工控機的現狀與未來

一、概述


    工業控制機是指對工業生產過程及其機電設備、工藝裝備進行測量與控制用的計算機，簡稱工控機。工業控制機由計算機基本系統和過程I/O系統組成，計算機基本系統由系統總線、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系統由輸入信號調理板和A/D轉換器，將現場傳感器測量的物理信號轉變為電信號，模擬量經模數轉換（A/D轉換器），變成數字量輸入計算機，計算機輸出信號經數模（D/A）轉換和輸出調理（隔離放大）成執行機構的功率驅動信號控制執行機構。 
    硬件系統一般有運行操作臺，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。 
    軟件系統由實時操作系統、實時數據庫及應用軟件、數據采集與處理軟件、各類控制軟件（PID）直接數字控制、先進控制軟件組成。 
    與商用及個人機比較，工業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、主要產品 
    (1) 工業控制機及其OEM產品 
    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品。 
    有一定市場規模和發展前景的產品主要有：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憑借小尺寸優勢，在小型軍事和醫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，繼續在軍事設備和大型測試系統方面占有很大的市場份額，但已經受到CompactPCI/PXI產品強有力的沖擊。目前還不會在大范圍內被CompactPCI/PXI產品所取代。標準AT96總線工控機在軍事裝備和工業現場得到進一步應用。 
    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DCS，現場總線控制系統FCS
    (3) 可編程控制器 PLC
    (4) 數控系統CNC 


    2、功能簡介 
    (1) 對工業生產過程工藝參數進行調節控制（直接數字控制DDC、監督控制SPC及先進控制）；
    (2) 對工業生產設備、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、機電設備內部，提高機電設備數字化及智能化，如數控機床配套的數控、 微電子控制電冰箱、洗衣機等。 
    3、關鍵技術 
    (1) 軟件技術：實時數據庫技術、動態圖形顯示技術、平臺技術。
    (2) 先進控制技術：是以現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) 過程優化技術：根據優化工藝模型，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化條件，使整個過程在最優化的狀態下運行。 
    (4) 系統集成技術：控制軟件、優化軟件和軟測量技術的集成；檢測、控制、優化、調度、管理、決策、經營等功能的集成； 
    (5) 通信網絡技術：現場總線技術。 
    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總線。 
    ② 現場總線
    現場總線目前有FF（現場總線基金會）、Profibus（過程現場總線）等10種。 
    ③ 工業以太網技術 


    二、國內外發展現狀 

    1、技術發展趨勢 

    國外自上世紀60年代出現第一臺工業過程控制系統以來已經過三代產品的發展變化，隨著計算機技術及產品的發展，工業控制系統亦相應地不斷發展。 
    (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治地位，各種控制器、控制裝置、PLC更新換代加快，神經元網絡芯片已問世，模擬控制器、智能控制器已初步商品化及推廣應用。 
    (2) 分布式控制系統已推出第四代產品，如Honeywell 公司新推出的Experion PKS（過程知識系統），Emerson公司的PlantWeb，Foxboro公司的A2，橫河公司的R3（PRM－工廠資源管理系統），ABB公司的Industrial IT系統。 
    (3) 計算機技術、通信技術、控制技術的發展，使控制系統向全數字化、全分散式、全開放可互操作和開放式互聯網絡的新一代現場總線控制系統（FCS）發展。 
    現場總線技術近年迅速發展，目前有FF（現場總線基金會）、Profibus（過程現場總線）、LonWorks（局部操作網絡）、CAN（控制局域網絡）、HART（可尋址遠程傳感器數據通路）等，LonWorks 已經廣泛的應用， 得到包括IBM 、Honeywell 、ABB等大公司在內的2 500家生產廠家的支持，占領了約1/3的樓宇自動化市場，已成為美國空調暖通工程師協會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、多用方向發展，大中型PLC向多功能、高速度、大容量、網絡化方向發展。 
    (5) 自動控制理論及技術的發展，先進控制、模糊控制、人工神經網絡、人工智能技術和專家系統已在工業自動化中實際應用：多變量預測控制、先進控制軟件產品在國外石油、化工等流程工業已廣泛使用；人工神經網絡已制成專用芯片及自動裝置，模糊控制器亦已商品化，廣泛用于工業生產過程控制和電冰箱洗衣機等家用電器控制中，專家系統已在電站控制、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、敏捷制造方向發展，流程工業亦向集成生產系統CIPS發展。 


    2、前景展望 

    隨著計算機技術及應用的發展，工業控制機不斷向數字化、微型化、分散化、個性化、專用化發展，工業控制機系統向網絡化、集成化、綜合化、智能化方向發展，隨著信息化帶動工業化，工業化促進信息化的進展，企業信息化、社區信息化、家庭信息化的發展，工業控制機的市場不斷擴大，前景寬廣。