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摘要：随着工业技术与互联网科技的发展，工业控制计算机（简称工控机）在诸多现代工业领域中已经成为了不可缺少的一部分，由集散控制系统（Distributed Control System-DCS），到可编程逻辑控制器（Programmable Logic Control-PLC）结合工业计算机控制系统（简称工控系统），再到现在具有通信功能的嵌入式工控系统，工控机以无法比拟的精确性与可靠性优势得到了迅速发展，为工业自动化做出了巨大贡献，并受到了广泛应用与好评。本文对工控机以及工控系统的应用做了简要回顾，并对工控机的发展趋势进行了浅略的分析。
关键词：工控系统；DCS；PLC；工控机
前言
20世纪40年代第一代电子管计算机在美国费城公诸于世，代表着工业自动化时代的开启，经历第二代晶体管计算机、第三代集成电路计算机阶段的成长，在70年代由于大规模集成电路技术飞速发展，使得计算机技术得到了重大突破，为计算机控制工业生产的自动化发展奠定了坚实基础。发展至今，计算机由于采用大规模和超大规模集成电路（LSI和VLSI）作为硬件逻辑元件，结合管理系统及程序设计语言，已经能够部分地替代人的劳动。计算机技术与自动控制技术的结合，诞生了工控系统初期雏形，随着技术的不断发展，工控系统的成熟应用给工业自动化生产带了前所未有的变革，使工业生产进入了新阶段。
我国工控机的发展相对西方国家来说起步较晚，约在20世纪50年代由中科院牵头，针对工业发展需要组织了一批相关单位着手研制工控机，并于1958年成功研制出了我国第一台小型电子管通用计算机。1984年工控机的研发被列入国家科技发展规划之中，表明了国家对工控机技术发展的高度重视。 90年代至21世纪初是我国计算机技术飞速成长的阶段，清华大学、国防科技大学相继研制出采用集成电路的DJS-130小型计算机以及具有里程碑意义的银河-I巨型机，标志着我国计算机技术日渐成熟，之后的曙光系列计算机与当时美国Intel公司推出的产品相差无几。与此同时伴随着自动控制技术的同步发展，计算机与控制技术相结合——工控系统的体系大致形成，并且开始应用于一些领域的工业生产之中。
工控机的概念是“中国计算机学会工业控制计算机专业委员会”的专家们首次提出的，经过不断完善，目前对工控机的定义一般认为是一种采用总线结构，对生产过程及机电设备、工艺装备进行检测与控制的工具总称，由计算机系统和过程I/O系统两部分组成，主要类别可分为IPC（PC总线工业电脑）、DCS（集散控制系统）、PLC（可编程逻辑控制器）、FCS（现场总线系统）、及CNC（数控系统）五种，其特点是具有高可靠性、强实时性、良好的兼容性和易扩展性。
IPC即为基于PC总线的工业计算机，一般由机箱、无源底板、工业电源以及各种插卡式模板组成，如I/O卡、CPU卡等，在结构设计上具有很强的防磁、防尘、防潮、防腐以及抗冲击能力，持续工作时间长，可以适应工作现场的恶劣环境[1]。DCS随着微处理机（单片机）的出现和普及，最早在1975年由美国Honeywell公司设计推出第一套DCS，我国技术人员在吸收消化国外技术的基础上，经过研究很快就拥有了自主研发的能力，国产DCS工控机经短暂发展后迅速在国内大中小型工业生产中占有了很大的市场份额，近几年国产DCS工控机在一些发展中国家也得到了广泛的应用[2]。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置，最早在1969年由美国数字设备公司（DEC）应美国通用汽车公司（GM）需求研制出世界上第一台PLC，我国于1974年研制出第一台PLC。经过几十年的发展，PLC技术由于不需要具备专业的计算机编程知识，直接购买所需型号产品经过简单学习就可以安装使用的特点，以其可靠性高、逻辑功能强、可在线修改控制程序等优势，在石化、冶金、食品、通信等诸多行业得到了广泛应用[3]。FCS是由DCS或PLC技术发展而来的，利用现场总线将各个控制器和仪表设备连接，既可以单独对生产过程进行控制，又可以作为控制过程的一部分内嵌到控制网中，吸收了DCS以及PLC的优点，是一种开放互联、控制功能完全分散的分布式控制系统[4]。CNC采用内嵌到控制系统中的微处理机（单片机）通过数据接口与设备（机床）进行连接，实现对设备的数字控制，CNC可以同时执行多重任务指令，是数字控制在工业制造中的典型应用，如在数控车床中根据输入数据的分析计算出车床的运动轨迹对工件进行加工，是高度自动化的控制系统，可以加工结构复杂的零件，精度也非常高[5]。
目前国内工控机的生产厂商主要集中分布在北上广深一线城市以及台湾地区，如北京康拓科技、北京轩宇智能、北京和利时集团、深圳富士康工控、深圳英德斯、台湾凌华科技、台湾研华以及台湾融程电讯等，进口产品主要供应厂家有德国控创（Kontron）、德国西门子（Siemens）、美国罗克韦尔自动化有限公司(Rockwell Automation)、日本康泰克（Cetec）、德国倍福（Beckhoff）、瑞士ABB集团（Asea Brown Boveri Ltd.）、法国施耐德电气有限公司（Schneider Electric SA）、日本横河电机、美国国家仪器（National Instruments）等[6]，但是由于进口工控机价格昂贵、售后服务质量差等因素，在低端产品市场中所占的份额越来越小，而在高端工控机方面由于核心技术的缺乏以及国外的封锁限制，国产工控机与进口产品仍有不小的差距。
工控机在生产中的应用，对增加产能、降低能耗、提高企业经济效益的具有重要意义，现如今已广泛应用于石化冶金、国防装备、环境保护、交通运输、通讯设备、航空航天、等领域。如在发电冶金、石化行业等大型工业设备中往往采用DCS技术进行监控，在汽车制造、监控仪表等领域选用DCS或PLC进行监控等[7]。在嵌入式方面，工控机主板和过程通道模板从家用洗衣机、电视机顶盒，到银行柜员机、地铁闸机、加油站管理等都得到了成功应用，可以预见工控机的应用前景十分广阔。
参考文献
[1] 任嘉浩, 新时代背景下计算机应用现状与发展趋势, 电脑迷, (2017).
[2] 康凯, 高韵涵, 探讨DCS控制系统在工业自动化中的应用, 计算机产品与流通, (2019) 125.
[3] 王吉锋, 基于PLC与DCS的过程控制系统集成方案的设计与实施, 山东大学, 2007.
[4] C. Gang, Y. Dong, R. Che, Developing Trend of Industrial Fieldbus Control System, International Conference on Electronic Measurement & Instruments, 2007.
[5] 郝庆波, 数控机床可靠性及维修性的模糊综合分配与预计, 吉林大学, 2012.
[6] 刘鑫, 新时代工业计算机技术的现状及未来发展趋势, 自动化博览, (2019) 14-20.
[7] 王雪艳, 基于PLC和工控机的监控系统设计, 煤炭技术, 31 (2012) 63-64.
[8] K. Liu, The Development Trend and Strategy of Computer Industry based on SCP Analysis, 2013.
论文作者:马佳斌
论文发表刊物:《科学与技术》2019年第03期
论文发表时间:2019/6/21
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