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    1 貝加萊的創新型頂級產品APC620工控機

　　APC620是貝加萊生產的世界領先的頂級工控機，憑借APC620 這款極具創新性的產品，貝加萊在2005年MSV國際工業展（歐洲工業自動化最大、最重要的展會）的評比中榮獲金獎。

　　它的主要特點包括無風扇運行，緊湊化無線纜設計和較低的價格。這款APC集成的奔騰M處理器能在不同使用環境下提供最優性能。無風扇運行意味著工控機不會因為風扇故障而導致內部器件過熱損壞，實際上因為它采用了奔騰M處理器等低功耗元件，整機產生的熱量通過特制的合金散熱裝置，以自然風冷的方式就可以輕松發散，同時因為無風扇運行避免了空氣對流的要求，從而有效地阻止灰塵進入工控機內部；無線纜設計意味著該工控機在高溫、強振動環境中工作時，不至于因為線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；當在特殊環境下，這款工控機可以不用硬盤而使用特制的工業級CF卡，在高溫、高頻震動、高粉塵等極其惡劣的環境中，仍然保持穩定可靠的運行。

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

　　該工控機的平均無故障運行時間指標（MTBF）不小于50萬小時。

　　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展進程：早在二十世紀80年代初，美國AD公司就推出了類似IPC（工業計算機）的MAC-150工控機，隨后美國IBM公司于85年在個人計算機（PC）的基礎上正式推出工業計算機IBM7532。以下是一份當時宣傳IBM 7532的一段廣告描述，供大家參考。

　　2.1 IBM 7532 工業計算機及其特點

　　IBM 7532 工業計算機是針對工廠作業需求而設計的，以實現計算機集成制造（ CIM ）觀念為中心目標。它重點用在生產設備之間作為接口，強調機器之間如何自動溝通呼應。它也關注在工作場所的實際操作，協調在真正作業環境中的各種相關因素。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，可以展現實時處理分配處理和高速數據處理的境界。不論在那一個作業領域，由于它擁有許多通訊功能的組合，均得以針對特殊需求，構建具有多元性質的網絡，溝通整條生產線。
 
　　IBM 7532 工業計算機的特點如下：

　　（1） 可以在相差很大的溫度和濕度條件下操作

　　（2） 具有防塵結構和磁盤保護裝置

　　（3） 有極佳防震和防電擊的外殼

　　（4） 供電裝置可防止所受到的外部噪聲干擾和電壓頻率波動的影響

　　（5） 配置安全鍵鎖，以防止不當操作，保障數據安全

　　（6） 備有系統重置開關，符合人體工程學的要求

　　（7） 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眼之處。但當時的IBM工控機在機構設計方面與IBM AT/XT個人電腦基本類似，僅在防塵、外殼和硬盤保護等方面做出了加強。簡而言之：早期的工控機就是一種質量更好的PC。

　　2.2 工控機BP架構的優點

　　隨著時間的推移，工控機架構有了本質上的變化，根據用戶使用環境的變化，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點：

　　（1） 維護時間減少 

　　隨著工控機被大量用于工業現場，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停機時間增加，這在對時間要求苛刻的工控現場是不可接受的。

　　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源器件構成的。這種結構使得系統的更新和修復比較簡單而且停機時間也顯著縮短。這種設計理念已經影響到整個工控機的結構格局。

圖1 工控機CPU插卡加底板的結構模式

　　（2） 極佳的擴展性

　　除了能使上述的系統更新和修復時間縮短的主要優點外，還有另外一個主要優點：即具有極佳的擴展性。

　　工業現場使用工控機做控制核心，會接上多種擴展卡，擴展卡以早期的ISA卡、主流PCI卡為主。而根據用戶需求，所使用的ISA、PCI插槽也不相同。舉例來說，某些傳統的數控機床廠家，為保障其早期在ISA技術上的投資，會以傳統的ISA控制卡為主。而一些從事視頻監控的廠家，由于ISA卡的帶寬根本無法滿足苛刻的視頻帶寬需求，必然要采用PCI視頻捕捉卡，但是也可能會同時選擇幾個ISA界面的I/O卡配合攝像頭云臺使用。看來，用戶對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PCI和3個ISA插槽，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慮，取消了ISA插槽，或僅提供一個ISA插槽。因此對于工控用戶的多樣性，常規主板提供的插槽數量難免捉襟見肘，而工控機的無源底板標準最高可提供20個插槽，所提供的ISA、PCI插槽的數量也可根據用戶的需求而隨意調整。

圖2  19英寸4UI架式工控機箱可支持20個插槽

　　（3） 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題。在工控應用中，整機系統中往往會插入多個擴展卡，對散熱的要求更為苛刻。工控機與商用機通風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的描述，但通過這種工控機在工業現場大量的長時間的應用中，我們發現它還存在很多問題，下面就是關于這些問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題的。

　　3.1 插接部位容易在振動的情況下松動

　　由于所有的PCI插卡（包括CPU板）都僅由后端的一顆螺釘固定，在遇到震動比較強烈的應用場合使用一段時間之后往往會發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，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的情況下松動

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。技術人員到達現場后打開機箱，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跳出了PCI插槽。像這樣的情況其實在振動比較強烈的現場是經常發生的，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題。

圖6  B&R APC工控機內部采用無線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，沒有一般的排線和電纜，這種結構不僅能在抗震方面性能有所提升，而且在長時間運行中也能避免由于線纜的老化而造成的運行不穩定的問題。

　　3.2 散熱問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，容易形成內部環流，在夏季或周圍氣溫較高的環境下，系統往往會因過熱而造成死機。由于機箱內部依靠前面板（抽風）和電源部分（送風）的兩個風扇進行散熱，那么由于風扇的故障而可能影響到整個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&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。在滿足性能要求的同時，使發熱量盡可能降低。在整機冷卻設計中不采用散熱風扇，取而代之的是分布在幾乎整個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，散熱風扇長時間工作容易發生故障的問題，使機器在現場長期運行的穩定性和可靠性都有大幅度的提高。

圖8  B&R APC系列低功耗無風扇工控機的機箱表面散熱結構

　　3.3 方便的出線和安裝方式

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

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器，這樣做的目的是為了能讓工控機更方便地安裝在現場控制柜中。我們還可以看出，它所有的外部引線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和維護工作更加簡單和容易，MTTR時間縮短。另外，通過圖10的接口說明可以看出，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

　　通過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它的優勢，但隨著控制需求的不斷提高和控制技術與控制系統的不斷升級，傳統的IPC已經在很多方面暴露出了它的不足，而B&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所無法解決的許多問題。所以說貝加萊的Automation PC是一種結構獨特、性能出眾的工控機。