普通台机替代工控机成功应用

杨瑞琨+刘洋

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摘要：改造的普通台机在对某些使用环境要求不高、使用控制板卡能够通用的情况下，可以完全胜任原工控机的工作。普通台机替代工控机能大幅度降低采购维护设备成本，提高设备可维护性。

关键词：普通台机；工控机；替代；可维护性

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）21-0182-02

工业控制计算机是一种采用总线结构，对生产过程及其机电设备、工艺装备进行检测与控制的设备总称，简称“工控机”，它可以作为一个工业控制器在工业环境中可靠运行。现在工控机国内品牌主要有研华、研祥等。工控机作为一种加固的增强型个人计算机，包括计算机和过程输入、输出通道两部分。它具有重要的计算机属性和特征，如：具有计算机 CPU、硬盘、内存、外设及接口、并有实时的操作系统、控制网络和协议、计算能力，友好的人机界面等。目前工控机的主要类别有：IPC（PC总线工业电脑）、PLC（可编程控制系统）、DCS（分散型控制系统）、FCS（现场总线系统）及CNC（数控系统）五种。现在社会上使用的95%工控机属于IPC，其主要的组成部分为工业机箱、无源底板及可插入其中的各种板卡，如CPU卡、I/O卡等。并采取全钢机壳、机卡压条过滤网，双正压风扇等设计及EMC（electromagneticcompatibility）技术以解决工业现场的电磁干扰、震动、灰尘、高/低温等问题。 IPC有以下特点： 可靠性：工业PC具有在粉尘、烟雾、高/低温、潮湿、震动、腐蚀和快速诊断和可维护性，其MTTR（MeanTimetoRepair）一般为5min，MTTF10万小时以上，而普通PC的MTTF仅为10000～15000小时。 实时性：工业PC对工业生产过程进行实时在线检测与控制，对工作状况的变化给予快速响应，及时进行采集和输出调节（看门狗功能这是普通PC所不具有的），遇险自复位，保证系统的正常运行。 扩充性：工业PC由于采用底板+CPU卡结构，因而具有很强的输入输出功能，最多可扩充20个板卡，能与工业现场的各种外设、板卡如与道控制器、视频监控系统、车辆检测仪等相连，以完成各种任务。 兼容性：IPC能同时利用ISA与PCI及PICMG资源，并支持各种操作系统，多种语言汇编，多任务操作系统。

1 工控机在本厂使用概况

江西洪都钢厂是个1958年建厂的钢铁加工企业，主要从事钢铁产品的精加工。对设备的自动化程度要求相对比较高，工控机在本单位得到广泛的运用。工控机主要运用在煤气发生炉，加热炉，热处理炉，产品标示喷印，轧制精度控制，电机仪表设备精确控制等方面。利用工控机提高自动化程度，取代原来人力去控制调度管理，同时进行数据采集分析统计，及时对设备故障产品质量动态跟踪，极大提高了生产效率和产品质量保证率。

2 工控机和台式机的使用对比分析

工控机相对普通日常台式机的缺点：配件特殊性高，价格比较贵，安装调试困难，硬件性能参数比较低。使用的操作系统Windows2000比较陈旧，可操作性差，现场操作人员要进行相关培训才能熟练使用。

工控机相对普通日常台机的优点：机箱比较结实，电源质量好，主板稳定性能好，软件运行平稳。

从上述分析看来，日常台机只要从电脑配件选型上把关，克服其不足之处，完全可以替代工控机应用。

3 替代解决的方案实施

3.1日常台机机箱选型问题

我们选用质量好，价格300元以上优质厚钢板名牌大机箱替代，要求带机箱风扇过滤网和安装手扭螺丝的适宜平放式机箱。

3.2日常台机电源质量问题

我们选用价格300元以上名牌大功率电源替代，要求最少450W功率带多种电路保护措施的电源，比如说长城，航嘉电源。

3.3针对主板选用要求

首先从主板的稳定性、接口和扩展槽进行多样性考虑，其次才是考虑参数和价格。

我们选用主芯片为INTEL的G41，其属于很稳定和成熟的产品，生产厂家是华硕或技嘉一线大厂家。主板要求采用4相位供电设计和电涌全保护，使用100%寿命50000+小时日系固体电容，超低电阻式晶体管，铁素体电感。同时考虑替代工控机的特殊性，最好主板必须集成显卡，网卡，COM口，LPT打印口，IDE硬盘接口，带2个以上PCI总线扩展槽。我们主要选用的型号是：华硕P5G41T-MLX PLUS，技嘉G41MT-S2P。

选用集成度高的设备，主要考虑到集成度高的设备稳定性好，发热量低，同时某些工业控制需要使用COM口、PLT打印口对工业生产过程进行实时在线检测与控制。

选用带IDE硬盘接口。考虑到某些旧工控机使用的特殊软件在旧硬盘进行加密授权，如果移植到新机器非要用旧硬盘才能正常使用，旧硬盘属于IDE接口。

带PCI扩展槽，而且最少2个以上，一些工业控制机器要使用一些特殊的PCI接口控制卡，可能不止一块板卡。如下图所示：

3.4特殊的工业控制软件运行平稳性测试

本单位使用的软件是MS-SQL2000微软公司开发的数据库产品；

SIMATIC WinCC亚洲版32位技术的过程监视系统；

STEP7 V5.5中文版西门子PLC编程软件。

经过精心测试使用4年多，证明移植到WINDOWS XP系统平台下使用一切平稳，没出现任何软件兼容性问题。

3.5工控机进入局域网进行监控管理

1）利用本单位现有局域网，将单位里现场使用的工控机通过网卡接入局域网。为每个工控机，分配固定的计算机名，IP地址，统一将硬盘分区为4个区。C区为系统区，D区为工控软件运行区，E区为数据软件备份区，F区为网络共享区。F区存放每日设备交班电子文档记录，供管理人员通过网络远程检查考核分析。

2）最重要的是通过我们技术创新，在网络共享区存放一个绿色版本鲁大师电脑检测软件。通过网络远程运行鲁大师电脑检测软件，实时监控工控机CPU温度，南桥温度，主板温度，硬盘温度。通过每周一次的网络远程例行监控，多次发现CPU温度，南桥温度，主板温度，硬盘温度异常高。及时现场检查进行工控机除尘工作，提前发现CPU风扇损坏、主板老化、硬盘出现坏道等问题，基本彻底保证工控机24小时平稳运行，未出现因为工控机内部硬件故障导致生产运行的事故。

4 实施改造后的效果

1）普通台机价格低：工控机的价格高，基本是全套主机6000元，而普通台机价格2000元。

机器配置普遍高，运行速度快：老式工控机多数使用的IDE接口硬盘，DDR內存，INTER的 P4系列CPU，INTER865的芯片；改造后工控机全部是用SATA接口硬盘，DDR3內存，INTER CORE2系列CPU。改造后基本速度快到2-5倍。

2）由于配件基本统一，维护十分迅速。如果出现突发事情则可以及时更换备用设备，安装上相应已经调试好的系统软件硬盘，基本1个小时就能处理好。

3）使用了现在通用流行的WINDOWS XP系统，新来操作员不需要培训就能熟悉掌握系统的使用。

4）存在部分缺陷和遗憾。有极少部分工控机使用老式的ISA总线扩展槽，而普通台机基本找不到带老式的ISA总线扩展槽，所以无法进行替代测试工作。此外某些工控机的使用环境异常恶劣，比如说高温、高潮湿、高粉尘、震动、腐蚀，在这种环境下就不建议采用普通台机替代，因为设备运行稳定率是最主要的。

5 结论

通过4年多的运行，改造的普通台机使用正常，没有出现任何重大故障问题。事实证明改造后效果明显，大幅度降低设备维护成本80%，维修响应速度提高了80%。现场一致反映良好，为以后维护工业控制机提供一种便捷的途径。

摘要：建设具有特色高职高专院校，必须要具有一流的教学水平，教育部每年都要组织专家对精品课程进行评估与审核，精品课程建设关系到高校教学质量与教学改革工程的重要内容。高职高专院校高清录播教室系统如何科学、规范 、合理地设计与建设，要实现什么功能，对提高录制的精品课程质量意义重大。

关键词：高清录播教室；系统；精品课程；录制

中图分类号：TP37 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）21-0179-03

优质的精品课程必须符合教育教学的普遍规律，体现了科学性和先进性的现代教育理念，并具有鲜明特色。教育部教学质量与教学改革工程的一项重要建设内容就是精品课程建设，它是彰显高职高专院校一流教学水平和办学特色的亮点，教育部每年都要组织精品课程专家对立项建设院校进行审核与评估。在各种档次、各类形式录播教室建设风起云涌的今天，本文就高职高专院校建设合理、实用的高清录播教室进行方案初探。

1 总体要求

根据教育信息化的总体规划，及说课比赛、资源建设的实际需求，高职高专院校高清录播教室建设要求采用1台广播级专业摄像机和三台高清云台一体机（不低于1080P），搭配专业控制云台，不低于8路高清信号采集，通过自动、手动导播智能切换，同时根据录制需要，对教室做整体声学处理和装饰改造，考虑到教室环境，还需要进行灯光补充改造，以达到最佳摄录效果。同时考虑到要尽量减少听课、观摩的人员对课堂现场的影响，还需要建设1间控制观摩室。

全自动高清录播教室须满足具有录制高清画质、并兼容全自动和手动操作设备的精品课教学、微课教学等实时录像制作系统和校园电视直播系统，能够依托学校的教学资源管理平台、校园网和Internet网，以满足学校优质课和微课录制、公开课堂教学的网络直播、点播和资源下载等功能的需要。同时需要考虑高清录播教室设备操作起来要方便，系统稳定性和安全性要达到保证；用于网上学习浏览的视频图像也必须具有高清标准的画面效果和较好的播放流畅性。

具体如下要求：

1）全自动课程录播系统设计应从实际状况和使用功能着手，既要满足经济实用、技术先进的要求，还要考虑到可扩充、调整的余地，以便以后升级系统，同时兼顾维修管理方便的特点。

2）系统应满足国家精品视频公开课拍摄制作技术标准（2013年版）及省教育厅“晒课”课程录制标准的要求，支持全高清1080P，兼容半高清和标清，视频编码格式为H.264，音频编码格式AAC，录制的声音清晰，声音和画面同步，无交流噪音或其他杂音等缺陷，无失真、噪声杂音干扰，支持MP4格式封装。

3）系统控制、应用软件的操作、显示界面应完全汉化，以便于管理人员操作与使用，选用的设备应提供品牌、功能等说明，列出设备、材料清单，并提供设备、材料的名称、品牌、型号规格、主要技术参数、外形尺寸、单价、制造商及产地。相应系统须接入校园网。

4）设置专门的服务器，建立教学资源管理平台，对教学资源进行统一管理和分配；要与录播室无缝对接，自动上传录播视频和其他教学资料；能够实现直播、点播和资源下载功能。

5）建立录播控制室（观摩室）。根据控制和管理的需要，须建立控制室。将转播控制设备及服务器放到录播控制室，并用于实时观看和控制录播情况。

6）实现高清视频直播、点播。把高清录播室接入现有的校园网中（采用光纤或超六类网线）。校园网或Internet网中用户能通过计算机进行视频直播、点播，有较好的流畅性。

7）按照国家规范和标准有关要求，即“国标”要求对系统的构成和设备配置、施工、安装、测试等设计方案进行科学合理的论证。

8）系统的控制、通讯接口应符合统一的互联标准及技术协议的要求，具有较高的集成功能。

9）高清录播教室应预留接口，兼容学校有线电视系统。

10）应按照以人为本的原则，要求做到安全、舒适、方便。系统除了应当具有设备的标准化、技术的先进性、系统的可扩展性和可靠性、网络的开放性等要求外，还应进行精心的集成优化和设计，构筑成既具有现代化系统构成，又有人文化操作的学校辅助教学系统。

2 专业录播系统方案建设建议

1）优质课和微课资源建设：完成学校优质课资源、微课等录制，作为优质资源进行存储、交流和共享。

2）教师个人课堂资源建设：教师可以自行对个人课堂教学过程进行实录，经过整理后的课堂教学的资源，可以进行教学比赛、课堂教学研讨、评估评价等，通过网络管理监控更方便、准确、客观。

3）开展课堂教学绩效评估管理：各个学校可通过高清录播教室进行教学评估管理与绩效考核。首先，学校可以通过规定，让教师每学期自行录制一定数量的微课，并且进行整理挑选，开展好课评比；其次，学校均可通过网络进行所有的听课和评课，形成教研活动数据库；最后，可以借助网络平台，达到教学资源共享平衡。这些研习举措将会大大提高教师教学水平。

4）依托校园网、互联网和教育资源平台，建立“大课堂”，学生上课可以收看直播，课后还可以通过互联网在寝室甚至家里进行点播，搭建起学生远距离享受名师名家教学资源的主动学习空间，更加巩固已有知识技能。

3 专业录播系统的功能要求

高清录播教室要求能用自动和手动两种方式，准确、灵活、清晰的把课程教学实况录制下来，并通过网络进行实时直播，课程结束后，还可让学生在自主学习空间进行点播和观摩。要求录播系统具有B/S架构资源管理平台，平台具有多级管理功能，支持通过网络点播和点评。

3.1 图像定位主机的功能要求

1）采用图像空间分析采集技术的自动跟踪系统及人体行为分析、二位立体空间（专利技术）定位和摄像跟踪技术，可将整个教室空间全景化，分别从目标追踪识别、运动预测模型、目标自动聚类识别、人体姿势分析、人脸识别、景深检测、图像重建等多种图像分析手段进行智能判别，实现准确定位。跟踪必须采用4机位及以上（实现老师、学生、板书之间的切换；减少垃圾镜头：垃圾镜头指在上课过程中镜头出现拉伸摇移）。采用老师无需佩戴任何辅助设备，也无需在座椅安装辅助设施，最大限度地保证教学过程不受外界因素干扰。

2）该系统要求跟踪无盲区定位，内置跟踪拍摄智能模块，自动跟踪拍摄和切换自然流畅，有专业人士拍摄效果，符合教学场景的自然规律。对多种教学实践环节中的转场镜头（比如讲师从讲课到板书、操作多媒体课件、教师走下讲台、师生互动、学生回答问题、学生上台演示和回答问题等），也能实现跟踪的智能化切换，设计全面细致，符合视觉习惯。

3.2 智能录播主机系统的功能要求

1）单板结构嵌入式一体机，工业级别嵌入式ARM+DSP架构，单板卡设计，无风扇静音设计。（非工控板+采集卡架构）嵌入式linux操作系统、性能稳定可靠、高质量的音视频编码，系统具备本地和网页两种配置方式，安装调试更加灵活；

2）嵌入式板卡集成了SDI转换模块，VGA转换模块，VGA及HDMI输出模块，音视频编解码DPS模块，高性能逻辑处理器等多个复杂模块，整体化程度高，运行效率高。并且避免了插拔件造成的品质不均、故障点多、机箱结构复杂等问题。

3）多路1080P 50fps/60fps并发处理，能够自如应对多路1080@60全高清视频信号并发处理，采用先进的H.264.High.Profile视频编码方式生成最高质量的1080p全高清mp4文件。

4） VGA支持硬采和软采一主一备两种采集方式。

5）支持定时录制及上传到资源管理平台，录制为标准的 mp4和flv文件格式 ，支持电影模式及资源模式同时录制，本地存储硬盘至少2T以上。

6）支持B/S，C/S双架构交互，本地、远程可同时操作。

7）主机本地无延时可以直接通过本地USB外接鼠标、键盘、显示器控制导播切换视频，控制云台及设置录播系统参数；同时可以通过USB直接导出本地课件。

8）为满足录制标准对视频质量的要求，必须支持对图像的亮度、色度、对比度进行实时调节，支持板书视频锐丽效果，大幅度提升板书清晰度。

9）支持自动、手动两种导播模式并两种模式可实时切换，同时手动导播需支持鼠标点击居中功能。

10）资源模式的课件预览，预览过程中可以随时切换主次视频。

3.3 人工导播要求

1）手动导播（而不是远程桌面及客户端及导播台的方式）录制模式要求导播台上能同屏显示多路输入视频和VGA信号画面，并且提供实时直播画面的监视。同时也要兼有远程监视、远程控制摄像头、跟踪等远程导播功能。

2）高清录播服务器也要能实现多种模式下可以供用户根据现场拍摄需求进行自由切换，它至少要求系统具备自动导播、半自动导播模式、人工导播三种模式。

3.4 录制画面要求

录制的视频画面质量能够达到1080P，并向下兼容1080I/720P，通过投影机能清晰回放，要求为网页文件格式或流媒体，可通过Microsoft IE浏览器或流媒体软件播放器播放。视频画面转场要做到自然流畅，摄像机所拍摄的场景不会出现破损画面，免除后期编辑剪切苦恼。

3.5 声音采集要求

1）常态化声音自动采集

要求常态化课堂教学声音采集，禁止采用佩戴领夹式话筒或手持话筒采集声音；要求采用吊顶麦克风，使用多个指向性话筒，话筒具有无痕开关功能，有声音开启，无声音自动关闭。要求教师讲课的声音、学生回答问题的声音、师生互动的声音和电脑视频动画的声音都能够清晰的采集到。

2）声音自动增益降噪功能

声音采集采用语音滤波技术，剔除人声外的频率成分，增益降噪，保障声音清晰干净。

3.6 系统资源管理和应用要求

要求录播系统具有B/S架构资源管理平台，平台具有校级或校级以上等多级管理功能。支持和学校原有网站无缝连接，支持城域网点播和区县其他兄弟学校的资源共享。

1）用户管理和权限管理功能

录播管理平台需具有校级或校级以上用户管理以及权限管理功能。

同时必须支持设置教师权限、管理员权限等，便于资源的上传，下载，修改，发布，编辑等管理。

2） 资源分类管理功能

录播管理平台需具有校级和区级资源管理功能。资源具有按学校、教师、课程等类别分类管理功能，用户可以根据学校的实际情况自主分类管理。

3）视频自动上传发布功能

录播管理平台支持录制的视频文件自动上传发布到学校或区级的资源管理平台，支持第三方视频文件手动上传发布到学校或区级的资源管理平台，支持资源上传。

4）教师教案上传发布功能

录播管理平台支持教师教学设计等教案根据权限上传发布到资源管理平台，观看者可以根据权限查看视频资源的教学设计等。

5）视频资源下载功能

录播管理平台支持资源的下载功能，可以根据权限设置方便地进行本地的视频资源下载。

6）微课中心功能

用户可以根据年级，科目，知识点等信息筛选自己想要观看的微课，每个微课播放时长只有7-10分钟，更好更快更集中的学习想要学习的只是点，避免疲劳作战。

7）个人空间功能

个人空间须具有我的云课堂、我的课程、课程发布、资源创建、微课发布、教研管理、我的问答集个人资料等实用功能模块。

8）资源ST分析功能

平台支持用户对课堂视频的点播资源、直播课堂、微格教学教研的评价评分，评分可以以专业具体的分值体现，亦可用简约的积分评定，评价支持打点，支持聊天室的模式。即：教师/专家可通过个人的账号实时对课程进行评估与并自动记录到资源管理平台中，自动生成评估报表，完成教学技能评测。

9）课堂直播功能

在实时录制课程的过程中，能同步对整个课堂进行直播，可以通过校园网或城域网观看直播课堂。应具备多种直播模式供用户选择观看。如单画面，多画面，或画中画等。