全球工控機發展趨勢大掃描
http://www.moduwu.com 2004-03-12 15:34 來源：深圳市秦安科技有限公司
2000年世界上工控機市場估計為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。并且每年以10％~15％的速度增長。
1．DCS(集散控制系統)的發展趨勢雖然以現場總線為基礎的FCS發展很快，并將最終取代傳統的DCS，但Fcs發展有很多工作要做，如統一標準，儀表智能化等。另外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還需要一個較長的過程。
當前工控機仍以大系統、分散對象、連續生產過程(如：冶金、石化、電力)為主，采用分布式系統結構的分散型控制系統仍在發展。由于開放結構和集成技術的發展，促使大型分散型控制系統銷售增加。 DCSl997年銷售為45億美元。在工控機中DCS是受計算機技術影響最大、反應最快的一種。 DCS主要發展趨勢為：
(1)向綜合方向發展。由于標準化數據通信線路和通信網絡的發展，將各種單(多)回路調節器、PLC、工業比、 NC等工控設備構成大系統，以滿足工廠自動化要求，并適應開放化的大趨勢。
(2)向智能化方向發展。由于數據庫系統、推理機能等的發展，尤其是知識庫系統(KBS)和專家系統(ES)的應用，如自學習控制、遠距離診斷和自尋優等，人工智能會在DCS各級實現。和FF現場總線類似，以微處理器為基礎的智能設備，如智能I／O智能PID控制、智能傳感器、變送器、執行器、智能人接口及可編程調節器相繼出現。
(3)工業 PC化。由于鞏組成此S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—S，19、 Pc—Nc等就是Pc—Dcs先驅。
(4)專業化。 DCS為更適合各相應領域的應用，就要進一步了解這個專業的工藝和應用要求，以逐步形成如核電站此S，變電鉆DGS、玻璃DCS及水泥DCS等。
2．數控裝置的發展趨勢
80年代以來，為適應FMC、FMS、CAM、CIMS的發展需要，數控裝置采用大規模、超大規模集成電路，提高了柔性，功能和效率。
(1) PC化。由于大規模集成電路制造技術的高度發展， PC硬件結構做得更小， CPU的運行速度越來越高，存儲容量很大。 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件開發，使PC機的軟件極為豐富。 PC機功能已經很強，CAD／CAM的軟件已大量由小型機，工作站向PC機移植，三維圖形顯示工藝數據已經在PC機上建立。因此， PC機已成為開發CNC系統的重要資源與途徑。
(2)交流伺服化。交流伺服系統恒功率范圍已做到1：4，速度范圍可達到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互聯合，發展控制與管理集成系統，已成為國際上數控系統的方向。
(4)方便使用。改善人機接口，簡化編程、操作面板使用符號鍵，盡量采用對話方式等，以方便用戶使用。
(5)柔性化和系統化。目前數控系統均采用模塊結構，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。
(6)小型化。由于半導體電路高度集成化、封裝三維化和電路板插三維化，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)彩色液品顯示器、觸模屏取代CRT，厚度僅為CRT的1／4等。
(7)高速化。為實現高速加工，主軸必須高速化，從主軸電動機最高速為18000Or／min。最高進給速度120m/min以上。
(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(可編程機床控制器)的處理器，隨著處理內容復雜化， PMC的編程語言成了問題，雖然C語言和PASCAL從已經實用化，但為置換梯形圖語言，還需要使用幀控流程圖(Src)那樣的視圖用語言。
(9)高精度。提高加工精度，高分1辨率旋轉編碼器必不可少。為在超精密加工領域能實現0.O01um的精度，必須開發超高分辨率的編碼器， O．0001um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，還需采用控制和魯棒(Robust)控制。在伺服系統的控制中，用高速微處理器，采用基于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2um。
(10)機械智能化。它在NC領域內是一種新技術，所謂機械智能化功能，是指機械自身可補償溫度、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、主軸及機座變形的傳感器和處理傳感器輸出信號的電路。
(11)診斷維修智能化。故障的診斷與維修是NC的重要技術。基于AI專家系統的故障診斷已存在，現在主要是建立用于診斷故障的數據庫。把NC裝置通過internet和Internet與中央計算機相連接，使其具有遠距離診斷的功能。進一步的發展是預維修系統，即在故障將要發生前把將要發生故障的部件更換下來的系統，它需要通過智能傳感器、高速PMC及大型數據庫來實現。
3．PLC的發展趨勢
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，按最終用戶分：汽車占23％；糧食加工占16．4％：化藥占14．6％；金屬、礦山占11．5％；紙漿、造紙占11．3％；其他占23．2％。
由于CIMS、工程自動化和過程控制等大系統和復雜的應用要求，PLC人主要發展趨勢為：
(1)發展方向為高功能、高速度和大容量，形成與DCS相抗爭的大系統。
(2)網絡化和強化通信能力是PLC重要發展方向。網絡動態化已經很成功，并注意到現場總線的發展。
(3)編程語言多樣化：
1)SFC因有不少優點而成為編程語言的一個重要發展方向。
2)大型PLC正越來越多地使用C、BASIC等高級語言編程。
3)采用多種語言聯合編程。
(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，在應用方向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 CNC的領地。PLC自身控制也分散化。相對PC為基礎的控制器，優勢在小型PLC上。
4．IPC(工業PC)的發展趨勢
因此機軟硬件資源豐富、產量大、價格低且質量高，所以為廣大技術人員所熟悉和認可。家用電腦逐步普及，目前， PC機占通用計算機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總線更高的使命，擬讓它在過程控制、制造自動化及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。 DC機箱中插入各種高性能的 CPU卡、BAM、ROMFLASH電子盤、各類外設卡及工業I／O卡，便構成了一個工業過程控制鞏硬件系統。
(1)結構上，采用平板式顯示器與觸模屏，除適合卡板豎插的19機箱結構，還普遍推出前后插的機箱結構；適用于中小系統的一體化結構(整個系統都在一個機箱內)。
(2)應用上，和通用PC機一樣，應用領域越來越廣泛，除傳統的過程控制、制造自動化外，還向樓宇自動化、公路收費等控制、管理方面擴展應用。
(3)嵌入式PC和嵌人式計算機，嵌入到設備內部，提供用戶接口，管理數據輸入、輸出和指導設備工作的計算機。目前，中國在嵌入式設計中使用最多的還是80386和80486，這種CPU性能價格比高，有InTrl、 IBM、 Cyixs、AMDT TI等著名CPU制造商支持。豐富的軟件(包括操作系統、開發工具和應用軟件)支持。鐵人式PC能在惡劣環境下(加高溫、潮濕和震動等)長期可靠工作。嵌入式PC平均無故障時間(MBTF)為1000~150000h，而臺式機僅為10000~15000h。硬件、軟件和工業PC差不多。
5．傳感器的發展趨勢
傳感、通信、計算機技術構成現代信息的三大基礎，80年代是個人計算機，90年代是計算機網絡，預計21世紀第一個10年熱點很可能是傳感、執行與檢測。傳感器的作用主要是獲取信息、是信息技術的源頭。在信息時代里，隨著各種系統的自動化程度和復雜性的增加。需要獲取的信息量越來越多，不僅對傳感器的精度、可靠性和響應要求越來越高，還要求傳感器有標準輸出形式以便和系統聯接。顯然傳統的傳感器因其功能差，體積大很難滿足要求。發展高性能的、以硅材料為主的各種先進傳感器已成為必然。如諧振式、電容式、光電式和場效應化學傳感器等。盡管它們的敏感機理不同，但其總的共同特點是向微型化、智能化方向發展。近年來，微電子、微機械、新材料、新工藝的發展與計算機、通信技術的結合創造出新一代的傳感器與檢測系統。
傳感器的發展方向：
(1)微傳感器
微傳感器的特征之一是體積小，其敏感元件的尺寸一般為微米級。是由微機械加工技術制作而成的，包括光刻、腐蝕、淀積、鍵合和封裝等工藝。利用其中的各向異性腐蝕、犧牲層技術LIGA工藝，可以制造出層與層間有很大差別的三維微結構。包括可活動的膜片、懸臂梁、橋以及凹槽、孔隙、錐體等。這些微結構與特殊用途的薄膜和高性能的集成電路相結合，已成功地用于制造各種微傳感器乃至多功能的敏感元件陣列(如光電探測器等)，實現了諸如壓力、力、加速度、角速率、應力、應變、溫度、流量、成像、磁場、濕度、 PH值、氣體成分、離子和分子濃度以及生物傳感器等。
(2)智能化傳感器
所謂智能化傳感器是指以專用微處理器控制的具有雙向通信功能的先進傳感器系統，微處理器能按照給定的程序對傳感器實施軟件控制，把傳感器從單功能變成多功能。包括自補償、自校正、自診斷、遠程設定、狀態組合、信息存儲和記憶等功能。
(3)傳感器的發展動向
1)提高微傳感器的性能。改善和提高微傳感器的性能是今后的主要努力方向之一。
2)微傳感器的集成。硅微傳感器和微電子系統以及微執行器很可能全部制造在一個芯片上形成單片集成，構成一個閉環系統。
3)陣列化。利用同類傳感器陣列，可使原本用單一傳感器測量的不可靠的功能裝置成為可靠的功能裝置。不同類型的微傳感器組成陣列，可獲得一個功能優良的控制單元，如在發動機中，可把氣體壓力、溫度和濕度傳感器制成一個陣列單元，用以控制并得到理想的空氣流和空氣／燃油比，以實現最佳的燃燒過程。
4)分布式單元和智能結構具有預期的、自我監測功能的構件稱為智能結構(或材料)。
如把MEMS(微機械電子系統)；陣列單元(微傳感器，微執行器+專業集成電路)嵌人飛機機冀中，便可連續地對機翼振動、應力和結構完好性等多種狀態實施監測和處理。
《電氣車間》2000年第5期
段 明 祥
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