工控机的设计分析与选择

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1、工控机的设计分析与选择工控机的设计分析与选择 对于家用电脑，是以时尚的外形、较高的显卡性能、多媒体显示性能、丰富的扩展性能、多声道声卡等方面作为吸引消费者的卖点，有些高档家用电脑甚至配备遥控器，时尚的音响，俨然一个家庭多媒体中心。 对于商用客户，则是通过稳重的外观、完备的售后服务、有限的扩展性能、高速度的运算速度等来吸引商用客户采购。 工控电脑是完全不同的设计理念，工控电脑更多的是在恶劣的环境下使用，对产品的易维护性、散热、防尘、产品周期、甚至尺寸方面都有着严格的要求。因此在设计和选择工控机平台的时候，考虑的更多的是机构的设计，然后才是对性能等的考虑。工控机机构设计的理念 1、工控机的尺寸设计

2、 工控机在很多情况下使用是应用于某个系统之中，因此常常被放置在某个设备之中或上架。因此对尺寸有较严格的要求。根据用户的使用情况，分为上架式和壁挂式两种设计。 上架式： 如图 IPC610就是标准的4U高度19英寸上架式机箱。可以应用在标准的机柜之中。 针对客户的不同需求，会提供1U、2U、3U、4U、5U和7U高度的机箱。 一般来说，在1U或2U的机构设计上面。由于机箱体积有限，但CPU的功耗日益加大（最新的P4CPU功耗已超过100W），因此内部散热风流设计变成了厂商面临的最大问题。 对于1U工控机，多用于对体积要求较高的电信领域，大多配合上架使用 对于4U，7U的机构设计，由于机箱的体积变

3、大，在狭小机箱中面临散热因素已不是主要考虑因素。因此如何合理的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槽位、如何支持双CPU卡、如何抗振动、如何易于维护等因素变成机构设计的主要考虑因素了。 壁挂式： 由于某些设备制造商需要把控制中心（IPC）放置在其设备之中。因此对工控机的体积有较为严格的要求。传统的上架式19英寸机箱体积基本很难满足要求，因此针对此种客户需求，推出了壁挂式的机箱。 应用在某设备内部 2、工控机内部机构设计 早在80年代初期，美国AD公司就推出了类似IPC的MAC-150工控机，随后美国IBM公司在85年正式推出工业个人计算机IBM7532。 IBM

4、7532 工业计算机特色 可以在差距很大的温度和湿度条件下操作。 具有防尘结构和磁盘保护装置。 有极佳防震和防电击的外壳。 供电装置受到避免外在噪声和电压频率波动的保护。 配置安全键锁。以防止不当操作，和保障数据安全。 备有系统重置开关，符合人体工学需求。 附有19英寸顶架设计，易于和其它设备结合操作。 早期的工控机就是一个质量更好的PC。但是随着时间的推移，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。这种架构主要有如下的优点： 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

5、母板拿走之前把所有的插卡和电缆都拔掉。这就导致修复或更新时系统停机时间增加，这在工控现场是不可接受的。 引此工程师们想到另外一个方法，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组成的。这种结构使得系统更新和修复简单而且停机时间最少。这种设计理念影响了整个工控机的发展。极佳的扩展性: PICMG1.0标准除了上文所阐述的系统更新和修复时间短的主要优点外，还存在另外一个主要优点：具有极佳的扩展性。 传统的商用母板上PCI、ISA数量固定，早期主板由于面积所显，一般仅提供3个PCI，3个ISA槽，后来ISA在民用市场面临淘汰，因此诸

6、多商用主板厂商基于成本考量，取消ISA槽，或仅提供一个ISA槽。因此对于工控用户的多样性，商规主板提供的槽数难免捉襟见肘。PICMG1.0无源底板标准最高可提供20槽，所提供的ISA、PCI数量也可根据用户需求随意调整。 优秀的散热特性 此外采用PICMG1.0架构也有助于整体系统的散热， 当然，底板加插卡的物理架构还有一些缺陷，例如，金手指处容易氧化，槽部位容易在振动的情况下松动，因此不太适应那些具有腐蚀性和振动性的环境下。对于这些情况，业界推出了基于PICMG2.0规范的CompactPCI技术 灰尘、散热、静电是造成计算机不稳定的三大主要因素。 但商用PC机由于使用环境的不同，仅在散热方

7、面遵守AT、ATX、乃至最新的BTX架构，而灰尘和静电问题在普通使用环境下并不突出，因此商用PC对此考虑很少。 工控机使用环境比较特殊，经常在高温、粉尘、供电条件不好的环境下运行，并大多是在7X24小时环境下运行。而由于架构的不同，商用PC的机箱设计理念也不能直接照搬到工控机。因此在散热、防尘方面工控机必须有自己的设计理念，散热的好坏直接影响到工控机的稳定性，下面我们重点来介绍一下工控机在散热和防尘的特性。 3、工控机的散热剖析、工控机的散热剖析 早期的CPU由于功耗问题并不突出，因此工控机的散热不是设计的主要考虑因素。但随着人们对CPU性能需求的增加，处理器的功耗也日益增加。最新的Intel

8、 LGA775架构的P4处理器最大功耗居然在100W以上。工控机内部的散热问题也变得日益严峻起来。 IPC610系列，F版机箱 当P4处理器进入工控机市场后，其高发热量使得各个工控厂商不得不重视工控机的散热问题。 为了提升散热效果，加大机箱内部风流，采用双风扇的设计。并基于维护考虑，将双风扇采用模块式的设计理念，固定在一个抽取板上，从而容易更换。由于采用双风扇后，过滤网的面积加大，因此原有的侧面抽取式过滤网更换方式无法适用，因此工程师们采用了滤网前置前开口的方式便于抽取滤网。 610系列机箱IPC610H 对中低端市场的IPC610L，也在散热风扇和过滤网的设计上有独特的设计理念。采用前开口的

9、单风扇设计，风扇可前置打开，滤网也易于抽取。 610系列机箱IPC610L 1U和2U的机箱内部散热设计。这类机器由于机箱体积限制，都采用蝶型背板的设计，并提供模块化的设计便于用户维护，但由于小风扇的CFM都比较小，因此只能多采用多风扇来增大风流。 1U的机箱散热设计2U机箱和ACP1000设计理念基本相同 壁挂式机箱的散热设计 壁挂式机箱要求机构设计紧凑以便满足各种不同场合下的应用，机箱内部寸土寸金，每一个空间都需要合理的应用。但小机箱内部由于体积所限，采用的风扇功率也不能太大，因此小机箱的散热更考察设计功底。 总体来说，小机箱里面有两个最重要的散热对象：CPU和硬盘。 下面我们来看看壁挂式

10、机箱IPC6806的在散热方面的设计及其后继版本的改进： IPC6806WH 改进版本IPC6806W EMC设计 我们分别从工控机机箱的分类、工控机架构、工控机的散热设计等讲述了工控机的设计理念。我们现在来讲述工控机的EMC设计的思想。 当我们使用电子设备的时候，就会形成电磁干扰。EMC（Electromagnetic compatibility电磁兼容性）现象在我们生活中随处可见。例如我们在看电视的时候，如果手机放在电视机旁边，在来电时手机信号会干扰电视信号形成雪花片。而随着日常电子设备的广泛使用，电子设备的EMC设计正变得日益重要起来。 世界大多数发达国家都制定了EMC标准，销往该国家或

11、地区的电子产品必须要符合相应的EMC标准，并通过其认证才可以。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 中国的3C认证等。 无论工控机还是商用机，EMC设计中的最首先考虑的是板卡本身的EMI（电磁干扰）设计 。 现代工控板都采用6层板设计，并在PCB走线时严格遵循了时钟线等长的概念, 采用减少电磁辐射（EMI）阻抗设计与串音控制 , 走线拓扑的决定都充分尊守了Intel 的规范标准。 但由于处理器的频率的提升，单纯依靠板卡本身在EMI方面的设计无法充分满足EMC认证的要求。因此工控机机箱的EMC设计变得更为重要了。 在解释工控机机箱的EMC设计之前，我们先来看

12、看商用PC机机箱的EMC设计，商用PC机由于应用在家庭环境中，与人体接触的时间更长，因此对EMC设计的要求也十分严格。 虽大多数著名PC品牌由于行销全球，也通过了各国的电磁兼容认证。但由于用途的不同，商用PC通过的EMC认证和工控机的EMC认证侧重点是不同的。商用商用PC的的EMC认证更偏向认证更偏向PC机本身对人机本身对人体的辐射量的考虑，所以在用料和机箱体的辐射量的考虑，所以在用料和机箱设计上都基于这个方面考虑的。设计上都基于这个方面考虑的。 工控机的应用环境较为复杂，工控机的应用环境较为复杂，EMC认证认证涉及的范围也更为广泛，除了考虑工控涉及的范围也更为广泛，除了考虑工控机的电磁辐射干

13、扰外，防止外界的各种机的电磁辐射干扰外，防止外界的各种因素对工控机内部设备造成的干扰也是因素对工控机内部设备造成的干扰也是一个一个EMC设计要点。设计要点。 商用PC的EMC设计是对内的，而工控机的EMC设计则是双向的。 1、散热口的EMC设计 无论对内还是对外，对付电磁辐射最好的方法就是用一个全密封的金属盒子把电磁辐射体遮蔽起来，而且屏蔽用的金属层越厚越好。 这样无论对内还是对外，电磁屏蔽的效果都最好。 但是由于散热、外接扩展设备的因素。无论商用PC还是工控机，都无法做到严格密封的状态。机箱关于防止电磁泄漏设计很重要的一点就是关于散热和电磁泄漏之间的良好平衡性设计，既要充分散热，也需要兼顾到

14、电磁兼容方面的设计。 商用PC上所见到的，是上面这样的散热孔径，圆形而多孔。 实际上防止电磁泄漏的设计标准对散热孔径的大小，以及形状是有诸多限制的，研究实验表明，方形孔径要比圆形孔径具有更出色的防止电磁泄漏效果。 工控机的散热孔的设计 2、机箱接缝处的EMC设计 根据理论，当机箱上两个接触点之间的距离大于0.25x（波长符号）时，两点之间就会很容易泄漏出有害的电磁辐射。因此在机箱接缝处的设计，也是考察EMC设计功底的一个重要指标。 现在商用PC机的机箱钢板厚度仅为0.6mm，钢板的强度有限，难以保证机箱本身受力后不产生形变，并且由于现在商用PC基本多是立式机箱，因此侧开口的面板也难以保证接缝处

15、的紧密结合，为了克服这些现象，一些高档商用PC在机箱的接缝处留有EMI弹片设计。 但工控机的使用环境复杂多变，某些环境是具有较强的振动性的，采用EMI弹片设计容易在振动的环境下失去弹片的弹性。工控机采用的机箱材料为1.2mm的优质钢板，本身具有优秀的抗形变特性，由于工控机机箱多为卧式的，顶部钢板自身的重量和钢材特性已经能够保证机箱壁之间的严密接触。优秀的工控机机箱在不采用EMI弹片的时候也完全可以通过CE，FCC等EMC认证。如果某些对电磁兼容极为严格的环境，例如军工行业，我们会推荐客户在机箱接缝处使用更为可靠的金属导电布。 在板卡和机箱的接缝处，这个地方也是极其容易引起电磁泄漏的地方，商用P

16、C由于扩展卡较少，很少有品牌在这个地方采用EMI弹片设计。而工控机内部会插入多块板卡，板卡和机箱的接触严密与否是电磁兼容是否优秀的一个重要指标，因此做工优良的工控机会采用EMI弹片确保板卡和机箱之间的接缝紧密可靠。3、机箱表面的特殊设计 商用PC机箱材料多采用镀锌钢板，并考虑吸收机箱内辐射的有效性，在机箱内部没有进行喷漆处理，因此机箱内壁的镀锌钢板是可以导电的，也更容易吸收电磁辐射，这也使得商用PC机在静电防护、电磁屏蔽方面有着先天的优势。商用PC的这种机箱在普通使用下没有问题，但是如果用于工控环境则是十分不合适的。 首先、工控机在某些时候要用在有强烈腐蚀性的环境下，例如海上的海盐、高速公路上排出的汽车尾气、化工厂的气体都具有强烈的腐蚀性。因此机箱内外表面都必须要做抗腐蚀处理。 其次、有时计算机会在振动的环境下工作，在某些特殊的情况下，振动会导致机箱内的某些电器元件接触到机箱内部表面，由于机箱内壁导电，所以很容易造成短路，烧毁设备。 而工控机在内部的喷漆处理使得机箱内壁不导电，可以杜绝这类现象的发生。但是正所谓成也萧何、败也萧何，正是因为这些不导电的机箱内壁对工控机的EMC设计有着更高的挑战。工控机由于内壁也进行了烤漆处理，因此机箱表面不导电，无法象商用PC一样形成等地体，因此只得在部分位置处留出没有喷漆的接触面，形成导电体，在整个机箱表面形成等势体，处理工艺较为复杂。