基本介紹
主要分類,軟體系統,主要結構,適用領域,主要特點,日常維護,發展前景,國內市場,外部原因分析,
主要分類
1、IPC
即基於PC匯流排的工業電腦。據2000年IPC統計PC機已占到通用計算機的95%以上，因其價格低、質量高、產量大、軟/硬體資源豐富，已被廣大的技術人員所熟悉和認可，這正是工業電腦熱的基礎。其主要的組成部分為工業機箱、無源底板及可插入其上的各種板卡組成，如CPU卡、I/O卡等。並採取全鋼機殼、機卡壓條過濾網，雙正壓風扇等設計及EMC（electromagneticcompatibility）技術以解決工業現場的電磁干擾、震動、灰塵、高/低溫等問題。
IPC有以下特點：
可靠性：工業PC具有在粉塵、煙霧、高/低溫、潮濕、震動、腐蝕和快速診斷和可維護性，其MTTR（MeanTimetoRepair）一般為5min，MTTF10萬小時以上，而普通PC的MTTF僅為10000～15000小時。實時性，工業PC對工業生產過程進行實時線上檢測與控制，對工作狀況的變化給予快速回響，及時進行採集和輸出調節（看門狗功能這是普通PC所不具有的），遇險自復位，保證系統的正常運行。擴充性，工業PC由於採用底板+CPU卡結構，因而具有很強的輸入輸出功能，最多可擴充20個板卡，能與工業現場的各種外設、板卡如與道控制器、視頻監控系統、車輛檢測儀等相連，以完成各種任務。
兼容性，能同時利用ISA與PCI及PICMG資源，並支持各種作業系統，多種語言彙編，多任務作業系統。
2、可程式序控制器（PLC）
PLC 英文全稱Programmable Logic Controller，中文全稱為可程式邏輯控制器。定義是：一種專門為在工業環境下套用而設計的數字運算操作電子系統。它採用一種可程式的存儲器，在其內部存儲執行邏輯運算、順序控制、定時、計數和算術運算等操作的指令，通過數字式或模擬式的輸入輸出來控制各種類型的機械設備或生產過程。
工控機（圖2）
工控機（圖2）可程式控制器是計算機技術與自動化控制技術相結合而開發的一種適用工業環境的新型通用自動控制裝置，是作為傳統繼電器的替換產品而出現的。隨著微電子技術和計算機技術的迅猛發展，可程式控制器更多地具有了計算機的功能，不僅能實現邏輯控制，還具有了數據處理、通信、網路等功能。由於它可通過軟體來改變控制過程，而且具有體積小、組裝維護方便、編程簡單、可靠性高、抗干擾能力強等特點，已廣泛套用於工業控制的各個領域，大大推進了機電一體化的進程。
3、分散型控制系統（DCS）
4、現場匯流排系統（FCS）
FCS英文全稱Fieldbus Control System，中文全稱為現場匯流排控制系統。它是全數字串列、雙向通信系統。系統內測量和控制設備如探頭、激勵器和控制器可相互連線、監測和控制。在工廠網路的分級中，它既作為過程控制（如PLC，LC等）和套用智慧型儀表（如變頻器、閥門、條碼閱讀器等）的局部網，又具有在網路上分布控制套用的內嵌功能。由於其廣闊的套用前景，眾多國外有實力的廠家競相投入力量，進行產品開發。現今，國際上已知的現場匯流排類型有四十餘種，比較典型的現場匯流排有：FF，Profibus，LONworks，CAN，HART，CC-LINK等。
5、數控系統（CNC）
CNC英文全稱Computer numerical control，中文全稱為計算機數字控制系統。它是採用微處理器或專用微機的數控系統，由事先存放在存儲器里系統程式（軟體）來實現控制邏輯，實現部分或全部數控功能，並通過接口與外圍設備進行聯接，稱為計算機數控，簡稱CNC系統。數控工具機是以數控系統為代表的新技術對傳統機械製造產業的滲透形成的機電一體化產品；其技術範圍覆蓋很多領域：
工控機（圖3）
工控機（圖3）1）機械製造技術；
2）信息處理、加工、傳輸技術；
3）自動控制技術；
4）伺服驅動技術；
5）感測器技術；
6）軟體技術等。
軟體系統
工業控制軟體系統主要包括系統軟體、工控套用軟體和套用軟體開發環境等三大部分。其中系統軟體是其它兩者的基礎核心，因而影響系統軟體設計的開發質量。工控套用軟體主要是根據用戶工業控制和管理的需求而生成的，因此具有專用性。從工控軟體系統發展歷史和現狀來看，工控軟體系統應具5大主要特性：
工控機（圖4）
工控機（圖4）1、開放性。這是現代控制系統和工程設計系中一個至關重要的指標。開放性有助於各種系統的互連、兼容，它有利於設計、建立和套用為一體（集體）的工業思路形成與實現。為了使系統工具良好的開放性，必須選擇開放式的體系結構、工業軟體和軟體環境，這已引起工控界人士的極大關注。
2、實時性。工業生產過程的主要特性之一就是實時性，因此相應地要求工控軟體系統應具有較強的實時性。
3、網路集成化。這是由工業過程控制和管理趨勢。
4、人機界面更加友好。這不僅是指像選單驅動所帶來的操作方便，應包括設計和套用兩個方面的人機界面。
5、多任務和多執行緒性。現代許多控制軟體所面臨的工業對象不再是單任務線，而是較複雜的多任務系統，因此，如何有效地控制和管理這樣的系統仍是日前工控軟體主要的研究對象 為適應這種要求，工控軟仵，特別是底層的工控系統軟體必須具有此特性 ，如多任務實進作業系統的研究和套用等。
從工控軟體基本組成上看 它可大致劃分為3層；實時作業系統層、拄制管理層以及套用層，實時作業系統OS層是其他層的基礎。
主要結構
1、全鋼機箱
IPC的全鋼機箱是按標準設計的，抗衝擊、抗振動、抗電磁干擾，內部可安裝同PC-bus兼容的無源底板。
工控機箱分類：
工控機（圖5）工控機箱分類：
（一）高度一般分1U（44MM*430MM*XX），2U（88*430*XX），3U，4U（176MM*430MM * XX），5U，6U，7U，8U等，一個1U的高度是44MM，其他高度依次類推；
（二）長度：國際標準的長度有兩種450MM與505MM，根據客戶的具體要求還可以擴分其他長度，比如：480MM，500MM，520MM，530MM，600MM等；其中450MM~~520MM的尺寸機箱占市場需求的90%以上；加長型機箱的作用主要是有以下3個：一個是安裝雙CPU至強12” * 13”的主機板，必須要 520MM的長度才能安裝這樣的大板；另外一個是安裝工業CPU長卡或者是300MM長的視頻卡等需要足夠的擴展空間；最後一個是散熱空間的考慮，由於有些監控用戶需要安裝多路視頻卡與多個硬碟，比如64路，128路等，10個硬碟就需要很好的散熱效果；
（三）臥式與壁掛式
壁掛式：此外，由於某些設備製造商需要把控制中心（IPC）放置在其設備之中。因此對工控機的體積有較為嚴格的要求。傳統的上架式19英寸機箱體積基本很難滿足要求，因此針對此種客戶需求，推出了壁掛式的機箱。例如某品牌的IPC－6606/6608壁掛機箱系列。這類機箱由於體積小，並且套用環境在某設備內部，因此設計理念也重在散熱和擴展性能上。下圖是IPC－6806套用在某測試平台的機櫃內部狀態。
工控機箱內部結構：
硬碟架，光碟機架:硬碟架一般分兩種，一種是分拆式，一種是壓卡式。品質優異的機箱一般都帶金屬彈簧防震功能；安裝硬碟數量一般從4—15個；
工控機（圖6）
工控機（圖6）底板：底板的規格有多種；主要以主機板的規格來劃分。普通的主機板一般都可以安裝；其中520MM以下長度的機箱是安裝不了12*13的雙至強大板的主機板的，必須要520MM長度的機箱才能安裝。
壓卡條：主要起固定作用。有安防監控的安裝視頻長卡，或者是工業CPU長卡時，必須要固定長卡，以免使用過程中出現晃動，不牢固等現象。
後槽的擴展：有7槽或14槽兩種；14槽的背板主要的用途是安裝多路視頻卡，比如有些大型的監控系統，則要64路，或者128路時，必須要換成14槽的背板；
工控機箱的導熱：散熱結構的合理性是關係到計算機能否穩定工作的重要因素。
工控機箱的抗震：工控機箱在工作的時候，由於機箱內部的光碟機、硬碟、機箱裡的多個風扇在高速運轉的時候都會產生震動，而震動很容易導致光碟讀錯和硬碟磁軌損壞以至丟失數據，所以機箱的抗震性也是機箱關鍵的一個結構設計方案。
工控機箱的電磁禁止：主機在工作的時候，主機板、CPU、記憶體和各種板卡都會產生大量的電磁輻射，如果不加以防範也會對人體造成一定傷害。這個時候機箱就成為了禁止電磁輻射，保護健康的一道重要防線。禁止良好的機箱還可以有效地阻隔外部輻射干擾，保證計算機內部配件不受外部輻射影響。工控機箱為了增加散熱效果，機箱上必要的部分都會開孔，包括箱體側板孔、抽氣扇進風孔和排氣扇排風孔等等，所以孔的形狀必須符合能阻擋輻射的技術要求。機箱上的開孔要儘量小，而且要儘量採用阻隔輻射能力較強的圓孔。其次，要注意各種指示燈和開關接線的電磁禁止。比較長的連線線需要設計成絞線，線兩端的裸露的焊接金屬部分必需用膠套包裹，這樣就避免了機箱內用電線路產生的電磁輻射。
2、無源底板
無源底板的插槽由匯流排擴展槽組成。匯流排擴展槽可依據用戶的實際套用選用擴展ISA匯流排、PCI匯流排和PCI-E匯流排、PCIMG匯流排的多個插槽組成，擴展插槽的數量和位置根據需要有一定選擇，但依據不同PCIMG匯流排規範版本各種匯流排在組合搭配上有要求，如PCIMG1.3版本匯流排不提供ISA匯流排支持，該板為四層結構，中間兩層分別為地層和電源層，這種結構方式可以減弱板上邏輯信號的相互干擾和降低電源阻抗。底板可插接各種板卡，包括CPU卡、顯示卡、控制卡、I/O卡等。
3、工業電源
4、CPU卡
IPC的CPU卡有多種，根據尺寸可分為長卡和半長卡，多採用的是桌面式系統處理器，如早期的有386\486\586\PIII，現主流為P4、酷睿雙核等處理器，主機板用戶可視自己的需要任意選配。其主要特點是：工作溫度0-60℃；帶有硬體；也有部份要求低功耗的CPU卡採用的是嵌入式系列的CPU。
5、其他配件
IPC的其他配件基本上都與PC機兼容，主要有CPU、記憶體、顯示卡、硬碟、軟碟機、鍵盤、滑鼠、光碟機、顯示器等。
適用領域
IPC已被廣泛套用於工業及人們生活的方方面面。
例如：控制現場、路橋控制收費系統、醫療儀器、環境保護監測、通訊保障、智慧型交通管控系統、樓宇監控安防、語音呼叫中心、排隊機、POS櫃檯收銀機、數控工具機、加油機、金融信息處理、石化數據採集處理、物探、野外便攜作業、環保、軍工、電力、鐵路、高速公路、航天、捷運、智慧型樓宇、戶外廣告、等等。
主要特點
工控機通俗的說就是專門為工業現場而設計的計算機，而工業現場一般具有強烈的震動，灰塵特別多，另有很高的電磁場力干擾等特點，且一般工廠均是連續作業即一年中一般沒有休息。因此，工控機與普通計算機相比必須具有以下特點：
工控機內部結構
工控機內部結構1、機箱採用鋼結構，有較高的防磁、防塵、防衝擊的能力。
2、機箱內有專用底板，底板上有PCI和ISA插槽。
3、機箱內有專門電源，電源有較強的抗干擾能力。
4、要求具有連續長時間工作能力。
5、一般採用便於安裝的標準機箱（4U標準機箱較為常見）
註：除了以上的特點外，其餘基本相同。另外，由於以上的專業特點，同層次的工控機在價格上要比普通計算機偏貴，但一般不會相差太多。
儘管工控機與普通的商用計算機機相比，具有得天獨厚的優勢，但其劣勢也是非常明顯的--數據處理能力差，具體如下：
1、配置硬碟容量小；
2、數據安全性低；
3、存儲選擇性小；
4、價格較高。
日常維護
首先，要給工控機一個平穩的工作環境。如當機器對磁碟或硬碟進行讀寫操作時出現震動，驅動器會嚴重磨損或導致硬碟損壞。如果要靠牆放置，距離牆壁至少應有的間隙，以保證散熱良好，否則，會導致元器件加速老化。具體要做好以下幾點：
1、機箱
機箱中包括工控電源、無源底板、風扇。工控電源：它是為N小時不間斷開機服務的，所以它的性能較好，主要需注意的是儘量減少灰塵的進入，防止灰塵影響風扇的運行。防止瞬時斷電，瞬時斷電又突然來電往往會產生一個瞬間極高的電壓，很可能“燒”壞電腦，電壓的波動（過低或過高）也會對電腦造成損傷。因此，應儘量配備電源。另外，還應防靜電、防雷擊。
無源底板：它是為各種板卡包括,)( 卡、顯示卡、音效卡、網卡等）提供電源的，它的日常維護要注意三點：不能在底板帶電的情況下撥插板卡，插撥板卡時不可用力過猛，過大，用酒精等清洗底板時，要注意防止工具劃傷底板。插槽內不能積灰塵，否則會導致接觸不良，甚至短路。插槽內的金屬腳是否對齊,有無彎曲，否則影響板卡在系統中的運行，會因此出現開機不顯示、板卡找不到、當機等各種現象。風扇：工控箱內風扇是專門為工控機設計的，它是向機箱內吹風，降低機箱內溫度。它要注意的是：電源是否接到插頭上，風扇外部的過濾網要定時清洗（每月一次），以防過多的灰塵進入機箱，禁止尖銳物品損壞風扇頁片。
2、主機板
工控機主機板是專為在高、低溫特殊環境中，長時間運行而設計的，它在運用中所要注意的是：不能帶電插撥（記憶體條，板卡後面的滑鼠、鍵盤等），帶電插撥會導致插孔損壞，不能用，嚴重的甚至會使主機板損壞。主機板上的跳線不能隨便跳，要查看說明書或用戶手冊，否則會由於不同型號主機板的電壓設定不同而導致損壞。對主機板的灰塵應定時清潔，不能用酒精或水，套用乾刷子、吸塵器或皮老虎把灰塵吸完或吹掉。保持主機板上記憶體扦槽的乾淨，無斷腳、歪腳。主機板下插入無源底板中的金手指要乾淨，在底板上要插緊、插到位。
3、硬碟、光碟機、軟碟機
硬碟：不要隨意拆卸硬碟,避免振動、擠壓。儘量不要在硬碟運行時關閉計算機電源，這樣突然關機會導致硬碟磁軌損壞，數據丟失。不要隨意觸動硬碟上的跳線裝置。搬運時一定要用抗靜電塑膠袋包裝或用海綿等防震壓材料固定好，經常檢查病毒，以防侵蝕。在作業系統中有節能功能時要儘量合理使用，以延長硬碟使用壽命。
光碟機：在使用中不要隨意打開光碟機門，不能使用有損傷、盜版光碟，防止灰塵進入光碟機內，光碟機在使用過程中不要震動，歪曲，拍打。數據線要連線通暢，保證光碟機讀盤順利。
軟碟機：不能把壞盤、有毒盤放入軟碟機中，勿使用劣質和發霉的軟碟，匆用尖銳的物品碰撞以防劃傷磁頭。當軟碟機正在對磁碟進行讀寫操作時（軟碟機指示燈亮），不要強行將磁碟取出，以防損傷磁頭或使磁頭偏移，導致無法正常讀寫。
4、各種板卡
板卡所要注意的就是防塵，插腳要完好，板卡豎直插入不能歪曲，並且板卡外插孔上的連線件不能帶電撥插。
發展前景
隨著社會信息化的不斷深入，關鍵性行業的關鍵任務將越來越多地依靠工控機，而以IPC為基礎的低成本工業控制自動化正在成為主流，本土工控機廠商所受到的重視程度也越來越高。隨著電力、冶金、石化、環保、交通、建築等行業的迅速發展，從數字家庭用的機頂盒、數位電視，到銀行櫃員機、高速公路收費系統、加油站管理、製造業生產線控制，金融、政府、國防等行業信息化需求不斷增加，對工控機的需求很大，工控機市場發展前景十分廣闊。
發展趨勢分析：
1、DCS(集散控制系統)的發展趨勢
雖然以現場匯流排為基礎的FCS發展很快，並將最終取代傳統的DCS，但Fcs發展有很多工作要做，如統一標準，儀表智慧型化等。另外傳統控制系統的維護和改造還需要DCS，因此FCS完全取代傳統的DCS還需要一個較長的過程。
當前工控機仍以大系統、分散對象、連續生產過程(如：冶金、石化、電力)為主，採用分散式系統結構的分散型控制系統仍在發展。由於開放結構和集成技術的發展，促使大型分散型控制系統銷售增加。
1）向綜合方向發展：由於標準化數據通信線路和通信網路的發展，將各種單(多)迴路調節器、PLC、工業比、NC等工控設備構成大系統，以滿足工廠自動化要求，並適應開放化的大趨勢。
2）向智慧型化方向發展：由於資料庫系統、推理機能等的發展，尤其是知識庫系統(KBS)和專家系統(ES)的套用，如自學習控制、遠距離診斷和自尋優等，人工智慧會在DCS各級實現。和FF現場匯流排類似，以微處理器為基礎的智慧型設備，如智慧型I/O智慧型PID控制、智慧型感測器、變送器、執行器、智慧型人接口及可程式調節器相繼出現。
3）工業PC化：由於鞏組成此S成為一大趨勢，PC作為DCS的操作站或節點機已經很普遍.PC—PLC、PC—S，19、Pc—Nc等就是Pc—Dcs先驅。
4）專業化：DCS為更適合各相應領域的套用，就要進一步了解這個專業的工藝和套用要求，以逐步形成如核電站此S，變電鑽DGS、玻璃DCS及水泥DCS等。
2、數控裝置的發展趨勢
80年代以來，為適應FMC、FMS、CAM、CIMS的發展需要，數控裝置採用大規模、超大規模積體電路，提高了柔性，功能和效率。
1）PC化：由於大規模積體電路製造技術的高度發展，PC硬體結構做得更小，CPU的運行速度越來越高，存儲容量很大。PC機大批量生產，成本大大降低，可靠性不斷提高。PC機的開放性，Windows的套用，更多的技術人員的套用和軟體開發，使PC機的軟體極為豐富。PC機功能已經很強，CAD/CAM的軟體已大量由小型機，工作站向PC機移植，三維圖形顯示工藝數據已經在PC機上建立。因此，PC機已成為開發CNC系統的重要資源與途徑。
2）交流伺服化：交流伺服系統恆功率範圍已做到1：4，速度範圍可達到1：1000，基本與直流伺服相當。交流伺服體積小，價格低，可靠性高，套用越來越廣泛。
3）高功能的數控系統向綜合自動化方向發展：為適應FMS、CIMS、無人工廠的要求，發展與機器人、自動化小車、自動診斷跟蹤監視系統等的相互聯合，發展控制與管理集成系統，已成為國際上數控系統的方向。
4）方便使用：改善人機接口，簡化編程、操作面板使用符號鍵，儘量採用對話方式等，以方便用戶使用。
5）柔性化和系統化：數控系統均採用模組結構，其功能覆蓋面大，從三軸兩聯動的工具機到多達24軸以上的柔性加工單元。
6）高精度：提高加工精度，高分1辨率旋轉編碼器必不可少。為在超精密加工領域能實現0.001um的精度，必須開發超高解析度的編碼器，0.0001um最小設定單位的NC裝置。為在加工中即使負荷變動伺服系統的特性也保持不變，還需採用控制和魯棒(Robust)控制。在伺服系統的控制中，用高速微處理器，採用基於現代控制論前饋控制、二自由度控制、學習控制等。其數字控制系統的跟蹤誤差不超過2um。
7）機械智慧型化：它在NC領域內是一種新技術，所謂機械智慧型化功能，是指機械自身可補償溫度、機械負荷等引起的機械變形的功能。這就需要檢測主軸負荷、主軸及機座變形的感測器和處理感測器輸出信號的電路。
8）診斷維修智慧型化：故障的診斷與維修是NC的重要技術。基於AI專家系統的故障診斷已存在，現今主要是建立用於診斷故障的資料庫。把NC裝置通過internet和Internet與中央計算機相連線，使其具有遠距離診斷的功能。
進一步的發展是預維修系統，即在故障將要發生前把將要發生故障的部件更換下來的系統，它需要通過智慧型感測器、高速PMC及大型資料庫來實現。
國內市場
工控機自從上世紀90年代進入中國大陸市場以來，至今已有20年余。期間工控機市場的發展，並不能算是一帆風順，開拓、嘗試、接受、認可、批評、前進等不同聲音始終不絕於耳。伴隨著計算機技術和自動化技術日新月異的發展，中國經濟社會整體自動化、信息化水平的進程也正在加快。而作為計算機技術和自動化技術相融合的一種產品，工控機自身已經取得長足的技術進步，在大陸市場的套用也呈現出了新的局面，具體表現在以下四個方面：
第一、從工控機產品的技術發展來講，“嵌入式系統”“無風扇結構”“機箱散熱”“固態硬碟”“箱式”“平板式”等新技術、新產品的套用，適應了自動化產品“小型化”“智慧型化”“低功耗”的發展趨勢，已經大大提高了工控機的系統穩定性，也降低了製造和套用成本；
第二、從工控機產品的形態來講，工控機產品的定義範疇日益擴大，甚至與商用PC、商用工作站等其它計算機產品之間的概念區隔逐漸模糊；工控機產品除了傳統的4U機架式工控機之外，箱式、面板式、單板電腦、嵌入式、攜帶型、行業專用電腦等其它工控機產品形式也得到了許多客戶的接受認可和大量市場套用；
第三、從工控機產品的銷售渠道模式來講，一些供應商變更了原有的銷售渠道及模式，調整了直銷分銷的銷售策略側重，也變革了原裝整機、組裝整機、板卡的出貨配額。這些調整變革的背後，是各家供應商為適應市場發展的新形勢、提高客戶滿意度、搶占市場份額的深層考慮和市場反應行為；
第四、從工控機下游套用行業來看，一些工控機傳統的優勢套用行業正在遭遇商用PC、商用工作站的挑戰，大有沒落甚至被取代的趨勢；而一些新興的套用市場卻不斷湧現，且呈現快速增長的趨勢。
外部原因分析
一、空氣中的可吸入顆粒物多：工廠內的原料大多需要粉料進行加工，加上外界空氣流動大、沙塵多，工控機內容易集積大量粘糊狀積塵，造成工控機內局部溫度過高，帶來硬體損壞。這種情況多發於CPU、電源、硬碟、顯示卡等散熱風扇周圍。積塵較輕的地方，在正常生產允許的情況下，可以採用定時吹塵。積塵較嚴重的地方，可以工控機箱透風處安置濾塵紗布，需要做定期清理。
二、供電電壓波動大、易停電：工業的發展和生活水平的提高，對電量的需求量也日益增大，一些比較偏僻的地區容易出現供電不足的現象，電壓不穩。造成工控系統經常重新啟動，系統重要的日誌檔案容易丟失而導致無法正常啟動。因此工控機工作環境電源的穩定關係到工控機工作正常與否。需要採用穩壓電源和UPS不間斷電源進行保護，具體設備選型，要依負載功率大小、需保持工作時間多少來定。
三、環境濕度不適宜：工控機是由許多電子元件的積體電路構成，其絕緣性能跟環境濕度有很大關係。濕度過大，很容易造成電路板短路而燒毀;濕度過小，容易產生靜電，也會擊穿部分電子元件。因此，濕度過大、過小，都會給工控機帶來潛在的威脅。靜電防護問題上要求我們工控機上必須要有良好的儀表接地。
四、地面震感大：許多工廠生產中需要電機產生拖動、震動等物理性位移動作，不僅帶來巨大的噪音，機器工作時帶來的震動會給工控機磁碟、光碟機、軟碟機帶來巨大的損害。磁碟生產的工藝越來越高。在自動化控制系統中的大量數據交換中，長時間、高速度運轉的磁碟，容易因磁碟震動，導致磁碟讀寫能力下降，磁頭定位緩慢，甚至造成磁碟損壞;因此減少工控機環境震感，有利於保護磁碟。
