当前工业控制机技术的几个热点问题

　　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。[page]

    　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。[page]

    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。