工控機的現(xiàn)狀與未來

一、概述


    工業(yè)控制機是指對工業(yè)生產(chǎn)過程及其機電設備、工藝裝備進行測量與控制用的計算機，簡稱工控機。工業(yè)控制機由計算機基本系統(tǒng)和過程I/O系統(tǒng)組成，計算機基本系統(tǒng)由系統(tǒng)總線、主機模板、存儲器板、人機接口板與CRT、磁盤機、打印機等通用外設組成。過程I/O系統(tǒng)由輸入信號調(diào)理板和A/D轉換器，將現(xiàn)場傳感器測量的物理信號轉變?yōu)殡娦盘枺M量經(jīng)模數(shù)轉換（A/D轉換器），變成數(shù)字量輸入計算機，計算機輸出信號經(jīng)數(shù)模（D/A）轉換和輸出調(diào)理（隔離放大）成執(zhí)行機構的功率驅動信號控制執(zhí)行機構。 
    硬件系統(tǒng)一般有運行操作臺，可放計算機、CRT、外設、主機柜、I/O機柜（機箱、電源、接線端子板、接地保護裝置等）等。 
    軟件系統(tǒng)由實時操作系統(tǒng)、實時數(shù)據(jù)庫及應用軟件、數(shù)據(jù)采集與處理軟件、各類控制軟件（PID）直接數(shù)字控制、先進控制軟件組成。 
    與商用及個人機比較，工業(yè)控制機的特點是強大的過程輸入輸出能力，高可靠性與實時性。 

    1、主要產(chǎn)品 
    (1) 工業(yè)控制機及其OEM產(chǎn)品 
    包括單片機智能部件，模糊控制器8位、16位、32位CISC、RISC嵌入式計算機及其板級產(chǎn)品。 
    有一定市場規(guī)模和發(fā)展前景的產(chǎn)品主要有：IPC、PC/104或PC/104-plus、VME/VXI、AT96、CompactPCI以及其它專用單板計算機（包括基于RISC、DSP和單片機的嵌入式專用計算機）等。 
    PC/104憑借小尺寸優(yōu)勢，在小型軍事和醫(yī)療設備領域還有進一步擴大市場的可能。PC/104通過PC/104-plus兼容PCI總線，向高性能應用拓展。
    VME/VXI總線，繼續(xù)在軍事設備和大型測試系統(tǒng)方面占有很大的市場份額，但已經(jīng)受到CompactPCI/PXI產(chǎn)品強有力的沖擊。目前還不會在大范圍內(nèi)被CompactPCI/PXI產(chǎn)品所取代。標準AT96總線工控機在軍事裝備和工業(yè)現(xiàn)場得到進一步應用。 
    CompactPCI總線工控機，隨著CompactPCI總線冗余設計技術、熱插拔技術、自診斷技術的成熟，構造高可用性系統(tǒng)的簡化，CompactPCI總線工控機技術將得到迅速普及和廣泛應用，成為國內(nèi)繼STD總線工控機、IPC工控機之后最具普及前景的新一代高性能工控機。 
    (2) 分布式控制系統(tǒng)DCS，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS
    (3) 可編程控制器 PLC
    (4) 數(shù)控系統(tǒng)CNC 


    2、功能簡介 
    (1) 對工業(yè)生產(chǎn)過程工藝參數(shù)進行調(diào)節(jié)控制（直接數(shù)字控制DDC、監(jiān)督控制SPC及先進控制）；
    (2) 對工業(yè)生產(chǎn)設備、工藝裝備進行測量與控制（如冷軋機、熱連軋機分布式控制系統(tǒng)DCS）； 
    (3) 單片機、單板機、微控制器等嵌入到家用電器、機電設備內(nèi)部，提高機電設備數(shù)字化及智能化，如數(shù)控機床配套的數(shù)控、 微電子控制電冰箱、洗衣機等。 
    3、關鍵技術 
    (1) 軟件技術：實時數(shù)據(jù)庫技術、動態(tài)圖形顯示技術、平臺技術。
    (2) 先進控制技術：是以現(xiàn)代控制理論為基礎的各種高級控制技術，包括預測控制、魯棒控制、模糊控制、智能控制、專家控制等。 
    (3) 過程優(yōu)化技術：根據(jù)優(yōu)化工藝模型，進行以效益最大為目標的在線和離線計算，然后給出整個過程優(yōu)化條件，使整個過程在最優(yōu)化的狀態(tài)下運行。 
    (4) 系統(tǒng)集成技術：控制軟件、優(yōu)化軟件和軟測量技術的集成；檢測、控制、優(yōu)化、調(diào)度、管理、決策、經(jīng)營等功能的集成； 
    (5) 通信網(wǎng)絡技術：現(xiàn)場總線技術。 
    ① 并行總線 
Compact PCI Compact PCI總線是PCI總線的加固和擴展， Compact PCI還規(guī)范了熱切換，即帶電插拔。 
PXI總線 PXI總線是測試儀器PCI總線的擴展。 
VXI總線 VXI總線是在VME總線基礎上擴展而成的儀器系統(tǒng)總線。 
    ② 現(xiàn)場總線
    現(xiàn)場總線目前有FF（現(xiàn)場總線基金會）、Profibus（過程現(xiàn)場總線）等10種。 
    ③ 工業(yè)以太網(wǎng)技術 


    二、國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 

    1、技術發(fā)展趨勢 

    國外自上世紀60年代出現(xiàn)第一臺工業(yè)過程控制系統(tǒng)以來已經(jīng)過三代產(chǎn)品的發(fā)展變化，隨著計算機技術及產(chǎn)品的發(fā)展，工業(yè)控制系統(tǒng)亦相應地不斷發(fā)展。 
    (1) 半導體技術集成電路技術推動微處理器、微控制器的發(fā)展，1位、4位、8位、16位、32位微處理器，微控制器及單片機性能價格比不斷提高，Intel、Motorola 等公司的微處理器占統(tǒng)治地位，各種控制器、控制裝置、PLC更新?lián)Q代加快，神經(jīng)元網(wǎng)絡芯片已問世，模擬控制器、智能控制器已初步商品化及推廣應用。 
    (2) 分布式控制系統(tǒng)已推出第四代產(chǎn)品，如Honeywell 公司新推出的Experion PKS（過程知識系統(tǒng)），Emerson公司的PlantWeb，F(xiàn)oxboro公司的A2，橫河公司的R3（PRM－工廠資源管理系統(tǒng)），ABB公司的Industrial IT系統(tǒng)。 
    (3) 計算機技術、通信技術、控制技術的發(fā)展，使控制系統(tǒng)向全數(shù)字化、全分散式、全開放可互操作和開放式互聯(lián)網(wǎng)絡的新一代現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）發(fā)展。 
    現(xiàn)場總線技術近年迅速發(fā)展，目前有FF（現(xiàn)場總線基金會）、Profibus（過程現(xiàn)場總線）、LonWorks（局部操作網(wǎng)絡）、CAN（控制局域網(wǎng)絡）、HART（可尋址遠程傳感器數(shù)據(jù)通路）等，LonWorks 已經(jīng)廣泛的應用， 得到包括IBM 、Honeywell 、ABB等大公司在內(nèi)的2 500家生產(chǎn)廠家的支持，占領了約1/3的樓宇自動化市場，已成為美國空調(diào)暖通工程師協(xié)會ASHRAE的樓宇自動化的標準。 
    (4) PLC技術20世紀80年代走向成熟，目前已有新的突破，無論是處理速度，功能強化、通訊能力都提高到一個新水平，小型PLC向小型化、低成本、簡單、多用方向發(fā)展，大中型PLC向多功能、高速度、大容量、網(wǎng)絡化方向發(fā)展。 
    (5) 自動控制理論及技術的發(fā)展，先進控制、模糊控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡、人工智能技術和專家系統(tǒng)已在工業(yè)自動化中實際應用：多變量預測控制、先進控制軟件產(chǎn)品在國外石油、化工等流程工業(yè)已廣泛使用；人工神經(jīng)網(wǎng)絡已制成專用芯片及自動裝置，模糊控制器亦已商品化，廣泛用于工業(yè)生產(chǎn)過程控制和電冰箱洗衣機等家用電器控制中，專家系統(tǒng)已在電站控制、冶金過程及石化裝置自動控制中應用，國外制造自動化向CIMS精良生產(chǎn)、敏捷制造方向發(fā)展，流程工業(yè)亦向集成生產(chǎn)系統(tǒng)CIPS發(fā)展。 


    2、前景展望 

    隨著計算機技術及應用的發(fā)展，工業(yè)控制機不斷向數(shù)字化、微型化、分散化、個性化、專用化發(fā)展，工業(yè)控制機系統(tǒng)向網(wǎng)絡化、集成化、綜合化、智能化方向發(fā)展，隨著信息化帶動工業(yè)化，工業(yè)化促進信息化的進展，企業(yè)信息化、社區(qū)信息化、家庭信息化的發(fā)展，工業(yè)控制機的市場不斷擴大，前景寬廣。