1 貝加萊的創(chuàng)新型產(chǎn)品APC620工控機(jī)
APC620是貝加萊生產(chǎn)的的工控機(jī)，憑借APC620 這款創(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)自動化大、重要的展會）的評比中榮獲金獎。
它的主要特點(diǎn)包括無風(fēng)扇運(yùn)行，緊湊化無線纜設(shè)計和較低的價格。這款A(yù)PC集成的奔騰M處理器能在不同使用環(huán)境下提供優(yōu)性能。無風(fēng)扇運(yùn)行意味著工控機(jī)不會因為風(fēng)扇故障而導(dǎo)致內(nèi)部器件過熱損壞，實(shí)際上因為它采用了奔騰M處理器等低功耗元件，整機(jī)產(chǎn)生的熱量通過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，同時因為無風(fēng)扇運(yùn)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(jī)內(nèi)部；無線纜設(shè)計意味著該工控機(jī)在高溫、強(qiáng)振動環(huán)境中工作時，不至于因為線纜的焊接頭松脫等原因而導(dǎo)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(jī)內(nèi)部；當(dāng)在特殊環(huán)境下，這款工控機(jī)可以不用硬盤而使用特制的工業(yè)級CF卡，在高溫、高頻震動、高粉塵等極其惡劣的環(huán)境中，仍然保持穩(wěn)定可靠的運(yùn)行。
同時，APC620既支持使用方便、界面友好的Windows XP 系統(tǒng)，同時也集成了強(qiáng)大的實(shí)時嵌入式系統(tǒng)Runtime，即使在偶然情況下Windows XP系統(tǒng)出現(xiàn)問題或者崩潰，實(shí)時系統(tǒng)Runtime仍能保持正常運(yùn)行，有效地保證了實(shí)時數(shù)據(jù)能夠及時安全地處理和記錄,可以說是一款永不死機(jī)的工控機(jī)。
該工控機(jī)的平均無故障運(yùn)行時間指標(biāo)（MTBF）不小于50萬小時。
傳統(tǒng)工控機(jī)需要配置220 VAC電源，APC620工控機(jī)配置的電源為24 VDC，對人員安全毫無威脅，作為人機(jī)交互界面使用，非常安全可靠。
2 從PC到IPC
提起工控機(jī)，大家能想到什么呢？下面跟大家一起回憶一下工控機(jī)的發(fā)展進(jìn)程：
早在二十世紀(jì)80年代初，美國AD公司就推出了類似IPC（工業(yè)計算機(jī)）的MAC-150工控機(jī)，隨后美國IBM公司于85年在個人計算機(jī)（PC）的基礎(chǔ)上正式推出工業(yè)計算機(jī)IBM7532。以下是一份當(dāng)時宣傳IBM 7532的一段廣告描述，供大家參考。
2.1 IBM 7532 工業(yè)計算機(jī)及其特點(diǎn)
IBM 7532 工業(yè)計算機(jī)是針對工廠作業(yè)需求而設(shè)計的，以實(shí)現(xiàn)計算機(jī)集成制造( CIM )觀念為中心目標(biāo)。它重點(diǎn)用在生產(chǎn)設(shè)備之間作為接口，強(qiáng)調(diào)機(jī)器之間如何自動溝通呼應(yīng)。它也關(guān)注在工作場所的實(shí)際操作，協(xié)調(diào)在真正作業(yè)環(huán)境中的各種相關(guān)因素。重要的，它具有豐富功能的組合，可適應(yīng)廣泛的應(yīng)用層面。
它采用高速微處理器，可以發(fā)揮強(qiáng)大信息處理的功能；它使用智能型通訊處理器，可以展現(xiàn)實(shí)時處理分配處理和高速數(shù)據(jù)處理的境界。不論在那一個作業(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(gòu)建具有多元性質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)，溝通整條生產(chǎn)線。
IBM 7532 工業(yè)計算機(jī)的特點(diǎn)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(jié)構(gòu)和磁盤保護(hù)裝置
(3) 有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(dāng)操作，保障數(shù)據(jù)安全
(6) 備有系統(tǒng)重置開關(guān)，符合人體工程學(xué)的要求
(7) 附有19英寸機(jī)架設(shè)計，易于和其它設(shè)備組合裝配
從上述廣告描述中也可以看出工控機(jī)和PC在宣傳方面的不同著眼之處。但當(dāng)時的IBM工控機(jī)在機(jī)構(gòu)設(shè)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(hù)等方面做出了加強(qiáng)。簡而言之：早期的工控機(jī)就是一種質(zhì)量更好的PC。
2.2 工控機(jī)BP架構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)
隨著時間的推移，工控機(jī)架構(gòu)有了本質(zhì)上的變化，根據(jù)用戶使用環(huán)境的變化，演變成了現(xiàn)在流行的底板加插卡的架構(gòu)（BP架構(gòu)）。
該架構(gòu)主要有如下優(yōu)點(diǎn)：
(1) 維護(hù)時間減少
隨著工控機(jī)被大量用于工業(yè)現(xiàn)場，基于母板的系統(tǒng)是不靈活的，為了修復(fù)或更新系統(tǒng)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(dǎo)致修復(fù)或更新系統(tǒng)時停機(jī)時間增加，這在對時間要求苛刻的工控現(xiàn)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(gòu)，而把核心的CPU處理單元做在一張插卡上，其它的擴(kuò)展界面則做在底板上，底板是由一些連接器和無源器件構(gòu)成的。這種結(jié)構(gòu)使得系統(tǒng)的更新和修復(fù)比較簡單而且停機(jī)時間也顯著縮短。這種設(shè)計理念已經(jīng)影響到整個工控機(jī)的結(jié)構(gòu)格局。
圖1 工控機(jī)CPU插卡加底板的結(jié)構(gòu)模式
(2) 的擴(kuò)展性
除了能使上述的系統(tǒng)更新和修復(fù)時間縮短的主要優(yōu)點(diǎn)外，還有另外一個主要優(yōu)點(diǎn)：即具有的擴(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。而根據(jù)用戶需求，所使用的ISA、PCI插槽也不相同。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，會以傳統(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(tǒng)的商用PC機(jī)母板上PCI、ISA插槽數(shù)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(guī)主板提供的插槽數(shù)量難免捉襟見肘，而工控機(jī)的無源底板標(biāo)準(zhǔn)高可提供20個插槽，所提供的ISA、PCI插槽的數(shù)量也可根據(jù)用戶的需求而隨意調(diào)整。
圖2 19英寸4UI架式工控機(jī)箱可支持20個插槽
(3) 良好的散熱性
此外，采用工控機(jī)架構(gòu)也有助于整體系統(tǒng)的散熱，尤其面對日益嚴(yán)重的系統(tǒng)功耗問題。在工控應(yīng)用中，整機(jī)系統(tǒng)中往往會插入多個擴(kuò)展卡，對散熱的要求更為苛刻。
工控機(jī)與商用機(jī)通風(fēng)流向的比較如下圖所示。
工控機(jī) 商用機(jī)
圖3 工控機(jī)與商用機(jī)內(nèi)部冷卻通風(fēng)流向的比較
3 B&R APC的推出彌補(bǔ)了傳統(tǒng)IPC的不足
以上就是對傳統(tǒng)的基于PICMG1.0架構(gòu)的工控機(jī)的特點(diǎn)的描述，但通過這種工控機(jī)在工業(yè)現(xiàn)場大量的長時間的應(yīng)用中，我們發(fā)現(xiàn)它還存在很多問題，下面就是關(guān)于這些問題的比較詳細(xì)的分析以及闡述B&R APC工控機(jī)在結(jié)構(gòu)和電路設(shè)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(qiáng)烈的應(yīng)用場合使用一段時間之后往往會發(fā)現(xiàn)機(jī)器運(yùn)行得不穩(wěn)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(jī)
一臺應(yīng)用在鐵路路旁用作檢測的工控機(jī)，工作狀況一直不穩(wěn)定。技術(shù)人員到達(dá)現(xiàn)場后打開機(jī)箱，拍下的內(nèi)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)在振動比較強(qiáng)烈的現(xiàn)場是經(jīng)常發(fā)生的，所以我們需要一種更抗震的結(jié)構(gòu)。B&R APC系列工控機(jī)就很好地解決了抗震方面的問題。
圖6 B&R APC工控機(jī)內(nèi)部采用無線纜的插卡與針孔連接結(jié)構(gòu)
B&R APC系列工控機(jī)內(nèi)部全部采用插卡與針孔連接結(jié)構(gòu)，沒有一般的排線和電纜，這種結(jié)構(gòu)不僅能在抗震方面性能有所提升，而且在長時間運(yùn)行中也能避免由于線纜的老化而造成的運(yùn)行不穩(wěn)定的問題。
3.2 散熱問題是導(dǎo)致計算機(jī)故障的重要原因
傳統(tǒng)ISA、PCI插卡和PICMG 1.0的機(jī)箱內(nèi)部散熱結(jié)構(gòu)不符合空氣對流原理。在機(jī)箱內(nèi)卡片較多的情況下，容易形成內(nèi)部環(huán)流，在夏季或周圍氣溫較高的環(huán)境下，系統(tǒng)往往會因過熱而造成死機(jī)。由于機(jī)箱內(nèi)部依靠前面板（抽風(fēng)）和電源部分（送風(fēng)）的兩個風(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系統(tǒng)的正常工作和壽命。
圖7 傳統(tǒng)工控機(jī)箱內(nèi)部的散熱結(jié)構(gòu)造成不合理的空氣對流方式
而B&R APC系列工控機(jī)在散熱方面下足了功夫。 該系統(tǒng)選用了低功耗Pentium M系列CPU。在滿足性能要求的同時，使發(fā)熱量盡可能降低。在整機(jī)冷卻設(shè)計中不采用散熱風(fēng)扇，取而代之的是分布在幾乎整個工控機(jī)箱表面的大型銅合金散熱片。這樣就很好地解決了工控機(jī)箱內(nèi)部溫度較高，散熱風(fēng)扇長時間工作容易發(fā)生故障的問題，使機(jī)器在現(xiàn)場長期運(yùn)行的穩(wěn)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(fēng)扇工控機(jī)的機(jī)箱表面散熱結(jié)構(gòu)
3.3 方便的出線和安裝方式
傳統(tǒng)工控機(jī)的外形為4U，19inch，引出線全部在后面，因此，這樣的工控機(jī)在很多場合安裝都不方便，而且由于是后出線，一旦發(fā)生故障，更換，維修，查線都很不方便。
圖9 傳統(tǒng)工控機(jī)的外形
由于以上原因，B&R APC系列工控機(jī)在傳統(tǒng)工控機(jī)的外形結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上做了很多改變：
圖10 B&R APC系列工控機(jī)的外形及其外部接口
由圖10可以看出，B&R APC系列工控機(jī)的外形更像是一臺變頻器或者伺服驅(qū)動器，這樣做的目的是為了能讓工控機(jī)更方便地安裝在現(xiàn)場控制柜中。我們還可以看出，它所有的外部引線和設(shè)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(hù)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(jī)是由24VDC電源供電的，較之傳統(tǒng)工控機(jī)直接接入220 VAC電源（內(nèi)部的電源模塊再將交流電源轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)所需的直流電源），系統(tǒng)的電氣特性更好，干擾更小，運(yùn)行更穩(wěn)定。
4 結(jié)束語
通過以上分析我們不難看出，傳統(tǒng)的IPC較之普通PC而言，雖然在控制方面有著它的優(yōu)勢，但隨著控制需求的不斷提高和控制技術(shù)與控制系統(tǒng)的不斷升級，傳統(tǒng)的IPC已經(jīng)在很多方面暴露出了它的不足，而B&R APC系列工控機(jī)正是在這樣一種條件下應(yīng)運(yùn)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(jié)構(gòu)獨(dú)特、性能出眾的工控機(jī)。