工控機不斷向數(shù)字化、微型化、分散化、個性化、專用化發(fā)展

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(shè)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(shè)組成。過程I/O系統(tǒng)由輸入信號調(diào)理板和A/D轉(zhuǎn)換器，將現(xiàn)場傳感器測量的物理信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺M量經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換和輸出調(diào)理（隔離放大）成執(zhí)行機構(gòu)的功率驅(qū)動信號控制執(zhí)行機構(gòu)。

硬件系統(tǒng)一般有運行操作臺，可放計算機、CRT、外設(shè)、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(yīng)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(shè)備領(lǐng)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(yīng)用拓展。

VME/VXI總線，繼續(xù)在軍事設(shè)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(biāo)準(zhǔn)AT96總線工控機在軍事裝備和工業(yè)現(xiàn)場得到進一步應(yīng)用。

CompactPCI總線工控機，隨著CompactPCI總線冗余設(shè)計技術(shù)、熱插拔技術(shù)、自診斷技術(shù)的成熟，構(gòu)造高可用性系統(tǒng)的簡化，CompactPCI總線工控機技術(shù)將得到迅速普及和廣泛應(yīng)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(shè)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(shè)備內(nèi)部，提高機電設(shè)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(guān)鍵技術(shù)

(1) 軟件技術(shù)：實時數(shù)據(jù)庫技術(shù)、動態(tài)圖形顯示技術(shù)、平臺技術(shù)。

(2) 先進控制技術(shù)：是以現(xiàn)代控制理論為基礎(chǔ)的各種高級控制技術(shù)，包括預(yù)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(shù)：根據(jù)優(yōu)化工藝模型，進行以效益最大為目標(biāo)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(shù)：控制軟件、優(yōu)化軟件和軟測量技術(shù)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(luò)技術(shù)：現(xiàn)場總線技術(shù)。

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(chǔ)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(shù)

二、國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

1、技術(shù)發(fā)展趨勢

國外自上世紀(jì)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(shù)及產(chǎn)品的發(fā)展，工業(yè)控制系統(tǒng)亦相應(yīng)地不斷發(fā)展。

(1) 半導(dǎo)體技術(shù)集成電路技術(shù)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(luò)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(yīng)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(shù)、通信技術(shù)、控制技術(shù)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(luò)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(shù)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(luò)）、CAN（控制局域網(wǎng)絡(luò)）、HART（可尋址遠(yuǎn)程傳感器數(shù)據(jù)通路）等，LonWorks 已經(jīng)廣泛的應(yīng)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(lǐng)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(biāo)準(zhǔn)。

(4) PLC技術(shù)20世紀(jì)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(luò)化方向發(fā)展。

(5) 自動控制理論及技術(shù)的發(fā)展，先進控制、模糊控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、人工智能技術(shù)和專家系統(tǒng)已在工業(yè)自動化中實際應(yīng)用：多變量預(yù)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(luò)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(yīng)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(shù)及應(yīng)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(luò)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。