贝加莱Automation PC，一种结构独特、性能出众的工控机

1 贝加莱的创新型顶级产品APC620工控机
        APC620是贝加莱生产的世界领先的顶级工控机，凭借APC620 这款极具创新性的产品，贝加莱在2005年MSV国际工业展（欧洲工业自动化最大、最重要的展会）的评比中荣获金奖。
        它的主要特点包括无风扇运行，紧凑化无线缆设计和较低的价格。这款APC集成的奔腾M处理器能在不同使用环境下提供最优性能。无风扇运行意味着工控机不会因为风扇故障而导致内部器件过热损坏，实际上因为它采用了奔腾M处理器等低功耗元件，整机产生的热量通过特制的合金散热装置，以自然风冷的方式就可以轻松发散，同时因为无风扇运行避免了空气对流的要求，从而有效地阻止灰尘进入工控机内部；无线缆设计意味着该工控机在高温、强振动环境中工作时，不至于因为线缆的焊接头松脱等原因而导致故障，所有电路均采用电路板方式被牢牢地固定在工控机内部；当在特殊环境下，这款工控机可以不用硬盘而使用特制的工业级CF卡，在高温、高频震动、高粉尘等极其恶劣的环境中，仍然保持稳定可靠的运行。
　　同时，APC620既支持使用方便、界面友好的Windows XP 系统，同时也集成了强大的实时嵌入式系统Runtime，即使在偶然情况下Windows XP系统出现问题或者崩溃，实时系统Runtime仍能保持正常运行，有效地保证了实时数据能够及时安全地处理和记录,可以说是一款永不死机的工控机。
        该工控机的平均无故障运行时间指标（MTBF）不小于50万小时。
        传统工控机需要配置220 VAC电源，APC620工控机配置的电源为24 VDC，对人员安全毫无威胁，作为人机交互界面使用，非常安全可靠。

2 从PC到IPC
        提起工控机，大家能想到什么呢？下面跟大家一起回忆一下工控机的发展进程：早在二十世纪80年代初，美国AD公司就推出了类似IPC（工业计算机）的MAC-150工控机，随后美国IBM公司于85年在个人计算机（PC）的基础上正式推出工业计算机IBM7532。以下是一份当时宣传IBM 7532的一段广告描述，供大家参考。
2.1 IBM 7532 工业计算机及其特点
        IBM 7532 工业计算机是针对工厂作业需求而设计的，以实现计算机集成制造（ CIM ）观念为中心目标。它重点用在生产设备之间作为接口，强调机器之间如何自动沟通呼应。它也关注在工作场所的实际操作，协调在真正作业环境中的各种相关因素。最重要的，它具有丰富功能的组合，可适应广泛的应用层面。
        它采用高速微处理器，可以发挥强大信息处理的功能；它使用智能型通讯处理器，可以展现实时处理分配处理和高速数据处理的境界。不论在那一个作业领域，由于它拥有许多通讯功能的组合，均得以针对特殊需求，构建具有多元性质的网络，沟通整条生产线。
IBM 7532 工业计算机的特点如下：
（1） 可以在相差很大的温度和湿度条件下操作
（2） 具有防尘结构和磁盘保护装置
（3） 有极佳防震和防电击的外壳
（4） 供电装置可防止所受到的外部噪声干扰和电压频率波动的影响
（5） 配置安全键锁，以防止不当操作，保障数据安全
（6） 备有系统重置开关，符合人体工程学的要求
（7） 附有19英寸机架设计，易于和其它设备组合装配
        从上述广告描述中也可以看出工控机和PC在宣传方面的不同着眼之处。但当时的IBM工控机在机构设计方面与IBM AT/XT个人电脑基本类似，仅在防尘、外壳和硬盘保护等方面做出了加强。简而言之：早期的工控机就是一种质量更好的PC。
2.2 工控机BP架构的优点
        随着时间的推移，工控机架构有了本质上的变化，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（BP架构）。
该架构主要有如下优点：
（1） 维护时间减少
        随着工控机被大量用于工业现场，基于母板的系统是不灵活的，为了修复或更新系统需要更换整个母板。更换母板需要在拆除母板之前把所有的插卡和电缆都拔掉，这就导致修复或更新系统时停机时间增加，这在对时间要求苛刻的工控现场是不可接受的。
        因此，工程师们提出了另外一种方法，即取消母板架构，而把核心的CPU处理单元做在一张插卡上，其它的扩展界面则做在底板上，底板是由一些连接器和无源器件构成的。这种结构使得系统的更新和修复比较简单而且停机时间也显著缩短。这种设计理念已经影响到整个工控机的结构格局。

图1 工控机CPU插卡加底板的结构模式

（2） 极佳的扩展性
        除了能使上述的系统更新和修复时间缩短的主要优点外，还有另外一个主要优点：即具有极佳的扩展性。
        工业现场使用工控机做控制核心，会接上多种扩展卡，扩展卡以早期的ISA卡、主流PCI卡为主。而根据用户需求，所使用的ISA、PCI插槽也不相同。举例来说，某些传统的数控机床厂家，为保障其早期在ISA技术上的投资，会以传统的ISA控制卡为主。而一些从事视频监控的厂家，由于ISA卡的带宽根本无法满足苛刻的视频带宽需求，必然要采用PCI视频捕捉卡，但是也可能会同时选择几个ISA界面的I/O卡配合摄像头云台使用。看来，用户对ISA和PCI插槽的需求是多种多样的。
        传统的商用PC机母板上PCI、ISA插槽数量固定，早期主板由于受面积所限制，一般仅提供3个PCI和3个ISA插槽，后来ISA在民用市场面临淘汰，因此诸多商用主板厂商基于成本考虑，取消了ISA插槽，或仅提供一个ISA插槽。因此对于工控用户的多样性，常规主板提供的插槽数量难免捉襟见肘，而工控机的无源底板标准最高可提供20个插槽，所提供的ISA、PCI插槽的数量也可根据用户的需求而随意调整。

图2  19英寸4UI架式工控机箱可支持20个插槽

（3） 良好的散热性
        此外，采用工控机架构也有助于整体系统的散热，尤其面对日益严重的系统功耗问题。在工控应用中，整机系统中往往会插入多个扩展卡，对散热的要求更为苛刻。工控机与商用机通风流向的比较如下图所示。

图3  工控机与商用机内部冷却通风流向的比较

3  B&R APC的推出弥补了传统IPC的不足
        以上就是对传统的基于PICMG1.0架构的工控机的特点的描述，但通过这种工控机在工业现场大量的长时间的应用中，我们发现它还存在很多问题，下面就是关于这些问题的比较详细的分析以及阐述B&R APC工控机在结构和电路设计方面是如何解决这些问题的。
3.1 插接部位容易在振动的情况下松动
        由于所有的PCI插卡（包括CPU板）都仅由后端的一颗螺钉固定，在遇到震动比较强烈的应用场合使用一段时间之后往往会发现机器运行得不稳定，究其原因，很大一部分故障是由于卡板松动，致使电路接触不良而造成的。

图4  PCI插卡的插接部位容易在振动的情况下松动

图5  安装在铁路路旁用作检测的工控机

        一台应用在铁路路旁用作检测的工控机，工作状况一直不稳定。技术人员到达现场后打开机箱，拍下的内部照片如图5所示。从图中可以很清楚地看到板卡的金手指部分已经跳出了PCI插槽。像这样的情况其实在振动比较强烈的现场是经常发生的，所以我们需要一种更抗震的结构。B&R APC系列工控机就很好地解决了抗震方面的问题。

图6  B&R APC工控机内部采用无线缆的插卡与针孔连接结构

        B&R APC系列工控机内部全部采用插卡与针孔连接结构，没有一般的排线和电缆，这种结构不仅能在抗震方面性能有所提升，而且在长时间运行中也能避免由于线缆的老化而造成的运行不稳定的问题。
3.2 散热问题是导致计算机故障的重要原因
        传统ISA、PCI插卡和PICMG 1.0的机箱内部散热结构不符合空气对流原理。在机箱内卡片较多的情况下，容易形成内部环流，在夏季或周围气温较高的环境下，系统往往会因过热而造成死机。由于机箱内部依靠前面板（抽风）和电源部分（送风）的两个风扇进行散热，那么由于风扇的故障而可能影响到整个系统的正常工作和寿命。

图7  传统工控机箱内部的散热结构造成不合理的空气对流方式

        而B&R APC系列工控机在散热方面下足了功夫。 该系统选用了低功耗Pentium M系列CPU。在满足性能要求的同时，使发热量尽可能降低。在整机冷却设计中不采用散热风扇，取而代之的是分布在几乎整个工控机箱表面的大型铜合金散热片。这样就很好地解决了工控机箱内部温度较高，散热风扇长时间工作容易发生故障的问题，使机器在现场长期运行的稳定性和可靠性都有大幅度的提高。

图8  B&R APC系列低功耗无风扇工控机的机箱表面散热结构

3.3 方便的出线和安装方式
        传统工控机的外形为4U，19inch，引出线全部在后面，因此，这样的工控机在很多场合安装都不方便，而且由于是后出线，一旦发生故障，更换，维修，查线都很不方便。

图9  传统工控机的外形

        由于以上原因，B&R APC系列工控机在传统工控机的外形结构基础上做了很多改变：

图10  B&R APC系列工控机的外形及其外部接口

        由图10可以看出，B&R APC系列工控机的外形更像是一台变频器或者伺服驱动器，这样做的目的是为了能让工控机更方便地安装在现场控制柜中。我们还可以看出，它所有的外部引线和设备接口几乎全在上方和前面板上，这就使得我们的接线和维护工作更加简单和容易，MTTR时间缩短。另外，通过图10的接口说明可以看出，B&R APC系列工控机是由24VDC电源供电的，较之传统工控机直接接入220 VAC电源（内部的电源模块再将交流电源转换成系统所需的直流电源），系统的电气特性更好，干扰更小，运行更稳定。
 
4 结束语
        通过以上分析我们不难看出，传统的IPC较之普通PC而言，虽然在控制方面有着它的优势，但随着控制需求的不断提高和控制技术与控制系统的不断升级，传统的IPC已经在很多方面暴露出了它的不足，而B&R APC系列工控机正是在这样一种条件下应运而生的，解决了普通IPC所无法解决的许多问题。所以说贝加莱的Automation PC是一种结构独特、性能出众的工控机。

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