工业控制机的现状与未来

工业控制机的现状与未来
龚炳铮
   工业控制机是指对工业生产过程及其机电设备、工艺装备进行测量与控制用的计算机，简称工控机。
    1 概述
    工业控制机是指对工业生产过程及其机电设备、工艺装备进行测量与控制用的计算机，简称工控机。工业控制机由计算机基本系统和过程I/O系统组成，计算机基本系统由系统总线、主机模板、存储器板、人机接口板与CRT、磁盘机、打印机等通用外设组成。过程I/O系统由输入信号调理板和A/D转换器，将现场传感器测量的物理信号转变为电信号，模拟量经模数转换（A/D转换器），变成数字量输入计算机，计算机输出信号经数模（D/A）转换和输出调理（隔离放大）成执行机构的功率驱动信号控制执行机构。
    硬件系统一般有运行操作台，可放计算机、CRT、外设、主机柜、I/O机柜（机箱、电源、接线端子板、接地保护装置等）等。
    软件系统由实时操作系统、实时数据库及应用软件、数据采集与处理软件、各类控制软件（PID）直接数字控制、先进控制软件组成。
    与商用及个人机比较，工业控制机的特点是强大的过程输入输出能力，高可靠性与实时性。
    1.1  主要产品
    (1)  工业控制机及其OEM产品                           
    包括单片机智能部件，模糊控制器8位、16位、32位CISC、RISC嵌入式计算机及其板级产品。  
     
    目前有一定市场规模和发展前景的产品主要有：IPC、PC/104或PC/104-plus、VME/VXI、AT96、CompactPCI以及其它专用单板计算机（包括基于RISC、DSP和单片机的嵌入式专用计算机）等。
    PC/104凭借小尺寸优势，在小型军事和医疗设备领域还有进一步扩大市场的可能。PC/104通过PC/104-plus兼容PCI总线，向高性能应用拓展。
    VME/VXI总线，继续在军事设备和大型测试系统方面占有很大的市场份额，但已经受到CompactPCI/PXI产品强有力的冲击。目前还不会在大范围内被CompactPCI/PXI产品所取代。标准AT96总线工控机在军事装备和工业现场得到进一步应用。
    CompactPCI总线工控机，随着CompactPCI总线冗余设计技术、热插拔技术、自诊断技术的成熟，构造高可用性系统的简化，CompactPCI总线工控机技术将得到迅速普及和广泛应用，成为国内继STD总线工控机、IPC工控机之后最具普及前景的新一代高性能工控机。
    (2)  分布式控制系统DCS，现场总线控制系统FCS；
    (3)  可编程控制器 PLC；
    (4)  数控系统CNC。      
1.2  功能简介
    (1)  对工业生产过程工艺参数进行调节控制（直接数字控制DDC、监督控制SPC及先进控制）；
    (2)  对工业生产设备、工艺装备进行测量与控制（如冷轧机、热连轧机分布式控制系统DCS）；
    (3)  单片机、单板机、微控制器等嵌入到家用电器、机电设备内部，提高机电设备数字化及智能化，如数控机床配套的数控、 微电子控制电冰箱、洗衣机等。
    1.3  关键技术
    (1)  软件技术 实时数据库技术、动态图形显示技术、平台技术。
    (2)  先进控制技术 是以现代控制理论为基础的各种高级控制技术，包括预测控制、鲁棒控制、模糊控制、智能控制、专家控制等。
    (3)  过程优化技术 根据优化工艺模型，进行以效益最大为目标的在线和离线计算，然后给出整个过程优化条件，使整个过程在最优化的状态下运行。
    (4)  系统集成技术 控制软件、优化软件和软测量技术的集成；检测、控制、优化、调度、管理、决策、经营等功能的集成；
    (5)  通信网络技术 现场总线技术。
    ①  并行总线
    •Compact PCI Compact PCI总线是PCI总线的加固和扩展， Compact PCI还规范了热切换，即带电插拔。
    &#8226XI总线 PXI总线是测试仪器PCI总线的扩展。
    •VXI总线 VXI总线是在VME总线基础上扩展而成的仪器系统总线。
    ②  现场总线 现场总线目前有FF(现场总线基金会)、Profibus（过程现场总线）等10种。
    ③  工业以太网技术。
    1.4  目前主要厂商与研究机构
    国外厂商以美国Honeywell、Emerson、Foxboro、ABB、西屋、贝加莱公司、德国西门子、日本横河、日立公司为代表。国外研究机构有美国普度大学、俄罗斯控制科学研究所、莫斯科综合自动化研究所、法国国家自动控制与信息科学研究所。
    国内厂商和研究机构有信息产业部电子部六所、北京和利时系统工程股份有限公司、航天总公司、康拓公司、北京机械工业自动、重庆工业自动化研究所、上海工业自动化仪表研究所、中科院自动化研究所、沈阳工业自动化研究所、杭州万盛公司、浙江大学工业自动化国家工程研究中心、浙大中控技术公司、航天部测控公司、冶金自动化研究院、南京电力自动化研究院、研祥工控、凌华科技等。
    国内在工业控制机计算机基本系统可靠性，现场总线及FCS性能、控制软件功能方面与国外相比尚有一定差距，微处理器，A/D、D/A转换器等元器件尚需进口。
    2  国内外发展现状
    2.1  技术发展趋势
    国外自上世纪60年代出现第一台工业过程控制系统以来已经过三代产品的发展变化，随着计算机技术及产品的发展，工业控制系统亦相应地不断发展。
    (1)  半导体技术集成电路技术推动微处理器、微控制器的发展，1位、4位、8位、16位、32位微处理器，微控制器及单片机性能价格比不断提高，Intel、Motorola 等公司的微处理器占统治地位，各种控制器、控制装置、PLC更新换代加快，神经元网络芯片已问世，模拟控制器、智能控制器已初步商品化及推广应用。      
                        
    (2)  分布式控制系统已推出第四代产品，如Honeywell 公司新推出的Experion PKS（过程知识系统），Emerson公司的PlantWeb，Foxboro公司的A2，横河公司的R3（PRM－工厂资源管理系统），ABB公司的Industrial IT系统。      
     (3)  计算机技术、通信技术、控制技术的发展，使控制系统向全数字化、全分散式、全开放可互操作和开放式互联网络的新一代现场总线控制系统(FCS)发展。
    现场总线技术近年迅速发展，目前有FF(现场总线基金会)、Profibus（过程现场总线）、LonWorks（局部操作网络）、CAN（控制局域网络）、HART（可寻址远程传感器数据通路）等，LonWorks 已经广泛的应用， 得到包括IBM 、Honeywell 、ABB等大公司在内的2 500家生产厂家的支持，占领了约1/3的楼宇自动化市场，已成为美国空调暖通工程师协会ASHRAE的楼宇自动化的标准。        
    (4)  PLC技术20世纪80年代走向成熟，目前已有新的突破，无论是处理速度，功能强化、通讯能力都提高到一个新水平，小型PLC向小型化、低成本、简单、多用方向发展，大中型PLC向多功能、高速度、大容量、网络化方向发展。
    (5)  自动控制理论及技术的发展，先进控制、模糊控制、人工神经网络、人工智能技术和专家系统已在工业自动化中实际应用：多变量预测控制、先进控制软件产品在国外石油、化工等流程工业已广泛使用；人工神经网络已制成专用芯片及自动装置，模糊控制器亦已商品化，广泛用于工业生产过程控制和电冰箱洗衣机等家用电器控制中，专家系统已在电站控制、冶金过程及石化装置自动控制中应用，国外制造自动化向CIMS 精良生产、敏捷制造方向发展，流程工业亦向集成生产系统CIPS发展。  
    2.2  国内外市场分析
    国外工控产品市场容量有千百亿美元，美国流程工业自动化市场2000年达590亿美元，制造自动化市场达400亿美元，CAD/CAM达167亿美元，机器人达70亿，数控机床达130亿美元，现场总线产品达千万个节点。  
    国内工控系统产品市场容量很大，包括工控系统及板级产品、DCS系统、数控系统、重点工程成套引进的控制系统，总市场容量估计达数百亿元人民币。
    全国能源、冶金、 石化、化工、建材、轻纺等部门，需要十万套的工控系统，石化系统1 200多套生产装置都要DCS控制，电力系统每年新装了1 000多万KW发电机组都需要DCS实现监控，200多个地区调度，3 000个县的电网调度系统，几万个变电站需要遥测遥控装置，全国工业炉窑“十•五”期间70%要完成计算机控制， 全国轻工系统40多行业50万企业需要PLC及工控系统几十万套，洗衣机、电冰箱、微波炉、空调设备都需要微控制器（包括单片机、单板机），数量高达上千万套。
    主要工控系统产品市场预测年销售量、年销售额估计：
    工业PC及OEM产品  几十万套，        35～40亿人民币
    控制器  1 500～2 000万台，         25～30亿人民币
    DCS系统     1 000套 ，             40～50亿人民币               
    PLC系统      20万套，              25～30亿人民币               
    CNC系统     3万台套 ，             20～30亿人民币               
    进口机电设备配套控制系统，         25～30亿人民币               
    以上几项合计170～220亿人民币，以20％的年增长率推算，到 2005年我国工控机的市场将达300多亿元。
    2.3  前景展望
    随着计算机技术及应用的发展，工业控制机不断向数字化、微型化、分散化、个性化、专用化发展，工业控制机系统向网络化、集成化、综合化、智能化方向发展，随着信息化带动工业化，工业化促进信息化的进展，企业信息化、社区信息化、家庭信息化的发展，工业控制机的市场不断扩大，前景宽广。
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