工业控制计算机及发展

工业控制计算机技术及发展讲授:贠卫国计算机控制研究所工业控制计算机定义传统意义上，将用于工业生产过程的测量、控制和管理的计算机统称为工业控制计算机，包括计算机和过程输入、输出通道两部分。但目前的工业控制计算机的内涵已经远不止这些，其应用范围也已经远远超出工业过程控制。因此，工业控制计算机是“应用在国民经济发展和国防建设的各个领域、具有恶劣环境适应能力、能长期稳定工作的加固计算机”，简称“工控机”。工控机的主要特点工控机标准化、模块化结构，便于组合和扩展；系列化、产品化的控制器模块和丰富的I/O功能模块，具有广泛的适应性；通用性和开放性强，便于系统集成；恶劣环境条件适应性和可靠性，能长期不间断工作，具有良好的工作稳定性；体积小；成本低；应用系统开发时间短；标准化和可互操作性，标准和产品由众多厂家支持和发展。工控机总线标准按模板级总线标准研制生产的功能模板叫做“OEM”产品，按照标准生产的带有一定数量总线插槽的总线底板叫做“背板”。这样，将各种功能模板插在背板的插槽上就构成了一个微机系统。工控机总线标准主要有:STD总线、Multiplus总线、VME总线、VXI总线、ISA总线、PC/104总线、PCI总线、CompactPCI总线、PXI总线、PCIExpress总线以及AdvancedTCA总线等。发展历程中国工控机技术的发展经历了80年代的第一代STD总线工控机，90年代的第二代IPC工控机，现在进入了第三代CompactPCI总线工控机时期，而每个时期大约要持续15年左右的时间STD总线工控机解决了当时工控机的有无问题；TP801单板机---教学实验用IPC工控机解决了低成本和PC兼容性问题；CompactPCI总线工控机解决的是可靠性和可维护性问题。CompactPCI总线工控机将不可阻挡地占据生产过程的自动化层，IPC将逐渐由生产过程自动化层向管理信息化层移动，而STD总线工控机必将退出历史舞台，第一代工控机技术：以STD总线工控机为代表STD总线工控机盛行于80年代末和90年代初期，到90年代末期逐渐淡出工控机市场。STD总线工控机是机笼式安装结构，具有标准化、开放式、模块化、组合化、尺寸小、成本低、PC兼容等特点，并且设计、开发、调试简单。PCDOS软件的兼容性使STD总线得以发展，由于运行PCWindows软件的局限性使STD总线被淘汰出局，而取而代之的是与PC完全兼容的IPC工控机。国内厂家:主要有北京康拓公司和北京工业大学等VME总线工控机VME总线虽然在国内并没有推广起来，但也可以说是第一代工控机技术中比较成功的标准。VME总线工业控制机在图像处理、工业控制、实时处理和军事通信中得到了广泛应用。VXI总线（VME扩展仪器仪表总线）工控机以VME总线为内核，将欧洲卡尺寸扩展为A、B、C和D四种由于VME和VXI总线有丰富的控制器和I/O功能模板资源，具有热插拔和多主机板并行工作的技术特点，虽然价格昂贵，但目前还不能被其他工控机技术取代，因此将继续在高可靠性应用领域占有一席之地。第二代工控机技术以IPC工控机为代表PC机借助于规模化的硬件资源、丰富的商业化软件资源和普及化的人才资源，于80年代末期开始进军工业控制机市场，产生了基于ISA总线的IPC工控机。90年代末期，ISA总线技术逐渐淘汰，PCI总线技术开始在IPC中占主导地位，使IPC工控机得以继续发展。IPC并没有向当时人们预测的那样很快“消亡”。目前，中国IPC工控机的大小品牌约有15个左右，主要有研华、凌华、研祥、深圳艾雷斯、华北工控、磐仪和艾讯等。IPC存在的可靠性问题IPC存在的难以克服的可靠性问题极大地限制了其进一步发展和应用：(1)受到机箱结构的限制，散热通路不畅通，散热性能不好，容易引起印制板变形、断线、接触不良等问题，还会造成电子器件寿命降低以及工作不稳定等；(2)板卡和无源背板之间的金手指边缘接触连接方式，容易造成在振动和冲击过程中瞬间接触不良，引起系统死机；(3)金手指自身在潮湿或腐蚀性气体环境中长期使用，容易氧化或腐蚀，造成系统接触不良，而且多次拔插容易变形；(4)多数板卡通过金属挡片一端固定，在振动力的左右下容易产生微距离逆时针旋转，造成系统信号断路或短路，使系统崩溃；(5)系统机箱表面喷漆处理，不能形成一个完整的导电体，电磁干扰的屏蔽能力和静电释放能力差；(6)故障板卡更换时间长，可维护性差。由于存在以上问题，IPC开始逐渐从高可靠性应用的工业过程控制、电力自动化系统以及电信等领域退出，向管理信息化领域转移。取而代之的是以CompactPCI总线工控机为核心的第三代工控机技术。IPC影响IPC技术是伴随着PC技术的发展而发展，但在结构和技术上没有不断创新，虽然成本降下来了，但运行稳定性和可维护性并没有从根本上解决。但是IPC工控机开创了一个崭新的PC-based时代，对工业自动化和信息化技术的发展产生了深远的影响。在第二代工控机技术里，还需要提及一个比较成功的技术——PC/104总线技术PC/104总线工控机PC/104总线技术。基于ISA总线的PC/104总线问世于1992年，自层迭式结构，具有尺寸小、结构紧凑、功耗低、可靠性高等特点，主要应用于军事和医疗设备。1997年PC/104扩展成PC/104-Plus，增加了PCI总线定义。PC/104总线工控机依靠自身的特点和不断地完善，还将继续在其传统优势领域占有一席之地。第三代工控机技术：CompactPCI技术PCI总线技术的发展、市场的需求以及IPC工控机的局限性，促进CompactPCI总线技术的诞生。CompactPCI简称cPCI，中文又称紧凑型PCI，是国际PICMG协会于1994提出来的一种总线接口标准。它的出现解决了多年来电信系统工程师与设备制造商面临的棘手问题，将VME密集坚固的封装和大型设备的极佳冷却效果以及PC廉价、易采用最新处理能力的芯片结合在一起，保证了高可靠度，极大降低了硬件和软件开发成本。目前PCI总线已成为了事实上计算机的标准总线。相对于以往的STD和IPC，它具有开放性、良好的散热性、高稳定性、高可靠性及可热插拔等特点，非常适合于工业现场和信息产业基础设备的应用，CompactPCI是PCI总线的电气和软件加上欧洲卡，它具有在不关闭系统的情况下的‘即插即用’功能，该功能的实现对高可用系统和容错系统非常重要。利用PCI总线的电性能，结合不同的机械结构，产生了各种各样的总线。CPCI总线：将PCI总线与欧规卡的机械结构相结合，具有抗振性能好、高可用性等优点，而且可以支持热插拔(HotSwap)、后走线(RearIO)，目前在电信、军工、交通等领域正在得到广泛的应用。PXI总线：在CPCI基础上加入同步时钟、触发等量测专用总线，在测量、控制领域正得到越来越多的应用。PC104Plus总线：将PCI总线与PC104板的机械结构相结合，具有效率高、维护量少、体积小型等特点，在各种嵌入式应用中很受欢迎。PCMCIA总线：常用于笔记本电脑。PMC总线：配合CPCI总线在电信行业中使用。CompactPCI技术是在PCI技术基础之上经过改造而成，具体有三个方面：一是继续采用PCI局部总线技术；二是抛弃IPC传统机械结构，改用经过20年实践检验了的高可靠欧洲卡结构，改善了散热条件、提高了抗振动冲击能力、符合电磁兼容性要求；三是抛弃IPC的金手指式互连方式，改用2mm密度的针孔连接器，具有气密性、防腐性，进一步提高了可靠性，并增加了负载能力。经过改造的CompactPCI工业计算机适合工业现场应用。由于具有热插拔和冗余设计能力，可以构建高可用性系统，满足电信、数字通信、军事装备以及其它高可靠领域的要求。PICMG2.16及ATCA2001年，PICMG2.16将以太网包交换背板总线引入到CompactPCI总线标准中，为电信语音增值服务设备和基于以太网的工业自动化系统提供了新的技术平台。2002年，PICMG颁布了面向电信的新标准AdvancedTCA，简称ATCA。ATCA比PICMG2.16有更大的规格和容量、更高的背板带宽、对板卡更严格的管理和控制能力、更高的供电能力以及更强的制冷能力等。ATCA不是应用在电信上的第一个开放式平台，但它是第一个由电信专家专为电信应用设计的电信平台，也主要是为了解决电信系统目前主要面临的系统带宽问题、高可用性问题、现场升级问题、可伸缩性问题、可管理性问题以及可互操作问题，并最终降低成本。这就是新兴的PICMG3.x—AdvancedTCA技术。在今后的5-10年，CompactPCI总线与PICMG2.16、AdvancedTCA在相互补充中并存。CompactPCI总线主要面向工业自动化应用，将逐渐取代VME和ICP，牢牢占据基础自动化和过程自动化层。而PICMG2.16和AdvancedTCA将主要针对电信应用PXI总线仪器和仪表是工业自动化设备的重要组成部分。CompactPCI向仪器仪表领域的扩展总线就是PXI总线。PXI产生于1998年，主要是面向“虚拟仪器”市场而设计的，但已经不局限于测试和测量设备，正在迅速向其它工业控制自动化领域扩展，并与CompactPCI总线互相补充和融合。CompactPCI总线工控机以及以CompactPCI总线为基础的开放式控制系统具有良好的发展前景。以CompactPCI总线工控机技术为核心，覆盖CompactPCI、PXI和ATCA的新一代工控机技术注定要成为主流。权威人士已经预测：“第一，CompactPCI将以每年15%～20%的增长速度取代传统的IPC工控机；第二，CompactPCI与嵌入式系统将成为未来工业控制器的两大主流技术；工业控制机不断向数字化、微型化、分散化、个性化、专用化发展，工业控制机系统向网络化、集成化、综合化、智能化方向发展