工业控制计算机产业现状与发展策略

摘　要 本文从集散控制系统、现场总线控制系统、数控装置、可编程控制器、工业PC几方面入手，全面回顾总结了我国工业控制计算机产业的历史与现状，分析了该产业的发展趋势， 并提出了相应的对策。 关键词：工业控制计算机系统，工业PC散控制系统，趋势，策略 前言 由于计算机技术、控制技术、网络技术和通信技术的迅猛发展，各种自动化手段的发展与相互影响，呈现以下特点。 （１）各种自动化手段之间界限越来越模糊 　　高校的专业合并与渗透，工业控制计算机系统、自动化、信息技术改造传统产业、机电一体化、数控、先进制造技术、CIMS之间的技术、专业、学科之间的界限越来越模糊，似乎也没有必要把它们分得很清楚，这是实际的需要，发展的需要，技术发展的必然。 （２）各种控制系统之间融合是大势所趋 　　在今后相当长的一段时间内，FCS、IPC、NC/CNC与DCS、PLC将会相互补充、相互促进、彼此共存。PLC、DCS、NC/CNC、IPC、FCS等虽然设计的初衷不一，各有特色，各有适宜的应用领域，自然也各有不适应的地方，但技术上都知道学人之长，补己之短，PLC、DCS学习提高到已失去传统意义上的自己，可以看出各种控制系统之间融合是大势所趋，不可阻挡。 （３）渴望单一现场总线 　　现有FF、Profibus、WordFIP等８种现场总线为国际标准，据说最近将增加到12种，现场总线和以太网的捆绑、以网到底等。在这种发展态势下、各种现场总线在技术上的争论反而少了，市场竞争依然激烈。科技部“十五”攻关项目，怕加入WTO后，有不正当竞争之嫌疑减少到近百个，重大20多个，重点70多个。和工控机有关的项目三个均为重点项目： 改造传统产业：沈阳（机械工业重镇）试点； 先进制造技术与信息化：CIMS应用； 过程控制系统：模糊是哪种现场总线，主要是要很好构成完整系统，搞好应用。 　　对我国理应如此，哪个现场总线也不是我国的原创，我国不存在什么技术优势，自然也没有包袱，因此，如何在现有现场总线基础上，构成适合国情的、适合某些领域的系统，搞好应用，提高经济效益这是主要精力所在。 　　工业控制计算机的应用领域迅速扩大。过去工控机主要应用于过程控制，如电、煤、化、油等连续化、流程化的生产过程；制造自动化，如机械、电子、汽车等离散加工的生产过程；单机自动化，如数控机床、智能仪器仪表，机器人、汽车电子化、变频调 速 电动机、电子化家用电器、医疗器械等产品机电一体化等。今后，应特别关注工控机应用的新的增长点：环保、公用工程、道路与交通、楼宇与社区、农业与农村、家庭等。 1、工控机的发展趋势 　　工控机及其应用的发展是与信息化、数字化、智能化的世界潮流和计算机技术、控制技术、网络技术、显示技术（尤其是现场总线和控制网络）的发展密切相关的。 2000年世界上工业控制计算机市场为300－400亿美元，其中DCS60亿美元，嵌入式系统60－70亿美元，FCS20－30亿美元，IPC70－80亿美元，PLC70－80亿美元，数控70－80亿美元。并以每年10－15％的速度增长。 １．１ DCS（集散控制系统） 虽然现场总线为基础的FCS发展很快，并最终取代传统的DCS，但FCS发展有很多工作要做，如统一标准，仪表智能化等。而传统控制系统的维护和改造还需要DCS，因此FCS完全取代传统的DCS有个较长的过程。 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）为主，采用分布式系统结构的分散型控制系统仍在发展。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。DCS1997年销售为45亿美元，2000年为60亿美元。世界上主要DCS供应商为：Honeywell、Bailey、Westing、House、ABB、Foxboro、L＆N、Siemens、EuRo、横河、日本山武霍纳威尔等。 在工控机中DCS是受计算机影响最大、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网络的发展，将各种单（多）回路调节器、PLC、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（KEB）和专家系统（ES）的应用，如自学习控制、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PID控制、智能传感器、变送器、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－PLC、PC－STD、PC－NC等就是PC－DCS先驱，IPC成为DCS的硬件平台。 　　（４）DCS专业化，DCS为更适合各相应领域的应用，就要进一步了解这个专业的工艺和应用要求，以逐步形成如核电DCS，变电站DCS、玻璃DCS、水泥DCS等。 　　现在DCS生产厂家的新产品具有以下特点：系统开放、管控一体化及已有带先进控制软件。DCS生产厂家也从事FCS的研发、生产和应用工作。 1.2 数控装置 　　80年代以来，为适应FMC、FMS、CAM、CIMS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，Windows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的软件已由小型机，工作站移植到PC机，三维图形显示及工艺数据已经在PC机上建立。因此，PC机已成为开发CNC系统的重要的资源与途径。 　　(2)交流伺服化：交流伺服系统恒功率范围已做到1:4，速度范围可达到：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FMS、CIMS、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NC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：所谓三高是指高的主轴转速、高的快速移动速度和高的换刀速度。为实现高速加工，主轴必须高速化，AC主轴马达最高速为180000转／分；最高进给速度120米／分；换刀速度1s；加速度2g。 　　（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PASCAL已经实用化，但为置换梯形图语言，还需要使用顺控流程图(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0.001微米的精度，必须开发超高分辨率的编码，0.0001微米最小设定单位的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，还需采用控制和鲁棒(R0bust)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。其数字控制系统的跟踪误差不超过２微米。 　　(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。人工智能将实用于处理信号的PMC中。 　　(11)诊断维修智能化：故障的诊断与维修是NC重要技术。基于AI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NC装置通过Intranet和Internet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。 　(12)复合化成为机床发展主流。所谓复合加工Multitask Machining可以定义为能完成各种各样的加工工序而不需要手工干预的一种加工能力。它具有工件一次安装后进行车削、钻削；攻螺纹和铣削的功能，从一个工序到另一个工序工件的传送是自动的，在加工过程中工件的装也都是自动的。其优点很多。 1.3 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PLC中，按最终用户分：汽车占23％；粮食加工占有16.4％；化学／制药占14.6％；金属／矿山占11.5％；纸浆／造纸占11.3％；其它占23.6％。由于CIMS、工程自动化和过程控制等大系统和复杂的应用要求，PLC主要发展趋势为： (1)高功能、高速度、大容量、加大模拟量的发展方向，形成与ＤＣＳ相抗争的大系统。 (2)网络化和通信 强化通信能力是ＰＬＣ重要发展方向。网络以太化已经很成功，并注意到现场总线的发展。 (3)编程语言多样化IEC61131－3规定了5种编程语言：梯形图(LD离散 美、日)、顺序功能图(SFC批量、机械 欧洲）、功能块图(FBD过程 欧洲）、结构文本(ST）和指