国外工控机技术发展趋势国内发展概况与策略机械工业基金会　段明祥 一、国外工控机发展趋势 1.工控机发展的几个热点问题(1)现场总线　现场总线是连接设置在工业过程现场的仪表与设置在控制室内的控制设备的数字化、双向、多向通信网络。

它具有消除了4～20mA 信号传输瓶颈现象等很多优点,意义深远,因此受到国际上自动控制、仪表产业、计算机产业界的高度重视。

有良好的发展前景。

目前,较为流行的现场总线有FF 、PRO F I BU S 、CAN 、L on W o rk s 、HA R T 。

已将FF (F ieldbu s 、Foundu ti on )和HA R T 列入国家“九五”攻关项目。

收稿日期:1998-09-21(2)IPC 因PC 机硬、软件资源丰富、产量大、价格低、质量高,为广大技术人员所熟悉和认可。

家用电脑逐步成熟。

目前,PC 机占通用计算机95%以上。

这是工业PC 热的基础。

搞工控的专家和技术人员自然想赋予PC 总线更高的使命,拟让它在过程控制、制造自动化、楼宇自动化等方面扮演重要角色。

(3)PC I 随着CPU 性能的不断提高,总线结构经历了几个发展阶段。

①ISA 总线,又称A T 总线;②M CA 标准;③E ISA ;④局部总线,局部总线有两种标准;V ESA (VL )和PC I ,这两个总线的数据宽度均为32位,并可扩展到64位,数据传输率132M B ～264M B S ,但VL 总线受CPU 时钟频率的限制,只为In tel 486芯片所专用,而PC I 总线是一个经济实用的高性能总线。

现PC I 不仅用于PC 机,而向通讯等很广泛领域扩展。

2.DCS (分散型控制系统)当前工业控制计算机仍以大系统、分散对象、连续生产过程(如:冶金、石化、电力等)为主,采用分布式系统结构的分散控制系统仍在发展。

由于开放结构和集成技术的发展,促使大型分散型控制系统销售增加。

DCS 1997年销售为45亿美元。

世界上主要DCS 供应商为:Hon 2eyw ell 、B ailey 、W esting 、Hou se 、ABB 、Foxbo ro 、Siem en s 、EU RO 、横河、日本、山武霍纳威尔等。

在工控机中DCS 是受计算机技术影响最大、反应最快的一种。

DCS 主要发展趋势为:(1)DCS 向综合方向发展　由于标准化数据通信链路和通信网络的发展,将各种单(多)回路调节器、PL C 、STD 总线、工业PC 、N C 等工控设备构成大系统,以满足工厂自动化要求,并适应开放化的大趋势。

(2)DCS 向智能化方向发展　由于数据库系统、推理机能等的发展,尤其是知识库系统(KB S )和专家系统(ES )的应用,如自学习控制、自适应控制、远距离诊断、自寻优等,人工智能会在DCS 各级实现。

和FF 现场总线类似,以微处理器为基础的智能设备,如智能I O 、智能P I D 控制、智能传感器、变送器、调节器、执行器、智能人机接口、可编程调节器相继出现。

(3)DCS 工业PC 化　由IPC 组成DCS 成为一大趋势,PC 作为DCS 的操作站或节点机已经很普遍,PC PL C 、PC STD 、PC N C 等就是PC DCS 的先驱。

(4)现场总线FF 与DCS 现场总线FF 的优点:①消除了4～20mA 信号传输的瓶颈;②减少了电缆配件及安装、维修费用;③提高了检测精度和鲁棒性;④增强了控制系统的可靠性与自治性;⑤为用户提供更多的功能;⑥用户拥有仪表等产品的选择权;⑦产生先进的新型现场仪表,赋予现场仪表许多新的先进功能;⑧调试维护方便,使用寿命长等。

现场总线的最大影响是控制功能的下载。

经过几十年的发展,现场控制功能又回到现场。

但是以一个功能极强的开放控制系统FCS的面貌出现的。

DCS完成的控制功能下载后,它将只完成目前由上位机完成的优化,专家系统等先进控制策略,以及数据采集、存储等功能,也就是说,作为一种产品模式的DCS将会“消失”,而一种新的控制系统体系结构FCS将随着现场总线宣告完成而诞生。

随着FCS的出现,企业综合自动化系统终于可以实现从最高决策层到最低设备层的综合管理与控制,形成一个完整的系统。

从现在看来,由于FF成员间利益冲突,现场总线标准的完成还需要时日。

3.数控装置80年代以来,为适应FM C、FM S、CAM、C I M S的发展需要,数控装置采用大规模、超大规模集成电路,提高了柔性、功能和效率。

(1)PC化　由大规模集成电路制造技术的高度发展,PC硬件结构做得很小,CPU的运行速度越来越高,存储容量很大。

PC机大批量生产,成本大大降低,可靠性不断提高。

PC机的开放性,W indow的应用,更多的技术人员的应用和软件开发,使PC机的软件极为丰富。

PC 机功能已经很强,CAD CAM的软件已大量由小型机,工作站向PC机移植,三维图形显示及工艺数据库已经在PC机上建立。

因此,PC机已成为开发CN C系统重要的资源和途径。

(2)交流伺服化　交流伺服系统恒功率范围已做到1∶4,速度范围可达成:1∶1000,基本与直流伺服相当。

交流伺服体积小,价格低,可靠性高,应用越来越广泛。

(3)高功能的数控系统向综合自动化方向发展　为适应FM S、C I M S、无人化工厂的要求,发展与机器人、自动化小车、自动诊断跟踪监视系统等的相联合,发展控制与管理集成系统,已成为国际上数控系统的发展方向。

(4)方便使用　改善人机接口,简化编程,操作面板使用符号键,尽量采用对话方式等,以方便用户使用。

(5)柔性化和系统化　目前数控系统均采用模块化结构,其功能覆盖面大,从三轴两联动的机床到多达24轴以上的柔性加工单元。

自80年代以来,以数控机床为主的各类柔性生产系统应运而生。

按其规格、自动化程度和控制方式的不同,可分为柔性制造单元、柔性制造系统,柔性流水线、独立制造岛、计算机集成制造系统和智能制造系统等。

(6)小型化　由于半导体电路高度集成化、封装三维化、电路板插三维化、使N C装置进一步小型化,在N C装置的操作单元用T FT(薄膜晶体管)彩色液晶显示器、触摸屏取代CR T、厚度仅为CR T的1 4等。

(7)高速化　为实现高速加工,主轴必须高速化,A C主轴马达最高速为118×105r m in。

最高进给速度120m m in以上。

(8)高效化　实现高效加工,缩短非切削时间和加工周期的关键是提高PM C(可编程机床控制器)的处理器。

随着处理内容复杂化,PM C 的编程语言成了问题,虽然C语言和PA SCAL 已经实用化,但为置换梯形图语言,还需使用顺控流程图(SFC)那样的视图用语言。

(9)高精度　提高加工精度,高分辨率旋转编码器必不可少。

为在超精密加工领域能实现01001Λm的精度,必须开发超高分辨率的编码器,011nm最小设定单位的N C装置。

为在加工中即使负荷变动伺服系统的特性也保持不变,还需采用适应控制和鲁棒(Robu st)控制。

在伺服系统的控制中,用高速微处理器,采用基于现代控制论前馈控制、二自由度控制、学习控制等。

其数字系统的跟踪误差不超过2Λm。

(10)机械智能化　在N C领域内是一种新技术,所谓机械智能化功能,是指机械自身可补偿因温度、机械负荷等引起的机械变形的功能。

这就需要检测主轴负荷、主轴及机座变形的传感器和处理传感器输出信号的电路。

这种传感器自身具有信号处理功能,所以叫智能传感器。

人工智能将实用于处理信号的PM C中。

(11)诊断维修智能化　故障的诊断与维修是N C的重要技术。

基于A I专家系统的故障诊断已存在,现在主要是建立用于诊断故障的数据库。

把N C装置用电话线与中央计算机相连接,使其具有远距离诊断的功能。

进一步的发展是予维修系统,即在故障将要发生前把将要发生故障的部件更换下来的系统,它需要通过智能传感器、高速PM C及大型数据库来实现。

4.PL C(可编程序控制器)目前,全世界约有PL C生产厂家约200家,生产300多个品种。

全球PL C发运件数预计1998年为1456万件,1999年为1620万件,2000年达到1778万件。

在1995年发运的PL C中,按最终用户分:汽车占23%,粮食加工占有1614%;化学 制药占1416%;金属 矿山占1115%;纸浆 造纸占1113%;其它占2316%。

由于C I M S、工程自动化和过程控制等大系统及复杂的应用要求, PL C主要发展趋势为:(1)高功能、高速度、大容量的发展方向。

(2)网络化和通信　强化通信能力是PL C 重要发展方向。

(3)编程语言多样化　①SFC因有不少优点而成为编程语言的一个重要发展方向;②大型PL C正越来越多地使用C、BA S I C等高级语言编程;③采用多种语言联合编程。

(4)PL C和其它工控机联合　PL C和其他控制系统之间界限越来越模糊,在应用方面也出现了类似的情况。

最流行的是PC PL C联接,PL C日益加速渗入到DCS中,PL C走进CN C的领地。

PL C自身控制也分散化。

相对PC 为基础的控制器,优势在小型PL C上。

国外著名PL C生产厂家有:A B公司、Siem en s、GE FANU C、M odican电子公司、法国T E公司、三菱电子公司、OM RON电子公司等。

5.IPC(工业PC)IPC机箱中插入各种高性能的CPU卡、RAM、ROM F lash电子盘、各类外设卡及工业I O卡,便构成了一个工业过程控制IPC硬件系统。

(1)结构上　采用平板式显示器与触摸屏;除适合卡板竖插的19″机箱结构,还普遍推出前后插的机箱结构;适用于中小系统的一体化结构(整个系统都在一个机箱内)。

(2)应用上　和通用PC机一样,应用领域越来越广泛,除传统的过程控制、制造自动化外,还向楼宇自动化、公路收费等控制、管理方面拓展应用。

(3)嵌入式PC　嵌入式计算机:“嵌入”(Em beded)到设备内部,提供用户接口,管理数据输入、输出、指导设备工作的计算机。

目前,在嵌入式设计中使用最多的还是80386和80486。

这种CU P性能价格比高,有In tel、I BM、Cyrix s、AM D和T I等著名CPU制造商支持。

丰富的软件(包括操作系统、开发工具和应用软件)支撑。

嵌入式PC能在恶劣环境下(如高温、潮湿和震动等)长期可靠工作。

嵌入式PC平均无故障时间(M B T F)为10～15万h,而台式机仅1～115万h。

硬件、软件和工业PC 近似。

二、国内工控机发展概况 1.“九五”有关工控机的攻关项目及其进展情况1983年工业控制计算机列入国家计算机系列型普及发展规划,在国家的大力支持下,经过全国工业控制计算机行业共同努力,如机电部组织的全国首届工业控制计算机机型优选;国家计委、机电部、化工部、建材局联合组织的首次全国工业炉窑控制系统的优选;全国工业PC开发委员会的工作等,使我国工控机得到发展。