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摘要：本文介紹了新時代工業計算機技術發展的歷史沿革，分析了目前國內外的現狀，預測了工業計算機技術和相關自動化技術的未來主要發展趨勢，供國內從事工業計算機或嵌入式系統方面工作的設計工程師和設備制造商參考。

關鍵詞：模塊化計算機；工業平板電腦；邊緣計算設備；個性化定制；移動HMI；分布式智能控制系統 Abstract: This paper mainly analyses the present status of industrial computers worldwide in the new era, and predicts the future development trends of the industrial computer technologies.

Key words: Computer on modules; Panel computers; Edge computing devices; Customization; Mobile HMI; Distributed intelligent control systems

1　工業計算機技術發展簡要回顧

工業控制計算機（Industrial Control Computers）的概念是20世紀80年代由“中國計算機學會工業控制計算機專業委員會”的專家們提出來的。當時Intel公司的8086/8088、Zilog公司的Z8000以及Motorola的68000等16位微處理器相繼問世，并開始流行。也就是在這個時候，IBM公司將8088應用到PC機上，從此微型計算機開始走入人們的工作和生活，開啟了一個微機新時代。同期，Intel推出了以8051為核心的MCS-51系列單片微型計算機（簡稱單片機），并在工業自動化及相關控制領域得到了廣泛應用。為了提高微型計算機的可靠性和惡劣環境適應性，將微型計算機技術應用于工業測量和控制領域，為非計算機專業設計和研發人員提供一套可靠、簡單、易用的解決方案，工業控制計算機應運而生。

工業控制計算機，業界也稱其為工業計算機（Industrial Computers）或嵌入式計算機（Embedded Computers）。根據《計算機科學百科全書》（第二版）的描述，工業控制計算機是具有“高可靠性、惡劣環境適應性、易維護性、強實時性、易擴展性”特點的計算機，其范疇主要包括工業計算機（Industrial Computers）、工業/嵌入式平板電腦（Industrial/Embedded Panel PCs）、工業平板電腦（Industrial Panel Computers）、加固工業計算機（Rugged Industrial Computers）、工業PC（Industrial PCs）、單板機（Single Board Computers）、模塊化計算機（Computer on Modules）、加固計算機（Rugged Computers）、加固便攜電腦（Rugged Laptops）、嵌入式計算機（Embedded Computers）、嵌入式PC（Embedded PCs）、嵌入式系統（Embedded Systems）。其外延可以擴展到PLC（Programmable Logic Controller）、PAC（Programmable Automation Controller）、DCS（Distributed Control Systems）等計算機控制平臺（Computer Control Platforms）。

主要特點：模塊化結構、總線型以及惡劣環境適應性和商業軟件兼容性。

發展脈絡：主要是基于并行總線技術，伴隨著并行總線技術的發展而發展，并逐漸向串行總線過度。

模板之間主要互聯總線：STD總線、VME總線、ISA總線（XT/AT總線）、AT96總線、PCI總線、CompactPCI總線、PXI總線、AdvancedTCA總線、mTCA總線、PC/104總線、PC104-plus總線、PCI/104總線、PCI/104-Express、PCIe/104總線以及VPX總線。

2　工業計算機技術發展現狀

伴隨著中國改革開放40年的發展，工業計算機已經廣泛應用到了國民經濟的各行各業，應用領域主要集中在工業自動化和控制（Industrial automation & control）、測試與測量（Test & Measurement）、儀器儀表（Instrumentation）、航空電子設備（Avionics）、航天設備（Aerospace）、國防裝備（Defense）、能源（Energy）、汽車（Automotive）、信息娛樂設備（Infotainment）、通信（Communications）、醫療器械（Medical）、交通運輸（Transportation）、物流（Logistics）、信息安全（Security）、智能建筑（IntelligentBuilding）、環境保護（Environment protection）、數字標簽（Digital signature）以及智能零售（iRetail）等。

雖然隨著技術的進步，總線和接口標準不斷在變化，但有些事情是不變的。

2.1　模塊化結構依然是工業計算機不變的主流架構，新一代模塊化計算機興起

不同于所熟知的符合各種工業總線標準的計算機模板，如CPU板、I/O模板、功能模板等，模塊化計算機是需要插在另一塊功能載板（Carrier Board）上工作的計算機系統模塊，安裝結構是層疊式而不是導軌式。傳統的模塊化計算機主要有1992年正式發布的PC/104標準模塊，及其升級型號PC/104-plus、PCI/104、PCIe/104等；以及1998年推出的ETX（Embedded Technology eXtended）模塊及其升級型號XTX（eXpress Technology for ETX）模塊。目前，采用超低功耗、低時延、基于ARM或x86 processor的片上系統（SoC: System on Chip）技術的、微型化的新一代模塊化計算機模塊（COM: Computer on Modules）開始興起。在市場中占主導地位的是COMe，Qseven，SMARC模塊^[1]，新興的模塊化計算機模塊主要應用在物聯網（IoT: Internet of Things）、工業物聯網（IIoT: Industrial Internet of Things）、工業互聯網、Industry 4.0、邊緣計算（Edge computing）以及工業自動化和控制等嵌入式應用領域。

COM模塊全系列產品生產企業主要是Kontron、Congatec、MSC Technologies和凌華科技。Versalogic、RTD Embedded Technologies和深圳盛博主要生產PC/104系列產品和COMe模塊；研華科技的主要產品是COMe和Qseven模塊。

2.2　高可靠、快修復、惡劣環境適應性依舊是其代表特征，免維護設計開始占據主導地位有別于商用計算機，工業計算機是在室外等最苛刻的環境中（the Most Demanding Applications）工作的，其重要特征是長期可用性（Long-term Availability）、高可靠性（High Reliability）和良好的可維護性（FriendlyServiceability）^[2]。目前國際流行的免維護（Maintenancefree）設計已經在工業計算機的設計中占主導地位，由此將極大降低制造商和用戶的運行成本和維護費用，也減少了由于系統故障而造成的利潤損失。免維護設計要采取一些嚴苛的措施來保證，如去掉運動部件、選用低功耗元器件、不采用電池供電、使用保持時間長（holdup times）的電源供電以及采用長壽命（long-life）元器件等^[3]。

工業計算機的可靠性用MTBF（Mean Time Between Failures）來描述。一般商用計算機的MTBF大約是20000小時，也就是2年。但工業計算機的MTBF要求至少是50000小時以上，甚至達到100000小時，相當于連續運行5年以上而無故障。現在主流設計是采用低功耗CPU或SoC，取消風扇和硬盤等運動部件來實現可靠工作[3]。可維護性是用MTTR（Mean Time To Repair）來度量的，表示計算機出現故障后恢復正常工作的速度。商用計算機對MTTR無要求；工業計算機在出現故障情況下需要快速修復，其要求MTTR小于30分鐘，甚至可以達到5分鐘^[4]。工業計算機的可用性是可靠性和可維護性的函數，即Availability=MTBF/(MTBF+MTTR)。工業計算機的可用性一般設計為5個9，即99.999%，連續工作一年的宕機時間（downtime）不超過5分鐘。為了保證已經定型的工業計算機產品具有較長的生命周期，如5~7年或者更長時間，需要選用長壽命（long-lifecycle）元器件，不僅可靠工作時間長，還要具有長期持續供貨能力。而商用計算機的淘汰速度比較快，一般為9~12個月^[4]。除此之外，工業計算機對抗震動（Vibration）、沖擊（Shock）能力、極限溫度條件（Extreme temperature）以及入口保護（Ingress protection）都有嚴格要求。這些指標保證了工業計算機能在室外等嚴苛的環境條件中長期、穩定、可靠工作。

2.3　串行總線已經占據主導地位，并行總線還會存續一定時間

雖然支持并行總線的計算機模板或模塊還在一定范圍內使用，可能還需要持續存在一定時間，如ISA總線、PC/104總線、PCI總線、PCI/104總線等，但采用串行互聯總線的模板或模塊已經牢牢地占據了市場主導地位，如PCI Express、PCIe/104總線、VPX總線以及Industrial Ethernet等。同樣，串行接口總線，如SATA，USB等，也已經逐漸取代了并行接口總線，如IDE、LPT等，業已成為主流接口總線。

2.4　顯示和控制一體化趨于流行，工業平板電腦被廣泛采用
長期以來，工業計算機的主機和顯示屏（器）是分離的。隨著多點觸控技術（Multi-touch technology）的成熟，工業多點觸控顯示面板（Industrial multi-touch Panels）市場占有率不斷提高，市場需求旺盛，推動了工業計算機逐漸發展為主機和顯示一體化，即工業平板電腦，使顯示和控制一體化、個性化。工業平板電腦符合人機界面軟件和監控操作走向網絡邊緣、走進現場前端的技術發展趨勢。為了適應惡劣的工業環境，工業平板電腦一般都符合IP65標準。

目前市場上流行的工業平板電腦類型有Industrial Panel PCs、Panel Computers、Fanless Embedded Panel PCs以及All-in-One Panel PCs等。國內主要生產企業有富士康工控（FOXKPC）、深圳英德斯、研祥智能、集智達智能、深圳昆侖通態、深圳科拉德計算機、北京啟陽科技、南京研維、東方松柏、北京宇田信達、臺灣凌華科技、臺灣新漢、臺灣融程電訊以及臺灣研揚等。國外企業主要有BCM Advanced Research、Industrial Computers Limited、Caltron Technology、Impulse Embedded Limited、Beckhoff Automation以及Contec等。

2.5　低功耗、無風扇、微小型化、個性化成為主要指標特征

市場上的大多數工業計算機是滿足嵌入式應用需求的計算機，即嵌入式計算機。絕大多數工業計算機并不是放在辦公桌上工作，能看得見、摸得著，而是嵌入到控制室里或者安裝在現場的設備當中，以隱蔽的形式存在和運行。為了適應這種嵌入式應用需求，工業計算機大多是低功耗、無風扇工作的，以提高可靠性，減少故障率。體積微型化或小型化，以應用在對空間限制比較嚴格的場合。功能和外形可以客戶定制，形態多樣，滿足個性化要求。

3　國內外工業計算機主要研究和制造企業

3.1　國內主要企業

北京控制工程研究所、北京軒宇智能、北京軒宇空間、深圳研祥智能、北京集智達智能、北京康拓科技、深圳英德斯電子有限公司、北京力控元通科技有限公司、陜西威藍工業自動化有限公司、上海瑞強信息科技有限公司、北京立華萊康平臺科技有限公司、深圳昆侖通態、深圳德航智能技術有限公司、北京宇田科技有限公司、東方松柏科技（北京）有限公司、北京啟陽科技有限公司、富士康科技集團工控部（FOXKPC）、臺灣研華（Advantech）、臺灣凌華（ADLINK）、臺灣新漢（NEXCOM）、臺灣融程電訊、臺灣磐儀科技（Arbor）、研揚科技（蘇州）有限公司、艾訊科技、廣積科技、研強科技、北京阿爾泰科技發展有限公司、研為科技、摩莎（Moxa）科技（上海）有限公司、臺灣昭營科技（ICOP）、臺灣威盛科技（VIA Technologies）、臺灣瀚達電子、深圳市佳維視（Jawest）電子科技有限公司、天津市英貝特航天科技有限公司、北京方天長久科技股份有限公司、上海鼎鈦克電子有限公司、北京新松佳和電子系統股份有限公司、北京凌天科技有限公司、北京研泓興業科技有限責任公司、深圳華北工控、廣州市拓盈科技有限公司、上海諾達佳自動化技術有限公司、以及深圳邦彥技術股份有限公司等。

3.2 國外主要企業

Versalogic、Kontron Compact Computers AG（德國控創）、National Instruments、Caltron Technology, Congatec AG（德國康佳特）、Industrial Computers（Kontron UKLimited）、Artesyn Embedded Technologies、Janam TechnologiesLLC.、EG Electronics、Impulse Embedded Limited、Beckhoff Automation、BCM Advanced Research、Trenton Systems、Dataforth Corp.、Arcobel Embedded Solutions (Netherlands)、Contec Co.、RTD Embedded Technologies Inc.、MSC Technologies、以及JTL mobile computers等。

3.3　國內外工業控制系統（DCS、 PLC、PAC）主要制造商

和利時集團、中控科技集團、中國電子信息產業集團有限公司第六研究所、國電智深、ABB、Siemens（西門子）、Rockwell Automation（羅克韋爾自動化）、AllenBradley、Honeywell（霍尼韋爾）、Schneider Electric（施耐德電氣）、OPTO22，以及Yokogawa Electric Corp.（橫河電機）等。

4　工業計算機技術未來主要發展趨勢

據專家預測，未來六種新技術將驅動新一波創新浪潮，即人工智能（Artificial Intelligence）、物聯網（Internet of Things ）、高級機器人技術（Advanced Robotics）、區塊鏈（blockchain）、新材料（New Materials）以及自主設備（Autonomous Devices) [5]。隨著新一波創新浪潮涌來，新科技成果逐漸轉化、應用，必將極大驅動工業計算機技術的進步和創新步伐。

4.1　模塊化計算機將成為工業和嵌入式系統設計普遍采用的系統模塊

未來，越來越多的工業和嵌入式系統設計工程師將采用模塊化設計方案，像搭積木一樣，用標準的、成熟的、開箱即用的計算機模塊，來組裝滿足客戶特定應用需要的工業和嵌入式產品。這種設計方式可以使設備制造商或客戶對市場需求做出快速響應，顯著降低研制難度和研制費用，降低研制風險，減少研制時間、提高工作效率，縮短產品投放市場時間，有利于在激烈的市場競爭中搶占先機。

模塊化設計當中一個最重要的模塊無疑是模塊化計算機模塊。從本質上來講，模塊化計算機也是一種特殊的單板機（Single Board Computer）。制造商在提供模塊化計算機時會附帶一套免費的底層支持軟件包BSP（Board Support Package）和嵌入式操作系統等軟件 ^[6]。有了模塊化計算機模塊，專用設備制造商就可以避免從事計算機主板設計中技術難度大、復雜程度高、風險也大的處理器、存儲器和高速接口部分設計，以及相應底層支持軟件（如驅動軟件、數據庫軟件和API）的編制 ^[6]，而專心做面向特定應用的專業性、知識性比較強的外部接口和功能設計，即載板（Carrier）設計。更重要的是，一旦應用對象的技術要求變更或需要升級成性能更高、功能更強大的新型處理器，也無需從頭再來設計整個系統，只需簡單地更換一塊模塊化計算機或基礎載板即可，省時、省事、省心、省費用。因此，模塊化計算機將發展成為全球范圍工業和嵌入式系統設計普遍采用的、技術領先的系統模塊。

在可預見的未來，模塊化計算機市場將主要由三種標準模塊主導，即COM express, Qseven和SMARC模塊。COM express模塊主要支持x86架構SoC，采用可靠堅固的連接器（Reliable

and Rugged Connector）與載板連接，抗震動和沖擊能力強，適合應用在嚴苛的工業環境。Qseven和SMARC模塊主要支持non-X86架構的SoC，如ARM系列，同時也支持低功耗的x86架構SoC。SMARC有豐富的視聽接口信號，適合多媒體設備采用。Qseven具有豐富的I/O接口，更適合工業和嵌入式應用。但Qseven和SMARC模塊與載板是通過金手指連接器（Flat Edge Connector）連接，可靠性比COMe要低^[6]。模塊化計算機模塊主要供應商是德國控創和德國康佳特。國內工控廠家主要生產PC/104系列和COM express模塊，如盛博科技、研祥智能、深圳英德斯等。

COM express規范由國際標準化組織PICMG制定，Qseven和SMARC規范由國際標準化組織SGET（StandardizationGroup for Embedded Technologies）制定。

當然，隨著AI和5G的快速發展，要求有性能更高的CPU、更高的帶寬以及大容量的存儲器，因此需要一個全新的Computer on Modules標準問世與之相對應。從2018年開始，PICMG就已經著手組織制定兩款與之相關的規范，一是Server Type，另一個是Embedded Type ^[7]。Server Type支持性能達到125W TDP的CPU、更高帶寬的PCI Express Gen5、最大達100GB的LAN、USB3.2以及最多8個存儲器條。Embedded Type可以支持性能達到65W TD、PCI Express Gen5、USB 3.2、高分辨率圖像通道、支持TSN的Ethernet以及最多4個存儲器條。

4.2　隨著5G、AI、大數據和IIoT的深度融合，工業計算機將進入5G移動網絡時代

隨著5G移動通信開始試驗部署并逐漸推廣，5G將對世界范圍內的商業運營模式和消費者的生活帶來深刻影響。預計到2020年，5G移動網絡連接技術將拓展到迅速增長的新興領域，如物聯網、自動駕駛汽車、智能家居等行業，也必將改變工業計算機之間的網絡連接方式。通過推動工業物聯網的急劇擴張，以及為機器學習（machine learning）和深度學習（deep learning）獲取海量實時數據，5G將為未來工業生產和人類生活提供所必需的智能連接（Intelligent Connectivity）能力。5G、AI、大數據、智能平臺（Smart Platform）和IIoT的深度融合將改變世界，開創一個智能連接時代^[8]。

在邊緣計算（Edge Computing）和網絡切片（Network Slicing）技術的支撐下，5G移動網絡在授權許可的范圍內可以實現高速（10 gigabit-per-second download speeds）、高帶寬、超可靠和低延時（1ms）聯通性 ^[8]，減少對安裝和維護成本都昂貴的電纜線的依賴，實現按單元分組和空中（by the air）自由組網，使工廠生產過程具有更高的靈活性。

5G網絡的1ms低延時，使基于工業計算機的工業智能設備可以實現數據的快速、實時傳輸以及事件的快速響應，響應時間具有可預測性和確定性，滿足工業網絡對數據傳輸的實時性和確定性要求，將驅動眾多工廠、醫院、交通運輸工具等進行智能化改造。借助5G移動網絡，工廠操作員可以方便地對智能設備進行遠程實時遙測和遙控，工業智能設備互聯將進入5G時代。

目前，工業自動化行業正在聯合起來行動，尋找一種專為工廠應用設計的基于Ethernet的標準協議，以解決在工廠里同時存在多個不同標準的網絡和網絡碎片化的現狀^[9]。IEC、IEEE、Industry4.0以及Industrial Internet Consortium正在為此工作，而5G就是其中一種可行的選擇方案。

4.3　小型化、微型化是未來工業計算機發展的必然趨勢

作為一種滿足嵌入式應用要求的嵌入式計算機，工業計算機的外形尺寸會變得越來越小，但功能卻越來越強大。小型化甚至微型化是工業計算機未來發展的必然趨勢。隨著邊緣計算和人工智能的發展，越來越多的數據需要在網絡邊緣或者靠近數據源端，就地存儲和處理，實現事件的快速響應。這必然帶來對滿足邊緣計算和智能信息采集、存儲、處理的嵌入式計算設備的需求劇增。據RTCMagazine預測，小型化系統在萬物互聯的世界里將發揮越來越重要的作用^[10]。在IoT或IIoT的驅動下，尺寸小、功能強的微小系統的市場將發生爆炸性的增長，并得到廣泛的應用和部署。

4.4　面向嵌入式應用的客戶個性化定制（Customization）產品未來將呈現爆發式增長

21世紀工廠自動化的未來不再是大規模生產（MassProduction），而是大規模客戶定制（Mass customization）。個性化需求、小批量定制生產將成為潮流，一款產品包打天下（One-size-fits-all Products）將讓位于客戶定制化，以滿足不同客戶的特定要求和欲望^[11]。因此，近年來工業計算機產業的產品特性已經趨向于專業化及多樣化，以滿足不同的客戶需求。同時市場需要穩定和可靠的產品質量，因此工業計算機制造商需要不斷提高快速反應客戶定制化需求的能力，及時提供面向特定應用的高質量產品。

相對于標準化通用產品，面向嵌入式應用的定制化工業計算機，要具有更低的成本、更小的尺寸、更低的功耗以及更高的性能，因此也更有吸引力和競爭力。客戶定制的產品多以單板計算機為主，即一塊計算機模板上集成了客戶特定應用所必需的核心處理器單元和接口功能，刪除了通用產品中多余的功能和相應電子元件，既降低了成本，也消除了無用功能或電子元件可能引起的故障隱患。這種定制單板機的設計可以從零開始，也可以采用開箱即用的模塊化計算機與I/O功能載板設計相結合的方式，這樣可以簡化設計復雜性，降低設計難度，節省設計費用，縮短交付客戶時間，加快市場反應能力。

近來風起云涌的邊緣計算是5G網絡的核心特征，也是結合5G的智能物聯應用的核心特征。針對智能物聯應用場景的特異性，邊緣計算對計算能力需求將呈現定制化、個性化的特征，將驅動計算能力領域FPGA產業迎來歷史性的機會，同時也將給具有強大計算能力的高性能工業計算機產業發展帶來歷史性機遇。