国外工控机技术发展趋势国内发展概况与策略

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1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 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 420mA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、 PROFIBUSCAN、L onW orks HA RT。已将 FF (Fieldbus、Foundu tion)和 HA RT 列入国家 “九五”攻关项目。(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 。ISA总线,又称 A T总线；M CA标准；E ISA;局部总线， 局部总线有两种标准；V ESA (VL )和PCI,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 B264M B S,但VL总 线受CPU时钟频率的限制，只为Intel486芯片 所专用，而PCI总线是一个经济实用的高性能 总线。现PCI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、分散对收稿日期：1998- 09- 21机械与电子1998 (6)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 2 eywell、Bailey、Westing、 Hou se ABB、 Foxbo ro、Sieme ns EURO、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、PLC、STD总线、工业PC、NC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 (KBS)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10、智能P ID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，PCPLC、PCSTD、PCNC 等 就是PC 一 DCS的先驱。(4) 现场总线FF与DCS 现场总线FF的 优点：消除了 4- 20mA信号传输的瓶颈； 减少了电缆配件及安装、维修费用；提高了检 测精度和鲁棒性；增强了控制系统的可靠性与自治性；为用户提供更多的功能；用户拥 有仪表等产品的选择权；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；调? 3?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-V二- J80年代以来，为适应 FM C、FM S、CAM、 CM 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CNC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 : 1 000,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 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NC装置的操作单元用 TFT (薄 膜晶体管)彩色液晶显示器、触摸屏取代CRT、 厚度仅为CRT的1 4等。(7) 高速化为实现高速加工，主轴必须高 速化,A C主轴马达最咼速为 118 X 1。5m 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PMC(可编程机床控制器)的处理器。随着处理内容复杂化，PMC 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 01001 m的精度，必须开发超高分辨率的编码 器,011 nm最小设定单位的NC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2 m。(10) 机械智能化 在NC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C 人工智能将实用于处理信号的PMC中。机械与电子1998(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PMC及大型数据库来实现。4 PLC (可编程序控制器)目前，全世界约有 PLC生产厂家约200家，生产300多个品种。全球PLC发运件数预 计1998年为1 456万件，1999年为1 620万 件，2000年达到1 778万件。在1995年发运的PLC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CMS、工程自动 化和过程控制等大系统及复杂的应用要求，PLC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PLC重要发展方向。(3) 编程语言多样化 SFC因有不少优点而成为编程语言的一个重要发展方向；大型PLC正越来越多地使用 C、BA SIC等高级语 言编程；采用多种语言联合编程。(4) PLC和其它工控机联合PLC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PCPLC联 接，PLC日益加速渗入到 DCS中，PLC走进 CNC的领地。PLC自身控制也分散化。相对PC 为基础的控制器，优势在小型PLC上。国外著名PLC生产厂家有：A -B公司、 Siemens GE 一 FANU C、M odican 电子公司、法 国TE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；机械与电子1998 (6)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” (Embeded)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CUP性能价格 比高，有In tel、 IBM、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 BTF)为10 15万h, 而台式机仅 仁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。“七五”期间，完成工业过程自动控制、重点 机械CAD ,柔性制造系统和设备开发、机器人、 大规模集成电路、计算机系统、计算机软件等国 家攻关计划。“八五”期间，电力电子新器件、电力电子器 件应用技术、数控技术及装备、大型工业过程自 动化技术、传感器技术、工业机器人的应用等列 入国家攻关计划。“九五”期间,现场总线系统与智能仪表、数? 5?1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 控技术与装备工程化、CAD、C M S等攻关或863项目。现场总线已取得进展，98多国仪器 展上已展出HA RT及智能仪表系统。成功实现 了模拟和数字双向通信同时进行而互不干扰。数控技术与装备工程化中，数控技术也取得显 著进展，正在为实现两个 50% （国产数控机床 市场占有率50% ,数控系统占国产数控机床配 套需求的50% ）而努力。CAD是科委抓得重中之重项目之一 。机械 部在“七五”“八五”机械CAD和1215工程基 础上提出1550工程，即：建设一个机械工业 CAD咨询服务中心（网络体系）；开发5（5- 8） 个专业应用软件；培养50家示范企业、幅射 500家、带动5 000家企业。抓有效益的 CAD 应用,促进开发,机械部CAD 1550工程也是企 业解困、产品开发的突破口 。根据企业有积极 性、有一定基础、九五”规划有投入、CAD有完 整实施方案等条件，已报240多家。50家示范 企业即将全部选定。CAD咨询服务中心，已培训3万人次。技 术咨询也很有成效。这都为以PC为主的机械 CAD普及应用打下了良好的基础。这都对我国 工业控制计算机技术、产业、应用发展起重大促 进作用。目前,我国工控机市场规模为95- 127亿元人民币,其中工业PC机及板卡2530亿 元；嵌入式计算机 （含控制器）1520亿元； PLC规模是15- 17亿元;DCS系统15- 20亿 元；数控系统15- 20亿元；进口机电设备配套 控制设备约20亿元。2 DCS （集散型控制系统）由于我国传统产业改造和新建工程项目对 DCS的急需，80年代从国外引进了几百套 DCS来装备石化、冶金、电力、化肥等企业。我 国工业自动化仪表行业同时从国外引进技术，与外商合作合资组装生产国外DCS ,并逐步实现国产化。如:我国机械部重庆自动化仪表所和 上海自动化仪表所开发的DJK - 7500,航空航天部的友力一 2000、电子部六所的 H S1000和 HS2000、北京康拓公司的KT 6000浙大Su2? 6?percon、杭州万盛公司的FB 一 2000等分散型控 制系统。日前,我国的小型DCS系统已经投入 了工业生产。大中型系统的优化定型已经完成 并投产。现已在国家大型石化、冶金、电力工程 的全国各行业百多个典型工程中推广应用。全国1996年DCS市场销售1520亿元 人民币，其中国产DCS约占市场5% （近100 套）,约1亿元人民币。采用国产DCS产品的用户已占近 50%, 表明国产DCS的市场占有相当比例。这一市场 年增长率达93%。3数控装置1995年我国国产数控机床（不计经济型）国内市场占有率已降到23% ,若按价值计算估计小于10% ,还应该指出这23%的国产数控机 床约90%以上配备的还是国外的数控系统。上 述数控的严峻局面是长期以来多种因素造成 的。其中一个重要因素是，数控系统包括相配套 的伺服、主轴驱动单元和电机，长期为少数工业 发达国家所垄断。而在冷战时期，其中的高档产 品对社会主义国家属战略禁运物资。我国的数 控技术长期不能自立。由于重视了可靠性，由于电子元件集成度 提高，采用PC硬件平台，外购件质量提高，工 艺装备和质量测试手段与国外水平基本相同，这使我国自主产权的数控系统的质量大大提 高,可靠性已达到国外水平。伺服和主轴驱动技术有了很大进展。在“八 五”攻关中，攻克了交流全数字伺服和主轴驱 动,技术水平赶上了国外，但工程化和产业化进 展不理想。因此,与国产数控系统配套仍多数是 直流伺服或交流模拟伺服与主轴驱动。在绝大 多数的实际生产使用条件下，伺服和主轴驱动 的品质完全可以等同于国外的交流全数字伺 服。但是，与国外已经全部采用的交流全数字伺 服相比，仍是令人遗憾的差距。急待在“九五”产 业化攻关中努力赶上去。实现“九五”产业化攻 关目标，国产数控机床市场占有率为50%,数控系统占国产数控机床配套需求的50%。最近电视台多次报导了清华大学研制的新机械与电子1998? 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.万元人民币。国内主要有北京康拓、北京四通工 控、北京联想工控、北京工控计算机厂、北京宏 拓工控、北京长城工控、北工大、北大方正、上海 康泰克电子技术公司、华北工控、电子部六所、 中国航天工业总公司骊山公司等生产厂家。机械与电子1998 (6)? 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.型数控机床，看上去类拟EM O 97上展出的10 多台6条腿机床样机(这样的机床 M T S94仅 有美国两家)。这一事实证明我国在机床技术上 和国际水平差距不大。经济型数控是我国一大特色。经济型数控 基本满足国内机床更新和改造的要求，且可少量出口。经济型数控装置国内主要生产厂家 ：南 京大方数控公司、常州电机电器总厂、西宁高原 工程机械所、西安微电机所等。4 PLC (可编程序控制器)国内PLC形成产品化生产的企业约30多家,年产量超过1 000台的不到10家。主要生 产单位有：苏州机床电器厂、上海香岛电机制造 有限公司、机械部北京机械工业自动化所 、江苏 嘉华实业有限公司、苏州电子计算机厂、苏州机 床电器厂、辽宁无线电二厂等。国内产品市场占 有率不超过10%。1996年销售约9万台套，其中进口 8万台 套(用112亿美元),总计约合人民15亿元。5 STD总线模板系列由于STD小型结构特别适合小型化的嵌 入式控制系统，硬件结构支持多主系统等特点， STD总线模板系列产业化工作获得很大成功，并为广大用户所熟悉和认可 。STD总线模板系 列曾在我国辉煌过，主要因为产业化做得好，占 领了自己的市场，现仍有不少老用户需要STD总线产品。6工业PC自1992年以来，我国工业PC机市场极为 活跃，1993年成为中国的工业 PC年，国产工业 PC机市场也保持着稳定发展的势头。根据统计，全国工业PC机的OEM产品海关进口额 1996年为27亿元人民币，年增长率为29%。国 内工业PC机发展也很快，1995年机械行业国 产工业PC机及外设约700台套，价值约5 500我国工业PC机市场以海外产品如：台湾 研华、m iel为主,但国内产品也占有一定市场 。 仅抽样的5家公司(上海康泰克、北京康拓、北 大方正工控部、北京研华兴业电子科技公司、北 京机械工业自动化所 )提供的资料表明，1997 年销售额为1161亿元，预计1998年达到2107 亿元，年均增长率为35%。7 2000年市场规模预测据估计，2000年市场规模达成170- 207亿元人民币，其中：(1) 工业PC 化工、电力、轻工、石化及机 械等行业需要工业 PC及OEM产品几十万套， 35- 45亿元。(2) 嵌入式计算机家用电器等行业需要 嵌入式计算机 O EM产品，单片机、单板机、控 制器，家电等配套控制器 1 500- 2 000万台， 25- 30亿元。PLC装置炉窑、机床、机械、冶金、各 种生产线、铁路、水处理设备等需要 PLC装置 20万套，25- 30亿元。(4) DCS系统 石化、化工、电力、冶金等 行业需要 DCS系统工程 1 500套,3旷 35亿 丿元。(5) FCS系统 石化、化工、电力、冶金等 行业试点采用FCS系统，12亿元。(6) 数控装置 机械、建材、轻工、能源、冶 金等行业需要 CNC 3万套,2430亿元。(7) 进口成套设备配套控制系统3(40亿元。三、我国工控机发展策略1我国工控机发展制约因素制约我国工控机发展的因素很多，主要有：工业企业效益不好，投资力度不足；微电子 技术落后，不能很好支撑工控的发展；我国的工 控机人才整体水平不高。缺乏复合人才；我国 (工控机)企业对市场不适应。企业在制度、组 织、管理、技术等方面均需要改革和创新，以提高适应能力和竞争能力。2我国的发展策略? 7?我国工控机市场需求不旺；国外厂商的急剧竞争，并占领了大部分市场份额；我国工控机 厂商数量多，但规模小，竞争实力不足。在这种 形势下，我们应如何发展我国的工控机产业呢?首先是转变观念，观念的陈旧将是阻碍我国工 控机发展的最大障碍。必须(1) 强化商品经济观念。(2) 强化国际分工观念 根据自身情况 ，扬 长避短，参与国际分工，及时调整产品结构。在 国际分工中取得比较优势。(3) 强化大行业观念打破条块分割，发挥 大行业群体中各自的优势，走专业化、规模经济 的路子。策略(1)发展有我国特色的产品和应用系统 我国经济发展将由轻工阶段进入重化工阶段。用工控机改造传统产业，尤其是重工业、化学工 业改造更要加快步伐。不少产品急待更新换代， 重工业中机械产品机电一体化是重要途径。相应的工控机大有用武之地。(2) 以应用促发展 经济发展上新台阶 ，工控机应用成为不可忽视的强有力的手段 。尤其 重要的是通过长期工控机应用，摸索出自己的长处,有个绝活，在竞争中就可立于不败之地。(3) 合资是成功的模式之一外资进入企 业,对工控机的技术、管理、生产能力等方面带 来许多新活力，对工控机产业的发展起到不可 低估的作用。(4) 保持汉字应用的领先地位为方便我 国的应用，工控机必须采用汉字。(5) 推进现代企业制度改革提高企业对 市场的适应能力和竞争能力，坚持通过改革进 一步把企业推向市场。促使企业的生产经营、资 本经营和技术开发等一系列活动都围绕市场来 动作。(6) 开放式的体系结构开放式工控系统中可能包含各种不同的产品，它们之间互连，资 源共享就要求有开放的体系结构，要求硬件模块化，接口标准化和产品系列化，开放的结构在 技术上兼顾今天的水平和今后发展。目前,较为? 8?流行的开放式的现场总线有PRO F BU S、 CAN、LonWorks HART。尤其是 FF 现场总 线,是新一代的过程控制体系结构，为过程控制用户所提供的功能支持是过去任何过程控制设 备都不可能提供的。FF现场总线的标准化又使 过程控制用户获得以往任何时候未曾有过的随 意地扩展系统和进行重新选择的机会。应下力量抓住机会发展。(7)工控机要跟上计算机发展的基本步伐从工控机特点可知其开发生产和应用也有其 特色，需要既懂工控机软、硬件,又懂应用工艺 的复合人才，难度较大，需要机型相对稳定。象 PC机286 386、486、奔腾、P6发展那样快, 工控机就没有做工作的相对稳定时间，工控机开发、生产、应用将一事无成。但计算机近几年 发展很快，新技术，如多媒体、面向对象、模糊控 制、人工智能、现场总线、网络和虚拟技术等层 出不穷。工控机应不失时机地吸收适合工控机 发展的新技术，而不要过多强调工控机的个性 ， 以利于加速工控机及应用的发展。(8) 行业联合 搞工控机、工业自动化仪器 仪表行业，应在现场总线这个标准下，在九五” 攻关这个技术基础上，按股分制方式组织起来， 形成一个有一定开发、生产能力的集团公司，技 术起点高、有国内推广应用、服务的优势，是个 发展我国FCS的机会。参考文献1 丁乃健.近几年数控系统发展的特点.世界制造技 术与装备市场，1996 (2)2张勇，汤文洁.PC I总线及其在微机中的应用.工业 控制计算机.1997(6)3刘铁椎.现场总线在企业综合自动化系统中的作用 和地位.机械与电子,1997 (5)4刘鑫.嵌入式PC技术.98全国工业控制计算机年 会论文.1998, 65工控机市场调查报告.计算机世界.计算机世界报社.1998, 66周延佑.迅速占领市场是机床数控产业的紧迫任务.中国机械工程，1998, 2机械与电子19981994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. 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