微型工控機(jī)在超偏載與軌道衡中的應(yīng)用探討

陳俊皓 中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司科研所

在現(xiàn)今科技高速發(fā)展的前提下鐵路運(yùn)輸?shù)捏w量和效率已經(jīng)大大提升，遍布各地的鐵路運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)無(wú)時(shí)無(wú)刻不在進(jìn)行著高速的運(yùn)輸作業(yè)。那么作為貨運(yùn)體系中的安全控制環(huán)節(jié)，超偏載檢測(cè)裝置與路用電子軌道衡的作用當(dāng)然不可忽視。貨車(chē)的超載、偏載不但會(huì)對(duì)于接下來(lái)的貿(mào)易結(jié)算造成不小的影響而且對(duì)于鐵路運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)安全的危害更是重大。在超偏載與軌道衡的使用過(guò)程中，工控機(jī)作為中間環(huán)節(jié)起著承上啟下收集傳輸數(shù)據(jù)的作用。如何選擇并用好一臺(tái)工控機(jī)也是需要好好斟酌的任務(wù)。

1 工控機(jī)

1.1 什么是工控機(jī)

工控機(jī)（Industrial Personal Computer，IPC）即工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，是一種采用總線結(jié)構(gòu)，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程及機(jī)電設(shè)備、工藝裝備進(jìn)行檢測(cè)與控制的工具總稱(chēng)。工控機(jī)具有重要的計(jì)算機(jī)屬性和特征，如具有操作系統(tǒng)、控制網(wǎng)絡(luò)和協(xié)議、計(jì)算能力、友好的人機(jī)界面。工控行業(yè)的產(chǎn)品和技術(shù)非常特殊，屬于中間產(chǎn)品，是為其他各行業(yè)提供穩(wěn)定、可靠、嵌入式、智能化的工業(yè)計(jì)算機(jī)。其主要的組成部分為工業(yè)機(jī)箱、無(wú)源底板及可插入其上的各種板卡組成，如CPU 卡、I/O 卡等。并采取全鋼機(jī)殼、機(jī)卡壓條過(guò)濾網(wǎng)，雙正壓風(fēng)扇等設(shè)計(jì)。工控機(jī)是在惡劣的環(huán)境下使用，對(duì)產(chǎn)品的易維護(hù)性、散熱、防塵、產(chǎn)品周期、甚至尺寸方面都有著嚴(yán)格的要求。因此在設(shè)計(jì)和選擇工控機(jī)平臺(tái)的時(shí)候，考慮的更多的是機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，然后才是對(duì)性能等的考慮。

1.2 工控機(jī)的特點(diǎn)

工控機(jī)通俗的說(shuō)就是專(zhuān)門(mén)為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)而設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)，而工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)一般具有強(qiáng)烈的震動(dòng)，灰塵特別多，另有很高的電磁場(chǎng)力干擾等特點(diǎn)，且連續(xù)作業(yè)即一年中一般沒(méi)有休息。因此，工控機(jī)與普通計(jì)算機(jī)相比必須具有以下特點(diǎn)：

（1）機(jī)箱采用鋼結(jié)構(gòu)，有較高的防磁、防塵、防沖擊的能力。

（2）機(jī)箱內(nèi)有專(zhuān)用底板，底板上有PCI 和ISA 插槽。

（3）機(jī)箱內(nèi)有專(zhuān)門(mén)電源，電源有較強(qiáng)的抗干擾能力。

（4）要求具有連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間工作能力。

（5）一般采用便于安裝的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱（4U 標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱較為常見(jiàn)）。

除了以上的特點(diǎn)外，其余基本相同。另外，由于以上的專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)，同層次的工控機(jī)在價(jià)格上要比普通計(jì)算機(jī)偏貴，但一般不會(huì)相差太多。盡管工控機(jī)與普通的商用計(jì)算機(jī)機(jī)相比，具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，但其劣勢(shì)也是非常的明顯（數(shù)據(jù)處理能力差），具體如下：

（1）配置硬盤(pán)容量小。

（2）數(shù)據(jù)安全性低。

（3）存儲(chǔ)選擇性小。

（4）價(jià)格較高。

2 超偏載軌道衡工作中選取的工控機(jī)

2.1 工作要求

超偏載軌道衡所使用的工控機(jī)一般都安置在鐵路沿線周邊的前段機(jī)房中，整體環(huán)境具備的問(wèn)題就是多灰塵、多震動(dòng)、周邊電磁干擾多、位置偏遠(yuǎn)等。由于一般都是位于無(wú)人值守的房間之中，所以在繁忙的鐵路運(yùn)輸過(guò)程中需要保持長(zhǎng)時(shí)間的持續(xù)工作時(shí)間。

2.2 工作原理

在超偏載與軌道衡運(yùn)行過(guò)程中，車(chē)輛的輪對(duì)沿著鐵軌運(yùn)行并壓過(guò)置于鐵軌腰部或鐵軌下方的剪力壓力傳感器，由于車(chē)輛本身的重量通過(guò)力的傳導(dǎo)使貼在剪力壓力傳感器上的精密變形體發(fā)生形變，經(jīng)過(guò)形變?cè)斐呻姌騼啥水a(chǎn)生微弱電信號(hào)將等比例轉(zhuǎn)化的模擬電壓信號(hào)傳輸?shù)轿挥阼F軌邊的接線箱中。再由信號(hào)電纜傳輸?shù)轿挥谇岸藱C(jī)房中的采集儀中。采集儀中通過(guò)數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)將收集到的模擬電壓信號(hào)進(jìn)行一定比例的放大并濾波，由置于采集儀中的A/D 轉(zhuǎn)換模塊將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成電子信號(hào)通過(guò)數(shù)字接口傳輸?shù)焦た貦C(jī)之中。在工控機(jī)中通過(guò)稱(chēng)重軟件將收集的電子信號(hào)進(jìn)行分析判別與整合，完成數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)處理從而得到我們所需要的車(chē)輛重量信息與超載偏載值等數(shù)值。

2.3 現(xiàn)在使用的工控機(jī)

現(xiàn)在大部分使用中的機(jī)型是研華IPC-610 型號(hào)的工控機(jī)。處理器是Intel 賽揚(yáng)雙核E7500 CPU 芯片組是H61 內(nèi)存是一條Non-ECC1 333 Mhz 的2G DDR3 擴(kuò)展的插槽有5 個(gè)PCI 插槽，一個(gè)PCIex4 插槽，一個(gè)PCIex16 插槽。儲(chǔ)存空間為500 G，I/O 端口的話前面板有兩個(gè)USB 和一個(gè)PS/2 的插槽，背后的話是4 個(gè)USB，一個(gè)VGA 一個(gè)以太網(wǎng)口一個(gè)PS/2 鍵鼠分插雙接口一個(gè)RS-232 接口和一組音頻輸入輸出接口。300 W 的工業(yè)電源，尺寸是 482×177×499 mm，重量為 16.2 kg。內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 IPC-610 內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2.4 使用中的問(wèn)題

IPC-610 型號(hào)的工控機(jī)的各類(lèi)參數(shù)和硬件條件對(duì)于所在的惡劣環(huán)境和工作需求確實(shí)已經(jīng)基本勝任，但是在實(shí)際使用中還是存在各種各樣的細(xì)小問(wèn)題導(dǎo)致在超偏載軌道衡的工作過(guò)程中引起一些麻煩。最為直觀的一個(gè)問(wèn)題就是IPC-610的重量對(duì)于一個(gè)需要移動(dòng)到安置在相對(duì)偏遠(yuǎn)位置的前端機(jī)房的我們來(lái)說(shuō)太重了。16.2 kg 的自身重量在線路上移動(dòng)起來(lái)非常的費(fèi)力，雖然有兩個(gè)側(cè)置的把手可以用來(lái)借力但是需要帶著這樣重的設(shè)備在路肩行走確實(shí)不太方便。特別是行走道砟上的時(shí)候如果存在高度差那么很容易引起工作者的受傷。其次，相對(duì)巨大的內(nèi)部空間和前吸氣后排氣的單向風(fēng)道設(shè)計(jì)導(dǎo)致了在多灰塵的環(huán)境下，內(nèi)部結(jié)構(gòu)特別容易產(chǎn)生積灰起球的現(xiàn)象、這樣的情況容易導(dǎo)致內(nèi)部主板的短路或者部分主要部件的金手指接觸部分氧化從而引起接觸不良等問(wèn)題。在一個(gè)無(wú)人值守的房間內(nèi)，容易產(chǎn)生工控機(jī)本身斷電、系統(tǒng)卡死甚至?xí)幸l(fā)火災(zāi)的危險(xiǎn)。再來(lái)就是它的硬盤(pán)架的不合理設(shè)計(jì)，它的硬盤(pán)架與光驅(qū)架相互疊加在一個(gè)整體架上，這在民用計(jì)算機(jī)上也很容易看到這樣的設(shè)計(jì)，但是他的固定螺栓是在最底部的硬盤(pán)架上，整體架的固定螺栓是兩個(gè)在拆卸面頂部的右側(cè)兩個(gè)在拆卸面中間底部的位置。中間底部的兩顆螺栓不論拆下還是緊固都是不方便且難以固定的。由于硬盤(pán)內(nèi)部數(shù)據(jù)資料會(huì)有備份或者移用的要求，所以這樣一個(gè)對(duì)于硬盤(pán)的拆卸會(huì)對(duì)工作難度和時(shí)間上都給與不必要的增加。

3 應(yīng)用微型工控機(jī)的理由

3.1 微型工控機(jī)參數(shù)

微型工控機(jī)選擇的型號(hào)是研華AiMC-3402。處理器是奔騰G2120 芯片組是H61 內(nèi)存是一條Non-ECC 1333Mhz 的2G DDR3 擴(kuò)展的插槽有2 個(gè)PCI 插槽，一個(gè)PCIex4 插槽，一個(gè)PCIex16 插槽。儲(chǔ)存空間為500 G，I/O 端口的話前面板有4個(gè)USB 和一個(gè)PS/2 的插槽，背后的話是4 個(gè)USB，兩個(gè)VGA兩個(gè)以太網(wǎng)口一個(gè)PS/2 鍵鼠分插雙接口，十個(gè)COM 口和一組音頻輸入輸出接口。250 W 的經(jīng)過(guò)80PLUS 認(rèn)證的工業(yè)電源，尺寸是 148×330×300 mm ，重量為 6.3 kg。內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 2所示。

圖2 AiMC-3402 內(nèi)部結(jié)構(gòu)

3.2 微型工控機(jī)的優(yōu)勢(shì)

首先最直接的比較就是處理器的升級(jí)、奔騰G2120 相對(duì)E7500 已是領(lǐng)先一代的CPU，運(yùn)行能力和多任務(wù)處理上要強(qiáng)過(guò)E7500 不少，這樣在同樣的任務(wù)量中G2120 更不易因處理量過(guò)大導(dǎo)致假死。在距離間隔較遠(yuǎn)的設(shè)備之中減少假死是很重要的一環(huán)。其次它的兩個(gè)VGA 接口提供了一個(gè)雙屏顯示的可能、對(duì)于一些特定操作有一些幫助。十個(gè)COM 的設(shè)置可以減少因單口接觸不良導(dǎo)致的數(shù)據(jù)傳輸異常以及承載多端口輸入任務(wù)。相比之前的單個(gè)COM 口要方便和可操作行更強(qiáng)。它的電源采用的是經(jīng)過(guò)80 PLUS 認(rèn)證的工業(yè)電源，能夠保證在20%、50%、100%的負(fù)載占用情況下都提供至少80%的電源轉(zhuǎn)換效率，這說(shuō)明它不僅更節(jié)能并且更加穩(wěn)定和有效、在一個(gè)需要長(zhǎng)期工作的環(huán)境里它更能發(fā)揮自己本身該有的能力。硬盤(pán)架的設(shè)計(jì)相比PCI-610 的不合理緊固位置，它的幾個(gè)螺栓都處于相對(duì)容易觸及的區(qū)域，拆卸的過(guò)程更為方便省力。由于內(nèi)部的空間相對(duì)小，8 cm 的機(jī)箱風(fēng)扇加上一進(jìn)兩出（前面板進(jìn)氣后面板和右側(cè)面板前部排氣）的散熱風(fēng)道可以讓本身發(fā)熱量不大的內(nèi)部零件有一個(gè)可靠的降溫效果同時(shí)也不太容易單位置積灰起球，減少因內(nèi)部溫度過(guò)高導(dǎo)致主板或板卡燒毀或過(guò)溫自我保護(hù)重啟。還有非常明顯差距的就是它的體積和重量，相比于之前 IPC-610 的 482×177×499 mm，重量為 16.2 kg，AiMC-3402 的體積幾乎只有它的三分之一，重量也減少了整整10 kg。這對(duì)于需要攜帶工控機(jī)到較遠(yuǎn)的前端機(jī)房進(jìn)行搶修維護(hù)的工作來(lái)說(shuō)是一個(gè)不小的工作效率提升和勞力的減少，也把在鐵路沿線行走的危險(xiǎn)性降低了不少。

4 結(jié)束語(yǔ)

在超偏載與軌道衡領(lǐng)域中，工控機(jī)的性能參數(shù)決定了數(shù)據(jù)傳輸分析這個(gè)中間環(huán)節(jié)運(yùn)作的順暢與否，選擇一臺(tái)合適合規(guī)且合理的工控機(jī)對(duì)于整個(gè)計(jì)量與安全檢測(cè)過(guò)程是需要且必要的。越優(yōu)秀的參數(shù)越合理的設(shè)計(jì)是對(duì)于工作效率的提升也是對(duì)于風(fēng)險(xiǎn)的把控，穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)和高性能可以起到防患于未然，盡量減少因硬件原因?qū)е碌膯?wèn)題。保障稱(chēng)重環(huán)節(jié)的順利，確保鐵路運(yùn)輸安全并保障相關(guān)的貿(mào)易結(jié)算的準(zhǔn)確性和有效性。各種優(yōu)勢(shì)讓微型工控機(jī)的使用和普及應(yīng)該及時(shí)提上日程。隨著工控機(jī)的技術(shù)革新和超偏載軌道衡的發(fā)展，更完善的設(shè)備一定會(huì)不斷更新，作為從業(yè)人員也應(yīng)與時(shí)俱進(jìn)踏上進(jìn)步的列車(chē)，精進(jìn)鉆研為鐵路運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展道路添上自己的一份綿薄之力。