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段明祥

一 各種自動化手段的發展與相互影響
(1)  各種自動化手段之間界限越來越模糊
由于計算機技術、控制技術、網絡技術和通信技術的迅猛發展，高校的專業合并與滲透，使工業控制計算機系統、自動化、信息技術改造傳統產業、機電一體化、數控、先進制造技術、CIMS之間的技術、專業、學科之間的界限越來越模糊，這是實際發展的需要，技術發展的必然趨勢。
(2)  各種控制系統之間融合是大勢所趨
在今后相當長的一段時間內，FCS、IPC、NC/CNC與DCS、PLC將會相互補充、相互促進、彼此共存。雖然它們設計的初衷不一，各有特色，各有適宜的應用領域，但技術上都知道學人之長，補己之短，PLC、DCS學習到已失去傳統意義上的自己的地步，可以看出各種控制系統之間相互融合是大勢所趨。
(3)  渴望單一現場總線
現有FF、Profibus、WordFIP等8種現場總線為國際標準，它們采用的通信協議完全不同，因此，要實現這些總線的兼容和互操作是十分困難的。目前，這8種現場總線都在修改各自的應用層協議，支持IEC61784規范，爭取通過高層協議達到相互兼容。預計到2002年完成，使IEC61158成為一個基本統一的、由多部分組成的標準。市場迫切需要統一標準的現場總線控制系統，人們正在尋求新的出路。采用已經是通用的國際標準Ethernet、TCP/IP等協議，并使其在工業領域成熟應用，就會被廣大用戶、集成商、OEM和制造商所接受。
工業控制計算機的應用領域迅速擴大。過去工控機主要應用于過程控制，如鋼、電、煤、化、油等連續化、流程化的生產過程；制造自動化，如機械、電子、汽車等離散加工的生產過程；單機自動化，如數控機床、智能儀器儀表、機器人、汽車電子化、變頻調速電動機、電子化家用電器、醫療器械等產品機電一體化等。今后，應特別關注工控機在環保、公用工程、道路與交通、樓宇與社區、農業、家庭等新領域的應用。
二  工控機技術發展趨勢
現場總線構成的FCS和嵌入式控制系統是工控系統的兩大發展熱點。
（一）  FCS（現場總線控制系統）
1  FCS優點
◆  數字化
①  FCS 全數字化的通信使過程控制具有更高的可靠性。在現場總線控制系統中，從傳感器、變送器到調節器，一直是數字信號，這就使更復雜、更精確的信號處理得以實現。普通的噪音很難扭曲現場總線控制系統里的數字信號。數字通信的查錯功能可檢查出傳輸中的誤碼。
②  傳統的DCS 半數字化，傳統的DCS與現場設備的連接通常是以點對點方式實現的。由于現場設備內通常內置了微處理器，所以產生的數字信號要轉換成模擬信號（例如4~20mA信號），再傳送到控制室的信號轉換組件，為了滿足過程控制信號處理的要求，信號轉換組件將再一次把模擬信號轉換成數字信號。在模擬系統中，噪聲及其它信號扭曲無法被檢測。
◆  可互操作性  采用具有可互操作性的現場總線系統，用戶可以考慮在確保性能、價格、質量和售后服務等因素的基礎上，選擇更好的硬件產品，并省時省力地將它們集成為一體。
①  現場總線自動化設備的可互操作性主要是通過對功能模塊及其參數的標準化而實現的，因此具有極好的可互操作性。
②  大多數用于DCS和智能型變送器間的協議是DCS制造商獨家的專用封閉系統。
◆  分散性
①  現場總線采用的是完全分散式體系，它的控制全部分散到現場控制回路，由現場設備實現。
②  DCS采用了一個或多個“控制單元”對多回路進行控制，其控制部分分散到一些控制板上，每個控制板上又有多個回路，實際上是半分散式體系。
◆  可靠性、可維護性和經濟性
現場總線采用數字總線式通信線路代替了DCS中一對一的I/O連線，對于大規模I/O系統來說，減少了由連線帶來的不可靠，同時降低了布線成本，與DCS相比，節約電纜、調試、維護成本40%以上。
◆  EIC（電氣傳動、儀表、計算機）一體化
在由現場總線構成的FCS中，儀表實際上已成為具有綜合功能的智能儀表，也就是具有過去實現儀表控制的DCS的功能。現場控制器實際上是過去PLC功能的分散。它代替了過去用于電氣傳動控制PLC。從以上兩點不難看出，FCS正是一個實現電氣傳動控制、儀表控制和計算機控制一體化的系統結構，而這種結構恰恰是鋼鐵工業自動化用得較多而又急需的控制系統結構。
2  Ethernet優點
(1)  Ethernet作為現場總線，開放性這個最重要指標得以保證。
Ethernet的主要特點是，數字式互連網絡、可操作性、開放性和網絡功能。網絡性能包括實時性、可靠性等。而開放性是最重要的。它不僅指技術公開，而應用廣泛更是其最重要的衡量指標。
(2)  Ethernet做現場總線，可保證現場總線技術的可持續發展。Ethernet一直受到廣泛的重視，同時又有大量的技術投入，所以保證了Ethernet技術不斷的發展。目前速率最低是10Mbps，百兆、千兆已廣泛應用，十千兆技術也已過關。工業控制領域采用Ethernet無需獨自的研究投入，這一點是任何現有的現場總線技術無法比擬的。
(3)  Ethernet受到廣泛的開發技術支持。由于Ethernet是應用最廣泛的計算機網絡技術，幾乎所有的編程語言都支持它的應用開發，如Java、Visual C++、Visual Basic等，并有多種開發工具、開發環境可供選擇。
(4)  Ethernet系統設計有廣泛的硬件產品可供選擇。而且由于應用廣泛，其價格相對低廉，目前Ethernet網卡的價格只有Profibus、FF等現場總線網卡的十分之一。
(5)  Ethernet已被使用多年，具有大量軟件資源，人們對Ethernet設計、應用有很多經驗。因此，可以顯著降低系統的開發和培訓費用，從而降低系統的成本，加快系統的開發和推廣速度。
(6)  Ethernet作為現場總線，可以避免現場總線技術脫離于計算機網絡技術發展主流，使現場總線技術和計算機網絡技術很好地融合起來，形成互相促進的局面，保證自動化技術能夠取得更加迅速的發展。
（二）  嵌入式控制系統
嵌入式系統工業的基礎是以應用為中心的“芯片”設計和面向應用的軟件產品開發。
◆  嵌入式微控制器的發展趨勢
①  可靠性 采用抗干擾技術，低噪聲布線、驅動技術和低頻時鐘等，使可靠性提高。
②  集成的部件越來越多 從功能上講可以稱是萬用機。
③  功耗越來越低 采用多種工作方式，如等待、暫停、睡眠、空閑、節電等；工作電壓范圍更寬：3.3~3.5V到2.2~6V。
◆  對嵌入式控制系統應用軟件的主要要求
①  軟件要求固態化存儲 以提高執行速度和系統可靠性。
②  軟件代碼要求高質量、高可靠性 以提高執行速度。
③  系統軟件（OS）的強實時性。
◆  嵌入式控制系統應用：數量大、范圍廣、應用前景好。
工控機及其應用的發展是與信息化、數字化、智能化的世界潮流，以及計算機技術、控制技術、網絡技術、顯示技術（尤其是現場總線和控制網絡）的發展密切相關的。
2000年世界上工業控制計算機市場為300～400億美元，其中DCS 60億美元，嵌入式系統60～70億美元，FCS 20～30億美元，IPC 70～80億美元，PLC 70～80億美元，數控 70～80億美元。并以每年10%～15%的速度增長。
（三）  DCS（集散式控制系統）
雖然以現場總線為基礎的FCS發展很快，最終將取代傳統的DCS，但其發展仍有很多工作要做，如統一標準，儀表智能化等。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。
當前工業控制計算機的應用范圍仍以大系統、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。1997年DCS的銷售額為45億美元，2000年為60億美元。世界上主要DCS供應商有Honeywell、Bailey、WestingHouse、ABB、Foxboro、L&N、Siemens、EURO、橫河、日本山武霍納威爾等。
DCS主要發展趨勢為：
◆  向綜合方向發展 由于標準化數據通信鏈路和網絡的發展，將各種單（多）回路調節器、PLC、工業PC、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。
◆  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、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控制器、智能傳感器、變送器、執行器、智能人機接口、可編程調節器相繼出現。
◆  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的硬件平臺。
◆  DCS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DCS，變電站DCS、玻璃DCS、水泥DCS等。
現在DCS的新產品具有以下特點：系統開放、管控一體化及帶有先進控制軟件。DCS生產廠家也從事FCS的研發、生產和應用工作。
（四）  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硬件結構做得很小，CPU的運行速度越來越大，存儲容量很大。PC機的大批量生產，使其成本大大降低，可靠性不斷提高。而它的開放性，Windows的應用，更多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的軟件已由小型機，工作站移植到PC機，三維圖形顯示及工藝數據已經在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，應用更加廣泛。
(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聯合，發展控制與管理集成系統，已成為國際上數控系統的發展方向。
(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。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，可分為柔性制造單元、柔性制造系統、柔性流水線、獨立制造島、計算機集成制造系統和智能制造系統等。
(6)  小型化 由于半導體電路高度集成化、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、觸摸屏取代CRT，厚度僅為CRT的1/4。
(7)  高速化 所謂三高是指高的主軸轉速、快速移動速度和快速換刀。為實現高速加工，主軸必須高速化，AC主軸馬達最高速為18000r/min；最高進給速度120m/min；換刀時間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的編程語言難度加大，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）等視圖用語言。
(9)  高精度 提高加工精度，高分辨率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，必須開發超高分辨率的編碼，以0.0001微米為最小設定單位的NC裝置。為在加工中保證即使負荷變動伺服系統的特性也保持不變，還需采用控制或魯棒控制。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，所謂機械智能化功能，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、主軸及機座變形的傳感器和處理傳感器輸出信號的電路。這種傳感器自身具有信號處理功能，所以叫智能傳感器。人工智能將實用于處理信號的PMC中。
(11)  診斷維修智能化 故障的診斷與維修是NC的重要技術?；贏I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Intranet和Internet與中央計算機相連接，使其具有遠距離診斷的功能。進一步的發展是予維修系統，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。
(12)  復合化成為機床發展主流 所謂復合加工(Multitask Machining)，可以定義為能完成各種各樣的加工工序而不需要手工干預的一種加工能力。它具有工件一次安裝后進行車削、鉆削、攻螺紋和銑削的功能，工件從一個工序到另一個工序的傳送是自動的，在加工過程中的裝