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1、概述

    計算機技術、通信技術和網絡技術的發展，改變了人類的生活和工作方式，使人類步入信息化時代。人們基本擺脫了固定電話在空間和時間上的限制，可以隨時、隨地、自由地通過移動電話進行信息溝通。人們也基本擺脫了紙張信件造成的空間和時間限制，可以通過電子郵件，在幾秒鐘或幾分鐘內實現與遠在天邊的人們進行信息的交流，增加了信息交流的及時性和確定性。一般將辦公自動化和家庭應用的普通計算機叫做“個人計算機”。計算機技術、控制技術、網絡技術在工業上的應用，改變了工業的生產和管理方式，進入了生產自動化、控制智能化和管理信息化時代。在工業生產控制和管理過程中應用的計算機叫做“工業控制計算機”，簡稱“工控機”，國外也叫“工業計算機”。
工控機的主要特點：標準化、模塊化結構，便于組合和擴展；系列化、產品化的控制器模塊和豐富的I/O功能模塊，具有廣泛的適應性；通用性和開放性強，便于系統集成；惡劣環境條件適應性和可靠性，能長期不間斷工作，具有良好的工作穩定性；體積小；成本低；應用系統開發時間短；標準化和可互操作性，標準和產品由眾多廠家支持和發展。

2、工控機總線標準的起源

    20世紀70年代初期，隨著微型計算機技術的興起，出現了一系列計算機芯片，如Zilog公司的Z80、Motorola的68K、Intel的8088、8086、MCS51系列等。這些廠家的生產的芯片互不兼容，管腳定義、運行時鐘、工作時序都不同，給構造微型計算機及其應用系統造成了極大困難，嚴重阻礙了微機技術的進步。標準化的問題開始引起了芯片制造商的關注。

    標準化的道路有兩條。一條是芯片內部總線的標準化，只要所有廠家都按同一種片內總線生產芯片，具有相同的管腳定義和工作時序，就可以實現互連。但一方面難以找到一條公認的最佳片內總線，另一方面這與制造商的利益沖突，因此受當時歷史條件的局限，難以實現芯片一級標準化。另一條是在模板一級實現標準化。由于模板一級的標準化可以獨立于微機芯片，既維護了芯片生產制造商的利益又可以實現產品互連、協同工作，因此，模板級標準化的方案得以實現。

    板級互連總線標準兼顧了大多數芯片制造商的利益，使得各種系列芯片只要經過簡單的邏輯轉換，就可以與總線標準兼容，具有合理性和先進性，被大眾所接受，成為了公認的總線標準，由此也產生了工控機總線標準。按總線標準研制生產的功能模板叫做“OEM”產品，按照標準生產的帶有一定數量總線插槽的總線底板叫做“背板”。這樣，將各種功能模板插在背板的插槽上就構成了一個微機系統。由此而產生的一系列工控機總線標準主要有STD總線、Multiplus總線、VME總線、VXI總線、ISA總線、PC/104總線、PCI總線、CompactPCI總線、PXI總線、PCI Express總線以及AdvancedTCA總線等。

    迄今為止，工控機技術已經發展了20多年，形成了三代具有代表性的產品。

3、第一代工控機技術的興起與演變

    第一代工控機技術起源于20世紀80年代初期，盛行于80年代末和90年代初期，到90年代末期逐漸淡出工控機市場，其標志性產品是STD總線工控機。STD總線是由美國Pro-Log公司和Mostek公司作為工業標準而制定的8位工業I/O總線，隨后發展成16位總線，統稱為STD80，其主要技術特點是“分時復用技術”。STD總線于1978年12月公布，1985年2月被國際標準化組織吸收，稱為IEEE961標準。國外主要的STD總線工控機制造商有Pro-Log、Winsystems、Ziatech等，而國內企業主要有北京康拓公司和北京工業大學等。STD總線工控機是機籠式安裝結構，具有標準化、開放式、模塊化、組合化、尺寸小、成本低、PC兼容等特點，并且設計、開發、調試簡單，得到了當時急需用廉價而可靠的計算機來改造和提升傳統產業的中小企業的廣泛歡迎和采用，國內的總安裝容量接近20萬套，在中國工控機發展史上留下了輝煌的一頁。國內的主要產品是“V40系統II”以及“386EX”系統，也有一些基于Intel 486的產品。國外技術水平發展到了“Pentium”級產品，并擴展為STD32標準。PC DOS軟件的兼容性使STD總線得以發展，也由于運行PC Windows軟件的局限性使STD總線被淘汰出局，而取而代之的是與PC完全兼容的IPC工控機。]

    與STD總線處于同一時期并具有一定影響力的還有Intel公司于1977年推出的Multibus總線，被IEEE協會命名為IEEE796標準，在世界范圍內得到了一定程度的應用。

    VME總線雖然在國內并沒有推廣起來，但也可以說是第一代工控機技術中比較成功的標準。1981年，Mostek、Motorola、Philip和Signetics公司發明了VME總線，從此VME總線工業控制機在圖像處理、工業控制、實時處理和軍事通訊中得到了廣泛應用。1987年，VME總線被批準為國際標準IEEE1014-1987。VME總線接口為2個96芯的針孔連接器P1和P2（6U歐洲卡），數據寬度為32位，最大總線速度是40MB/sec。1996年的新標準VME64（ANSI/VITA1-1994）將總線數據寬度提升到64位，最大數據傳輸速度為80MB/sec。由FORCE COMPUTERS制定的VME64x總線規范將總線速度提高到了320MB/sec。VME總線工控機是實時控制平臺，大多數運行的是實時操作系統，如UNIX、VxWorks、PSOS、VRTX、PDOS、LynOS以及VMEXEC，由OS制造商提供專用的軟件開發工具開發應用程序。

    VME總線OEM產品由眾多的制造商支持，主要采用Motorola公司的68K系列微處理器，如25M/33M的68060，以及PowerPC等處理器。現在越來越多的VME總線SBC的制造商開始采用Intel公司和AMD公司生產的微處理器，如DY 4 Systems、Concurrent Technologies、VMIC、PEP Modular、Computers，以及SBS Embedded Computers等公司。

    1987年VXI總線聯合會成立，其目標是定義板級儀器標準，即VME擴展儀器儀表總線。VXI總線工控機以VME總線為內核，將歐洲卡尺寸擴展為A、B、C和D四種。

    由于VME和VXI總線有豐富的控制器和I/O功能模板資源，具有“熱插拔”和“多主機板并行工作”的技術特點，雖然價格昂貴，但目前還不能被其它工控機技術取代，因此將繼續在高可靠性應用領域占有一席之地。

4、第二代工控機技術的發展現狀與存在的問題

    1981年8月12日IBM公司正式推出了IBM PC機，震動了世界，也獲得了極大成功。隨后PC機借助于規模化的硬件資源、豐富的商業化軟件資源和普及化的人才資源，于80年代末期開始進軍工業控制機市場，產生了基于ISA總線的IPC工控機。IPC在中國的發展大致可以分為三個階段：第一階段是從20世紀80年代末到90年代初，這時市場上主要是國外品牌的昂貴產品。第二階段是從1991年到1996，臺灣生產的價位適中的IPC工控機開始大量進入大陸市場，這在很大程度上加速了IPC市場的發展，IPC的應用也從傳統工業控制向數據通信、電信、電力等對可靠性要求較高的行業延伸。第三階段是從1997年開始，大陸本土的IPC廠商開始進入該市場，促使IPC的價格不斷降低，也使工控機的應用水平和應用行業發生極大變化，應用范圍不斷擴大，IPC也隨之發展成了中國第二代主流工控機技術。目前，中國IPC工控機的大小品牌約有15個左右，主要有研華、凌華、研祥、深圳艾雷斯、華北工控、磐儀和艾訊等。

    90年代末期，ISA總線技術逐漸淘汰，PCI總線技術開始在IPC中占主導地位，使IPC工控機得以繼續發展。因此IPC并沒有向當時人們預測的那樣很快“消亡”。但IPC存在的難以克服的可靠性問題極大地限制了其進一步發展和應用：（1）受到機箱結構的限制，散熱通路不暢通，散熱性能不好，容易引起印制板變形、斷線、接觸不良等問題，還會造成電子器件壽命降低以及工作不穩定等；（2）板卡和無源背板之間的金手指邊緣接觸連接方式，容易造成在振動和沖擊過程中瞬間接觸不良，引起系統死機；（3）金手指自身在潮濕或腐蝕性氣體環境中長期使用，容易氧化或腐蝕，造成系統接觸不良，而且多次拔插容易變形；（4）多數板卡通過金屬擋片一端固定，在振動力的左右下容易產生微距離逆時針旋轉，造成系統信號斷路或短路，使系統崩潰；（5）系統機箱表面噴漆處理，不能形成一個完整的導電體，電磁干擾的屏蔽能力和靜電釋放能力差；（6）故障板卡更換時間長，可維護性差。因此，IPC開始逐漸從高可靠性應用的工業生產自動化層以及電信等領域退出，向管理信息化領域轉移，取而代之的是以CompactPCI總線工控機為核心的第三代工控機技術。

    雖然IPC技術是伴隨著PC技術的發展而發展，但在結構和技術上沒有不斷創新，雖然成本降下來了，但運行穩定性和可維護性并沒有從根本上解決。值得一提的是，IPC工控機開創了一個嶄新的PC-based時代，對工業自動化和信息化技術的發展產生了深遠的影響。

    在第二代工控機技術里，還需要提及一個比較成功的技術――PC/104總線技術。基于ISA總線的PC/104總線問世于1992年，自層迭式結構，不需要背板連接，具有尺寸小、結構緊湊、功耗低、可靠性高等特點，主要應用于軍事和醫療設備等對空間和功耗要求比較苛刻的系統中。1997年PC/104擴展成PC/104-Plus，增加了PCI總線定義，增強了其生命力。PC/104總線工控機依靠自身的特點和不斷地完善，還將繼續在其傳統優勢領域占有一席之地。

5、方興未艾的第三代工控機技術

    PCI總線技術的發展、市場的需求以及IPC工控機的局限性，促進了CompactPCI總線技術的誕生。作為新一代主流工控機技術，CompactPCI工控機標準于1997年發布之初就倍受業界矚目。相對于以往的STD和IPC，它具有開放性、良好的散熱性、高穩定性、高可靠性及可維護性等特點，非常適合于工業現場和信息產業基礎設備的應用，被眾多業內人士認為是繼STD和IPC之后的第三代工控機的技術標準。采用模塊化的CompactPCI總線工控機技術開發產品，可以縮短開發時間、降低設計費用、降低維護費用、提升系統的整體性能。國外主要的CompactPCI總線工控機制造商有Motarola Computer Group(兼并了原美國Pro-Log公司)、Intel（兼并了Ziatech）、德國Kontron公司，意大利Eurotech公司、英國BVM公司以及日本的ADTEK公司等。國內主要有臺灣凌華、研華、北京康拓、北京新松佳和以及深圳研祥等。“CompactPCI是PCI總線的電氣和軟件加上歐洲卡，它具有在不關閉系統的情況下的‘即插即用’功能，該功能的實現對高可用系統和容錯系統非常重要”，2004年度科技部科技型中小企業技術創新基金項目指南中的這段話，概括出了CompactPCI總線工控機的主要特點和重要性。國家“發改委”也將CompactPCI總線工控機列為了工業自動化技術主要產業化目標之一。

    2001年，PICMG2.16將以太網包交換背板總線引入到CompactPCI總線標準中，為電信語音增值服務設備和基于以太網的工業自動化系統提供了新的技術平臺。2002年，PICMG頒布了面向電信的新標準AdvancedTCA，簡稱ATCA。ATCA比PICMG2.16有更大的規格和容量、更高的背板帶寬、對板卡更嚴格的管理和控制能力、更高的供電能力以及更強的制冷能力等，用以解決電信系統目前面臨的系統帶寬問題、高可用性問題、現場升級問題、可伸縮性問題、可管理性問題以及可互操作問題，并最終降低成本。

    儀器和儀表是工業自動化設備的重要組成部分。CompactPCI向儀器儀表領域的擴展總線就是PXI總線。PXI產生于1998年，主要是面向“虛擬儀器”市場而設計的，但已經不局限于測試和測量設備，正在迅速向其它工業控制自動化領域擴展，并與CompactPCI總線互相兼容與補充。PXI總線工控機不但具有VXI的高采樣速率、高帶寬和高分辨率等特點，而且具有開放性、軟件兼容性以及價格低廉等優勢。一般來說，3U PXI產品用于構造便攜式或小型化的ATE測試設備、數采系統、監控系統以及其它工業自動化系統。6U PXI產品主要應用在高密度、高性能和大型ATE設備或工業自動化系統中。

6、以第三代工控機技術為基礎的開放式控制系統的應用前景和急需解決的問題

    目前國外和臺灣地區的CompactPCI總線工控機在大陸占有主要的市場份額，大約為10億人民幣。隨著工業測量和控制以及電信領域產品向CompactPCI總線架構轉移，每年的增長速度為15?21%。預計到2007年，以CompactPCI總線工控機平臺和OEM產品的產值將達到30億人民幣左右。根據國家“發改委”的調查報告，我國工業自動化設備市場份額大約200億人民幣，加上國防自動化和信息產業基礎設備，將達到1000億以上。因此CompactPCI總線工控機以及“以CompactPCI總線為基礎的開放式控制系統”產業化具有良好的發展前景。美國咨詢公司“Crystal Cube Consulting Inc”于2004年5月發布的研究報告估計，到2007年，全球ATCA產品的產值將達到200億美元，而整個電信設備市場將達到2500億美元。而中國又是世界電信市場最活躍、增長最快的部分，所以ATCA在中國的發展也相當樂觀。

    目前急需解決問題：（1）加速第三代工控機產品的國產化和本地化，實現產業化，降低產品價格；（2）加大以第三代工控機技術為基礎的開放式控制系統研制的投入力度，加快產業化的速度；（3）加強配套功能模板的OEM產品開發，解決系統配套問題，提供完整解決方案；（4）加強人才培養和用戶培訓，提高技術支持和服務水平；（5）成立產品兼容性和可互操作性測試權威機構，解決不同廠家的產品互操作問題；（6）面向行業發展，建設示范工程，加速推廣應用；（7）加強軟件開發環境的研制，使操作簡單、方便。