段明祥

一 各种自动化手段的发展与相互影响
(1)  各种自动化手段之间界限越来越模糊
由于计算机技术、控制技术、网络技术和通信技术的迅猛发展，高校的专业合并与渗透，使工业控制计算机系统、自动化、信息技术改造传统产业、机电一体化、数控、先进制造技术、CIMS之间的技术、专业、学科之间的界限越来越模糊，这是实际发展的需要，技术发展的必然趋势。
(2)  各种控制系统之间融合是大势所趋
在今后相当长的一段时间内，FCS、IPC、NC/CNC与DCS、PLC将会相互补充、相互促进、彼此共存。虽然它们设计的初衷不一，各有特色，各有适宜的应用领域，但技术上都知道学人之长，补己之短，PLC、DCS学习到已失去传统意义上的自己的地步，可以看出各种控制系统之间相互融合是大势所趋。
(3)  渴望单一现场总线
现有FF、Profibus、WordFIP等8种现场总线为国际标准，它们采用的通信协议完全不同，因此，要实现这些总线的兼容和互操作是十分困难的。目前，这8种现场总线都在修改各自的应用层协议，支持IEC61784规范，争取通过高层协议达到相互兼容。预计到2002年完成，使IEC61158成为一个基本统一的、由多部分组成的标准。市场迫切需要统一标准的现场总线控制系统，人们正在寻求新的出路。采用已经是通用的国际标准Ethernet、TCP/IP等协议，并使其在工业领域成熟应用，就会被广大用户、集成商、OEM和制造商所接受。
工业控制计算机的应用领域迅速扩大。过去工控机主要应用于过程控制，如钢、电、煤、化、油等连续化、流程化的生产过程；制造自动化，如机械、电子、汽车等离散加工的生产过程；单机自动化，如数控机床、智能仪器仪表、机器人、汽车电子化、变频调速电动机、电子化家用电器、医疗器械等产品机电一体化等。今后，应特别关注工控机在环保、公用工程、道路与交通、楼宇与社区、农业、家庭等新领域的应用。
二  工控机技术发展趋势
现场总线构成的FCS和嵌入式控制系统是工控系统的两大发展热点。
（一）  FCS（现场总线控制系统）
1  FCS优点
◆  数字化
①  FCS 全数字化的通信使过程控制具有更高的可靠性。在现场总线控制系统中，从传感器、变送器到调节器，一直是数字信号，这就使更复杂、更精确的信号处理得以实现。普通的噪音很难扭曲现场总线控制系统里的数字信号。数字通信的查错功能可检查出传输中的误码。
②  传统的DCS 半数字化，传统的DCS与现场设备的连接通常是以点对点方式实现的。由于现场设备内通常内置了微处理器，所以产生的数字信号要转换成模拟信号（例如4~20mA信号），再传送到控制室的信号转换组件，为了满足过程控制信号处理的要求，信号转换组件将再一次把模拟信号转换成数字信号。在模拟系统中，噪声及其它信号扭曲无法被检测。
◆  可互操作性  采用具有可互操作性的现场总线系统，用户可以考虑在确保性能、价格、质量和售后服务等因素的基础上，选择更好的硬件产品，并省时省力地将它们集成为一体。
①  现场总线自动化设备的可互操作性主要是通过对功能模块及其参数的标准化而实现的，因此具有极好的可互操作性。
②  大多数用于DCS和智能型变送器间的协议是DCS制造商独家的专用封闭系统。
◆  分散性
①  现场总线采用的是完全分散式体系，它的控制全部分散到现场控制回路，由现场设备实现。
②  DCS采用了一个或多个“控制单元”对多回路进行控制，其控制部分分散到一些控制板上，每个控制板上又有多个回路，实际上是半分散式体系。
◆  可靠性、可维护性和经济性
现场总线采用数字总线式通信线路代替了DCS中一对一的I/O连线，对于大规模I/O系统来说，减少了由连线带来的不可靠，同时降低了布线成本，与DCS相比，节约电缆、调试、维护成本40%以上。
◆  EIC（电气传动、仪表、计算机）一体化
在由现场总线构成的FCS中，仪表实际上已成为具有综合功能的智能仪表，也就是具有过去实现仪表控制的DCS的功能。现场控制器实际上是过去PLC功能的分散。它代替了过去用于电气传动控制PLC。从以上两点不难看出，FCS正是一个实现电气传动控制、仪表控制和计算机控制一体化的系统结构，而这种结构恰恰是钢铁工业自动化用得较多而又急需的控制系统结构。
2  Ethernet优点
(1)  Ethernet作为现场总线，开放性这个最重要指标得以保证。
Ethernet的主要特点是，数字式互连网络、可操作性、开放性和网络功能。网络性能包括实时性、可靠性等。而开放性是最重要的。它不仅指技术公开，而应用广泛更是其最重要的衡量指标。
(2)  Ethernet做现场总线，可保证现场总线技术的可持续发展。Ethernet一直受到广泛的重视，同时又有大量的技术投入，所以保证了Ethernet技术不断的发展。目前速率最低是10Mbps，百兆、千兆已广泛应用，十千兆技术也已过关。工业控制领域采用Ethernet无需独自的研究投入，这一点是任何现有的现场总线技术无法比拟的。
(3)  Ethernet受到广泛的开发技术支持。由于Ethernet是应用最广泛的计算机网络技术，几乎所有的编程语言都支持它的应用开发，如Java、Visual C++、Visual Basic等，并有多种开发工具、开发环境可供选择。
(4)  Ethernet系统设计有广泛的硬件产品可供选择。而且由于应用广泛，其价格相对低廉，目前Ethernet网卡的价格只有Profibus、FF等现场总线网卡的十分之一。
(5)  Ethernet已被使用多年，具有大量软件资源，人们对Ethernet设计、应用有很多经验。因此，可以显著降低系统的开发和培训费用，从而降低系统的成本，加快系统的开发和推广速度。
(6)  Ethernet作为现场总线，可以避免现场总线技术脱离于计算机网络技术发展主流，使现场总线技术和计算机网络技术很好地融合起来，形成互相促进的局面，保证自动化技术能够取得更加迅速的发展。
（二）  嵌入式控制系统
嵌入式系统工业的基础是以应用为中心的“芯片”设计和面向应用的软件产品开发。
◆  嵌入式微控制器的发展趋势
①  可靠性 采用抗干扰技术，低噪声布线、驱动技术和低频时钟等，使可靠性提高。
②  集成的部件越来越多 从功能上讲可以称是万用机。
③  功耗越来越低 采用多种工作方式，如等待、暂停、睡眠、空闲、节电等；工作电压范围更宽：3.3~3.5V到2.2~6V。
◆  对嵌入式控制系统应用软件的主要要求
①  软件要求固态化存储 以提高执行速度和系统可靠性。
②  软件代码要求高质量、高可靠性 以提高执行速度。
③  系统软件（OS）的强实时性。
◆  嵌入式控制系统应用：数量大、范围广、应用前景好。
工控机及其应用的发展是与信息化、数字化、智能化的世界潮流，以及计算机技术、控制技术、网络技术、显示技术（尤其是现场总线和控制网络）的发展密切相关的。
2000年世界上工业控制计算机市场为300～400亿美元，其中DCS 60亿美元，嵌入式系统60～70亿美元，FCS 20～30亿美元，IPC 70～80亿美元，PLC 70～80亿美元，数控 70～80亿美元。并以每年10%～15%的速度增长。
（三）  DCS（集散式控制系统）
虽然以现场总线为基础的FCS发展很快，最终将取代传统的DCS，但其发展仍有很多工作要做，如统一标准，仪表智能化等。而传统控制系统的维护和改造还需要DCS，因此FCS完全取代传统的DCS有个较长的过程。
当前工业控制计算机的应用范围仍以大系统、分散对象、连续生产过程（如冶金、石化、电力）为主，采用分布式系统结构的分散型控制系统仍在发展。由于开放结构和集成技术的发展，促使大型分散型控制系统销售增加。1997年DCS的销售额为45亿美元，2000年为60亿美元。世界上主要DCS供应商有Honeywell、Bailey、WestingHouse、ABB、Foxboro、L&N、Siemens、EURO、横河、日本山武霍纳威尔等。
DCS主要发展趋势为：
◆  向综合方向发展 由于标准化数据通信链路和网络的发展，将各种单（多）回路调节器、PLC、工业PC、NC等工控设备构成大系统，以满足工厂自动化要求，并适应开放化的大趋势。
◆  向智能化方向发展 由于数据库系统、推理机能等的发展，尤其是知识库系统（KBS）和专家系统（ES）的应用，如自学习控制、远距离诊断、自寻优等，人工智能会在DCS各级实现。和FF现场总线类似，以微处理器为基础的智能设备，如智能I/O、智能PID控制器、智能传感器、变送器、执行器、智能人机接口、可编程调节器相继出现。
◆  DCS工业PC化 由IPC组成DCS成为一大趋势，PC作为DCS的操作站或节点机已经很普遍，PC-PLC、PC-STD、PC-NC等就是PC-DCS先驱，IPC成为DCS的硬件平台。
◆  DCS专业化 DCS为更适合各相应领域的应用，就要进一步了解这个专业的工艺和应用要求，以逐步形成如核电DCS，变电站DCS、玻璃DCS、水泥DCS等。
现在DCS的新产品具有以下特点：系统开放、管控一体化及带有先进控制软件。DCS生产厂家也从事FCS的研发、生产和应用工作。
（四）  数控装置
80年代以来，为适应FMC、FMS、CAM、CIMS的发展需要，数控装置采用大规模、超大规模集成电路，提高了柔性、功能和效率。
(1)  PC化 由于大规模集成电路制造技术的高度发展，PC硬件结构做得很小，CPU的运行速度越来越大，存储容量很大。PC机的大批量生产，使其成本大大降低，可靠性不断提高。而它的开放性，Windows的应用，更多技术人员的应用和软件开发，使PC机的软件极为丰富。PC机功能已经很强，CAD/CAM的软件已由小型机，工作站移植到PC机，三维图形显示及工艺数据已经在PC机上建立。因此，PC机已成为开发CNC系统的重要资源与途径。
(2)  交流伺服化 交流伺服系统恒功率范围已做到1:4，速度范围可达1:1000，基本与直流伺服相当。交流伺服体积小、价格低、可靠性高，应用更加广泛。
(3)  高功能的数控系统向综合自动化方向发展 为适应FMS、CIMS、无人化工厂的要求，发展与机器人、自动化小车、自动诊断跟踪监视系统等的联合，发展控制与管理集成系统，已成为国际上数控系统的发展方向。
(4)  方便使用 改善人机接口，简化编程、操作面板使用符号键，尽量采用对话方式等，以方便用户使用。
(5)  柔性化和系统化 目前数控系统均采用模块结构，其功能覆盖面大，从三轴两联动的机床到多达24轴以上的柔性加工单元。自80年代以来，以数控机床为主的各类柔性生产系统应运而生。按其规格、自动化程度和控制方式的不同，可分为柔性制造单元、柔性制造系统、柔性流水线、独立制造岛、计算机集成制造系统和智能制造系统等。
(6)  小型化 由于半导体电路高度集成化、封装三维化、电路板插三维化，使NC装置进一步小型化，在NC装置的操作单元用TFT（薄膜晶体管）彩色液晶显示器、触摸屏取代CRT，厚度仅为CRT的1/4。
(7)  高速化 所谓三高是指高的主轴转速、快速移动速度和快速换刀。为实现高速加工，主轴必须高速化，AC主轴马达最高速为18000r/min；最高进给速度120m/min；换刀时间1s；加速度2g。
(8)  高效化 实现高效加工，缩短非切削时间和加工周期的关键是提高PMC（可编程机床控制器）的处理器，随着处理内容复杂化，PMC的编程语言难度加大，虽然C语言和PASCAL已经实用化，但为置换梯形图语言，还需要使用顺控流程图（SFC）等视图用语言。
(9)  高精度 提高加工精度，高分辨率旋转编码器必不可少。为在超精密加工领域能实现0.001微米的精度，必须开发超高分辨率的编码，以0.0001微米为最小设定单位的NC装置。为在加工中保证即使负荷变动伺服系统的特性也保持不变，还需采用控制或鲁棒控制。在伺服系统的控制中，用高速微处理器，采用基于现代控制论前馈控制、二自由度控制、学习控制等。其数字控制系统的跟踪误差不超过2微米。
(10)  机械智能化 在NC领域内是一种新技术，所谓机械智能化功能，是指机械自身可补偿因温度、机械负荷等引起的机械变形的功能。这就需要检测主轴负荷、主轴及机座变形的传感器和处理传感器输出信号的电路。这种传感器自身具有信号处理功能，所以叫智能传感器。人工智能将实用于处理信号的PMC中。
(11)  诊断维修智能化 故障的诊断与维修是NC的重要技术。基于AI专家系统的故障诊断已存在，现在主要是建立用于诊断故障的数据库。把NC装置通过Intranet和Internet与中央计算机相连接，使其具有远距离诊断的功能。进一步的发展是予维修系统，即在故障将要发生前把将要发生故障的部件更换下来的系统，它需要通过智能传感器、高速PMC及大型数据库来实现。
(12)  复合化成为机床发展主流 所谓复合加工(Multitask Machining)，可以定义为能完成各种各样的加工工序而不需要手工干预的一种加工能力。它具有工件一次安装后进行车削、钻削、攻螺纹和铣削的功能，工件从一个工序到另一个工序的传送是自动的，在加工过程中的装