工控機的發展趨勢

工控機及其應用的發展是與資訊化、數字化、智能化的世界潮流和電腦技術、控制技術、網路技術、顯示技術（尤其是現場匯流排和控制網路）的發展密切相關的。 　　2000年世界上工業控制電腦市場為300－400億美元，其中DCS60億美元，嵌入式系統60－70億美元，FCS20－30億美元，IPC70－80億美元，PLC70－80億美元，數控70－80億美元。並以每年10－15%的速度增長。 1、DCS（集散控制系統） 　　雖然現場匯流排為基礎的FCS發展很快，並最終取代傳統的DCS，但FCS發展有很多工作要做，如統一標準，儀錶智能化等。而傳統控制系統的維護和改造還需要DCS，因此FCS完全取代傳統的DCS有個較長的過程。 　　當前工業控制電腦仍以大系統、分散對象、連續生產過程（如：冶金、石化、電力）為主，採用分布式系統結構的分散型控制系統仍在發展。由於開放結構和整合技術的發展，促使大型分散型控制系統銷售增加。DCS1997年銷售為45億美元，2000年為60億美元。世界上主要DCS供應商為：Honeywell、Bailey、Westing、House、ABB、Foxboro、L&N、Siemens、EuRo、橫河、日本山武霍納威爾等。 　　在工控機中DCS是受電腦影響最大、反應最快的一種。DCS主要發展趨勢為： 　　（1）DCS向綜合方向發展，由於標準化資料通訊鏈路和網路的發展，將各種單（多）迴路調節器、PLC、工業PC、NC等工控裝置構成大系統、以滿足工廠自動化要求，並適應開放化的大趨勢。 　　（2）DCS向智能化方向發展，由於資料庫系統、推理機能等的發展，尤其是知識庫系統（KEB）和專家系統（ES）的應用，如自學習控制、遠距離診斷、自尋優等，人工智慧會在DCS各級實現。和FF現場匯流排類似，以微處理器為基礎的智慧型裝置、如智能I/O智能PID控制、智能感應器、變送器、執行器、智能人機介面、可程式化調節器相繼出現。 　　（3）DCS工業PC化，由IPC組成DCS成為一大趨勢，PC作為DCS的操作站或節點機已經很普遍，PC－PLC、PC－STD、PC－NC等就是PC－DCS先驅，IPC成為DCS的硬體平台。 　　（4）DCS專業化，DCS為更適合各相應領域的應用，就要進一步瞭解這個專業的工藝和應用要求，以逐步形成如核電DCS，變電站DCS、玻璃DCS、水泥DCS等。 　　現在DCS生產廠家的新產品具有以下特點：系統開放、管控一體化及已有帶先進控制軟體。DCS生產廠家也從事FCS的研發、生產和應用工作。 2、數控裝置 　　80年代以來，為適應FMC、FMS、CAM、CIMS的發展需要，數控裝置採用大規模、超大規模整合電路，提高了柔性，功能和效率。 　　(1)PC化：由大規模整合電路製造技術的高度發展，PC硬體結構做得很小，CPU的運行速度越來越高，儲存容量很大。PC機大批量生產，成本大大降低，可靠性不斷提高。PC機的開放性，Windows的應用，更多的技術人員的應用和軟體開發，使PC機的軟體極為豐富。PC機功能已經很強，CAD/CAM的軟體已由小型機，工作站移植到PC機，三維圖形顯示及工藝資料已經在PC機上建立。因此，PC機已成為開發CNC系統的重要的資源與途徑。 　　(2)交流伺服化：交流伺服系統恒功率範圍已做到1:4，速度範圍可達到：1:1000，基本與直流伺服相當。交流伺服體積小，價格低，可靠性高，應用越來越廣 　　泛。 　　(3)高功能的數控系統向綜合自動化方向發展：為適應FMS、CIMS、無人化工廠的要求，發展與機器人、自動化小車、自動診斷跟蹤監視系統等的相聯合；發展控制與管理整合系統，已成為國際上數控系統的方向。 　　(4)方便使用：改善人機介面，簡化編程、操作面板使用符號鍵，盡量採用對話方式等，以方便使用者使用。 　　(5)柔性化和系統化：目前數控系統均採用模組結構，其功能覆蓋面大，從三軸兩聯動的機床到多達24軸以上的柔性加工單元。自80年代以來，以數控機床為主的各類柔性生產系統應運而生。按其規格、自動化程度和控制方式的不同，可分為柔性製造單元、柔性製造系統、柔性流水線、獨立製造島、電腦整合製造系統和智能製造系統等。 　　(6)小型化：由於半導體電路高度整合化、封裝三維化、電路板插三維化、使NC裝置進一步小型化，在NC裝置的操作單元用TFT（薄膜晶體管）彩色液晶顯示器、觸控螢幕取代CRT，厚度僅為CRT的1/4等。 　　（7）高速化：所謂三高是指高的主軸轉速、高的快速移動速度和高的換刀速度。為實現高速加工，主軸必須高速化，AC主軸馬達最高速為180000轉/分；最高進給速度120米/分；換刀速度1s；加速度2g。 　　（8）高效化：實現高效加工，縮短非切削時間和加工周期的關鍵是提高PMC（可程式化機床控制器）的處理器，隨著處理內容複雜化，PMC的程式設計語言成了問題，雖然C語言和PASCAL已經實用化，但為置換梯形圖語言，還需要使用順控流程圖(SFC）那樣的視圖用語言。 　　（9）高精度：提高加工精度，高解析度旋轉編碼器必不可少。為在超精密加工領域能實現0.001微米的精度，必須開發超高解析度的編碼，0.0001微米最小設定單位的NC裝置。為在加工中即使負荷變動伺服系統的特性也保持不變，還需採用控制和魯棒(R0bust)控制。在伺服系統的控制中，用高速微處理器，採用基於現代控制論前饋控制、二自由度控制、學習控制等。其數字控制系統的跟蹤誤差不超過2微米。 　　(10)機械智能化：在NC領域內是一種新技術，所謂機械智慧型功能，是指機械自身可補償因溫度、機械負荷等引起的機械變形的功能。這就需要檢測主軸負荷、主軸及機座變形的感應器和處理感應器輸出訊號的電路。這種感應器自身具有訊號處理功能，所以叫智能感應器。人工智慧將實用於處理訊號的PMC中。 　　(11)診斷維修智能化：故障的診斷與維修是NC重要技術。基於AI專家系統的故障診斷已存在，現在主要是建立用於診斷故障的資料庫。把NC裝置通過Intranet和Internet與中央電腦相串連，使其具有遠距離診斷的功能。進一步的發展是予維修系統，即在故障將要發生前把將要發生故障的組件更換下來的系統，它需要通過智能感應器、高速PMC及大型資料庫來實現。 　　(12)複合化成為機床發展主流。所謂複合加工MultitaskMachining可以定義為能完成各種各樣的加工工序而不需要手工幹預的一種加工能力。它具有工件一次安裝後進行車削、鑽削；攻螺紋和銑削的功能，從一個工序到另一個工序工件的傳送是自動的，在加工過程中工件的裝也都是自動的。其優點很多。 3、PLC（可程式化序控制器） 　　目前，全世界約有PLC生產廠家約200家，生產300多個品種。全球PLC發運件數1998年為1456萬件，1999年為1620萬件，2000年達到1778萬件。在1995年發運的PLC中，按終端使用者分：汽車佔23%；糧食加工佔有16.4%；化學/製藥佔14.6%；金屬/礦山佔11.5%；紙漿/造紙佔11.3%；其它佔23.6%。由於CIMS、工程自動化和過程式控制制等大系統和複雜的應用要求，PLC主要發展趨勢為： 　　(1)高功能、高速度、大容量、加大類比量的發展方向，形成與DCS相抗爭的大系統。 　　(2)網路化和通訊強化通訊能力是PLC重要發展方向。網路以太化已經很成功，並注意到現場匯流排的發展。 　　(3)程式設計語言多樣化IEC61131－3規定了5種程式設計語言：梯形圖(LD離散美、日)、順序功能圖(SFC批量、機械歐洲）、功能塊圖(FBD過程歐洲）、結構文本(ST）和指令表（IL德、日）。為適合不同應用場合和不同國家應用習慣的要求，允許在同一個PLC程式中使用多種程式設計語言。 　　（4）PLC和其他工控機聯合，PLC和其他控制系統之間界限越來越模糊，在應用方面也出現了類似的情況。最流行的向PC技術融合，PLC日益加速滲入到DCS中，PLC走進CNC的領地。PLC自身控制也分散化。在即時性要求不太高的場合，出現了軟PLC用軟體實現PLC功能應用。相對PC為基礎的控制，優勢在小型PLC上。資料顯示，I/O64點以下的銷售額占整個PLC的47%，I/O64～256點的佔31%，兩者之和為78%。在PLC使用成熟的美國，35萬家小型企業只有30%使用PLC，這種情況表明小型PLC的發展潛力還很大，而以OEM形式出現形成的機電一體化比例逐步增加。 　　（5）EIC（電氣傳動、儀錶、電腦）一體化，實現電氣傳動控制、儀錶控制和電腦控制一體化，這是鋼鐵工業自動化使用較多而又急需的控制系統。這也是PLC最重要的發展趨勢。國外著名PLC生產廠家有：A-B公司、Siemens、GE－FANUC、Modican電子公司、法國TE公司、三菱電子公司、OMRON電子公司等。 4、IPC（工業PC） 　　因PC機硬、軟體資源豐富、產量大、價格低，為廣大技術人員所熟悉和認可。家用電腦逐步普及。目前，PC機占通用電腦95%以上。這是工業PC熱的基礎。搞工控的專家和技術人員自然想賦予PC匯流排更高的使命，擬讓它在過程式控制制、製造自動化、樓宇自動化等方面扮演重要角色。作為與DCS、PLC成鼎足之勢的IPC市場在擴大，尤其是在我國。因即時作業系統，程式設計語言等的較好解決，IPC將得到更好發展。IPC蓬勃發展的主要表現為： 　　(1)各大PLC製造廠商，如Siemens、RockwellAutomation、GEFanuc、三菱電機均推出自已品牌的IPC產品，這表明這些PLC的巨頭已接受了IPC的技術路線。權威人士指出“PLC時代肯定已經過去”雖然PLC的功能依然保留，但形式可能變化； 　　（2）微軟公司WindowsCE進軍嵌入式OS市場這對於工業自動化市場無疑是一個標誌性事件。 　　（3）嵌入式PC 　　嵌入式電腦：“嵌入”(Enbeded)到裝置內部，提供使用者介面，管理資料輸入、輸出、指導裝置工作的電腦。嵌入式系統的定義：以應用為中心，以電腦技術為基礎，軟體硬體可裁剪，適應應用系統對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用電腦。 　　在中國目前，在嵌入式設計中使用最多的還是80386和80486等，這種CPU效能價格比高，有In-Tel、IBM、Cyixs、AMD和TI等著名CPU製造商支援。豐富的軟體（包括作業系統、開發工具和應用軟體）支撐。 　　嵌入式PC能在惡劣環境下（如高溫、潮濕和震動等）長期可靠工作。嵌入式PC平均無故障時間(MBTE)為100000～150000小時，而台式機僅為10000～15000小時。硬體、軟體和工業PC差不多。 5、感應器的發展趨勢 　　感測、通訊、電腦技術構成現代資訊的三大基礎，80年代是個人電腦，90年代是電腦網路，預計21世紀第一個10年熱點很可能是感測、執行與檢測。 　　感應器的作用主要是擷取資訊、是資訊技術(1)高功能、高速度、大容量、加大類比量的發展方向，形成與DCS相抗爭的大系統。 　　(2)網路化和通訊強化通訊能力是PLC重要發展方向。網路以太化已經很成功，並注意到現場匯流排的發展。 　　(3)程式設計語言多樣化IEC61131－3規定了5種程式設計語言：梯形圖(LD離散美、日)、順序功能圖(SFC批量、機械歐洲）、功能塊圖(FBD過程歐洲）、結構文本(ST）和指令表（IL德、日）。為適合不同應用場合和不同國家應用習慣的要求，允許在同一個PLC程式中使用多種程式設計語言。 　　（4）PLC和其他工控機聯合，PLC和其他控制系統之間界限越來越模糊，在應用方面也出現了類似的情況。最流行的向PC技術融合，PLC日益加速滲入到DCS中，PLC走進CNC的領地。PLC自身控制也分散化。在即時性要求不太高的場合，出現了軟PLC用軟體實現PLC功能應用。相對PC為基礎的控制，優勢在小型PLC上。資料顯示，I/O64點以下的銷售額占整個PLC的47%，I/O64～256點的佔31%，兩者之和為78%。在PLC使用成熟的美國，35萬家小型企業只有30%使用PLC，這種情況表明小型PLC的發展潛力還很大，而以OEM形式出現形成的機電一體化比例逐步增加。 　　（5）EIC（電氣傳動、儀錶、電腦）一體化，實現電氣傳動控制、儀錶控制和電腦控制一體化，這是鋼鐵工業自動化使用較多而又急需的控制系統。這也是PLC最重要的發展趨勢。國外著名PLC生產廠家有：A-B公司、Siemens、GE－FANUC、Modican電子公司、法國TE公司、三菱電子公司、OMRON電子公司等。