當前工業(yè)控制機技術(shù)的幾個熱點問題
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用信息化帶動工業(yè)化，用高新技術(shù)提升傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，這是我國的大政方針。自1983年工業(yè)控制計算機列入國家計算機系列型譜及發(fā)展規(guī)劃以來，在國家的大力支持下，經(jīng)過全國工控機同行們的共同努力，我國工控機事業(yè)獲得了迅速發(fā)展，在工業(yè)控制機開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化的及推廣應(yīng)用方面已取得長足進步。許多工控技術(shù)和產(chǎn)品已經(jīng)成熟，在各領(lǐng)域獲得成功應(yīng)用，有的已可以與國外或境外產(chǎn)品進行競爭，特別是在DCS、IPC以及某些嵌入式控制裝置方面碩果累累。
和利時、浙大中控、新華、威盛等公司的DCS系列產(chǎn)品已進入許多大型工程，甚至出口國外，據(jù)化工行業(yè)統(tǒng)計，國產(chǎn)DCS已占有50%左右的市場份額；研祥等單位IPC產(chǎn)品的勢頭很強勁；盛博的嵌入式產(chǎn)品已進入國際市場，成為西門子、阿爾斯通等歐洲公司的配套產(chǎn)品；航天測控公司的VXI、PXI產(chǎn)品已成為國防工業(yè)中的重點地面測控產(chǎn)品；康拓公司的新一代CompactPCI系列產(chǎn)品已經(jīng)開發(fā)成功；此外，近兩年來，國外的同行又有新的面孔出現(xiàn)在國內(nèi)市場，而我國臺灣的同行中，除了研華、磐儀等之外，新近，凌華科技集團的CompactPCI、PXI系列產(chǎn)品出現(xiàn)在大陸市場；在現(xiàn)場總線的研發(fā)和應(yīng)用方面，國內(nèi)也有大的進展，F(xiàn)F、Profibus、LonWorks、CAN等都有許多成果和成功應(yīng)用的范例，工業(yè)以太網(wǎng)的研發(fā)也取得了很大進展；工業(yè)管控軟件的研發(fā)和應(yīng)用也有不錯的成果。。。。。。
近年來，國際上FCS、DCS、PLC、IPC、NC以及各類嵌入式控制裝置正處在快速發(fā)展之中，而我國的發(fā)展速度更位居于世界前列。據(jù)統(tǒng)計，2000年世界上工業(yè)控制計算機市場達到300－400億美元，并以每年10－15%的速度增長；同期，我國工控機的市場規(guī)模約200億人民幣。
信息產(chǎn)業(yè)“十五”規(guī)劃中，工業(yè)控制機產(chǎn)業(yè)將達到年產(chǎn)值1000億元。發(fā)展重點是：適應(yīng)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的需求，大力推進PLC、嵌入式工業(yè)計算機的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，重點開發(fā)生產(chǎn)有自主知識產(chǎn)權(quán)的DCS、FCS，使國產(chǎn)品牌達到50%以上的市場份額。國家經(jīng)貿(mào)委儀器儀表“十五”規(guī)劃中，在電力、冶金、石化、環(huán)保、交通、建筑等領(lǐng)域都提出了相應(yīng)目標，對工控機的需求很大，市場十分廣闊！
“十五”期間，我國自動化主控系統(tǒng)仍將以DCS和IPC為主，大型DCS以國外產(chǎn)品為主的狀況近期還不會有大變化；PLC和基于IPC的DCS以及工業(yè)控制裝置在中小工程應(yīng)用中將占據(jù)主導地位。
2 工業(yè)控制系統(tǒng)的三大變革
自動化技術(shù)正經(jīng)歷重大變革，我們的工作實質(zhì)上是圍繞這種變革進行的。主要方面是：現(xiàn)場總線和現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS;PC-based工業(yè)控制計算機;管控一體化系統(tǒng)集成技術(shù)。
2.1關(guān)于FCS
由于現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展，新一代的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS正走向?qū)嵱没?，這是自動化技術(shù)的一個重要熱點，它將給自動化技術(shù)帶來一次深刻的革命。FCS的關(guān)鍵要點是：
FCS的基礎(chǔ)是數(shù)字化智能化現(xiàn)場裝置;FCS的核心是現(xiàn)場總線協(xié)議，即總線標準;FCS
的本質(zhì)是信息處理的現(xiàn)場化和網(wǎng)絡(luò)化。
FCS是從兩個方面發(fā)展而來的，一是PLC，二是DCS。在FCS走向?qū)嵱没?，必然會影響PLC和DCS的前景，專家們認為， FCS將與DCS逐步融合，F(xiàn)CS將會最后取代DCS，但是，將會有一個很長的歷史過程；而PLC在順序控制方面有獨特優(yōu)勢，作為一個站掛在現(xiàn)場總線上可以充分發(fā)揮PLC在處理開關(guān)量方面的優(yōu)勢，因此，今后將以能遵循現(xiàn)場總線通信協(xié)議的PLC或能與FCS通信交換信息的PLC為優(yōu)選對象。
2.2關(guān)于IPC
工業(yè)PC自上世紀90年代初進軍工業(yè)自動化以來，正勢不可擋地進入各領(lǐng)域，獲得了廣泛應(yīng)用。 究其原因，在于PC機的開放性，它具有豐富的硬件資源、軟件資源和人力資源，即得到廣大工程技術(shù)人員的支持，也為廣大人群所熟悉，這是IPC熱的基礎(chǔ)。PC-based（包括嵌入式PC）控制系統(tǒng)，正以20%以上的速率增長，遠遠超出了DCS、PLC。值得注意的是,各大PLC制造商已接受了IPC的技術(shù)路線，PLC有IPC的趨勢。不僅如此，DCS、NC也都有IPC化的趨勢。PC-based控制技術(shù)將成為本世紀初自動化界的主流技術(shù)之一。
今后在相當長的一段時間內(nèi)，F(xiàn)CS、DCS、PLC 、IPC、NC將會相互補充，相互促進，但IPC的優(yōu)勢會更突出，其應(yīng)用范圍將迅速擴大到全部自動化領(lǐng)域。預計，到2005年，PC-based工業(yè)控制機將占市場份額50%以上。
我國IPC市場（包括嵌入式控制器）十分活躍，和國際市場一樣，IPC增長速度也是最快的，這是因為IPC能提供非常豐富的開放的硬件和軟件平臺，價格低廉，易于與其它信息技術(shù)集成。
我國IPC廠商很多，主要有研祥、研華、凌華、磬儀、康泰克、康拓等等，在FCS、DCS、PLC、IPC、NC幾大類之中，IPC的國產(chǎn)化是最高的，估計要不了多久 ，和PC機一樣，IPC將主要是國產(chǎn)化產(chǎn)品的天下，特別是大陸產(chǎn)品的天下。
2.3管控一體化系統(tǒng)集成系統(tǒng)與軟件
隨著Internet技術(shù)深入到企業(yè)管理和控制之中，控制系統(tǒng)與管理系統(tǒng)的結(jié)合成為必然，這使得工業(yè)自動化界渴望已久的管控一體化、工業(yè)企業(yè)信息化、基于網(wǎng)絡(luò)的自動化的目標成為可能。管控一體化可以使企業(yè)選擇到真正符合新經(jīng)濟時代的最佳解決方案，從而提高企業(yè)的生產(chǎn)效率，增強市場競爭能力。
這就必須發(fā)展管控一體化的系統(tǒng)集成技術(shù)和系統(tǒng)。因此，自動化技術(shù)進入了一個新時代，其方向是，通過以太網(wǎng)和Web技術(shù)實現(xiàn)開放型分布式智能系統(tǒng)，基于以太網(wǎng)和TCP/IP協(xié)議的技術(shù)標準，提供模塊化、分布式、可重用的自動化方案。其中，主要的方面是發(fā)展基于網(wǎng)絡(luò)的工程化工業(yè)控制與管理軟件。
企業(yè)信息集成系統(tǒng)三層結(jié)構(gòu)的中間層的應(yīng)用軟件系統(tǒng)，稱之為工廠軟件，包括實時數(shù)據(jù)庫、歷史數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)發(fā)布、數(shù)據(jù)挖掘、模型計算、過程仿真、配方設(shè)計、運行優(yōu)化、參數(shù)檢測、偏差分析和故障診斷等內(nèi)容。它向下可以為控制軟件提供智能決策，向上可以為管理軟件提供有價值的數(shù)據(jù)。
工廠軟件系統(tǒng)的基礎(chǔ)內(nèi)容就是實時分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。工廠軟件建立在實時數(shù)據(jù)庫和關(guān)系數(shù)據(jù)庫之上，定位在Internet/Web應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)環(huán)境之上，由此，實現(xiàn)管控一體化。
國家科技部2001年9月發(fā)布“過程自動化系統(tǒng)”專題中，將實時數(shù)據(jù)集成技術(shù)與過程控制技術(shù)、過程優(yōu)化技術(shù)和流程工業(yè)生產(chǎn)計劃與動態(tài)調(diào)度技術(shù)列為主要方向。而兩項重點課題之一是：實時數(shù)據(jù)庫及監(jiān)控系統(tǒng)。其研究目標是：流程工業(yè)綜合自動化的數(shù)據(jù)集成、大中型實時數(shù)據(jù)庫及監(jiān)控系統(tǒng)等核心技術(shù)，支持多種DCS、PLC、測控系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)庫及監(jiān)控系統(tǒng)。主要指標及要求之一是，支持主流DCS、FCS、數(shù)據(jù)采集設(shè)備的雙向數(shù)據(jù)傳輸，提供OPC接口。
3 關(guān)于工業(yè)以太網(wǎng)
1999年南京年會上，本人在“現(xiàn)場總線技術(shù)已進入戰(zhàn)國時代”的報告中，闡述了“異軍突起，以太網(wǎng)進軍工業(yè)自動化”的觀點，與會同行們曾熱烈討論。三年過去了，工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)取得了很大進展，成為現(xiàn)場總線中的主流技術(shù)和焦點，國際上有多個組織在從事其標準化工作。我國在工業(yè)以太網(wǎng)方面起步不晚，特別是浙大中控等單位已做了大量工作，取得了階段性成果，開發(fā)出基于以太網(wǎng)技術(shù)的現(xiàn)場通信模塊和部分現(xiàn)場設(shè)備原型，在國內(nèi)首先提出了EPA網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，在工業(yè)以太網(wǎng)的部分關(guān)鍵技術(shù)（如實時性、總線供電、遠距離傳輸）等難題方面做出了出色成果。
國家科技部在2001年9月發(fā)布的“過程自動化系統(tǒng)”專題的兩項重點課題之另一個就是：基于高速以太網(wǎng)技術(shù)的現(xiàn)場總線控制設(shè)備，其研究目標是：研究應(yīng)用于工業(yè)控制現(xiàn)場的高速以太網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)，包括以太網(wǎng)通信實時性、總線供電、本質(zhì)安全、可互操作性、遠距離傳輸、抗干擾性和可靠性等。并研究開發(fā)基于以太網(wǎng)技術(shù)的現(xiàn)場設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)和相應(yīng)的系統(tǒng)軟件。
以太網(wǎng)技術(shù)是未來控制網(wǎng)絡(luò)的最佳解決方案，以太網(wǎng)一直延伸到企業(yè)現(xiàn)場設(shè)備控制層（即一網(wǎng)到底）是控制網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的必然趨勢。這已是許多專家的共識，施耐德的透明工廠是典型范例。然而，在和不少同行的交流中，感到有幾個問題需要提出來作簡要討論：
(1)工業(yè)以太網(wǎng)不是僅僅指只有物理層和鏈路層的Ethernet ,而是指基于Internet技術(shù)的以太網(wǎng)，即Ethernet+TCP/UDP/IP+應(yīng)用層，這里，在傳輸層采用UDP比TCP協(xié)議更能滿足實時性的要求；
(2)不少文獻上有如下說法：采用帶有沖突檢測的載波偵聽多路訪問協(xié)議（CSMA/CD），以太網(wǎng)被認為是一種非確定性的網(wǎng)絡(luò)，其實時性、確定性不好。但以太網(wǎng)發(fā)展到今天的交換式以太網(wǎng)時，該問題已經(jīng)得到解決。對于上述問題如何解釋呢？
其一，“自動化博覽”2002年增刊上，清華大學自動化系陳嘉、爾桂花的文章“自動化系統(tǒng)底層通信網(wǎng)絡(luò)的以太網(wǎng)實現(xiàn)”中用數(shù)據(jù)做了解釋：在100M時，一個時間槽slotTime=4.88微秒，在負載較輕時，沖突次數(shù)不會超過5次，這樣，由于沖突產(chǎn)生的延遲時間可以控制在156微秒之內(nèi)。因此可以認為，在輕負載運行下，以太網(wǎng)可以滿足實時性要求，不確定性的沖突造成的沖突回退往往并不會產(chǎn)生過大的延遲時間。
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