当前工业控制机技术的几个热点问题

1 工业控制机的发展状况和“十五”奋斗目标
用信息化带动工业化，用高新技术提升传统产业，这是我国的大政方针。自1983年工业控制计算机列入国家计算机系列型谱及发展规划以来，在国家的大力支持下，经过全国工控机同行们的共同努力，我国工控机事业获得了迅速发展，在工业控制机开发和产业化的及推广应用方面已取得长足进步。许多工控技术和产品已经成熟，在各领域获得成功应用，有的已可以与国外或境外产品进行竞争，特别是在DCS、IPC以及某些嵌入式控制装置方面硕果累累。

和利时、浙大中控、新华、威盛等公司的DCS系列产品已进入许多大型工程，甚至出口国外，据化工行业统计，国产DCS已占有50%左右的市场份额；研祥等单位IPC产品的势头很强劲；盛博的嵌入式产品已进入国际市场，成为西门子、阿尔斯通等欧洲公司的配套产品；航天测控公司的VXI、PXI产品已成为国防工业中的重点地面测控产品；康拓公司的新一代CompactPCI系列产品已经开发成功；此外，近两年来，国外的同行又有新的面孔出现在国内市场，而我国台湾的同行中，除了研华、磐仪等之外，新近，凌华科技集团的CompactPCI、PXI系列产品出现在大陆市场；在现场总线的研发和应用方面，国内也有大的进展，FF、Profibus、LonWorks、CAN等都有许多成果和成功应用的范例，工业以太网的研发也取得了很大进展；工业管控软件的研发和应用也有不错的成果。。。。。。

近年来，国际上FCS、DCS、PLC、IPC、NC以及各类嵌入式控制装置正处在快速发展之中，而我国的发展速度更位居于世界前列。据统计，2000年世界上工业控制计算机市场达到300－400亿美元，并以每年10－15%的速度增长；同期，我国工控机的市场规模约200亿人民币。

信息产业“十五”规划中，工业控制机产业将达到年产值1000亿元。发展重点是：适应改造传统产业的需求，大力推进PLC、嵌入式工业计算机的产业化生产，重点开发生产有自主知识产权的DCS、FCS，使国产品牌达到50%以上的市场份额。国家经贸委仪器仪表“十五”规划中，在电力、冶金、石化、环保、交通、建筑等领域都提出了相应目标，对工控机的需求很大，市场十分广阔！

“十五”期间，我国自动化主控系统仍将以DCS和IPC为主，大型DCS以国外产品为主的状况近期还不会有大变化；PLC和基于IPC的DCS以及工业控制装置在中小工程应用中将占据主导地位。

2 工业控制系统的三大变革
自动化技术正经历重大变革，我们的工作实质上是围绕这种变革进行的。主要方面是：现场总线和现场总线控制系统FCS;PC-based工业控制计算机;管控一体化系统集成技术。
2.1关于FCS
由于现场总线技术的发展，新一代的现场总线控制系统FCS正走向实用化，这是自动化技术的一个重要热点，它将给自动化技术带来一次深刻的革命。FCS的关键要点是：
FCS的基础是数字化智能化现场装置;FCS的核心是现场总线协议，即总线标准;FCS
的本质是信息处理的现场化和网络化。

FCS是从两个方面发展而来的，一是PLC，二是DCS。在FCS走向实用化之后，必然会影响PLC和DCS的前景，专家们认为， FCS将与DCS逐步融合，FCS将会最后取代DCS，但是，将会有一个很长的历史过程；而PLC在顺序控制方面有独特优势，作为一个站掛在现场总线上可以充分发挥PLC在处理开关量方面的优势，因此，今后将以能遵循现场总线通信协议的PLC或能与FCS通信交换信息的PLC为优选对象。

2.2关于IPC
工业PC自上世纪90年代初进军工业自动化以来，正势不可挡地进入各领域，获得了广泛应用。 究其原因，在于PC机的开放性，它具有丰富的硬件资源、软件资源和人力资源，即得到广大工程技术人员的支持，也为广大人群所熟悉，这是IPC热的基础。PC-based（包括嵌入式PC）控制系统，正以20%以上的速率增长，远远超出了DCS、PLC。值得注意的是,各大PLC制造商已接受了IPC的技术路线，PLC有IPC的趋势。不仅如此，DCS、NC也都有IPC化的趋势。PC-based控制技术将成为本世纪初自动化界的主流技术之一。

今后在相当长的一段时间内，FCS、DCS、PLC 、IPC、NC将会相互补充，相互促进，但IPC的优势会更突出，其应用范围将迅速扩大到全部自动化领域。预计，到2005年，PC-based工业控制机将占市场份额50%以上。

我国IPC市场（包括嵌入式控制器）十分活跃，和国际市场一样，IPC增长速度也是最快的，这是因为IPC能提供非常丰富的开放的硬件和软件平台，价格低廉，易于与其它信息技术集成。

我国IPC厂商很多，主要有研祥、研华、凌华、磬仪、康泰克、康拓等等，在FCS、DCS、PLC、IPC、NC几大类之中，IPC的国产化是最高的，估计要不了多久 ，和PC机一样，IPC将主要是国产化产品的天下，特别是大陆产品的天下。

2.3管控一体化系统集成系统与软件
随着Internet技术深入到企业管理和控制之中，控制系统与管理系统的结合成为必然，这使得工业自动化界渴望已久的管控一体化、工业企业信息化、基于网络的自动化的目标成为可能。管控一体化可以使企业选择到真正符合新经济时代的最佳解决方案，从而提高企业的生产效率，增强市场竞争能力。

这就必须发展管控一体化的系统集成技术和系统。因此，自动化技术进入了一个新时代，其方向是，通过以太网和Web技术实现开放型分布式智能系统，基于以太网和TCP/IP协议的技术标准，提供模块化、分布式、可重用的自动化方案。其中，主要的方面是发展基于网络的工程化工业控制与管理软件。

企业信息集成系统三层结构的中间层的应用软件系统，称之为工厂软件，包括实时数据库、历史数据库、数据发布、数据挖掘、模型计算、过程仿真、配方设计、运行优化、参数检测、偏差分析和故障诊断等内容。它向下可以为控制软件提供智能决策，向上可以为管理软件提供有价值的数据。

工厂软件系统的基础内容就是实时分布式数据库系统。工厂软件建立在实时数据库和关系数据库之上，定位在Internet/Web应用网络环境之上，由此，实现管控一体化。
国家科技部2001年9月发布“过程自动化系统”专题中，将实时数据集成技术与过程控制技术、过程优化技术和流程工业生产计划与动态调度技术列为主要方向。而两项重点课题之一是：实时数据库及监控系统。其研究目标是：流程工业综合自动化的数据集成、大中型实时数据库及监控系统等核心技术，支持多种DCS、PLC、测控系统的实时数据库及监控系统。主要指标及要求之一是，支持主流DCS、FCS、数据采集设备的双向数据传输，提供OPC接口。

3 关于工业以太网
1999年南京年会上，本人在“现场总线技术已进入战国时代”的报告中，阐述了“异军突起，以太网进军工业自动化”的观点，与会同行们曾热烈讨论。三年过去了，工业以太网技术已经取得了很大进展，成为现场总线中的主流技术和焦点，国际上有多个组织在从事其标准化工作。我国在工业以太网方面起步不晚，特别是浙大中控等单位已做了大量工作，取得了阶段性成果，开发出基于以太网技术的现场通信模块和部分现场设备原型，在国内首先提出了EPA网络通信技术，在工业以太网的部分关键技术（如实时性、总线供电、远距离传输）等难题方面做出了出色成果。

国家科技部在2001年9月发布的“过程自动化系统”专题的两项重点课题之另一个就是：基于高速以太网技术的现场总线控制设备，其研究目标是：研究应用于工业控制现场的高速以太网关键技术，包括以太网通信实时性、总线供电、本质安全、可互操作性、远距离传输、抗干扰性和可靠性等。并研究开发基于以太网技术的现场设备、网络化控制系统和相应的系统软件。

以太网技术是未来控制网络的最佳解决方案，以太网一直延伸到企业现场设备控制层（即一网到底）是控制网络发展的必然趋势。这已是许多专家的共识，施耐德的透明工厂是典型范例。然而，在和不少同行的交流中，感到有几个问题需要提出来作简要讨论：
(1)工业以太网不是仅仅指只有物理层和链路层的Ethernet ,而是指基于Internet技术的以太网，即Ethernet+TCP/UDP/IP+应用层，这里，在传输层采用UDP比TCP协议更能满足实时性的要求；

(2)不少文献上有如下说法：采用带有冲突检测的载波侦听多路访问协议（CSMA/CD），以太网被认为是一种非确定性的网络，其实时性、确定性不好。但以太网发展到今天的交换式以太网时，该问题已经得到解决。对于上述问题如何解释呢？
其一，“自动化博览”2002年增刊上，清华大学自动化系陈嘉、尔桂花的文章“自动化系统底层通信网络的以太网实现”中用数据做了解释：在100M时，一个时间槽slotTime=4.88微秒，在负载较轻时，冲突次数不会超过5次，这样，由于冲突产生的延迟时间可以控制在156微秒之内。因此可以认为，在轻负载运行下，以太网可以满足实时性要求，不确定性的冲突造成的冲突回退往往并不会产生过大的延迟时间。[page]

其二，以太网在负载达40%以上时才会有明显的冲突，典型工业控制的负载为：10M,5%；100M，0.5%。因此，冲突的概率很小，上述设定的冲突次数为5的条件实际上是非常保守的。

其三，所谓交换式以太网，可以将一个较大的网络分隔成为各个相对独立的冲突域，冲突只能在一个相对较小的区域内发生，从而大大减少冲突发生的概率。

(3)工业以太网的第1-4层已经确定，当前的研究工作主要在两个方面，
一是应用层不同协议的封装，当前国际上几个组织联合起来，企图解决互操作性问题，我国也在这方面做工作，希望是开放式的，以便解决与国际上工业以太网的互操作性问题；

二是如何适应工业环境问题，这里有许多文章可做。

4 新一代工业计算机总线CompactPCI
前文所述IPC工控机是在PC机的基础上，在机箱、结构等方面作适当改造，保留了PCI-ISA总线的有源底板，开发和扩充了系列工业I/O模板而构成。1993年以来，由于PCI总线的开放性、高性能、低成本、通用操作系统等方面的优势，使其得到迅速的普及和发展。但是，这种PCI-ISA底板总线的工业控制计算机尚有不足，还难以用于有苛刻要求和高性能的场合。为此，主要由原来事STD总线工控机的厂商，如Ziatech、Pro-Log等，以及Intel，在PICMG（PCI工业计算机制造商协会）支持下，制定PCI-ISA总线的无源底板标准和处理器板标准，即CompactPCI。其出发点在于，改造PCI标准，使其成为无源底板总线的结构。

CompactPCI是一种新的开放式工业计算机标准，它是PCI总线技术和成熟的欧式卡组装技术的结合。采用CompactPCI既能吸收PC机最新的技术成果，又具有满足通信和工业实时应用所必需的更坚固、更可靠、模块化、易使用、易维护的优点。在成本上，其产品往往低于同等功能的VME产品，但略高于通常的IPC产品。已经发布了CompactPCI规范2.0R3.0版。

CompactPCI最具吸引力的特点是热插拔（hot swap）。这意味着一个模板能够在不切断电源的情况下从机箱内拔出或插入，依靠先进的软件，系统能够自动调整配置。热插拔一直是电信应用的要求，也为每一个工业自动化系统所渴求。

CompactPCI的热插拔的实现是：在结构上采用三种不同长度的引脚插针，使得模板插入或拔出时，电源和接地、PCI总线信号、热插拔启动信号按序进行；采用总线隔离装置和电源的软启动；在软件上，操作系统要具有即插即用功能。PICMG与微软公司合作，使得WindowsNT5.0具有此功能。热插拔是一个热门课题，也是一个复杂的问题，许多PICMG成员单位作出了巨大的努力，PICMG在原版本基础上，经过不断完善，于2001年1月发布了CompactPCI的热插拔规范2.12R2.0版，2002年1月发布了热插拔基础结构接口规范2.12R2.0版，此前还发布了电源接口、系统管理、计算机电话等规范，2001年发布了多计算规范，今年5月又发布了星型光纤规范，CompactPCI工业计算机总线技术，从结构、硬件、软件、管理诸方面趋于成熟，采用CompactPCI总线标准的工业计算机产品已经广泛应用于电信、工业实时控制以及国防工业之中，当前热门的刀片式服务器即采用CompactPCI规范。

中国计算机行业协会工业计算机分会（PICMG/P.R.C）作为PICMG的执行委员，组织专家已经将CompactPCI规范翻译成中文发布，以推动我国工业计算机的发展。

随着计算机技术的发展，自动化测试设备（ATE）发生了质的变化，出现了所谓的 “虚拟仪器”。虚拟仪器是计算机技术与测量技术结合创造出来的一种全新仪器，由计算机应用软件和仪器硬件组成，是有虚拟仪器面板的个人计算机仪器。当前，主要采用VXI、PXI两种总线型虚拟仪器。

基于VXI、PXI总线的虚拟仪器仅需几块模拟和数字I/O板的硬件开销，通过计算机软件即可完成各种仪器的功能。它集中了智能仪器、个人仪器和自动化测试系统的特长。

随着CompactPCI总线日趋成熟，基于CompactPCI的虚拟仪器应运而生，即PXI，它具有比VXI更高的总线带宽，资源更丰富，在相同功能的条件下，其价格往往只有VXI系统的一半。因此，PXI系列产品具有更强劲的发展势头，而VXI则具有先入为主的优势。

“虚拟仪器具有性能价格比高、操作简单方便、可靠性高等特点，市场前景十分巨大；构建以VXI、PXI等先进总线为基础的通用测试平台，满足产品开发、生产和维修的需要具有重要的意义。”这是国家科技部发布的2002年“科技型中小企业创新基金若干重点项目指南”中的一段话。在自动化测试技术和设备方面，同行们也将大有可为。其中，PXI系统尤其值得关注。

5 嵌入式系统的技术发展和我们的机遇
所谓嵌入式系统，是以应用为中心，以计算机技术为基础，软件硬件可剪裁，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统是集软件、硬件于一体的高可靠性系统。其软件除操作系统外，还需有固化的应用软件；硬件除了CPU外，还需有外围电路支持。通用和嵌入式CPU、微控制器、DSP以及单片系统（SOC）已构成嵌入式系统硬件的基础。

PC机主要应用在办公室自动化领域，而嵌入式系统已经广泛地渗透到人们的工作、生活之中，从家用电器、手持通讯设备、信息终端、仪器仪表、汽车、航天航空、军事装备、制造工业、过程控制等等，无不是嵌入式系统的应用领域。根据美国嵌入式系统专业杂志RTC报道，二十一世纪初的十年中，全球嵌入式系统市场需求量具有比PC市场大10至100倍的商机。嵌入式系统的应用非常广泛，可以说，嵌入式系统无所不在、无时不在，可应用于人类生活与工作的各个领域。未来学家尼葛洛庞蒂曾预言，嵌入式智能设备将是PC和因特网之后最伟大的发明。

嵌入式系统的出现至今已经有30多年的历史，近几年来，计算机、通信、消费电子的一体化趋势日益明显，嵌入式技术已成为一个研究热点。嵌入式系统已发展到以Internet为标志的嵌入式系统。这是一个正在迅速发展的阶段。目前大多数嵌入式系统还孤立于Internet之外，但随着Internet的发展以及Internet技术与信息家电、工业控制技术结合日益密切，嵌入式设备与Internet的结合将代表嵌入式系统的未来。

嵌入式系统技术日益完善，32位微处理器，即X86CPU和嵌入式CPU（ARM、MIPS、SH三大类）以及DSP、单片系统SOC，在嵌入式系统中占主导地位；嵌入式操作系统已经从简单走向成熟（如VxWorks、PSOS、VRTX、Nucleus、WinCE、QNX、Linux），嵌入式系统与网络、Internet结合日益密切。其中，嵌入式Linux在消费电子设备中得到广泛应用。由32位嵌入式CPU与嵌入式Linux相结合，在信息终端、家用电器、工业控制等方面将大有可为。

大家可能已注意到，我国在嵌入式CPU方面最近取得了很大进展，“龙芯”和方舟CPU的研制成功是一件很有意义的大事。

目前，PC机的架构为Wintel所控制、垄断，即由INTEL的CPU+微软的Windows主宰了产业。在该领域，我们没有主动权，缺乏创新空间，充其量只是组装PC机和搞计算机系统集成等，自己的软件产品和出口软件也很少。

嵌入式系统，由于需求千变万化，没有统一的架构，可以不受控制，软硬件需要各种各样的组合，技术密集，市场容量大，可有无限的创新空间！

嵌入式CPU+嵌入式OS+关键应用=嵌入式系统的核心技术。

主要原因是：计算环境从PC为中心转变为以网络为中心，涌现了各种新的信息设备（IA），不必与PC兼容；应用软件逐步从PC移到网上，不必与Windows兼容；浏览器取代Windows成为主要的用户界面；基于Linux的OS很适合各种IA；跨平台语言JAVA被普遍采用。

综上所述，在PC机上要脱离Windows很难，离开了PC机，特别是在网上，就可以有所作为。其中，看好Linux。在IA领域，各种嵌入式Linux有很好的前景；Linux将成为我国未来主要OS之一。

近年来，我国在开发嵌入式CPU方面有一系列有利条件：市场：嵌入式CPU可应用于各种领域，包括信息家电、网络设备、工业仪器仪表等等，其市场容量将远远超过PC产业。技术：可允许多种结构，可有自己的创新结构；可购买IP知识产权模块，自行裁剪和组合，设计自己的CPU；有Linux和其它OS作为支持，不必依赖Windows。

北京中芯微系统公司开发成功高性能嵌入式处理器方舟二号，主要技术特点如下：32位RISC CPU，时钟频率266MHz，2x8kB cache，片上集成了EMI存储器控制器，PCI总线控制器，中断处理器，DMA控制器，2个串口，2个USB接口，1个IC卡控制器，1个以太网控制器，RTC，定时器，Watchdog等，且低功耗，是高集成度的SOC芯片，支持Linux。

中科院计算所的“龙芯” 是另一款国产芯片，32位，266M钟频，其指令系统与MIPS芯片兼容，支持VxWorks、Linux操作系统，工作温度为-35到+70°C，可以满足军工和工业环境的应用要求。

“龙芯”和方舟的32位嵌入式CPU有广泛的支持并量产，有很好的应用前景。它们的研制成功，配以嵌入式Linux操作系统，将有可能作为国产嵌入式系统的一种很好的选择，可在信息终端、家用电器、工业控制、军工装备中应用，可以在IA领域用自己的核心技术有所作为！例如，基于方舟二号，外加Flash、SDRAM等几个芯片即可构成工业以太网的节点控制器；美国的大量军用计算机即采用MIPS芯片。