单机独立工控机系统故障类型及维修

摘  要：分析现存的单机独立工业控制系统、数控设备数控系统主机系统软硬件特点，发现大多数工业控

制主机、数控系统主机硬件多以工控机、商用微型计算机为硬件基础，搭配专业数字控制卡、驱动卡等硬

件接口外设，并配套在WINDOWS系统或其他系统基础上的二次开发专用软件操控系统支持，形成独立的

小型控制系统集成。该类控制系统小巧灵活，成本可控，对大多数单机小系统使用广泛；但该类设备常见

故障类型及特点也比较突出，由于其前期受到成本控制限制，其工控机或选用的商业微机硬件主机普遍配

置性能不高；导致常常出现，整套系统其他硬件部分性能尚可，可是由于主机控制系统在长期工业环境下，

快速老化、硬件出现损坏，导致系统整体失效；维修时发现更换更新成本居高不下，成为该类设备故障维

修的一个“痛点”。为了解决这个痛点，我们分析现实的需要和成本控制要求，创新思维提出也一个利用现

有软硬件资源，合理技术攻关，充分利用好计算机成熟先进技术及虚拟仿真软件，软硬件技术结合，充分

发掘现有硬件潜力和软件价值，形成一套现实可行的维修方案，利用好这类数控设备、工控机系统集成度

低，技术保密措施不足，可拆解替换整合的特点，利用通用电脑硬件和计算机专用软件技术重新集成整合

现有资源，修复该类主机故障，实现系统升级改造及故障维修，以提升该类设备性能并延长该类设备寿命

的目的。

关键词：工控机；故障类型；可行性；系统升级    

引  言 

早期的独立单机专用数控设备的主机一般都选用工控机；但是随着时间推移及计算机硬件的快速更新迭代，现在一般家用或办公电脑的配置已远远超出这类工控机的硬件性能要求，以2010前后CPU 双核 主频2G以上，内存2G的标配办公电脑为例，这类办公电脑到现在基本已经无法运行WIN7以上系统了，即使勉强运行，也是很卡涩运行很慢，根本无法满足快速高效的办公需要，但是这个配置相对于早期的工控机配置主频几百兆赫兹几乎是相当高配的了，最主要的是目前淘汰下的这类家用或办公电脑已经失去办公使用价值，但是如果合理利用完全可以替换这类设备的工控机主机，实现用旧利废，同时也大幅提升老旧设备性能，甚至可以使一些老旧工控设备重新焕发生机。

这类独立单机数控系统、专用数控设备早期大都采用工控机作为系统主机，比如高速电火花数控线切割机、激光打标机、激光切割机、压力试验机、数控填料冲床等设备，还有一些压力检测实验设备、数据采集设备等，其设备主机都是工控机，该类设备一般有些都使用超过十几年了，由于主机自然老化等问题导致该类设备出现硬件或软件故障。维修时，发现可能有些设备厂家已停产倒闭，有些厂家虽然生产，但旧款设备已停产或已升级换代，老的配件也不生产或无法正常供应；这时，就面临两个选择，要不要考虑继续维修，还是直接报废该设备采购新设备；可这个设备目前其他配件状态还可以，直接淘汰有些可惜，而且采购新设备还要一笔不小的投入。为了应对该类问题，通过理论上的可行性分析及现场对类似问题的维修实践案例充分证明，通过必要的技术手段合理利用通用电脑系统可以实现对该类问题的有效解决，为类似设备问题提供了一个科学有效的解决方案。

1 工控机典型架构

1.1全钢机箱

IPC 的全钢机箱是按标准设计的，抗冲击、抗振动、抗电磁干扰，内部可安装同 PC - bus 兼容的无源底板。

1.2 无源底板

无源底板的插槽 ISA 和 PCI 总线的多个插槽组成， ISA 或 PCI 插槽的数量和位置根据需要有一定选择，该板分为四层结构，中间两层分别为地层和电源层，这种结构方式可以减弱板上逻辑信号的相互干扰和降低电源阻抗。底板可插接各种板卡，包括 CPU 卡、显示卡、控制卡、 I / O 卡等[1]。

1.3  CPU 卡

工控机的 CPU 卡有多种，根据尺寸可分为长卡和半长卡，根据处理器可分为386、486、586、 PII 、 PIII 主板，用户可视自己的需要任意选配。其主要特点是：工作温度0-600C；装有”看门狗”计时器；低功耗，最大时为5V/2.5A。

1.4 其他配件

工控机的其他配件基本上都与 PC 机兼容，主要有内存、显卡、硬盘、软驱、键盘、鼠标、光驱、显示器等。

2 理论可行性分析

 理论上，从硬件角度考虑，工控机主要构成和通用电脑结构大体一致，功用主要是通过专用接口卡、专用软件实现对设备执行机构的数字化控制,同时由于通用电脑经过多年硬件更新迭代，性能和稳定性都大大提升，完全可以替代一般工况下的工控机，同时由于计算机快速的更新换代，价格大幅下降，一些原来采用工控机作为系统主机的价格优势已不复存在，同时也出现了一些新机型直接使用通用电脑作为系统主机的趋势；另外，从软件角度考虑，原有工控机软件一般都是建立在windows系统甚至Dos系统基础系统上的开发专业软件，有些厂家甚至提供了针对WINDOWS 系统的专业软件安装包，这些条件都确保了通用电脑替代工控机的物质基础。

3工控机损坏故障类型分析

3.1 工控机局部损坏

比如工控机部分板卡、电源、存储设备损坏，这类问题比较好解决， 采购相应的板卡，电源或硬盘，进行更换，并按照具体软件要求，安装相应的系统或驱动基本可以消除故障使用；

3.2 工控机主板损坏

该类问题处理起来比较麻烦，由于工控机一般都是一些专用主板，且主板有些特殊插口或经过简化；目前很难在市面上采购到完全合适的主板替代，而且更换类似主板并配置合适的CUP等工作本身有较高的技术要求，同时，在软、硬件兼容和抗干扰等要求上难度比较大，一般不建议进行这种操作；理想的状况是直接利用现有市场成熟的主机系统替代，可这又存在软件兼容和硬件接口匹配问题需要解决；

3.3 工控机整机硬件故障损害且原厂配件停产

这类问题，如果按照以往思维局部替换维修方法，基本很难奏效，且维修成本很高，必修另辟蹊径；必修综合考虑软硬件的合理平衡，我们认为可以直接采购兼容整套工控系统软硬件整体替换升级比较有性价比；

4工控机替代方案构思

通过对以上工控机故障类型分析发现，故障主要症结主要集中在以下几个方面：

4.1硬件方面存在的问题

工控机主板为专用主板采购存在困难且成本费用较高，主板上有特殊接口要求，采购通用主板替代存在问题困难等；主机整体性能老化不稳定，直接更换存在困难，一方面原厂家厂家已倒闭停产，另外即使可以采购到配件成本费用过高，而且该设备也有一定的系统升级需要，比如基础系统版本过低，操作不方便且接口过少版本低，不利于数据传输等问题。

4.2 软件方面存在的问题

4.2.1 支持专业软件基础系统版本低

目前部分工控机只支持低版本的基础系统，如DOS 系统、win98、XP等系统；导致如果更换高版本硬件资源，一方面硬件资源基本无法发挥出价值，另外一方面一些硬件是不支持低版本的操作系统的。

4.2.2 专业软件不同版本不兼容问题

有些工控机多年以来，专业软件升级了多个版本，部分高版本已不支持现有版本兼容使用，同时还有一些铺助应用软件的使用也被限制，这些都导致现有系统更新升级或是调试，都必须重新搭建基础系统和配套换用软件，导致设备软件运行和调试都存在较大困难。

5 针对以上问题症结提出相应的解决方案及措施

5.1 硬件采购困难或缺失问题解决方案

由于工控机等采购成本较高且采购存在较多困难，通过我们之前的对家用或办公淘汰下的旧电脑替代工控机的可行性分析，认为完全可以发挥淘汰下的办公旧电脑硬件价值对工控机进行替代升级，首先被淘汰下的旧电脑本身硬件基础优于工控机，可是软件系统相对版本较低，可满足工控机的软件兼容性要求，确保我们对该类工控设备的维修升级任务实现.

5.2 针对硬件接口不匹配问题的解决方案

可以采购一定的接口转化卡，实现对接口的改造已达到接口匹配的目的，并安装相应驱动和对应端口参数设施，实现接口匹配，如  PCI转IDE接口转换卡，PCI转USB接口转换卡、控制卡、 I / O扩换卡等。

5.3 专用软件不匹配问题

目前有两种解决方案，一种是，我们使用的是老旧淘汰电脑，其硬件配件本身就低，因此一般是可以满足安装低版本操作系统的要求的；这样问题可直接解决了。另外如果工控机专用软件版本较低，导致即使淘汰的老旧电脑也不支持这么低的软件版本，那就只有使用新的计算机技术去解决，考虑到我们使用的淘汰电脑本身硬件相对工控机系统要求配置仍然是很富足，可以考虑使用虚拟机软件，如VMware Workstation 15等。首先在现有的一个基础操作系统上安装虚拟机，再在虚拟机上安装类似的需要的低版本操作系统或其他系统，然后在虚拟系统上安装相应专业软件，并合理设置输入输出软端口，实现在虚拟系统中完成操作的目的，即通过软适配实现相应的目标；     

6工控主机维修总结

6.1工控机维修前先要明确故障原因

   由于工控机出现的问题会有各种各样的情况，有软件的也有硬件的，问题千差万别。在面对不同问题可能需要因地制宜的采取一些方法，但是不论是什么问题，首先需要明确故障原因，明确故障的具体环境状况，并结合具体的情况和经济性考虑提出现实可行解决方案。

6.2跨基础操作系统，专用软件版本问题

在通用电脑主机替代工控主机改造工程中，常用的技术手段有虚拟技术，常用软件有虚拟机软件VMware Workstation等 ；主要是针对主机硬件无法直接支持安装相应版本基础操作系统问题的工具软件。可实现利用虚拟机在一台电脑上，虚拟安装需要的多个不同系统版本基础系统，再在这些虚拟系统上安装相应的专业软件，实现跨系统平台、专业软件多版本共存一台主机上运行，实现硬件软件化兼容，快速高效实现工控机运行调试目标。

6.3 硬件替换后，基础操作系统故障等问题

在进行通用电脑硬件部分替换后，出现基础操作系统无法正常启动的问题，或想从损坏工控机的硬盘提取相关数据备份文件时，需要用到一些系统修复工具软件，这类软件较多，如老毛桃系统修复工具等；另外，也涉及一些特殊接口卡扩展的硬件，如IDE转USB接口卡，串口转USB接口卡，PCI转ISA接口卡；主要是通用主板上缺失合适的接口时使用。

6.4 通用计算机主机替换工控机实现老旧工控设备寿命延续

工控机的核心是计算机软、硬件技术，自动化控制、检测技术、传感器技术等技术应用，只有合理利用现有的各种计算机先进技术，熟悉计算机硬件基础知识，充分利用不同计算机硬件的兼容性，并掌握专用软件的基础应用环境，充分发掘近年来计算机硬件的高速发展迭代，硬件性能大幅提升潜力，结合通用计算机价格大幅下降的发展趋势，对一些潜在的硬件资源充分发掘利用，借助一些接口转换卡实现通用计算机专用性适配，提升对通用计算机主机的硬件潜力发掘，必要的时候，实现硬件问题软件化解决方案；实现通用计算机对部分外在相对环境友好的工控机的替代升级，实现对老旧工控系统的替代升级工作，提升该类工控系统设备平稳运行及延续设备寿命的目标。

参考文献

[1] 卞正岗，工控机的发展与工业PC机的应用_卞正岗  ：20