當(dāng)前工業(yè)控制機(jī)技術(shù)的幾個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題
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用信息化帶動(dòng)工業(yè)化，用高新技術(shù)提升傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，這是我國(guó)的大政方針。自1983年工業(yè)控制計(jì)算機(jī)列入國(guó)家計(jì)算機(jī)系列型譜及發(fā)展規(guī)劃以來(lái)，在國(guó)家的大力支持下，經(jīng)過(guò)全國(guó)工控機(jī)同行們的共同努力，我國(guó)工控機(jī)事業(yè)獲得了迅速發(fā)展，在工業(yè)控制機(jī)開(kāi)發(fā)和產(chǎn)業(yè)化的及推廣應(yīng)用方面已取得長(zhǎng)足進(jìn)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(guó)外或境外產(chǎn)品進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)，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(shí)、浙大中控、新華、威盛等公司的DCS系列產(chǎn)品已進(jìn)入許多大型工程，甚至出口國(guó)外，據(jù)化工行業(yè)統(tǒng)計(jì)，國(guó)產(chǎn)DCS已占有50%左右的市場(chǎng)份額；研祥等單位IPC產(chǎn)品的勢(shì)頭很強(qiáng)勁；盛博的嵌入式產(chǎn)品已進(jìn)入國(guó)際市場(chǎng)，成為西門(mén)子、阿爾斯通等歐洲公司的配套產(chǎn)品；航天測(cè)控公司的VXI、PXI產(chǎn)品已成為國(guó)防工業(yè)中的重點(diǎn)地面測(cè)控產(chǎn)品；康拓公司的新一代CompactPCI系列產(chǎn)品已經(jīng)開(kāi)發(fā)成功；此外，近兩年來(lái)，國(guó)外的同行又有新的面孔出現(xiàn)在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，而我國(guó)臺(tái)灣的同行中，除了研華、磐儀等之外，新近，凌華科技集團(tuán)的CompactPCI、PXI系列產(chǎn)品出現(xiàn)在大陸市場(chǎng)；在現(xiàn)場(chǎng)總線的研發(fā)和應(yīng)用方面，國(guó)內(nèi)也有大的進(jìn)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(jìn)展；工業(yè)管控軟件的研發(fā)和應(yīng)用也有不錯(cuò)的成果。。。。。。
近年來(lái)，國(guó)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(guó)的發(fā)展速度更位居于世界前列。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2000年世界上工業(yè)控制計(jì)算機(jī)市場(chǎng)達(dá)到300－400億美元，并以每年10－15%的速度增長(zhǎng)；同期，我國(guó)工控機(jī)的市場(chǎng)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(jī)產(chǎn)業(yè)將達(dá)到年產(chǎn)值1000億元。發(fā)展重點(diǎn)是：適應(yīng)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的需求，大力推進(jìn)PLC、嵌入式工業(yè)計(jì)算機(jī)的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，重點(diǎn)開(kāi)發(fā)生產(chǎn)有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的DCS、FCS，使國(guó)產(chǎn)品牌達(dá)到50%以上的市場(chǎng)份額。國(guó)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(biāo)，對(duì)工控機(jī)的需求很大，市場(chǎng)十分廣闊！
“十五”期間，我國(guó)自動(dòng)化主控系統(tǒng)仍將以DCS和IPC為主，大型DCS以國(guó)外產(chǎn)品為主的狀況近期還不會(huì)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(dǎo)地位。
2 工業(yè)控制系統(tǒng)的三大變革
自動(dòng)化技術(shù)正經(jīng)歷重大變革，我們的工作實(shí)質(zhì)上是圍繞這種變革進(jìn)行的。主要方面是：現(xiàn)場(chǎng)總線和現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)FCS;PC-based工業(yè)控制計(jì)算機(jī);管控一體化系統(tǒng)集成技術(shù)。
2.1關(guān)于FCS
由于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的發(fā)展，新一代的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)FCS正走向?qū)嵱没?，這是自動(dòng)化技術(shù)的一個(gè)重要熱點(diǎn)，它將給自動(dòng)化技術(shù)帶來(lái)一次深刻的革命。FCS的關(guān)鍵要點(diǎn)是：
FCS的基礎(chǔ)是數(shù)字化智能化現(xiàn)場(chǎng)裝置;FCS的核心是現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議，即總線標(biāo)準(zhǔn);FCS
的本質(zhì)是信息處理的現(xiàn)場(chǎng)化和網(wǎng)絡(luò)化。
FCS是從兩個(gè)方面發(fā)展而來(lái)的，一是PLC，二是DCS。在FCS走向?qū)嵱没?，必然?huì)影響PLC和DCS的前景，專家們認(rèn)為， FCS將與DCS逐步融合，F(xiàn)CS將會(huì)最后取代DCS，但是，將會(huì)有一個(gè)很長(zhǎng)的歷史過(guò)程；而PLC在順序控制方面有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，作為一個(gè)站掛在現(xiàn)場(chǎng)總線上可以充分發(fā)揮PLC在處理開(kāi)關(guān)量方面的優(yōu)勢(shì)，因此，今后將以能遵循現(xiàn)場(chǎng)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(duì)象。
2.2關(guān)于IPC
工業(yè)PC自上世紀(jì)90年代初進(jìn)軍工業(yè)自動(dòng)化以來(lái)，正勢(shì)不可擋地進(jìn)入各領(lǐng)域，獲得了廣泛應(yīng)用。 究其原因，在于PC機(jī)的開(kāi)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(zhǎng)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(shì)。不僅如此，DCS、NC也都有IPC化的趨勢(shì)。PC-based控制技術(shù)將成為本世紀(jì)初自動(dòng)化界的主流技術(shù)之一。
今后在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，F(xiàn)CS、DCS、PLC 、IPC、NC將會(huì)相互補(bǔ)充，相互促進(jìn)，但I(xiàn)PC的優(yōu)勢(shì)會(huì)更突出，其應(yīng)用范圍將迅速擴(kuò)大到全部自動(dòng)化領(lǐng)域。預(yù)計(jì)，到2005年，PC-based工業(yè)控制機(jī)將占市場(chǎng)份額50%以上。
我國(guó)IPC市場(chǎng)（包括嵌入式控制器）十分活躍，和國(guó)際市場(chǎng)一樣，IPC增長(zhǎng)速度也是最快的，這是因?yàn)镮PC能提供非常豐富的開(kāi)放的硬件和軟件平臺(tái)，價(jià)格低廉，易于與其它信息技術(shù)集成。
我國(guó)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(guó)產(chǎn)化是最高的，估計(jì)要不了多久 ，和PC機(jī)一樣，IPC將主要是國(guó)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(dòng)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(dòng)化的目標(biāo)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(jì)時(shí)代的最佳解決方案，從而提高企業(yè)的生產(chǎn)效率，增強(qiáng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)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(dòng)化技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)新時(shí)代，其方向是，通過(guò)以太網(wǎng)和Web技術(shù)實(shí)現(xiàn)開(kāi)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(biāo)準(zhǔn)，提供模塊化、分布式、可重用的自動(dòng)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)、歷史數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)據(jù)發(fā)布、數(shù)據(jù)挖掘、模型計(jì)算、過(guò)程仿真、配方設(shè)計(jì)、運(yùn)行優(yōu)化、參數(shù)檢測(cè)、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(jià)值的數(shù)據(jù)。
工廠軟件系統(tǒng)的基礎(chǔ)內(nèi)容就是實(shí)時(shí)分布式數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。工廠軟件建立在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)和關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)之上，定位在Internet/Web應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)環(huán)境之上，由此，實(shí)現(xiàn)管控一體化。
國(guó)家科技部2001年9月發(fā)布“過(guò)程自動(dòng)化系統(tǒng)”專題中，將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)集成技術(shù)與過(guò)程控制技術(shù)、過(guò)程優(yōu)化技術(shù)和流程工業(yè)生產(chǎn)計(jì)劃與動(dòng)態(tài)調(diào)度技術(shù)列為主要方向。而兩項(xiàng)重點(diǎn)課題之一是：實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)及監(jiān)控系統(tǒng)。其研究目標(biāo)是：流程工業(yè)綜合自動(dòng)化的數(shù)據(jù)集成、大中型實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)及監(jiān)控系統(tǒng)等核心技術(shù)，支持多種DCS、PLC、測(cè)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)及監(jiān)控系統(tǒng)。主要指標(biāo)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(huì)上，本人在“現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)已進(jìn)入戰(zhàn)國(guó)時(shí)代”的報(bào)告中，闡述了“異軍突起，以太網(wǎng)進(jìn)軍工業(yè)自動(dòng)化”的觀點(diǎn)，與會(huì)同行們?cè)鵁崃矣懻?。三年過(guò)去了，工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)取得了很大進(jìn)展，成為現(xiàn)場(chǎng)總線中的主流技術(shù)和焦點(diǎn)，國(guó)際上有多個(gè)組織在從事其標(biāo)準(zhǔn)化工作。我國(guó)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(kāi)發(fā)出基于以太網(wǎng)技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)通信模塊和部分現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備原型，在國(guó)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(shí)時(shí)性、總線供電、遠(yuǎn)距離傳輸）等難題方面做出了出色成果。
國(guó)家科技部在2001年9月發(fā)布的“過(guò)程自動(dòng)化系統(tǒng)”專題的兩項(xiàng)重點(diǎn)課題之另一個(gè)就是：基于高速以太網(wǎng)技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)總線控制設(shè)備，其研究目標(biāo)是：研究應(yīng)用于工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)的高速以太網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)，包括以太網(wǎng)通信實(shí)時(shí)性、總線供電、本質(zhì)安全、可互操作性、遠(yuǎn)距離傳輸、抗干擾性和可靠性等。并研究開(kāi)發(fā)基于以太網(wǎng)技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)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(lái)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(chǎng)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(shì)。這已是許多專家的共識(shí)，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(gè)問(wèn)題需要提出來(lái)作簡(jiǎn)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(shí)時(shí)性的要求；
(2)不少文獻(xiàn)上有如下說(shuō)法：采用帶有沖突檢測(cè)的載波偵聽(tīng)多路訪問(wèn)協(xié)議（CSMA/CD），以太網(wǎng)被認(rèn)為是一種非確定性的網(wǎng)絡(luò)，其實(shí)時(shí)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(shí)，該問(wèn)題已經(jīng)得到解決。對(duì)于上述問(wèn)題如何解釋呢？
其一，“自動(dòng)化博覽”2002年增刊上，清華大學(xué)自動(dòng)化系陳嘉、爾桂花的文章“自動(dòng)化系統(tǒng)底層通信網(wǎng)絡(luò)的以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)”中用數(shù)據(jù)做了解釋：在100M時(shí)，一個(gè)時(shí)間槽slotTime=4.88微秒，在負(fù)載較輕時(shí)，沖突次數(shù)不會(huì)超過(guò)5次，這樣，由于沖突產(chǎn)生的延遲時(shí)間可以控制在156微秒之內(nèi)。因此可以認(rèn)為，在輕負(fù)載運(yùn)行下，以太網(wǎng)可以滿足實(shí)時(shí)性要求，不確定性的沖突造成的沖突回退往往并不會(huì)產(chǎn)生過(guò)大的延遲時(shí)間。
評(píng)論