浅析工业控制技术的发展趋势

关键词：现场总线；嵌入式技术；STD总线；ISA（美国仪表学会）；总线PLC（可编程序逻辑控制器）

当今，计算机技术和信息技术正以惊人的速度向前发展。它对工业控制技术将产生怎样的影响?工业控制技术的发展趋势将会怎样?笔者以一管之见，谈几点粗浅的看法。

一、现场总线将使工业过程控制发生革命性变化

现场总线（Fieldbus）是近年迅速发展起来的一种数据总线。它主要解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行器等现场设备间的数字通信问题以及这些现场控制设备和高级控制系统间的信息传递问题。

目前，国际上流行的现场总线有:现场总线基金会的FF、德国的Profibus、美国Echelon公司的Lon works、德国Bosch公司的CANBUS和瑞士的Dupline等。其中，FF和Lon works最具代表性。这两种现场总线都将会在我国产生不可估量的影响。

现场总线给工业过程控制及其整个自动化领域带来的革命性变化，主要表现在要“革”传统仪器仪表的“命”，同时向传统DCS（分散控制系统）发出了挑战。

对传统仪器仪表进行“革命”，是指现场总线把通信线一直延伸到现场仪表，使得用于生产现场的设备和控制室自动化设备连接在同一条通信总线上进行数字通信，构成现场通信网络。现场总线用全数字化、双向传输、多变量的通信方式来变革常规模拟仪表，用一对通信线连接多台数字智能仪表来替代目前一对信号线只能连接一台模拟仪表的传统模式。现场总线对传统仪器仪表进行“革命”，好处显而易见。

现场总线向传统DCS的“挑战”，就是要打破传统DCS的三层结构模式，把DCS变革成FCS（现场控制系统）。

二、嵌入式技术和产品将对工业控制技术的发展起到巨大的推动作用

现场总线的出现无疑会使工业控制技术发生革命性的变革，但作为总线本身，它既不可能包罗万象，也不可能代替人去解决许许多多的实际问题。因此，人们还需要去做大量的技术开发工作。笔者认为，在这些大量而艰巨的技术开发工作中，嵌入式技术和产品将起到重要的作用。

1、嵌入式技术将继续推动机电一体化产品的智能化和传统仪器仪表的更新换代

所谓嵌入式技术，就是把芯片、模板或模块、小型控制系统等嵌入到产品内部且与产品融于一体的技术。嵌入式技术广泛应用于机电一体化产品中，包括家电、机电设备、办公自动化产品、数控机床、机器人等。

在仪器仪表行业中，为适应现场总线引起的革命性变革，其产品的更新换代任务十分艰巨。在产品开发中，离开嵌入式技术和芯片几乎是不可能的。现场总线的制订者和开发商们已经做了很多建设性的工作。例如，Lon works的发明者Echelon公司已经授权Motorola和Toshiba两大公司开发并生产出Lon works核心元件neuron芯片。该芯片良好的嵌入性将使它在仪器仪表的改造和更新换代中起到重要的作用。作为“完全分散式智能”概念的开拓者Smar公司也开发出了基于1992年公布的IEC（国际电工委员会）1158标准的现场总线芯片。看来，不论是Echelon的芯片、Smar的芯片或其他厂商的类似芯片，都将依赖于嵌入式技术在仪器仪表的更新换代中扮演着重要的角色。

2、嵌入式工业控制机仍有强大生命力

嵌入式的工业控制机，有STD总线工业控制机、ISA总线工业PC（过程控制）机及PLC等。随着传统的仪器仪表和传统的DCS将被数字式智能化仪器仪表和FCS所代替，人们自然会发出疑问，这种嵌入式工业控制机会不会过时或消失?笔者认为，它们既不会过时也不会消失，而且仍有强大的生命力。

（1）STD总线工业控制机

由美国Pro-Log公司发明的STD总线工业控制机，由于采用了组合化、模块化、小型化、标准化的开放式体系结构，很适用于传统产业的技术改造和工业过程控制。10余年来，STD总线技术和产品已推广应用到除台湾和西藏以外的各省、市、自治区，覆盖了冶金、石化、医药、食品、能源电力、轻纺、交通运输、军工国防、机械制造等行业。由于STD总线产品具有很高的性能价格比，采用了开放式的体系结构和与IBM PC完全兼容的设计，很适合我国国情，因而深受广大用户的青睐。然而，计算机技术在飞速发展，现场总线技术又越来越热，人们自然会产生困惑，STD总线的生命期还有几年?Pro-Log公司认为，STD总线工业控制机在美国至少还有5年的寿命期。拿我国和美国的国情做比较，不难看出，STD总线工业控制机在我国的生命期至少应为5至10年!

仪器仪表更新换代和FCS取代DCS是一个相当长的过程，在这个过渡期内，STD总线工业控制机仍然会发挥作用。即便是FCS完全取代了DCS，STD总线工业控制机可能在这样的系统中降为监控机的地位，但仍有一些场合和区域因综合成本因素的考虑要选用STD总线工业控制机。事实上，STD总线推广10多年来的历史表明，STD总线工业控制机从来就没有成为过传统DCS的一个组成部分。它的用户群主要分布在中小企业低成本过程控制和包括大企业在内的形形色色的专用设备应用中。预计，在这些领域，STD总线工业控制机仍然会得到大量应用。

（2）ISA总线工业PC机

ISA总线工业PC机，因其与IBM PC和DOS/Windows兼容及采用了适应工业现场的结构设计，在工业控制领域得到了广泛应用并获得了突飞猛进的发展。它的内部采用了嵌入式的模板结构，可随意插拔，便于维护、升级，使用灵活，为用户提供了方便。ISA总线工业PC机既可以用于小型的集中式过程控制，也可用作控制系统的监控机或充当开放式体系结构的DCS的现场站。市场统计表明，ISA总线工业PC机直接用于工业过程控制所占的份额并不大，它主要应用的“岗位”是控制系统的上位机，MIS系统的管理机或实验室的桌面机。可以想象，FCS代替DCS，ISA总线工业PC机将从中受益。随着Wintel技术和产品的不断发展，ISA总线的工业PC机必将在工业控制系统中取代传统的图形工作站。但它不会代替STD总线工业控制机，因为ISA总线工业PC机和STD工业控制机是两种类型的计算机。前者尽管也可以用于工业过程控制的某种场合，但它本质上是数据处理类的计算机而不是工业控制类的计算机。ISA总线工业PC机不能取代下位的STD总线工业控制机。

（3）PLC

可编程控制器（PLC），是本世纪60年代发展起来的一种新型自动化控制装置。它吸取了微电子技术和计算机技术的最新成果，发展十分迅速。从单机自动化到整条生产线的自动化乃至整个工厂的生产自动化，PLC均担承着重要的角色。

PLC也是一种嵌入式的工业控制机，它通常是将一些模块嵌到一块公共母板上构成整机，而整机也可嵌入到专用设备和系统中，使用非常灵活。由于PLC主要用于开关控制和顺序控制，而且具有可靠性高、体积孝价格低、易维护、功能完善、编程方便等优点，使得它不会受到FCS的影响，PLC仍将继续广泛应用于工业领域。

目前全世界有200多家PLC的制造厂商，产品系列包括微型、小型、中型和大型几百种。我国起步较晚，近几年来虽已开发出多种小型PLC产品，但尚未形成规模生产能力和完整的系列产品，而且也只主要应用在机械加工行业和对机床、生产线的改造方面。随着我国的进一步改革开放，国产PLC的研制和生产水平必将不断提高，中、大型国产PLC也会问世，国产PLC的应用也将会同国际上那些大的厂商一样前途无量。

3、嵌入式微处理器将引导工业控制计算机走出摩尔定律

在计算机界，人们都知道“摩尔定律”。即每隔一年半左右，集成电路上可容纳的晶体管数目就会增加1倍，性能也提高1倍。计算机的发展历程证明，时至今日IC的发展依然遵循着这条法则。

Wintel的成功带动了PC机的迅猛发展，同时也带动了工业控制机的快步前进。可以说，工业控制机一直在跟着Wintel跑。然而到现在，人们开始了冷静的思考。工业控制计算机有必要一直按Wintel规定的PC机摩尔定律走下去吗?盲目地跟随是否被引入了摩尔定律认识上的“误区”?

思考过后就会变得清醒。工业控制计算机本来就是与PC机不同的两种类型的计算机。特别是在工业过程控制领域，对计算机的运行速度和处理能力要求并不很高，完全没有必要开发奔腾P5、P6那样的产品;相反，它对可靠性和环境适应性要求很高，而对机型则要求有较长时间的稳定性，以避免零备件停产所造成的任何困难和经济损失。经过分析对比，人们自然会想到要选择嵌入式微处理器芯片来代替通用性的微处理器芯片。康拓公司在开发专用程控机及STD总线升级产品时选用了嵌入式芯片386EX，可以说是明智的选择。386EX是Intel公司为机电设备设计的专用嵌入式芯片，它不服从摩尔定律的规律，有10年以上的稳定供货期。它不仅使自身摆脱了困境，走出了摩尔定律的认识误区，也在业界具有普遍的借鉴意义。

三、过程控制、MIS、Internet相结合是企业综合自动化发展的方向

目前，过程控制、MIS和Internet都在各自的领域以惊人的速度向前发展。它们三者互相结合，影响将更加巨大，不仅会带动企业乃至行业的综合自动化，同时也会推动整个社会的进步。

1、过程控制和MIS相结合使企业实现测控管一体化

（1）MIS需要与过程控制相结合

传统的MIS，原办公室自动化类型的管理信息系统，尽管有优良的人事管理、财务管理、质量管理、设备管理、经营管理等软件的支持，但由于数据靠人工报表和人工输入，既费工费时又不准确，很难发挥作用。因此MIS必须和工业过程控制相结合，否则MIS在企业中不会有太大的实际意义。

（2）过程控制的优化和调度需要MIS

工业过程控制，无论是FCS还是DCS或者DDC，尽管能按给定的目标参数值进行“准确控制”，但是否最优，是否合理，是否应该按此工艺一直生产下去?过程级的计算机则无法知道，而需要MIS给出参数。实践证明不仅MIS需要与过程相结合，同时过程控制也需要与MIS相结合。

（3）MIS和过程控制两者相结合会使企业实现测、控、管一体化

MIS和工业过程控制相结合，是需要，也是必然。两者结合，不是1加1等于2的关系，而是会产生质的飞跃。这样的结合，将把所有底层的测控都与上层的信息管理联在一起。MIS、FCS或DCS的开放式体系结构以及互联网络的规范化，为实现这样的测控管一体化系统奠定了坚实的基础。

2、MIS和Internet互联将使企业或行业能够与国内外交流信息

Internet是目前国际上规模最大的计算机网络，它信息量大、速度快、价格便宜，为企业将自己的MIS与Internet网互联提供了良好的条件和契机。Internet不但拓展了企业与外部世界联系的渠道，而且还渗透到企业内部，成为一种崭新的企业内部网——Intranet。它改变了传统的MIS系统所提供的静态、封闭、复杂的文字数字环境，提供用户一个不断变化的、开放的、易于使用的双向多媒体信息交流环境，从而使企业的管理信息系统发生革命性的变化。将Intranet融入传统的MIS中，充分利用原有MIS系统的平台资源，降低了建设费用，可收到事半功倍的效果。据有关资料介绍，采用这样的办法，农业部只用了3个月就建起了自己的Intranet。预计，Internet/Intranet与MIS相结合将以不可阻挡之势向前发展，有识之士应该迎接这个热潮的到来。

3、过程控制、MIS、Internet三者相结合是企业综合自动化发展的方向

显然，过程控制，MIS、Internet三者相结合的时机已经到来，条件也已具备。三者相结合，MIS是核心，也是桥梁和纽带。这种结合，将给企业注入新的活力，可以实现企业、企业集团乃至全行业的全面、综合的自动化。企业可以和国内各界沟通，也能够和国际接轨。

从过程控制直到Internet的互联，已不再是纸上谈兵，而是唾手可得的现实。例如，康拓公司为贵州铝厂所做的系统就是从过程控制的底层，再一步步升到车间层、分厂层，最后又联到总厂层。康拓公司所做的MIS选用了与Intranet兼容的Oracle产品，为建立总厂的Intranet网以及与Internet互联准备了条件。预计要不了多久，这样的三位一体的“大网”就可在贵州铝厂建成并投入使用。

有人会问，这样的三层次结构，居于底层的工业过程控制与居于上层的Internet是不是仍很遥远?实际并不遥远，当今的技术已发展到惊人的地步。据Echelon公司的权威人士称，只要将Low works的协议与Java相结合，就可以坐在北京控制一台美国的锅炉!这不是天方夜谭，事实的确会如此。