长,因此对于EMC设计的要求也非常严格。 。

虽然大多数知名PC品牌由于行销全球,都通过了各国的电磁兼容认证。 但由于用途不同,商用电脑的EMC认证和工业电脑的EMC认证侧重点有所不同。 商用PC的EMC认证更关注PC本身对人体的辐射量,因此材料和机箱设计都是基于此考虑。 工业计算机的应用环境更加复杂,EMC认证的范围也更广。 除了考虑工控机的电磁辐射干扰外,防止各种外界因素对工控机内部设备造成的干扰也是EMC设计要点。

简而言之,商用PC的EMC设计是内部的,而工业计算机的EMC设计是双向的。

下面我们通过与商用PC的对比来说明内部和双向的区别:

1、散热孔EMC设计

首先我们明确一个概念,无论是内部还是外部,应对电磁辐射最好的办法就是使用全密封的金属盒来屏蔽电磁辐射器,并且屏蔽的金属层越厚越好。 这样无论是内部还是外部的电磁屏蔽效果都是最好的。 但由于散热和外部扩展装置等因素。 无论是商用PC还是工业计算机,都不可能达到严格密封的状态。 防止电磁泄漏的机箱设计中最重要的一点就是散热和电磁泄漏之间良好平衡的设计。 既要充分散热,又要考虑到电磁兼容的设计。 我们通常在商用 PC 上看到它。 就是上面的散热孔,圆形,多孔。

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商用PC散热孔设计

但事实上,防止电磁泄漏的设计标准对散热孔径的大小和形状有很多限制。 研究实验表明,方形孔径比圆形孔径具有更好的防止电磁泄漏的效果。 恐怕只有商用PC厂商才明白为什么商用PC经常采用圆形光圈。 接下来我们看看工控机的散热孔设计。 我们以经典型号IPC-610H为例:

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2、机箱接缝处的EMC设计

根据理论,当底盘上两个接触点之间的距离大于0.25xλ(波长符号)时,有害的电磁辐射很容易从两点之间泄漏出去。 因此,机箱接缝的设计也是检验EMC设计功底的重要指标。

目前商用PC机箱的钢板厚度仅为0.6mm,钢板的强度有限。 为了克服这些现象,一些高端商用PC在机箱接缝处留下了EMI弹片设计。

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但工控机的使用环境复杂多变,部分环境振动较强。 EMI弹片设计在振动环境下很容易失去弹片的弹性。 工控机机箱材质为1.2mm优质钢板,具有优良的抗变形特性。 由于工控机的机箱多为卧式,顶部钢板本身的重量和钢材的特性可以保证机箱壁之间的紧密接触。 一款优秀的工控机机箱无需使用EMI弹片即可通过CE、FCC等EMC认证。 如果有某些对电磁兼容极其严格的环境,比如军工行业,我们会建议客户在机箱接缝处使用更可靠的金属导电布。

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金属导电布

板卡与机箱的接缝处也是极易发生电磁泄漏的地方。 由于商用PC中缺乏扩展卡,很少有品牌在这个地方采用EMI弹片设计。 但工控机内部会插入多块板卡,板卡与机箱接触是否紧密是电磁兼容性是否优良的重要指标。 因此,做工精良的工控机都会使用EMI弹片来保证板卡与机箱之间的接缝严密。 可靠的。

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EMI弹片保证机箱与板卡紧密接触

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3、底盘表面特殊设计

商用PC机箱材料多采用镀锌钢板,考虑到机箱内部吸收辐射的效果,机箱内部没有进行喷漆处理。 因此,机箱内壁的镀锌钢板具有导电性,更容易吸收电磁辐射,这也使得商用PC在静电防护和电磁屏蔽方面具有先天的优势。 这种商用PC的机箱在正常使用情况下是没有问题的,但是如果用在工控环境中就非常不合适了。

首先,工业计算机在某些时候必须在高腐蚀性环境中使用。 例如,海上的海盐、高速公路的汽车尾气、化工厂的气体等都具有很强的腐蚀性。 因此,底盘的内外表面都必须进行防腐处理。 下图为研华工控机机箱外表面及内壁经过防腐喷漆处理后的机箱。

其次,有时电脑会在振动的环境中工作。 在一些特殊情况下,振动会导致机箱内的一些电气元件与机箱内表面接触。 由于机箱内壁具有导电性,很容易造成短路,烧毁设备。

工控机内部喷漆处理,使机箱内壁不导电,可以防止这种现象的发生。 但俗话说,成败在于机箱这些不导电的内壁,这对工业计算机的EMC设计提出了更高的挑战。 由于工业PC的内壁也经过了喷漆,机箱表面不导电,无法像商用PC那样形成平等的接地体。 因此,我们必须在某些位置留下未涂漆的接触面,以形成导电体,并在整个机箱表面形成平等的接地。 势体,加工工艺较为复杂。

我们来看看工控机箱的内部喷漆设计。 以INCG今年推出的新款ACP-4320为例,我们可以更清晰地看到黑色的底盘。

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我们再来看看磁盘托盘的接地情况。 还是以这款ACP-4320为例:

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说了这么多,你对商用PC和工业计算机的EMC设计是否有了初步的了解呢? 其实,作为普通用户,检验自己购买的产品EMC设计是否合格的一个重要指标就是仔细查看自己购买的产品是否通过了相关的EMC认证、FCC、CCC、CE、UL等。当然,认证越多越好。 证明该产品的EMC设计更加严格。

-结尾-

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作者 admin