新一代工業控制計算機的應用前景

1、概述
工業控制計算機是工業自動化設備和信息產業基礎設備的核心。傳統意義上，將用于工業生產過程的測量、控制和管理的計算機統稱為工業控制計算機，包括計算機和過程輸入、輸出通道兩部分。但今天的工業控制計算機的內涵已經遠不止這些，其應用范圍也已經遠遠超出工業過程控制。因此，工業控制計算機是“應用在國民經濟發展和國防建設的各個領域、具有惡劣環境適應能力、能長期穩定工作的加固計算機”，簡稱“工控機”。改革開放20多年來，工控機為工業自動化、信息產業和國防建設的發展提供了一條低成本的自動化技術方案，促進了國民經濟的發展。同時，工控機技術自身也得到了迅速發展。實踐證明：可靠而廉價的工控機適合中國國情。

回顧歷史，中國工控機技術的發展經歷了80年代的第一代STD總線工控機，90年代的第二代IPC工控機，現在進入了第三代CompactPCI總線工控機時期，而每個時期大約要持續15年左右的時間。STD總線工控機解決了當時工控機的有無問題；IPC工控機解決了低成本和PC兼容性問題；CompactPCI總線工控機解決的是可靠性和可維護性問題。作為新一代工控機技術，CompactPCI總線工控機將不可阻擋地占據生產過程的自動化層，IPC將逐漸由生產過程自動化層向管理信息化層移動，而STD總線工控機必將退出歷史舞臺，這是技術發展的必然結果。同時，新一代工控機技術也是下一代網絡（NGN）技術設備的基礎。因此，覆蓋CompactPCI總線、PXI總線以及AdvancedTCA技術的新一代工控機技術具有巨大的市場潛力和廣闊的應用前景。

2、第一代工控機技術開創了低成本工業自動化技術的先河

第一代工控機技術起源于20世紀80年代初期，盛行于80年代末和90年代初期，到90年代末期逐漸淡出工控機市場，其標志性產品是STD總線工控機。STD總線最早是由美國Pro-Log公司和Mostek公司作為工業標準而制定的8位工業I/O總線，隨后發展成16位總線，統稱為STD80，后被國際標準化組織吸收，成為IEEE961標準。國際上主要的STD總線工控機制造商有Pro-Log、Winsystems、Ziatech等，而國內企業主要有北京康拓公司和北京工業大學等。STD總線工控機是機籠式安裝結構，具有標準化、開放式、模塊化、組合化、尺寸小、成本低、PC兼容等特點，并且設計、開發、調試簡單，得到了當時急需用廉價而可靠的計算機來改造和提升傳統產業的中小企業的廣泛歡迎和采用，國內的總安裝容量接近20萬套，在中國工控機發展史上留下了輝煌的一頁。PC DOS軟件的兼容性使STD總線得以發展，也由于運行PC Windows軟件的局限性使STD總線被淘汰出局，而取而代之的是與PC完全兼容的IPC工控機。

雖然同時期發展起來的還有VME總線和Multiplus總線等，但它們在中國始終都沒有形成氣候，安裝數量、應用范圍和影響力都比STD總線小得多。

3、第二代工控機技術造就了一個PC-based系統時代

1981年8月12日IBM公司正式推出了IBM PC機，震動了世界，也獲得了極大成功。隨后PC機借助于規模化的硬件資源、豐富的商業化軟件資源和普及化的人才資源，于80年代末期開始進軍工業控制機市場。美國著名雜志《CONTROL ENGINERRING》在當時就預測“90年代是工業IPC的時代，全世界近65%的工業計算機將使用IPC，并繼續以每年21%的速度增長”。歷史的發展已經證明了這個論斷的正確性。IPC在中國的發展大致可以分為三個階段：第一階段是從20世紀80年代末到90年代初，這時市場上主要是國外品牌的昂貴產品。第二階段是從1991年到1996，臺灣生產的價位適中的IPC工控機開始大量進入大陸市場，這在很大程度上加速了IPC市場的發展，IPC的應用也從傳統工業控制向數據通信、電信、電力等對可靠性要求較高的行業延伸。第三階段是從1997年開始，大陸本土的IPC廠商開始進入該市場，促使IPC的價格不斷降低，也使工控機的應用水平和應用行業發生極大變化，應用范圍不斷擴大，IPC也隨之發展成了中國第二代主流工控機技術。目前，中國IPC工控機的大小品牌約有15個左右，主要有研華、凌華、研祥、深圳艾雷斯和華北工控等。

90年代末期，ISA總線技術逐漸淘汰，PCI總線技術開始在IPC中占主導地位，使IPC工控機得以繼續發展。但由于IPC工控機的結構和金手指連接器的限制，使其難以從根本上解決散熱和抗振動等惡劣環境適應性問題，IPC開始逐漸從高可靠性應用的工業過程控制、電力自動化系統以及電信等領域退出，向管理信息化領域轉移，取而代之的是以CompactPCI總線工控機為核心的第三代工控機技術。值得一提的是，IPC工控機開創了一個嶄新的PC-based時代，對工業自動化和信息化技術的發展產生了深遠的影響。

在第二代工控機技術里，還需要提及一個比較成功的技術——PC/104總線技術。基于ISA總線的PC/104總線問世于1992年，自層迭式結構，具有尺寸小、結構緊湊、功耗低、可靠性高等特點，主要應用于軍事和醫療設備。1997年PC/104擴展成PC/104-Plus，增加了PCI總線定義。PC/104總線工控機依靠自身的特點和不斷地完善，還將繼續在其傳統優勢領域占有一席之地。

4、迅速發展和普及的第三代工控機技術

PCI總線技術的發展、市場的需求以及IPC工控機的局限性，促進了新技術的誕生。作為新一代主流工控機技術，CompactPCI工控機標準于1997年發布之初就倍受業界矚目。相對于以往的STD和IPC，它具有開放性、良好的散熱性、高穩定性、高可靠性及可熱插拔等特點，非常適合于工業現場和信息產業基礎設備的應用，被眾多業內人士認為是繼STD和IPC之后的第三代工控機的技術標準。采用模塊化的CompactPCI總線工控機技術開發產品，可以縮短開發時間、降低設計費用、降低維護費用、提升系統的整體性能。“CompactPCI是PCI總線的電氣和軟件加上歐洲卡，它具有在不關閉系統的情況下的‘即插即用’功能，該功能的實現對高可用系統和容錯系統非常重要”，2004年度科技部科技型中小企業技術創新基金項目指南中的這段話，概括出了CompactPCI總線工控機的主要特點和重要性。國家“發改委”也已經把CompactPCI總線工控機列為主要產業化項目之一。

2001年，PICMG2.16將以太網包交換背板總線引入到CompactPCI總線標準中，為電信語音增值服務設備和基于以太網的工業自動化系統提供了新的技術平臺。2002年，PICMG頒布了面向電信的新標準AdvancedTCA，簡稱ATCA。ATCA比PICMG2.16有更大的規格和容量、更高的背板帶寬、對板卡更嚴格的管理和控制能力、更高的供電能力以及更強的制冷能力等。ATCA不是應用在電信上的第一個開放式平臺，但它是第一個由電信專家專為電信應用設計的電信平臺，也主要是為了解決電信系統目前主要面臨的系統帶寬問題、高可用性問題、現場升級問題、可伸縮性問題、可管理性問題以及可互操作問題，并最終降低成本。

儀器和儀表是工業自動化設備的重要組成部分。CompactPCI向儀器儀表領域的擴展總線就是PXI總線。PXI產生于1998年，主要是面向“虛擬儀器”市場而設計的，但已經不局限于測試和測量設備，正在迅速向其它工業控制自動化領域擴展，并與CompactPCI總線互相補充和融合。PXI總線工控機不但具有VXI的高采樣速率、高帶寬和高分辨率等特點，而且具有開放性、軟件兼容性和低價格等優勢。一般來說，3U PXI產品用于構造便攜式或小型化的ATE測試設備、數采系統、監控系統以及其它工業自動化系統。6U PXI產品主要應用在高密度、高性能和大型ATE設備或工業自動化系統中。

21世紀的頭20年是新一代工控機技術蓬勃發展的20年。以CompactPCI總線工控機為代表的第三代工控機技術將在近幾年得到迅速普及和廣泛應用，并在中國信息化進程中發揮重要作用。

5、新一代工控機的產業化及應用前景

從1998年到今天，CompactPCI總線工控機在國內發展迅速，并得到了一定程度的應用，但遠沒有達到理想的程度。業界專家普遍認為，目前制約新一代工控機技術發展的因素主要有四個：一是由于目前CompactPCI總線工控機的生產規模和應用數量還不夠大，成本過高，用戶還在觀望，等待價格的進一步降低；二是國產化的CompactPCI總線I/O模板的種類和數量還不豐富，配套性還不夠，用戶難以得到完整的解決方案；三是CompactPCI總線設計技術難度大，普及程度不夠，多數企業還不具備自行研制系統配套I/O模板的能力；四是缺少權威的有關CompactPCI總線工控機設計和應用技術的指導性文獻，需要培養更多的掌握該技術的專業設計人才和推廣應用人才。因此，需要在科技部和國家有關部委相關政策的引導下，在中國計算機行業協會PICMG/PRC的統一組織下，聯合國內外從事CompactPCI總線工控機技術研制和生產的企業、大專院校、科研院所以及用戶，進一步加大國產化CompactPCI總線工控機的研制和推廣力度，擴大生產規模，增加產品種類和數量，降低產品價格，提高產品的互操作性，實現產業化，培養更多的人才，為CompactPCI總線工控機的發展創造更有利的條件。

從現在到2020年，是中華民族實現民族振興的關鍵20年，是用信息化帶動工業化、實現國民經濟跨越式發展的20年，是工業自動化技術和信息產業技術快速發展的時期，也為新一代工控機技術的應用和發展提供了前所未有的良好發展機遇，應用前景廣闊。

眾所周知，目前國內每年投放市場的DCS系統數量大約在1400套以上，并以每年15%左右的速度增長。DCS中的現場控制器采用的還是第二代IPC工控機產品，需要用新一代工控機替代升級。隨著鐵路五次提速，原來應用在車站計算機連鎖系統、行車調度監督系統以及鐵路紅外熱軸探測系統上的數千套第一代和第二代工控機已經不能滿足要求，現在已經開始用新一代CompactPCI總線和PXI總線工控機替代。由于電力緊缺而正在加快建設的發電廠和電網系統，需要大量的新一代工控機產品來實現電力系統綜合自動化。正在迅速發展的智能交通系統需要新一代工控機技術。紡織工業、制造業、食品加工、石油化工行業、車載信息系統等需要采用新一代工控機技術。海軍艦載測控設備、陸軍車載武器控制系統和指揮系統、新型的飛行模擬教練系統等需要高性能的新一代工控機。航空和航天器地面測控設備、雷達識別跟蹤系統和電子對抗系統需要新一代工控機技術。核電站的核聚變低雜波數據采集與控制系統、大專院校的虛擬儀器教學實驗系統、汽車功能測試性能測試系統、防洪數字化大壩在線監測系統等需要新一代工控機技術。下一代的網絡設備、電信核心和邊緣設備、數據通信設備、計算機電話集成（CTI）系統和增值服務業務需要CompactPCI、PICMG2.16及ATCA等新一代工控機技術。還有你能想到的或沒有想到的其它應用領域。如果說我國工業自動化設備市場份額只有大約200億人民幣的話，那么加上國防自動化和信息產業基礎設備，那就是上千億的大市場正等待新一代工控機去拓展。

6、結束語

如今的時代是變革的時代，也是推陳出新的時代。以CompactPCI總線工控機技術為核心，覆蓋CompactPCI、PXI和ATCA的新一代工控機技術注定要成為這個時代的主旋律。業界權威人士已經預測：“第一， CompactPCI將以每年15%～20%的增長速度取代傳統的IPC工控機；第二，CompactPCI與嵌入式系統將成為未來工業控制器的兩大主流技術；第三，中國將成為CompactPCI全球最大的市場。”伴隨著新一代工控機技術的興起，工控機制造行業也將重新洗牌，強者和弱者將站在同一個起跑線上，百戈爭流，不進則退，機遇與挑戰并存。國內的企業，只要抓住機遇，大膽創新，勇于和善于迎接挑戰，就一定會與新一代工控機技術一起發展壯大，這是不可阻擋的歷史潮流。