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1簡(jiǎn)介

工業(yè)控制計(jì)算機(jī)簡(jiǎn)稱“工控機(jī)”。包括計(jì)算機(jī)和過(guò)程輸入、輸出通道兩部分。它具有重要的計(jì)算機(jī)屬性和特征。如：具有計(jì)算機(jī)CPU、硬盤(pán)、內(nèi)存、外設(shè)及接口、并有實(shí)時(shí)的操作系統(tǒng)、控制網(wǎng)絡(luò)和協(xié)議、計(jì)算能力，友好的人機(jī)界面等。工控機(jī)的主要類別有：IPC（PC總線工業(yè)電腦）、PLC（可編程控制系統(tǒng)）、DCS（分散型控制系統(tǒng)）、FCS（現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)）及CNC（數(shù)控系統(tǒng)）五種。

IPC

即基于PC總線的工業(yè)電腦；據(jù)2000年IDC統(tǒng)計(jì)PC機(jī)已占到通用計(jì)算機(jī)的95%以上，因其價(jià)格低、質(zhì)量高、產(chǎn)量大、軟/硬件資源豐富，已被廣大的技術(shù)人員所熟悉和認(rèn)可，這正是工業(yè)電腦熱的基礎(chǔ)。其主要的組成部分為工業(yè)機(jī)箱、無(wú)源底板及可插入其上的各種板卡組成，如CPU卡、I/O卡等。并采取全鋼機(jī)殼、機(jī)卡壓條過(guò)濾網(wǎng)，雙正壓風(fēng)扇等設(shè)計(jì)及EMC（electromagneticcompatibility）技術(shù)以解決工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的電磁干擾，震動(dòng)，灰塵，高/低溫等問(wèn)題。

IPC有以下特點(diǎn)：

可靠性：工業(yè)PC具有在粉塵、煙霧、高/低溫，潮濕，震動(dòng)，腐蝕和快速診斷和可維護(hù)性，其MTTR（MeanTimetoRepair）一般為5min，MTTF10萬(wàn)小時(shí)以上；而普通PC的MTTF僅為10000～15000小時(shí)。

實(shí)時(shí)性，工業(yè)PC對(duì)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)在線檢測(cè)與控制，對(duì)工作狀況的變化給予快速響應(yīng)，及時(shí)進(jìn)行采集和輸出調(diào)節(jié)（看門(mén)狗功能這是普通PC所不具有的），遇險(xiǎn)自復(fù)位，保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

擴(kuò)充性，工業(yè)PC由于采用底板+CPU卡結(jié)構(gòu)，因而具有很強(qiáng)的輸入輸出功能，多可擴(kuò)充20個(gè)板卡，能與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的各種外設(shè)、板卡如與道控制器、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、車輛檢測(cè)儀等相連，以完成各種任務(wù)。

兼容性，能同時(shí)利用ISA與PCI及PICMG資源，并支持各種操作系統(tǒng)，多種語(yǔ)言匯編，多任務(wù)操作系統(tǒng)。

PLC

PLC英文全稱ProgrammableLogicController，中文全稱為可編程邏輯控制器，定義是:一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。它采用一類可編程的存儲(chǔ)器，用于其內(nèi)部存儲(chǔ)程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算,順序控制，定時(shí)，計(jì)數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過(guò)數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程?？删幊炭刂葡到y(tǒng)（ProgrammableLogicController）是一種專門(mén)為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作電子系統(tǒng)。它采用一種可編程的存儲(chǔ)器，在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，通過(guò)數(shù)字式或模擬式的輸入輸出來(lái)控制各種類型的機(jī)械設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程。

可編程控制器是計(jì)算機(jī)技術(shù)與自動(dòng)化控制技術(shù)相結(jié)合而開(kāi)發(fā)的一種適用工業(yè)環(huán)境的新型通用自動(dòng)控制裝置，是作為傳統(tǒng)繼電器的替換產(chǎn)品而出現(xiàn)的。隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，可編程控制器更多地具有了計(jì)算機(jī)的功能，不僅能實(shí)現(xiàn)邏輯控制，還具有了數(shù)據(jù)處理、通信、網(wǎng)絡(luò)等功能。由于它可通過(guò)軟件來(lái)改變控制過(guò)程，而且具有體積小、組裝維護(hù)方便、編程簡(jiǎn)單、可靠性高、抗*力強(qiáng)等特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制的各個(gè)領(lǐng)域，大大推進(jìn)了機(jī)電一體化的進(jìn)程。

DCS

是一種高性能、高質(zhì)量、低成本、配置靈活的分散控制系統(tǒng)系列產(chǎn)品，可以構(gòu)成各種獨(dú)立的控制系統(tǒng)、分散控制系統(tǒng)DCS、監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（SCADA），能滿足各種工業(yè)領(lǐng)域?qū)^(guò)程控制和信息管理的需求。系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)、合理的軟硬件功能配置和易于擴(kuò)展的能力，能廣泛用于各種大、中、小型電站的分散型控制、發(fā)電廠自動(dòng)化系統(tǒng)的改造以及鋼鐵、石化、造紙、水泥等工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程控制。

FCS

是全數(shù)字串行、雙向通信系統(tǒng)。系統(tǒng)內(nèi)測(cè)量和控制設(shè)備如探頭、激勵(lì)器和控制器可相互連接、監(jiān)測(cè)和控制。在工廠網(wǎng)絡(luò)的分級(jí)中，它既作為過(guò)程控制（如PLC，LC等）和應(yīng)用智能儀表（如變頻器、閥門(mén)、條碼閱讀器等）的局部網(wǎng)，又具有在網(wǎng)絡(luò)上分布控制應(yīng)用的內(nèi)嵌功能。由于其廣闊的應(yīng)用前景，眾多國(guó)外有實(shí)力的廠家競(jìng)相投入力量，進(jìn)行產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。國(guó)際上已知的現(xiàn)場(chǎng)總線類型有四十余種，比較典型的現(xiàn)場(chǎng)總線有：FF，Profibus，LONworks，CAN，HART，CC-LINK等。

CNC

現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)是采用微處理器或?qū)Ｓ梦C(jī)的數(shù)控系統(tǒng)，由事先存放在存儲(chǔ)器里系統(tǒng)程序（軟件）來(lái)實(shí)現(xiàn)控制邏輯，實(shí)現(xiàn)部分或全部數(shù)控功能，并通過(guò)接口與外圍設(shè)備進(jìn)行聯(lián)接，稱為計(jì)算機(jī)數(shù)控，簡(jiǎn)稱CNC系統(tǒng)。

數(shù)控機(jī)床是以數(shù)控系統(tǒng)為代表的新技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)機(jī)械制造產(chǎn)業(yè)的滲透形成的機(jī)電一體化產(chǎn)品；其技術(shù)范圍覆蓋很多領(lǐng)域：（1）機(jī)械制造技術(shù)；（2）信息處理、加工、傳輸技術(shù)；（3）自動(dòng)控制技術(shù)；（4）伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)；（5）傳感器技術(shù)；（6）軟件技術(shù)等。

2歷史

中國(guó)工控機(jī)技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了80年代的代STD總線工控機(jī)，90年代的第二代IPC工控機(jī)，進(jìn)入了第三代CompactPCI總線工控機(jī)時(shí)期，而每個(gè)時(shí)期大約要持續(xù)15年左右的時(shí)間。STD總線工控機(jī)解決了當(dāng)時(shí)工控機(jī)的有無(wú)問(wèn)題；IPC工控機(jī)解決了低成本和PC兼容性問(wèn)題；CompactPCI總線工控機(jī)解決的是可靠性和可維護(hù)性問(wèn)題。作為新一代工控機(jī)技術(shù)，CompactPCI總線工控機(jī)將不可阻擋地占據(jù)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化層，IPC將逐漸由生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化層向管理信息化層移動(dòng)，而STD總線工控機(jī)必將退出歷史舞臺(tái)，這是技術(shù)發(fā)展的必然結(jié)果。同時(shí)，新一代工控機(jī)技術(shù)也是下一代網(wǎng)絡(luò)（NGN）技術(shù)設(shè)備的基礎(chǔ)。因此，覆蓋CompactPCI總線、PXI總線以及AdvancedTCA技術(shù)的新一代工控機(jī)技術(shù)具有巨大的市場(chǎng)潛力和廣闊的應(yīng)用前景。

1、代工控機(jī)技術(shù)開(kāi)創(chuàng)了低成本工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的先河

代工控機(jī)技術(shù)起源于20世紀(jì)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(jī)市場(chǎng)，其標(biāo)志性產(chǎn)品是STD總線工控機(jī)。STD總線早是由美國(guó)Pro-Log公司和Mostek公司作為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)而制定的8位工業(yè)I/O總線，隨后發(fā)展成16位總線，統(tǒng)稱為STD80，后被國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織吸收，成為IEEE961標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)際上主要的STD總線工控機(jī)制造商有Pro- Log、Winsystems、Ziatech等，而國(guó)內(nèi)企業(yè)主要有北京康拓公司和北京工業(yè)大學(xué)等。STD總線工控機(jī)是機(jī)籠式安裝結(jié)構(gòu)，具有標(biāo)準(zhǔn)化、開(kāi)放式、模塊化、組合化、尺寸小、成本低、PC兼容等特點(diǎn)，并且設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、調(diào)試簡(jiǎn)單，得到了當(dāng)時(shí)急需用廉價(jià)而可靠的計(jì)算機(jī)來(lái)改造和提升傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的中小企業(yè)的廣泛歡迎和采用，國(guó)內(nèi)的總安裝容量接近20萬(wàn)套，在中國(guó)工控機(jī)發(fā)展*留下了輝煌的一頁(yè)。PC DOS軟件的兼容性使STD總線得以發(fā)展，也由于運(yùn)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*兼容的IPC工控機(jī)。

雖然同時(shí)期發(fā)展起來(lái)的還有VME總線和Multiplus總線等，但它們?cè)谥袊?guó)始終都沒(méi)有形成氣候，安裝數(shù)量、應(yīng)用范圍和影響力都比STD總線小得多。

2、第二代工控機(jī)技術(shù)造就了一個(gè)PC-based系統(tǒng)時(shí)代

1981年8月12日IBM公司正式推出了IBM PC機(jī)，震動(dòng)了世界，也獲得了極大成功。隨后PC機(jī)借助于規(guī)?；挠布Y源、豐富的商業(yè)化軟件資源和普及化的人才資源，于80年代末期開(kāi)始進(jìn)軍工業(yè)控制機(jī)市場(chǎng)。美國(guó)雜志《CONTROL ENGINERRING》在當(dāng)時(shí)就預(yù)測(cè)“90年代是工業(yè)IPC的時(shí)代，*近65%的工業(yè)計(jì)算機(jī)將使用IPC，并繼續(xù)以每年21%的速度增長(zhǎng)”。歷史的發(fā)展已經(jīng)證明了這個(gè)論斷的正確性。IPC在中國(guó)的發(fā)展大致可以分為三個(gè)階段：階段是從20世紀(jì)80年代末到90年代初，這時(shí)市場(chǎng)上主要是國(guó)外品牌的昂貴產(chǎn)品。第二階段是從1991年到1996，中國(guó)臺(tái)灣生產(chǎn)的價(jià)位適中的IPC工控機(jī)開(kāi)始大量進(jìn)入大陸市場(chǎng)，這在很大程度上加速了IPC市場(chǎng)的發(fā)展，IPC的應(yīng)用也從傳統(tǒng)工業(yè)控制向數(shù)據(jù)通信、電信、電力等對(duì)可靠性要求較高的行業(yè)延伸。第三階段是從1997年開(kāi)始，大陸本土的IPC 廠商開(kāi)始進(jìn)入該市場(chǎng)，促使IPC的價(jià)格不斷降低，也使工控機(jī)的應(yīng)用水平和應(yīng)用行業(yè)發(fā)生極大變化，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，IPC也隨之發(fā)展成了*二代主流工控機(jī)技術(shù)。中國(guó)IPC工控機(jī)的大小品牌約有15個(gè)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(shù)逐漸淘汰，PCI總線技術(shù)開(kāi)始在IPC中占主導(dǎo)地位，使IPC工控機(jī)得以繼續(xù)發(fā)展。但由于IPC工控機(jī)的結(jié)構(gòu)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(dòng)等惡劣環(huán)境適應(yīng)性問(wèn)題，IPC開(kāi)始逐漸從高可靠性應(yīng)用的工業(yè)過(guò)程控制、電力自動(dòng)化系統(tǒng)以及電信等領(lǐng)域退出，向管理信息化領(lǐng)域轉(zhuǎn)移，取而代之的是以CompactPCI總線工控機(jī)為核心的第三代工控機(jī)技術(shù)。值得一提的是，IPC工控機(jī)開(kāi)創(chuàng)了一個(gè)嶄新的PC-based時(shí)代，對(duì)工業(yè)自動(dòng)化和信息化技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。

在第二代工控機(jī)技術(shù)里，還需要提及一個(gè)比較成功的技術(shù)——PC/104總線技術(shù)?；贗SA總線的PC/104總線問(wèn)世于1992 年，自層迭式結(jié)構(gòu)，具有尺寸小、結(jié)構(gòu)緊湊、功耗低、可靠性高等特點(diǎn)，主要應(yīng)用于軍事和醫(yī)療設(shè)備。1997年P(guān)C/104擴(kuò)展成PC/104-Plus，增加了PCI總線定義。PC/104總線工控機(jī)依靠自身的特點(diǎn)和不斷地完善，還將繼續(xù)在其傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)領(lǐng)域占有一席之地。

3、迅速發(fā)展和普及的第三代工控機(jī)技術(shù)

PCI總線技術(shù)的發(fā)展、市場(chǎng)的需求以及IPC工控機(jī)的局限性，促進(jìn)了新技術(shù)的誕生。作為新一代主流工控機(jī)技術(shù)，CompactPCI工控機(jī)標(biāo)準(zhǔn)于1997年發(fā)布之初就倍受業(yè)界矚目。相對(duì)于以往的STD和IPC，它具有開(kāi)放性、良好的散熱性、高穩(wěn)定性、高可靠性及可熱插拔等特點(diǎn)，非常適合于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)和信息產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)備的應(yīng)用，被眾多業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為是繼STD和IPC之后的第三代工控機(jī)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。采用模塊化的CompactPCI總線工控機(jī)技術(shù)開(kāi)發(fā)產(chǎn)品，可以縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間、降低設(shè)計(jì)費(fèi)用、降低維護(hù)費(fèi)用、提升系統(tǒng)的整體性能?！癈ompactPCI是PCI總線的電氣和軟件加上歐洲卡，它具有在不關(guān)閉系統(tǒng)的情況下的‘即插即用’功能，該功能的實(shí)現(xiàn)對(duì)高可用系統(tǒng)和容錯(cuò)系統(tǒng)非常重要”，2004年度科技部科技型中小企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新基金項(xiàng)目指南中的這段話，概括出了CompactPCI總線工控機(jī)的主要特點(diǎn)和重要性。國(guó)家“發(fā)改委”也已經(jīng)把CompactPCI總線工控機(jī)列為主要產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目之一。

2001年，PICMG2.16將以太網(wǎng)包交換背板總線引入到CompactPCI總線標(biāo)準(zhǔn)中，為電信語(yǔ)音增值服務(wù)設(shè)備和基于以太網(wǎng)的工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)提供了新的技術(shù)平臺(tái)。2002年，PICMG頒布了面向電信的新標(biāo)準(zhǔn)AdvancedTCA，簡(jiǎn)稱ATCA。ATCA比PICMG2.16有更大的規(guī)格和容量、更高的背板帶寬、對(duì)板卡更嚴(yán)格的管理和控制能力、更高的供電能力以及更強(qiáng)的制冷能力等。ATCA不是應(yīng)用在電信上的個(gè)開(kāi)放式平臺(tái)，但它是個(gè)由電信專家專為電信應(yīng)用設(shè)計(jì)的電信平臺(tái)，也主要是為了解決電信系統(tǒng)主要面臨的系統(tǒng)帶寬問(wèn)題、高可用性問(wèn)題、現(xiàn)場(chǎng)升級(jí)問(wèn)題、可伸縮性問(wèn)題、可管理性問(wèn)題以及可互操作問(wèn)題，并終降低成本。

儀器和儀表是工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備的重要組成部分。CompactPCI向儀器儀表領(lǐng)域的擴(kuò)展總線就是PXI總線。PXI產(chǎn)生于1998年，主要是面向“虛擬儀器”市場(chǎng)而設(shè)計(jì)的，但已經(jīng)不局限于測(cè)試和測(cè)量設(shè)備，正在迅速向其它工業(yè)控制自動(dòng)化領(lǐng)域擴(kuò)展，并與CompactPCI總線互相補(bǔ)充和融合。PXI總線工控機(jī)不但具有VXI的高采樣速率、高帶寬和高分辨率等特點(diǎn)，而且具有開(kāi)放性、軟件兼容性和低價(jià)格等優(yōu)勢(shì)。一般來(lái)說(shuō)，3U PXI產(chǎn)品用于構(gòu)造便攜式或小型化的ATE測(cè)試設(shè)備、數(shù)采系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)以及其它工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)。6U PXI產(chǎn)品主要應(yīng)用在高密度、高性能和大型ATE設(shè)備或工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中。

21世紀(jì)的頭20年是新一代工控機(jī)技術(shù)蓬勃發(fā)展的20年。以CompactPCI總線工控機(jī)為代表的第三代工控機(jī)技術(shù)將在近幾年得到迅速普及和廣泛應(yīng)用，并在中國(guó)信息化進(jìn)程中發(fā)揮重要作用。

4、新一代工控機(jī)的產(chǎn)業(yè)化及應(yīng)用前景

從1998年到今天，CompactPCI總線工控機(jī)在國(guó)內(nèi)發(fā)展迅速，并得到了一定程度的應(yīng)用，但遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到理想的程度。業(yè)界專家普遍認(rèn)為，制約新一代工控機(jī)技術(shù)發(fā)展的因素主要有四個(gè)：一是由于CompactPCI總線工控機(jī)的生產(chǎn)規(guī)模和應(yīng)用數(shù)量還不夠大，成本過(guò)高，用戶還在觀望，等待價(jià)格的進(jìn)一步降低；二是國(guó)產(chǎn)化的CompactPCI總線I/O模板的種類和數(shù)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(shè)計(jì)技術(shù)難度大，普及程度不夠，多數(shù)企業(yè)還不具備自行研制系統(tǒng)配套I/O模板的能力；四是缺少的有關(guān)CompactPCI總線工控機(jī)設(shè)計(jì)和應(yīng)用技術(shù)的指導(dǎo)性文獻(xiàn)，需要培養(yǎng)更多的掌握該技術(shù)的專業(yè)設(shè)計(jì)人才和推廣應(yīng)用人才。因此，需要在科技部和國(guó)家有關(guān)部委相關(guān)政策的引導(dǎo)下，在中國(guó)計(jì)算機(jī)行業(yè)協(xié)會(huì)PICMG/PRC的統(tǒng)一組織下，聯(lián)合國(guó)內(nèi)外從事CompactPCI總線工控機(jī)技術(shù)研制和生產(chǎn)的企業(yè)、大專院校、科研院所以及用戶，進(jìn)一步加大國(guó)產(chǎn)化CompactPCI總線工控機(jī)的研制和推廣力度，擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模，增加產(chǎn)品種類和數(shù)量，降低產(chǎn)品價(jià)格，提高產(chǎn)品的互操作性，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，培養(yǎng)更多的人才，為CompactPCI總線工控機(jī)的發(fā)展創(chuàng)造更有利的條件。

到2020年，是中華民族實(shí)現(xiàn)民族振興的關(guān)鍵20 年，是用信息化帶動(dòng)工業(yè)化、實(shí)現(xiàn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)跨越式發(fā)展的20 年，是工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)和信息產(chǎn)業(yè)技術(shù)快速發(fā)展的時(shí)期，也為新一代工控機(jī)技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展提供了的良好發(fā)展機(jī)遇，應(yīng)用前景廣闊。

*，目前國(guó)內(nèi)每年投放市場(chǎng)的DCS系統(tǒng)數(shù)量大約在1400套以上，并以每年15%左右的速度增長(zhǎng)。DCS中的現(xiàn)場(chǎng)控制器采用的還是第二代IPC工控機(jī)產(chǎn)品，需要用新一代工控機(jī)替代升級(jí)。隨著鐵路五次提速，原來(lái)應(yīng)用在車站計(jì)算機(jī)連鎖系統(tǒng)、行車調(diào)度監(jiān)督系統(tǒng)以及鐵路紅外熱軸探測(cè)系統(tǒng)上的數(shù)千套代和第二代工控機(jī)已經(jīng)不能滿足要求，已經(jīng)開(kāi)始用新一代CompactPCI總線和PXI總線工控機(jī)替代。由于電力緊缺而正在加快建設(shè)的發(fā)電廠和電網(wǎng)系統(tǒng)，需要大量的新一代工控機(jī)產(chǎn)品來(lái)實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)綜合自動(dòng)化。正在迅速發(fā)展的智能交通系統(tǒng)需要新一代工控機(jī)技術(shù)。紡織工業(yè)、制造業(yè)、食品加工、石油化工行業(yè)、車載信息系統(tǒng)等需要采用新一代工控機(jī)技術(shù)。海軍艦載測(cè)控設(shè)備、陸軍車載武器控制系統(tǒng)和指揮系統(tǒng)、新型的飛行模擬教練系統(tǒng)等需要高性能的新一代工控機(jī)。航空和航天器地面測(cè)控設(shè)備、雷達(dá)識(shí)別跟蹤系統(tǒng)和電子對(duì)抗系統(tǒng)需要新一代工控機(jī)技術(shù)。核電站的核聚變低雜波數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)、大專院校的虛擬儀器教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、汽車功能測(cè)試性能測(cè)試系統(tǒng)、防洪數(shù)字化大壩在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等需要新一代工控機(jī)技術(shù)。下一代的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、電信核心和邊緣設(shè)備、數(shù)據(jù)通信設(shè)備、計(jì)算機(jī)電話集成（CTI）系統(tǒng)和增值服務(wù)業(yè)務(wù)需要CompactPCI、PICMG2.16及ATCA等新一代工控機(jī)技術(shù)。還有你能想到的或沒(méi)有想到的其它應(yīng)用領(lǐng)域。如果說(shuō)我國(guó)工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備*只有大約200億人民幣的話，那么加上國(guó)防自動(dòng)化和信息產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)備，那就是上千億的大市場(chǎng)正等待新一代工控機(jī)去拓展。

如今的時(shí)代是變革的時(shí)代，也是推陳出新的時(shí)代。以CompactPCI總線工控機(jī)技術(shù)為核心，覆蓋CompactPCI、PXI和ATCA的新一代工控機(jī)技術(shù)注定要成為這個(gè)時(shí)代的主旋律。業(yè)界人士已經(jīng)預(yù)測(cè)：“，CompactPCI將以每年15%～20%的增長(zhǎng)速度取代傳統(tǒng)的IPC工控機(jī)；第二，CompactPCI與嵌入式系統(tǒng)將成為未來(lái)工業(yè)控制器的兩大主流技術(shù)；第三，中國(guó)將成為CompactPCI全球大的市場(chǎng)?！卑殡S著新一代工控機(jī)技術(shù)的興起，工控機(jī)制造行業(yè)也將重新洗牌，強(qiáng)者和弱者將站在同一個(gè)起跑線上，百戈?duì)幜鳎贿M(jìn)則退，機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存。國(guó)內(nèi)的企業(yè)，只要抓住機(jī)遇，大膽創(chuàng)新，勇于和善于迎接挑戰(zhàn)，就一定會(huì)與新一代工控機(jī)技術(shù)一起發(fā)展壯大，這是不可阻擋的歷史潮流。

3發(fā)展趨勢(shì)

工控機(jī)及其應(yīng)用的發(fā)展是與信息化、數(shù)字化、智能化的世界潮流和計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、顯示技術(shù)（尤其是現(xiàn)場(chǎng)總線和控制網(wǎng)絡(luò)）的發(fā)展密切相關(guān)的。

2000年世界上工業(yè)控制計(jì)算機(jī)市場(chǎng)為300－400億美元，其中DCS60億美元，嵌入式系統(tǒng)60－70億美元，F(xiàn)CS20－30億美元，IPC70－80億美元，PLC70－80億美元，數(shù)控70－80億美元。并以每年10－15%的速度增長(zhǎng)。

DCS（集散控制系統(tǒng)）

雖然現(xiàn)場(chǎng)總線為基礎(chǔ)的FCS發(fā)展很快，并終取代傳統(tǒng)的DCS，但FCS發(fā)展有很多工作要做，如統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，儀表智能化等。而傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的維護(hù)和改造還需要DCS，因此FCS*取代傳統(tǒng)的DCS有個(gè)較長(zhǎng)的過(guò)程。

當(dāng)前工業(yè)控制計(jì)算機(jī)仍以大系統(tǒng)、分散對(duì)象、連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程（如：冶金、石化、電力）為主，采用分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分散型控制系統(tǒng)仍在發(fā)展。由于開(kāi)放結(jié)構(gòu)和集成技術(shù)的發(fā)展，促使大型分散型控制系統(tǒng)銷售增加。DCS1997年銷售為45億美元，2000年為60億美元。世界上主要DCS供應(yīng)商為：Honeywell、Bailey、Westing、House、ABB、Foxboro、L&N、Siemens、EuRo、橫河、日本山武霍納威爾等。

在工控機(jī)中DCS是受計(jì)算機(jī)影響大、反應(yīng)快的一種。DCS主要發(fā)展趨勢(shì)為：

（1）DCS向綜合方向發(fā)展，由于標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)通信鏈路和網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，將各種單（多）回路調(diào)節(jié)器、PLC、工業(yè)PC、NC等工控設(shè)備構(gòu)成大系統(tǒng)、以滿足工廠自動(dòng)化要求，并適應(yīng)開(kāi)放化的大趨勢(shì)。

（2）DCS向智能化方向發(fā)展，由于數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)、推理機(jī)能等的發(fā)展，尤其是知識(shí)庫(kù)系統(tǒng)（KEB）和專家系統(tǒng)（ES）的應(yīng)用，如自學(xué)習(xí)控制、遠(yuǎn)距離診斷、自尋優(yōu)等，人工智能會(huì)在DCS各級(jí)實(shí)現(xiàn)。和FF現(xiàn)場(chǎng)總線類似，以微處理器為基礎(chǔ)的智能設(shè)備、如智能I/O智能PID控制、智能傳感器、變送器、執(zhí)行器、智能人機(jī)接口、可編程調(diào)節(jié)器相繼出現(xiàn)。

（3）DCS工業(yè)PC化，由IPC組成DCS成為一大趨勢(shì)，PC作為DCS的操作站或節(jié)點(diǎn)機(jī)已經(jīng)很普遍，PC－PLC、PC－STD、PC－NC等就是PC－DCS*，IPC成為DCS的硬件平臺(tái)。

（4）DCS專業(yè)化，DCS為更適合各相應(yīng)領(lǐng)域的應(yīng)用，就要進(jìn)一步了解這個(gè)專業(yè)的工藝和應(yīng)用要求，以逐步形成如核電DCS，變電站DCS、玻璃DCS、水泥DCS等。

DCS生產(chǎn)廠家的新產(chǎn)品具有以下特點(diǎn)：系統(tǒng)開(kāi)放、管控一體化及已有帶*控制軟件。DCS生產(chǎn)廠家也從事FCS的研發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用工作。

數(shù)控裝置

80年代以來(lái)，為適應(yīng)FMC、FMS、CAM、CIMS的發(fā)展需要，數(shù)控裝置采用大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路，提高了柔性，功能和效率。

（1）PC化：由大規(guī)模集成電路制造技術(shù)的高度發(fā)展，PC硬件結(jié)構(gòu)做得很小，CPU的運(yùn)行速度越來(lái)越高，存儲(chǔ)容量很大。PC機(jī)大批量生產(chǎn)，成本大大降低，可靠性不斷提高。PC機(jī)的開(kāi)放性，Windows的應(yīng)用，更多的技術(shù)人員的應(yīng)用和軟件開(kāi)發(fā)，使PC機(jī)的軟件極為豐富。PC機(jī)功能已經(jīng)很強(qiáng)，CAD/CAM的軟件已由小型機(jī)，工作站移植到PC機(jī)，三維圖形顯示及工藝數(shù)據(jù)已經(jīng)在PC機(jī)上建立。因此，PC機(jī)已成為開(kāi)發(fā)CNC系統(tǒng)的重要的資源與途徑。

（2）交流伺服化：交流伺服系統(tǒng)恒功率范圍已做到1:4，速度范圍可達(dá)到：1:1000，基本與直流伺服相當(dāng)。交流伺服體積小，價(jià)格低，可靠性高，應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

（3）高功能的數(shù)控系統(tǒng)向綜合自動(dòng)化方向發(fā)展：為適應(yīng)FMS、CIMS、無(wú)人化工廠的要求，發(fā)展與機(jī)器人、自動(dòng)化小車、自動(dòng)診斷跟蹤監(jiān)視系統(tǒng)等的相聯(lián)合；發(fā)展控制與管理集成系統(tǒng)，已成為國(guó)際上數(shù)控系統(tǒng)的方向。

（4）方便使用：改善人機(jī)接口，簡(jiǎn)化編程、操作面板使用符號(hào)鍵，盡量采用對(duì)話方式等，以方便用戶使用。

（5）柔性化和系統(tǒng)化：數(shù)控系統(tǒng)均采用模塊結(jié)構(gòu)，其功能覆蓋面大，從三軸兩聯(lián)動(dòng)的機(jī)床到多達(dá)24軸以上的柔性加工單元。自80年代以來(lái)，以數(shù)控機(jī)床為主的各類柔性生產(chǎn)系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。按其規(guī)格、自動(dòng)化程度和控制方式的不同，可分為柔性制造單元、柔性制造系統(tǒng)、柔性流水線、獨(dú)立制造島、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)和智能制造系統(tǒng)等。

（6）小型化：由于半導(dǎo)體電路高度集成化、封裝三維化、電路板插三維化、使NC裝置進(jìn)一步小型化，在NC裝置的操作單元用TFT（薄膜晶體管）彩色液晶顯示器、觸摸屏取代CRT，厚度僅為CRT的1/4等。

（7）高速化：所謂三高是指高的主軸轉(zhuǎn)速、高的快速移動(dòng)速度和高的換刀速度。為實(shí)現(xiàn)高速加工，主軸必須高速化，AC主軸馬達(dá)高速為180000轉(zhuǎn)/分；高進(jìn)給速度120米/分；換刀速度1s；加速度2g。

（8）化：實(shí)現(xiàn)加工，縮短非切削時(shí)間和加工周期的關(guān)鍵是提高PMC（可編程機(jī)床控制器）的處理器，隨著處理內(nèi)容復(fù)雜化，PMC的編程語(yǔ)言成了問(wèn)題，雖然C語(yǔ)言和PASCAL已經(jīng)實(shí)用化，但為置換梯形圖語(yǔ)言，還需要使用順控流程圖（SFC）那樣的視圖用語(yǔ)言。

（9）高精度：提高加工精度，高分辨率旋轉(zhuǎn)編碼器*。為在超精密加工領(lǐng)域能實(shí)現(xiàn)0.001微米的精度，必須開(kāi)發(fā)超高分辨率的編碼，0.0001微米小設(shè)定單位的NC裝置。為在加工中即使負(fù)荷變動(dòng)伺服系統(tǒng)的特性也保持不變，還需采用控制和魯棒（R0bust）控制。在伺服系統(tǒng)的控制中，用高速微處理器，采用基于現(xiàn)代控制論前饋控制、二自由度控制、學(xué)習(xí)控制等。其數(shù)字控制系統(tǒng)的跟蹤誤差不超過(guò)2微米。

（10）機(jī)械智能化：在NC領(lǐng)域內(nèi)是一種新技術(shù)，所謂機(jī)械智能化功能，是指機(jī)械自身可補(bǔ)償因溫度、機(jī)械負(fù)荷等引起的機(jī)械變形的功能。這就需要檢測(cè)主軸負(fù)荷、主軸及機(jī)座變形的傳感器和處理傳感器輸出信號(hào)的電路。這種傳感器自身具有信號(hào)處理功能，所以叫智能傳感器。人工智能將實(shí)用于處理信號(hào)的PMC中。

（11）診斷維修智能化：故障的診斷與維修是NC重要技術(shù)?；贏I專家系統(tǒng)的故障診斷已存在，主要是建立用于診斷故障的數(shù)據(jù)庫(kù)。把NC裝置通過(guò)Intranet和Internet與中央計(jì)算機(jī)相連接，使其具有遠(yuǎn)距離診斷的功能。進(jìn)一步的發(fā)展是予維修系統(tǒng)，即在故障將要發(fā)生前把將要發(fā)生故障的部件更換下來(lái)的系統(tǒng)，它需要通過(guò)智能傳感器、高速PMC及大型數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

（12）復(fù)合化成為機(jī)床發(fā)展主流。所謂復(fù)合加工MultitaskMachining可以定義為能完成各種各樣的加工工序而不需要手工干預(yù)的一種加工能力。它具有工件一次安裝后進(jìn)行車削、鉆削；攻螺紋和銑削的功能，從一個(gè)工序到另一個(gè)工序工件的傳送是自動(dòng)的，在加工過(guò)程中工件的裝也都是自動(dòng)的。其優(yōu)點(diǎn)很多。

PLC（可編程序控制器）

*約有PLC生產(chǎn)廠家約200家，生產(chǎn)300多個(gè)品種。全球PLC發(fā)運(yùn)件數(shù)1998年為1456萬(wàn)件，1999年為1620萬(wàn)件，2000年達(dá)到1778萬(wàn)件。在1995年發(fā)運(yùn)的PLC中，按終用戶分：汽車占23%；糧食加工占有16.4%；化學(xué)/制藥占14.6%；金屬/礦山占11.5%；紙漿/造紙占11.3%；其它占23.6%。由于CIMS、工程自動(dòng)化和過(guò)程控制等大系統(tǒng)和復(fù)雜的應(yīng)用要求，PLC主要發(fā)展趨勢(shì)為：

（1）高功能、高速度、大容量、加大模擬量的發(fā)展方向，形成與DCS相抗?fàn)幍拇笙到y(tǒng)。

（2）網(wǎng)絡(luò)化和通信強(qiáng)化通信能力是PLC重要發(fā)展方向。 網(wǎng)絡(luò)以太化已經(jīng)很成功，并注意到現(xiàn)場(chǎng)總線的發(fā)展。

（3）編程語(yǔ)言多樣化IEC61131－3規(guī)定了5種編程語(yǔ)言： 梯形圖（LD離散美、日）、順序功能圖（SFC批量、機(jī)械 歐洲）、功能塊圖（FBD過(guò)程歐洲）、結(jié)構(gòu)文本（ST）和指令表（IL德、日） 。為適合不同應(yīng)用場(chǎng)合和不同國(guó)家應(yīng)用習(xí)慣的要求， 允許在同一個(gè)PLC程序中使用多種編程語(yǔ)言。

（4）PLC和其他工控機(jī)聯(lián)合，PLC和其他控制系統(tǒng)之間界限越來(lái)越模糊， 在應(yīng)用方面也出現(xiàn)了類似的情況。 流行的向PC技術(shù)融合，PLC日益加速滲入到DCS中 ，PLC走進(jìn)CNC的領(lǐng)地。PLC自身控制也分散化。在實(shí)時(shí)性 要求不太高的場(chǎng)合，出現(xiàn)了軟PLC用軟件實(shí)現(xiàn)PLC功能應(yīng)用 。相對(duì)PC為基礎(chǔ)的控制，優(yōu)勢(shì)在小型PLC上。資料顯 示，I/O64點(diǎn)以下的銷售額占整個(gè)PLC的47%， I/O64～256點(diǎn)的占31%，兩者之和為78%。在PLC使用成熟的美 國(guó)，35萬(wàn)家小型企業(yè)只有30%使用PLC， 這種情況表明小型PLC的發(fā)展?jié)摿€很大，而以O(shè)EM形式出現(xiàn)形成的機(jī) 電一體化比例逐步增加。

（5）EIC（電氣傳動(dòng)、儀表、計(jì)算機(jī)）一體化，實(shí)現(xiàn)電氣傳動(dòng)控制、 儀表控制和計(jì)算機(jī)控制一體化，這是鋼 鐵工業(yè)自動(dòng)化使用較多而又急需的控制系統(tǒng)。 這也是PLC重要的發(fā)展趨勢(shì)。國(guó)外PLC生產(chǎn)廠家有：A-B公 司、Siemens、GE－FANUC、Modican電子公司、 法國(guó)TE公司、三菱電子公司、OMRON電子公司等。

IPC（工業(yè)PC）

因PC機(jī)硬、軟件資源豐富、產(chǎn)量大、價(jià)格低，為廣大技術(shù)人員所熟悉和認(rèn)可。家用電腦逐步普及。PC機(jī)占通用計(jì)算機(jī)95%以上。這是工業(yè)PC熱的基礎(chǔ)。搞工控的專家和技術(shù)人員自然想賦予PC總線更高的使命，擬讓它在過(guò)程控制、制造自動(dòng)化、樓宇自動(dòng)化等方面扮演重要角色。作為與DCS、PLC成鼎足之勢(shì)的IPC市場(chǎng)在擴(kuò)大，尤其是在我國(guó)。因?qū)崟r(shí)操作系統(tǒng)，編程語(yǔ)言等的較好解決，IPC將得到更好發(fā)展。IPC蓬勃發(fā)展的主要表現(xiàn)為：

（1）各大PLC制造廠商，如Siemens、RockwellAutomation、GEFanuc、三菱電機(jī)均推出自已品牌的IPC產(chǎn)品，這表明這些PLC的*已接受了IPC的技術(shù)路線。人士指出“PLC時(shí)代肯定已經(jīng)過(guò)去”雖然PLC的功能依然保留，但形式可能變化；

（2）微軟公司W(wǎng)indowsCE進(jìn)軍嵌入式OS市場(chǎng)這對(duì)于工業(yè)自動(dòng)化市場(chǎng)無(wú)疑是一個(gè)標(biāo)志性事件。

（3）嵌入式PC

嵌入式計(jì)算機(jī)：“嵌入”（Enbeded）到設(shè)備內(nèi)部，提供用戶接口，管理數(shù)據(jù)輸入、輸出、指導(dǎo)設(shè)備工作的計(jì)算機(jī)。嵌入式系統(tǒng)的定義：以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟件硬件可裁剪，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)。

在中國(guó)在嵌入式設(shè)計(jì)中使用多的還是80386和80486等，這種CPU性能價(jià)格比高，有In-Tel、IBM、Cyixs、AMD和TI等CPU制造商支持。豐富的軟件（包括操作系統(tǒng)、開(kāi)發(fā)工具和應(yīng)用軟件）支撐。

嵌入式PC能在惡劣環(huán)境下（如高溫、潮濕和震動(dòng)等）長(zhǎng)期可靠工作。嵌入式PC平均*時(shí)間（MBTE）為100000～150000小時(shí)，而臺(tái)式機(jī)僅為10000～15000小時(shí)。硬件、軟件和工業(yè)PC差不多。

傳感器的發(fā)展趨勢(shì)

傳感、通信、計(jì)算機(jī)技術(shù)構(gòu)成現(xiàn)代信息的三大基礎(chǔ)，80年代是個(gè)人計(jì)算機(jī)，90年代是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，預(yù)計(jì)21世紀(jì)個(gè)10年熱點(diǎn)很可能是傳感、執(zhí)行與檢測(cè)。

傳感器的作用主要是獲取信息、是信息技術(shù)（1）高功能、高速度、大容量、加大模擬量的發(fā)展方向，形成與DCS相抗?fàn)幍拇笙到y(tǒng)。

（2）網(wǎng)絡(luò)化和通信強(qiáng)化通信能力是PLC重要發(fā)展方向。網(wǎng)絡(luò)以太化已經(jīng)很成功，并注意到現(xiàn)場(chǎng)總線的發(fā)展。

（3）編程語(yǔ)言多樣化IEC61131－3規(guī)定了5種編程語(yǔ)言：梯形圖（LD離散美、日）、順序功能圖（SFC批量、機(jī)械歐洲）、功能塊圖（FBD過(guò)程歐洲）、結(jié)構(gòu)文本（ST）和指令表（IL德、日）。為適合不同應(yīng)用場(chǎng)合和不同國(guó)家應(yīng)用習(xí)慣的要求，允許在同一個(gè)PLC程序中使用多種編程語(yǔ)言。

（4）PLC和其他工控機(jī)聯(lián)合，PLC和其他控制系統(tǒng)之間界限越來(lái)越模糊，在應(yīng)用方面也出現(xiàn)了類似的情況。流行的向PC技術(shù)融合，PLC日益加速滲入到DCS中，PLC走進(jìn)CNC的領(lǐng)地。PLC自身控制也分散化。在實(shí)時(shí)性要求不太高的場(chǎng)合，出現(xiàn)了軟PLC用軟件實(shí)現(xiàn)PLC功能應(yīng)用。相對(duì)PC為基礎(chǔ)的控制，優(yōu)勢(shì)在小型PLC上。資料顯示，I/O64點(diǎn)以下的銷售額占整個(gè)PLC的47%，I/O64～256點(diǎn)的占31%，兩者之和為78%。在PLC使用成熟的美國(guó)，35萬(wàn)家小型企業(yè)只有30%使用PLC，這種情況表明小型PLC的發(fā)展?jié)摿€很大，而以O(shè)EM形式出現(xiàn)形成的機(jī)電一體化比例逐步增加。

（5）EIC（電氣傳動(dòng)、儀表、計(jì)算機(jī)）一體化，實(shí)現(xiàn)電氣傳動(dòng)控制、儀表控制和計(jì)算機(jī)控制一體化，這是鋼鐵工業(yè)自動(dòng)化使用較多而又急需的控制系統(tǒng)。這也是PLC重要的發(fā)展趨勢(shì)。國(guó)外PLC生產(chǎn)廠家有：A-B公司、Siemens、GE－FANUC、Modican電子公司、法國(guó)TE公司、三菱電子公司、OMRON電子公司等。