具体描述
开发控制设备的硬件主要包括单片机、PLC、工业PC机、各种板卡、各种模块。单片机、PLC有很多书籍加以介绍和推广，唯独工业PC机和各种板卡的书籍在我国少见，特别是专门介绍工业Pc机和各种板卡的书还没有，为了填补这一空白，作者集多年开发工控机产品的经验，编写了这本书。书中主要介绍了工业PC机主机知识，较系统地介绍了各种板卡的使用方法和编程控制方法，其中包括运动控制卡、视频卡、通信卡、I／O卡、D／A卡、A／D卡。每个卡都有应用实例，具有较强的系统性、先进性、实用性。本书是为全国高职高专编写的教材，也可作为自学者的教材和参考书，还可作为从事控制领域的工程技术人员的学习参考书。
本书简介： 本书深入探讨了智能制造浪潮下，作为工业自动化核心支撑的工业PC机（IPC）在实际应用中的方方面面。从基础理论到前沿技术，从硬件选型到软件配置，从系统集成到维护管理，力求为读者提供一套系统、全面、实用的IPC应用指南。本书不涉及任何关于AI技术在IPC中的应用，而是聚焦于传统工业PC机在各种工业场景下的硬核技术和实践方法。 第一篇：工业PC机基础理论与硬件篇 第一章：工业PC机概述 本章将为读者勾勒出工业PC机的完整画像。我们将从其定义、发展历程入手，详细阐述工业PC机与普通商用PC（Commercial PC, CMPC）在设计理念、核心特性上的根本区别。重点剖析IPC之所以能胜任严苛工业环境的几大关键因素： 高可靠性与稳定性： 深入解析IPC在散热、抗震动、抗干扰、防尘防水（IP防护等级）、宽温工作范围等方面的设计要求和技术实现。我们将探讨这些特性如何在恶劣工况下保证IPC的连续稳定运行，减少停机风险。 长生命周期支持： 解释IPC通常具备比CMPC更长的产品生命周期，以及这对工业应用持续稳定性的重要意义。我们将介绍IPC厂商如何通过稳定的硬件平台和长期的物料供应来满足工业用户的升级换代需求。 标准化与开放性： 阐述IPC基于PC架构的标准化优势，包括其开放的软硬件接口、丰富的兼容性以及易于集成和维护的特点。 工业应用场景的特殊性： 简要介绍IPC在工厂自动化、过程控制、数据采集、人机界面（HMI）等典型工业应用场景下的需求差异。 第二章：工业PC机主板与核心组件 本章将聚焦IPC的核心——主板，并对其关键组件进行深度解析。 工业主板架构： 介绍主流的IPC主板尺寸规格（如Mini-ITX, ATX, 3.5" SBC等），以及不同尺寸在空间、扩展性、功耗上的权衡。我们将详细讲解主板上的关键区域，包括CPU插槽、内存插槽、PCI/PCIe扩展槽、存储接口、I/O接口等。 CPU选型考量： 深入分析IPC CPU选型的几个关键指标：核心数量、主频、功耗（TDP）、指令集（x86架构为主）以及不同系列（如Intel Core i系列、Atom系列、Celeron系列）在性能、功耗、成本上的取舍。特别会强调在长周期工业应用中，CPU的稳定性和可靠性远比极致性能更重要。 内存（RAM）选择： 讲解DDR3, DDR4, DDR5等内存类型在IPC中的应用，以及ECC（Error-Correcting Code）内存的重要性，阐述ECC内存如何在数据传输过程中检测和纠正错误，从而提升系统的稳定性。 存储系统： 详细介绍IPC常用的存储介质，包括SATA SSD、NVMe SSD、CFast卡、工业U盘等。重点分析它们的读写速度、耐久性（TBW）、抗震动能力、工作温度范围以及在不同工业环境下的适用性。我们会讨论如何选择适合长期运行且数据可靠性高的存储方案。 扩展槽与接口： 深入讲解PCI, PCI-X, PCIe（x1, x4, x8, x16）等扩展总线在IPC中的作用，以及它们如何连接各种工业专用卡，如采集卡、运动控制卡、通信卡等。同时，我们将详细列举IPC上常见的I/O接口，包括USB (2.0, 3.0, 3.1), RS-232/422/485串口, 并口, 网口 (Gigabit Ethernet), VGA, HDMI, DisplayPort等，并强调它们的工业级设计和保护特性。 第三章：工业PC机电源与散热系统 本章将深入探讨IPC在能源供应和热量管理方面的关键技术。 工业电源设计： 详细分析IPC电源适配器（AC-DC）和内置电源（DC-DC）的设计要求，包括宽电压输入范围（如85-265VAC或12/24/48VDC）、过载保护、短路保护、浪涌保护等。我们将强调电源的稳定性和滤波能力对IPC整体稳定性的至关重要性。 无风扇（Fanless）散热技术： 详细介绍IPC广泛采用的无风扇散热设计。重点讲解其工作原理，包括利用散热片（Heatsink）的材料（如铝合金、铜）、表面积、鳍片设计等将CPU等发热元件的热量传导到机箱外壳，再通过对流或辐射散发。我们将分析无风扇设计的优势：静音、防尘、高可靠性、低维护。 风扇散热与混合散热： 在部分高性能IPC或特定应用场景下，也会讨论风扇散热的应用。我们会分析风扇的选型、风道设计、风扇故障检测与冗余等策略。同时，会介绍部分IPC采用的混合散热方案。 热管理策略： 讨论IPC在不同工作环境温度下的热管理策略，包括如何通过主板上的温度传感器实时监控，以及BIOS/UEFI中的温度调节机制。 第四章：工业PC机机箱与结构设计 本章将从外壳到内部结构，全面解析IPC的坚固设计。 工业机箱材质与结构： 介绍IPC机箱常用的材质（如全铝合金、钢板）及其优缺点。详细阐述加固结构的设计，如防震脚垫、减震支架、内部支撑梁等，以应对振动和冲击。 防护等级（IP Rating）： 详细解释IP防护等级的含义（如IP54, IP65, IP67），以及IPC在防尘、防水方面的具体设计，如密封圈、防水连接器、透气阀等。 嵌入式与壁挂式设计： 介绍IPC的多种安装方式，包括嵌入式（Panel Mount）、壁挂式（Wall Mount）、导轨式（DIN Rail Mount）等，并分析不同安装方式的结构特点和应用场景。 电磁兼容性（EMC）设计： 探讨IPC在电磁兼容性方面的设计，包括屏蔽设计、滤波电路、接地措施等，以防止外部电磁干扰影响IPC正常工作，同时减少IPC本身产生的电磁辐射。 第二篇：工业PC机操作系统与软件应用篇 第五章：工业PC机操作系统选择与优化 本章将聚焦IPC上的操作系统，探讨其选择、安装与优化。 主流工业操作系统： 介绍适合IPC的操作系统，如Windows Embedded系列（Windows 10 IoT Enterprise LTSC）、Linux（如Debian, Ubuntu LTS, Yocto Project）、VxWorks等。分析它们在实时性、稳定性、资源占用、开发环境、驱动支持等方面的特点。 操作系统安装与驱动配置： 详细指导读者如何根据IPC硬件进行操作系统安装，以及如何查找、安装和配置各种硬件驱动程序，特别是工业专用的I/O设备驱动。 系统优化与固化： 讲解如何对操作系统进行性能优化，如关闭不必要的服务、调整系统参数、优化启动项等。特别会介绍“系统固化”（System Write Filter/File System Filter Driver）技术，阐述它如何保护操作系统文件不被意外修改，实现“一键恢复”或“掉电保护”，这对于需要频繁开关机或数据安全要求高的工业场景至关重要。 安全性加固： 讨论操作系统的安全加固措施，如用户权限管理、防火墙设置、安全补丁更新策略等。 第六章：工业PC机通信与联网技术 本章将深入探讨IPC在工业网络中的连接能力。 以太网通信： 详细讲解IPC的千兆以太网接口，包括RJ45连接器、网口指示灯、MAC地址等。我们会讨论工业以太网协议（如Ethernet/IP, PROFINET, EtherCAT）与标准以太网的区别，以及IPC如何通过专用网卡或适配器支持这些工业协议。 串口通信： 深入解析RS-232, RS-422, RS-485等经典串行通信接口的电气特性、通信协议、接线方式以及在IPC上的应用。我们将讨论如何通过USB转串口、PCIe串口卡等方式扩展串口数量，并举例说明其在连接PLC、传感器、仪器仪表等设备中的作用。 无线通信： 介绍IPC支持的无线通信技术，如Wi-Fi (802.11a/b/g/n/ac), 蓝牙, 以及蜂窝网络（4G/5G）模块。分析它们在无线数据采集、远程监控、移动设备连接等场景下的应用。 工业现场总线： 简要介绍CAN总线、DeviceNet、Modbus等常见的工业现场总线，并讨论IPC如何通过PCIe卡、USB适配器等方式接入这些总线，实现与现场设备的互联互通。 第七章：工业PC机人机界面（HMI）应用开发 本章将聚焦IPC作为HMI平台的应用开发。 HMI软件平台介绍： 介绍主流的HMI组态软件，如WinCC, FactoryTalk View, Ignition SCADA等。讲解它们的开发环境、画面设计工具、控件库、脚本编程能力等。 数据采集与显示： 演示如何通过IPC连接PLC或其他控制器，实时采集生产数据，并在HMI界面上以图表、仪表、文本等形式进行可视化显示。 操作与控制： 讲解如何在HMI界面上实现对生产设备的远程操作和控制，如启停按钮、参数设置、报警处理等。 趋势图与历史数据： 演示如何记录和显示历史生产数据，生成趋势图，帮助用户分析生产过程的运行状态和优化参数。 报警与事件管理： 介绍HMI系统如何实现报警的产生、显示、确认、记录，以及事件的跟踪和处理。 第八章：工业PC机数据采集与处理 本章将深入讲解IPC在数据采集与初步处理方面的能力。 数据采集卡（DAQ Card）应用： 介绍不同类型的数据采集卡，如模拟量输入/输出卡、数字量输入/输出卡、计数/频率卡等。讲解它们的通道数、采样率、分辨率、接口类型等关键参数。 传感器与IPC连接： 演示如何将各种工业传感器（如温度、压力、流量、位移传感器）通过适配器或直接连接到IPC的数据采集接口，实现数据的实时采集。 数据预处理与滤波： 讲解在IPC上进行的初步数据处理，如单位转换、量纲分析、均值滤波、中值滤波等，以提高数据质量。 数据存储与管理： 讨论IPC的数据存储策略，包括本地存储（数据库、文件）、网络存储、以及如何与MES（制造执行系统）等上层系统进行数据交互。 第三篇：工业PC机系统集成与维护篇 第九章：工业PC机系统集成与调试 本章将指导读者完成IPC的系统集成和调试工作。 系统架构设计： 讲解如何根据具体的工业应用需求，设计包含IPC在内的完整自动化控制系统架构，明确IPC在其中的角色和功能。 硬件连接与配置： 详细演示IPC与PLC、变频器、机器人、传感器、执行器等各种工业设备的硬件连接步骤，以及在BIOS/UEFI和操作系统中的基本配置。 软件集成与联调： 介绍如何将IPC上运行的上位机软件、PLC程序、HMI组态等进行集成，并进行联合调试，确保各模块之间的协同工作。 故障排除方法： 提供一套系统性的IPC硬件和软件故障排查流程，包括常见故障的现象、原因分析及解决方法。 第十章：工业PC机可靠性与维护策略 本章将侧重于IPC的长期稳定运行和维护。 日常巡检与监控： 制定IPC的日常巡检计划，包括外观检查、运行状态监控（CPU占用率、内存使用率、硬盘健康度）、日志文件分析等。 定期维护： 讲解IPC的定期维护项目，如清除灰尘、检查线缆连接、更新驱动程序和操作系统补丁（需谨慎操作）、备份重要数据等。 故障预警与诊断： 介绍如何利用IPC自带的监控工具或第三方软件，对潜在的故障进行预警，提前进行预防性维护，避免生产中断。 备件管理与快速更换： 讨论IPC的备件储备策略，以及如何在发生硬件故障时，快速更换故障部件，最大限度地缩短停机时间。 环境适应性维护： 强调在极端环境（如高温、高湿、腐蚀性气体）下，IPC维护的特殊注意事项，如定期清洁、更换密封件等。 第十一章：工业PC机选型指南 本章将为读者提供一套实用的IPC选型框架。 明确应用需求： 指导读者如何根据应用场景（如控制要求、数据量、环境条件、接口需求、成本预算）来明确IPC的性能需求。 关键技术指标解读： 再次强调CPU、内存、存储、接口、防护等级、工作温度等关键技术指标在选型过程中的重要性。 品牌与供应商评估： 介绍如何评估IPC供应商的可靠性、技术支持能力、产品线以及售后服务。 定制化方案考量： 对于特殊应用，讨论IPC的定制化选项，如特殊的I/O接口、加固等级、电源规格等。 案例分析： 通过几个典型的工业应用案例，例如某制造企业的生产线控制、某过程控制系统的HMI平台等，详细讲解如何根据实际需求进行IPC的选型。 本书旨在成为您在工业PC机应用领域一本不可或缺的参考工具书，帮助您充分理解、正确选型、高效部署并长期稳定地运行您的工业PC机系统，从而为您的工业自动化项目保驾护航。
