全球工控機發(fā)展趨勢
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| (發(fā)布日期：2008-6-23 13:40:37) 來源：深圳祈飛科技有限公司 |
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2000年世界上工控機市場估計為300～400億美元，其中DCS 60億美元，嵌入式系統(tǒng)60～70億美元，F(xiàn)CS 20～30億美元，IPC 70～80億美元，PLC 70～80億美元，數(shù)控 70～80億美元。并且每年以10%～15%的速度增長。
1.DCS (集散控制系統(tǒng))的發(fā)展趨勢
雖然以現(xiàn)場總線為基礎(chǔ)的FCS發(fā)展很快，并將最終取代傳統(tǒng)的DCS，但FCS發(fā)展有很多工作要做，如統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，儀表智能化等。另外傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的維護和改造還需要DCS，因此FCS完全取代傳統(tǒng)的DCS還需要一個較長的過程。
當(dāng)前工控機仍以大系統(tǒng)、分散對象、連續(xù)生產(chǎn)過程(如：冶金、石化、電力)為主，采用分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分散型控制系統(tǒng)仍在發(fā)展。由于開放結(jié)構(gòu)和集成技術(shù)的發(fā)展，促使大型分散型控制系統(tǒng)銷售增加。DCS1997年銷售為45億美元。在工控機中DCS是受計算機技術(shù)影響最大、反應(yīng)最快的一種。DCS主要發(fā)展趨勢為：
(1)向綜合方向發(fā)展。由于標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)通信線路和通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，將各種單(多)回路調(diào)節(jié)器、PLC、工業(yè)PC、NC等工控設(shè)備構(gòu)成大系統(tǒng)，以滿足工廠自動化要求，并適應(yīng)開放化的大趨勢。
(2)向智能化方向發(fā)展。由于數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、推理機能等的發(fā)展，尤其是知識庫系統(tǒng)(K
BS)和專家系統(tǒng)(ES)的應(yīng)用，如自學(xué)習(xí)控制、遠距離診斷和自尋優(yōu)等，人工智能會在DCS各級實現(xiàn)。和FF現(xiàn)場總線類似，以微處理器為基礎(chǔ)的智能設(shè)備，如智能I/O、智能PID控制、智能傳感器、變送器、執(zhí)行器、智能人機接口及可編程調(diào)節(jié)器相繼出現(xiàn)。
(3)工業(yè)PC化。由于IPC組成DCS成為一大趨勢，PC作為DCS的操作站或節(jié)點機已經(jīng)很普遍，PC_PLC、PC_STD、PC_NC等就是PC_DCS先驅(qū)。
(4)專業(yè)化。DCS為更適合各相應(yīng)領(lǐng)域的應(yīng)用，就要進一步了解這個專業(yè)的工藝和應(yīng)用要求，以逐步形成如核電站DCS，變電站DCS、玻璃DCS及水泥DCS等。
2.數(shù)控裝置的發(fā)展趨勢
80年代以來，為適應(yīng)FMC、FMS、CAM、CIMS的發(fā)展需要，數(shù)控裝置采用大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路，提高了柔性，功能和效率。
(1)PC化。由于大規(guī)模集成電路制造技術(shù)的高度發(fā)展，PC硬件結(jié)構(gòu)做得更小，CPU的運行速度越來越高，存儲容量很大。PC機大批量生產(chǎn)，成本大大降低，可靠性不斷提高。PC機的開放性，Windows的應(yīng)用，更多的技術(shù)人員的應(yīng)用和軟件開發(fā)，使PC機的軟件極為豐富。PC機功能已經(jīng)很強，CAD/CAM的軟件已大量由小型機，工作站向PC機移植，三維圖形顯示工藝數(shù)據(jù)已經(jīng)在PC機上建立。因此，PC機已成為開發(fā)CNC系統(tǒng)的重要資源與途徑。
(2)交流伺服化。交流伺服系統(tǒng)恒功率范圍已做到1∶4，速度范圍可達到1∶1000，基本與直流伺服相當(dāng)。交流伺服體積小，價格低，可靠性高，應(yīng)用越來越廣泛。
(3)高功能的數(shù)控系統(tǒng)向綜合自動化方向發(fā)展。為適應(yīng)FMS、CIMS、無人工廠的要求，發(fā)展與機器人、自動化小車、自動診斷跟蹤監(jiān)視系統(tǒng)等的相互聯(lián)合，發(fā)展控制與管理集成系統(tǒng)，已成為國際上數(shù)控系統(tǒng)的方向。
(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(tǒng)化。目前數(shù)控系統(tǒng)均采用模塊結(jié)構(gòu)，其功能覆蓋面大，從三軸兩聯(lián)動的機床到多達24軸以上的柔性加工單元。
(6)小型化。由于半導(dǎo)體電路高度集成化、封裝三維化和電路板插三維化，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等。
(7)高速化。為實現(xiàn)高速加工，主軸必須高速化，從主軸電動機最高速為180000r/min。最高進給速度120m/min以上。
(8)高效化。實現(xiàn)高效加工，縮短非切削時間和加工周期的關(guān)鍵是提高PMC(可編程機床控制器)的處理器，隨著處理內(nèi)容復(fù)雜化，PMC的編程語言成了問題，雖然C語言和PASCAL已經(jīng)實用化，但為置換梯形圖語言，還需要使用順控流程圖(SFC)那樣的視圖用語言。
(9)高精度。提高加工精度，高分辨率旋轉(zhuǎn)編碼器必不可少。為在超精密加工領(lǐng)域能實現(xiàn)0.001μm的精度，必須開發(fā)超高分辨率的編碼器，0.0001μm最小設(shè)定單位的NC裝置。為在加工中即使負荷變動伺服系統(tǒng)的特性也保持不變，還需采用控制和魯棒(Robust)控制。在伺服系統(tǒng)的控制中，用高速微處理器，采用基于現(xiàn)代控制論前饋控制、二自由度控制、學(xué)習(xí)控制等。其數(shù)字控制系統(tǒng)的跟蹤誤差不超過2μm。
(10)機械智能化。它在NC領(lǐng)域內(nèi)是一種新技術(shù)，所謂機械智能化功能，是指機械自身可補償溫度、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。
(11)診斷維修智能化。故障的診斷與維修是NC的重要技術(shù)。基于AI專家系統(tǒng)的故障診斷已存在，現(xiàn)在主要是建立用于診斷故障的數(shù)據(jù)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(fā)展是預(yù)維修系統(tǒng)，即在故障將要發(fā)生前把將要發(fā)生故障的部件更換下來的系統(tǒng)，它需要通過智能傳感器、高速PMC及大型數(shù)據(jù)庫來實現(xiàn)。
3.PLC的發(fā)展趨勢
目前，全世界約有PLC生產(chǎn)廠家約200家，生產(chǎn)300多個品種。全球PLC發(fā)運件數(shù)1998年為1456萬件，1999年為1620萬件，2000年達到1778萬件。在1995年發(fā)運的PLC中，按最終用戶分：汽車占23%；糧食加工占16.4%：化藥占14.6%；金屬、礦山占11.5%；紙漿、造紙占11.3%；其他占23.2%。由于CIMS、工程自動化和過程控制等大系統(tǒng)和復(fù)雜的應(yīng)用要求，PLC主要發(fā)展趨勢為：
(1)發(fā)展方向為高功能、高速度和大容量，形成與DCS相抗?fàn)幍拇笙到y(tǒng)。
(2)網(wǎng)絡(luò)化和強化通信能力是PLC重要發(fā)展方向。網(wǎng)絡(luò)動態(tài)化已經(jīng)很成功，并注意到現(xiàn)場總線的發(fā)展。
(3)編程語言多樣化：
1) SFC因有不少優(yōu)點而成為編程語言的一個重要發(fā)展方向。
2) 大型PLC正越來越多地使用C、BASIC等高級語言編程。
3) 采用多種語言聯(lián)合編程。
(4)PLC和其他工控機聯(lián)合，PLC和其他控制系統(tǒng)之間界限越來越模糊，在應(yīng)用方向也出現(xiàn)了類似的情況。最流行的向PC技術(shù)融合，PLC日益加速滲入到DCS中，PLC CNC的領(lǐng)地。PLC自身控制也分散化。相對PC為基礎(chǔ)的控制器，優(yōu)勢在小型PLC上。
4.IPC(工業(yè)PC)的發(fā)展趨勢
因PC機軟硬件資源豐富、產(chǎn)量大、價格低且質(zhì)量高，所以為廣大技術(shù)人員所熟悉和認可。家用電腦逐步普及，目前，PC機占通用計算機95%以上。這是工業(yè)PC熱的基礎(chǔ)。搞工控的專家和技術(shù)人員自然想賦予PC總線更高的使命，擬讓它在過程控制、制造自動化及樓宇自動化等方面扮演重要角色。作為與DCS、PLC成鼎足之勢的IPC市場在擴大，尤其是在我國。IPC機箱中插入各種高性能的CPU卡、RAM、ROM/FLash電子盤、各類外設(shè)卡及工業(yè)I/O卡，便構(gòu)成了一個工業(yè)過程控制IPC硬件系統(tǒng)。
(1)結(jié)構(gòu)上，采用平板式顯示器與觸摸屏，除適合卡板豎插的19機箱結(jié)構(gòu)，還普遍推出前后插的機箱結(jié)構(gòu)；適用于中小系統(tǒng)的一體化結(jié)構(gòu)(整個系統(tǒng)都在一個機箱內(nèi))。
(2)應(yīng)用上，和通用PC機一樣，應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，除傳統(tǒng)的過程控制、制造自動化外，還向樓宇自動化、公路收費等控制、管理方面擴展應(yīng)用。
(3)嵌入式PC和嵌入式計算機，嵌入到設(shè)備內(nèi)部，提供用戶接口，管理數(shù)據(jù)輸入、輸出和指導(dǎo)設(shè)備工作的計算機。目前，中國在嵌入式設(shè)計中使用最多的還是80386和80486，這種CPU性能價格比高，有InTel、IBM、Cyixs、AMDT TI等著名CPU制造商支持。豐富的軟件(包括操作系統(tǒng)、開發(fā)工具和應(yīng)用軟件)支持。嵌入式PC能在惡劣環(huán)境下(如高溫、潮濕和震動等)長期可靠工作。嵌入式PC平均無故障時間(MBTF)為1000～150000h，而臺式機僅為10000～15000h。硬件、軟件和工業(yè)PC差不多。
5.傳感器的發(fā)展趨勢
傳感、通信、計算機技術(shù)構(gòu)成現(xiàn)代信息的三大基礎(chǔ)，80年代是個人計算機，90年代是計算機網(wǎng)絡(luò)，預(yù)計21世紀第一個10年熱點很可能是傳感、執(zhí)行與檢測。傳感器的作用主要是獲取信息、是信息技術(shù)的源頭。在信息時代里，隨著各種系統(tǒng)的自動化程度和復(fù)雜性的增加。需要獲取的信息量越來越多，不僅對傳感器的精度、可靠性和響應(yīng)要求越來越高，還要求傳感器有標(biāo)準(zhǔn)輸出形式以便和系統(tǒng)聯(lián)接。顯然傳統(tǒng)的傳感器因其功能差，體積大很難滿足要求。發(fā)展高性能的、以硅材料為主的各種先進傳感器已成為必然。如諧振式、電容式、光電式和場效應(yīng)化學(xué)傳感器等。盡管它們的敏感機理不同，但其總的共同特點是向微型化、智能化方向發(fā)展。近年來，微電子、微機械、新材料、新工藝的發(fā)展與計算機、通信技術(shù)的結(jié)合創(chuàng)造出新一代的傳感器與檢測系統(tǒng)。
傳感器的發(fā)展方向：
(1)微傳感器
微傳感器的特征之一是體積小，其敏感元件的尺寸一般為微米級。是由微機械加工技術(shù)制作而成的，包括光刻、腐蝕、淀積、鍵合和封裝等工藝。利用其中的各向異性腐蝕、犧牲層技術(shù)LIGA工藝，可以制造出層與層間有很大差別的三維微結(jié)構(gòu)。包括可活動的膜片、懸臂梁、橋以及凹槽、孔隙、錐體等。這些微結(jié)構(gòu)與特殊用途的薄膜和高性能的集成電路相結(jié)合，已成功地用于制造各種微傳感器乃至多功能的敏感元件陣列(如光電探測器等)，實現(xiàn)了諸如壓力、力、加速度、角速率、應(yīng)力、應(yīng)變、溫度、流量、成像、磁場、濕度、PH值、氣體成分、離子和分子濃度以及生物傳感器等。
(2)智能化傳感器
所謂智能化傳感器是指以專用微處理器控制的具有雙向通信功能的先進傳感器系統(tǒng)，微處理器能按照給定的程序?qū)鞲衅鲗嵤┸浖刂疲褌鞲衅鲝膯喂δ茏兂啥喙δ堋０ㄗ匝a償、自校正、自診斷、遠程設(shè)定、狀態(tài)組合、信息存儲和記憶等功能。
(3)傳感器的發(fā)展動向
1)提高微傳感器的性能。改善和提高微傳感器的性能是今后的主要努力方向之一。
2)微傳感器的集成。硅微傳感器和微電子系統(tǒng)以及微執(zhí)行器很可能全部制造在一個芯片上形成單片集成，構(gòu)成一個閉環(huán)系統(tǒng)。
3)陣列化。利用同類傳感器陣列，可使原本用單一傳感< |
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