新一代工業(yè)控制計算機的產(chǎn)業(yè)化及應用前景
劉鑫 2004/10/21
1、概述
工業(yè)控制計算機是工業(yè)自動化設備和信息產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)設備的核心。傳統(tǒng)意義上，將用于工業(yè)生產(chǎn)過程的測量、控制和管理的計算機統(tǒng)稱為工業(yè)控制計算機，包括計算機和過程輸入、輸出通道兩部分。但今天的工業(yè)控制計算機的內(nèi)涵已經(jīng)遠不止這些，其應用范圍也已經(jīng)遠遠超出工業(yè)過程控制。因此，工業(yè)控制計算機是“應用在國民經(jīng)濟發(fā)展和國防建設的各個領(lǐng)域、具有惡劣環(huán)境適應能力、能長期穩(wěn)定工作的加固計算機”，簡稱“工控機”。改革開放20多年來，工控機為工業(yè)自動化、信息產(chǎn)業(yè)和國防建設的發(fā)展提供了一條低成本的自動化技術(shù)方案，促進了國民經(jīng)濟的發(fā)展。同時，工控機技術(shù)自身也得到了迅速發(fā)展。實踐證明：可靠而廉價的工控機適合中國國情。
回顧歷史，中國工控機技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了80年代的第一代STD總線工控機，90年代的第二代IPC工控機，現(xiàn)在進入了第三代CompactPCI總線工控機時期，而每個時期大約要持續(xù)15年左右的時間。STD總線工控機解決了當時工控機的有無問題；IPC工控機解決了低成本和PC兼容性問題；CompactPCI總線工控機解決的是可靠性和可維護性問題。作為新一代工控機技術(shù)，CompactPCI總線工控機將不可阻擋地占據(jù)生產(chǎn)過程的自動化層，IPC將逐漸由生產(chǎn)過程自動化層向管理信息化層移動，而STD總線工控機必將退出歷史舞臺，這是技術(shù)發(fā)展的必然結(jié)果。同時，新一代工控機技術(shù)也是下一代網(wǎng)絡（NGN）技術(shù)設備的基礎(chǔ)。因此，覆蓋CompactPCI總線、PXI總線以及AdvancedTCA技術(shù)的新一代工控機技術(shù)具有巨大的市場潛力和廣闊的應用前景。
2、第一代工控機技術(shù)開創(chuàng)了低成本工業(yè)自動化技術(shù)的先河
第一代工控機技術(shù)起源于20世紀80年代初期，盛行于80年代末和90年代初期，到90年代末期逐漸淡出工控機市場，其標志性產(chǎn)品是STD總線工控機。STD總線最早是由美國Pro-Log公司和Mostek公司作為工業(yè)標準而制定的8位工業(yè)I/O總線，隨后發(fā)展成16位總線，統(tǒng)稱為STD80，后被國際標準化組織吸收，成為IEEE961標準。國際上主要的STD總線工控機制造商有Pro-Log、Winsystems、Ziatech等，而國內(nèi)企業(yè)主要有北京康拓公司和北京工業(yè)大學等。STD總線工控機是機籠式安裝結(jié)構(gòu)，具有標準化、開放式、模塊化、組合化、尺寸小、成本低、PC兼容等特點，并且設計、開發(fā)、調(diào)試簡單，得到了當時急需用廉價而可靠的計算機來改造和提升傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的中小企業(yè)的廣泛歡迎和采用，國內(nèi)的總安裝容量接近20萬套，在中國工控機發(fā)展史上留下了輝煌的一頁。PC DOS軟件的兼容性使STD總線得以發(fā)展，也由于運行PC Windows軟件的局限性使STD總線被淘汰出局，而取而代之的是與PC完全兼容的IPC工控機。
雖然同時期發(fā)展起來的還有VME總線和Multiplus總線等，但它們在中國始終都沒有形成氣候，安裝數(shù)量、應用范圍和影響力都比STD總線小得多。
3、第二代工控機技術(shù)造就了一個PC-based系統(tǒng)時代
1981年8月12日IBM公司正式推出了IBM PC機，震動了世界，也獲得了極大成功。隨后PC機借助于規(guī)�；挠布Y源、豐富的商業(yè)化軟件資源和普及化的人才資源，于80年代末期開始進軍工業(yè)控制機市場。美國著名雜志《CONTROL ENGINERRING》在當時就預測“90年代是工業(yè)IPC的時代，全世界近65%的工業(yè)計算機將使用IPC，并繼續(xù)以每年21%的速度增長”。歷史的發(fā)展已經(jīng)證明了這個論斷的正確性。IPC在中國的發(fā)展大致可以分為三個階段：第一階段是從20世紀80年代末到90年代初，這時市場上主要是國外品牌的昂貴產(chǎn)品。第二階段是從1991年到1996，臺灣生產(chǎn)的價位適中的IPC工控機開始大量進入大陸市場，這在很大程度上加速了IPC市場的發(fā)展，IPC的應用也從傳統(tǒng)工業(yè)控制向數(shù)據(jù)通信、電信、電力等對可靠性要求較高的行業(yè)延伸。第三階段是從1997年開始，大陸本土的IPC廠商開始進入該市場，促使IPC的價格不斷降低，也使工控機的應用水平和應用行業(yè)發(fā)生極大變化，應用范圍不斷擴大，IPC也隨之發(fā)展成了中國第二代主流工控機技術(shù)。目前，中國IPC工控機的大小品牌約有15個左右，主要有研華、凌華、研祥、深圳艾雷斯和華北工控等。
90年代末期，ISA總線技術(shù)逐漸淘汰，PCI總線技術(shù)開始在IPC中占主導地位，使IPC工控機得以繼續(xù)發(fā)展。但由于IPC工控機的結(jié)構(gòu)和金手指連接器的限制，使其難以從根本上解決散熱和抗振動等惡劣環(huán)境適應性問題，IPC開始逐漸從高可靠性應用的工業(yè)過程控制、電力自動化系統(tǒng)以及電信等領(lǐng)域退出，向管理信息化領(lǐng)域轉(zhuǎn)移，取而代之的是以CompactPCI總線工控機為核心的第三代工控機技術(shù)。值得一提的是，IPC工控機開創(chuàng)了一個嶄新的PC-based時代，對工業(yè)自動化和信息化技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生了深遠的影響。
在第二代工控機技術(shù)里，還需要提及一個比較成功的技術(shù)——PC/104總線技術(shù)�；贗SA總線的PC/104總線問世于1992年，自層迭式結(jié)構(gòu)，具有尺寸小、結(jié)構(gòu)緊湊、功耗低、可靠性高等特點，主要應用于軍事和醫(yī)療設備。1997年P(guān)C/104擴展成PC/104-Plus，增加了PCI總線定義。PC/104總線工控機依靠自身的特點和不斷地完善，還將繼續(xù)在其傳統(tǒng)優(yōu)勢領(lǐng)域占有一席之地。
4、迅速發(fā)展和普及的第三代工控機技術(shù)
PCI總線技術(shù)的發(fā)展、市場的需求以及IPC工控機的局限性，促進了新技術(shù)的誕生。作為新一代主流工控機技術(shù)，CompactPCI工控機標準于1997年發(fā)布之初就倍受業(yè)界矚目。相對于以往的STD和IPC，它具有開放性、良好的散熱性、高穩(wěn)定性、高可靠性及可熱插拔等特點，非常適合于工業(yè)現(xiàn)場和信息產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)設備的應用，被眾多業(yè)內(nèi)人士認為是繼STD和IPC之后的第三代工控機的技術(shù)標準。采用模塊化的CompactPCI總線工控機技術(shù)開發(fā)產(chǎn)品，可以縮短開發(fā)時間、降低設計費用、降低維護費用、提升系統(tǒng)的整體性能�！癈ompactPCI是PCI總線的電氣和軟件加上歐洲卡，它具有在不關(guān)閉系統(tǒng)的情況下的‘即插即用’功能，該功能的實現(xiàn)對高可用系統(tǒng)和容錯系統(tǒng)非常重要”，2004年度科技部科技型中小企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新基金項目指南中的這段話，概括出了CompactPCI總線工控機的主要特點和重要性。國家“發(fā)改委”也已經(jīng)把CompactPCI總線工控機列為主要產(chǎn)業(yè)化項目之一。
2001年，PICMG2.16將以太網(wǎng)包交換背板總線引入到CompactPCI總線標準中，為電信語音增值服務設備和基于以太網(wǎng)的工業(yè)自動化系統(tǒng)提供了新的技術(shù)平臺。2002年，PICMG頒布了面向電信的新標準AdvancedTCA，簡稱ATCA。ATCA比PICMG2.16有更大的規(guī)格和容量、更高的背板帶寬、對板卡更嚴格的管理和控制能力、更高的供電能力以及更強的制冷能力等。ATCA不是應用在電信上的第一個開放式平臺，但它是第一個由電信專家專為電信應用設計的電信平臺，也主要是為了解決電信系統(tǒng)目前主要面臨的系統(tǒng)帶寬問題、高可用性問題、現(xiàn)場升級問題、可伸縮性問題、可管理性問題以及可互操作問題，并最終降低成本。
儀器和儀表是工業(yè)自動化設備的重要組成部分。CompactPCI向儀器儀表領(lǐng)域的擴展總線就是PXI總線。PXI產(chǎn)生于1998年，主要是面向“虛擬儀器”市場而設計的，但已經(jīng)不局限于測試和測量設備，正在迅速向其它工業(yè)控制自動化領(lǐng)域擴展，并與CompactPCI總線互相補充和融合。PXI總線工控機不但具有VXI的高采樣速率、高帶寬和高分辨率等特點，而且具有開放性、軟件兼容性和低價格等優(yōu)勢。一般來說，3U PXI產(chǎn)品用于構(gòu)造便攜式或小型化的ATE測試設備、數(shù)采系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)以及其它工業(yè)自動化系統(tǒng)。6U PXI產(chǎn)品主要應用在高密度、高性能和大型ATE設備或工業(yè)自動化系統(tǒng)中。
21世紀的頭20年是新一代工控機技術(shù)蓬勃發(fā)展的20年。以CompactPCI總線工控機為代表的第三代工控機技術(shù)將在近幾年得到迅速普及和廣泛應用，并在中國信息化進程中發(fā)揮重要作用。
5、新一代工控機的產(chǎn)業(yè)化及應用前景
從1998年到今天，CompactPCI總線工控機在國內(nèi)發(fā)展迅速，并得到了一定程度的應用，但遠沒有達到理想的程度。業(yè)界專家普遍認為，目前制約新一代工控機技術(shù)發(fā)展的因素主要有四個：一是由于目前CompactPCI總線工控機的生產(chǎn)規(guī)模和應用數(shù)量還不夠大，成本過高，用戶還在觀望，等待價格的進一步降低；二是國產(chǎn)化的CompactPCI總線I/O模板的種類和數(shù)量還不豐富，配套性還不夠，用戶難以得到完整的解決方案；三是CompactPCI總線設計技術(shù)難度大，普及程度不夠，多數(shù)企業(yè)還不具備自行研制系統(tǒng)配套I/O模板的能力；四是缺少權(quán)威的有關(guān)CompactPCI總線工控機設計和應用技術(shù)的指導性文獻，需要培養(yǎng)更多的掌握該技術(shù)的專業(yè)設計人才和推廣應用人才。因此，需要在科技部和國家有關(guān)部委相關(guān)政策的引導下，在中國計算機行業(yè)協(xié)會PICMG/PRC的統(tǒng)一組織下，聯(lián)合國內(nèi)外從事CompactPCI總線工控機技術(shù)研制和生產(chǎn)的企業(yè)、大專院校、科研院所以及用戶，進一步加大國產(chǎn)化CompactPCI總線工控機的研制和推廣力度，擴大生產(chǎn)規(guī)模，增加產(chǎn)品種類和數(shù)量，降低產(chǎn)品價格，提高產(chǎn)品的互操作性，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，培養(yǎng)更多的人才，為CompactPCI總線工控機的發(fā)展創(chuàng)造更有利的條件。
從現(xiàn)在到2020年，是中華民族實現(xiàn)民族振興的關(guān)鍵20年，是用信息化帶動工業(yè)化、實現(xiàn)國民經(jīng)濟跨越式發(fā)展的20年，是工業(yè)自動化技術(shù)和信息產(chǎn)業(yè)技術(shù)快速發(fā)展的時期，也為新一代工控機技術(shù)的應用和發(fā)展提供了前所未有的良好發(fā)展機遇，應用前景廣闊。
眾所周知，目前國內(nèi)每年投放市場的DCS系統(tǒng)數(shù)量大約在1400套以上，并以每年15%左右的速度增長。DCS中的現(xiàn)場控制器采用的還是第二代IPC工控機產(chǎn)品，需要用新一代工控機替代升級。隨著鐵路五次提速，原來應用在車站計算機連鎖系統(tǒng)、行車調(diào)度監(jiān)督系統(tǒng)以及鐵路紅外熱軸探測系統(tǒng)上的數(shù)千套第一代和第二代工控機已經(jīng)不能滿足要求，現(xiàn)在已經(jīng)開始用新一代CompactPCI總線和PXI總線工控機替代。由于電力緊缺而正在加快建設的發(fā)電廠和電網(wǎng)系統(tǒng)，需要大量的新一代工控機產(chǎn)品來實現(xiàn)電力系統(tǒng)綜合自動化。正在迅速發(fā)展的智能交通系統(tǒng)需要新一代工控機技術(shù)。紡織工業(yè)、制造業(yè)、食品加工、石油化工行業(yè)、車載信息系統(tǒng)等需要采用新一代工控機技術(shù)。海軍艦載測控設備、陸軍車載武器控制系統(tǒng)和指揮系統(tǒng)、新型的飛行模擬教練系統(tǒng)等需要高性能的新一代工控機。航空和航天器地面測控設備、雷達識別跟蹤系統(tǒng)和電子對抗系統(tǒng)需要新一代工控機技術(shù)。核電站的核聚變低雜波數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)、大專院校的虛擬儀器教學實驗系統(tǒng)、汽車功能測試性能測試系統(tǒng)、防洪數(shù)字化大壩在線監(jiān)測系統(tǒng)等需要新一代工控機技術(shù)。下一代的網(wǎng)絡設備、電信核心和邊緣設備、數(shù)據(jù)通信設備、計算機電話集成（CTI）系統(tǒng)和增值服務業(yè)務需要CompactPCI、PICMG2.16及ATCA等新一代工控機技術(shù)。還有你能想到的或沒有想到的其它應用領(lǐng)域。如果說我國工業(yè)自動化設備市場份額只有大約200億人民幣的話，那么加上國防自動化和信息產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)設備，那就是上千億的大市場正等待新一代工控機去拓展。
6、結(jié)束語
如今的時代是變革的時代，也是推陳出新的時代。以CompactPCI總線工控機技術(shù)為核心，覆蓋CompactPCI、PXI和ATCA的新一代工控機技術(shù)注定要成為這個時代的主旋律。業(yè)界權(quán)威人士已經(jīng)預測：“第一， CompactPCI將以每年15%～20%的增長速度取代傳統(tǒng)的IPC工控機；第二，CompactPCI與嵌入式系統(tǒng)將成為未來工業(yè)控制器的兩大主流技術(shù)；第三，中國將成為CompactPCI全球最大的市場。”伴隨著新一代工控機技術(shù)的興起，工控機制造行業(yè)也將重新洗牌，強者和弱者將站在同一個起跑線上，百戈爭流，不進則退，機遇與挑戰(zhàn)并存。國內(nèi)的企業(yè)，只要抓住機遇，大膽創(chuàng)新，勇于和善于迎接挑戰(zhàn)，就一定會與新一代工控機技術(shù)一起發(fā)展壯大，這是不可阻擋的歷史潮流。
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