工業(yè)自動化體系主要包括工業(yè)自動化軟件、硬件和系統(tǒng)三大部分。作為20世紀現(xiàn)代制造領(lǐng)域中最重要的技術(shù)之一，工業(yè)控制自動化技術(shù)主要解決生產(chǎn)效率與一致性問題。自動化系統(tǒng)與計算機信息科學的緊密結(jié)合，給工業(yè)生產(chǎn)過程帶來了新的技術(shù)革新。當前的工業(yè)生產(chǎn)過程中，廣泛應(yīng)用了工業(yè)控制自動化技術(shù)，來實現(xiàn)對工業(yè)生產(chǎn)過程的檢測、控制、優(yōu)化、調(diào)度、管理和決策，以達到提高產(chǎn)品品質(zhì)和產(chǎn)量、降低生產(chǎn)消耗、確保安全等目的。控制理論、儀器儀表、計算機和其它信息技術(shù)的應(yīng)用，極大地推進了工業(yè)控制自動化技術(shù)的發(fā)展。

    日漸活躍的IPC

    在工業(yè)自動化體系中，一個重要的角色就是工業(yè)控制計算機，即IPC，或者叫產(chǎn)業(yè)PC。工業(yè)控制計算機是工業(yè)自動化設(shè)備和信息產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)備的核心。傳統(tǒng)意義上，將用于工業(yè)生產(chǎn)過程的測量、控制和管理的計算機統(tǒng)稱為工業(yè)控制計算機，包括計算機和過程輸入、輸出通道兩部分。但今天的工業(yè)控制計算機的內(nèi)涵已經(jīng)遠不止這些，其應(yīng)用范圍也已經(jīng)遠遠超出工業(yè)過程控制。

    自上世紀90年代初進軍工業(yè)自動化領(lǐng)域以來，IPC正以勢不可擋的速度進入各領(lǐng)域，獲得廣泛的應(yīng)用；眾多工控機生產(chǎn)廠家更是不斷推陳出新，使工控市場越來越活躍。工控機之所以大受歡迎，其根本原因在于PC機的開放性。PC的硬件和軟件資源極其豐富，并且為工程技術(shù)人員和廣大用戶所熟悉。基于PC的 (包括嵌入式PC)控制系統(tǒng)，正以20%以上的速率增長，并且已經(jīng)成為DCS、PLC未來發(fā)展的參照物。

    國內(nèi)IPC的興起

    可以通過總線技術(shù)的發(fā)展來衡量我國工控機的發(fā)展歷程。80年代工控機采用第一代STD總線，90年代開始逐漸被第二代ISA和PCI總線的IPC工控機取代。最新的第三代CompactPCI總線工控機已經(jīng)開始進入應(yīng)用階段。目前，在工業(yè)自動化領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的還是采用ISA和PCI總線的工控機產(chǎn)品。

    我國目前的工業(yè)控制自動化技術(shù)、產(chǎn)業(yè)和應(yīng)用都有了很大的發(fā)展，我國工業(yè)計算機系統(tǒng)行業(yè)已經(jīng)形成。目前，工業(yè)控制自動化技術(shù)正在向智能化、網(wǎng)絡(luò)化和集成化方向發(fā)展。隨著電力、冶金、石化、環(huán)保、交通、建筑等領(lǐng)域的迅速發(fā)展，工控機的市場需求將會越來越大，工控機市場發(fā)展前景十分廣闊。

    工業(yè)控制自動化的核心技術(shù)

    在工業(yè)控制計算機的基礎(chǔ)上，企業(yè)管理和控制過程中所涉及到的核心技術(shù)主要有網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）技術(shù)等。

    提到網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，人們就容易想到伴隨PC而產(chǎn)生和發(fā)展的互聯(lián)網(wǎng)。互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)隨著IPC的發(fā)展逐漸深入到企業(yè)管理和控制過程之中，從而使控制系統(tǒng)與管理系統(tǒng)的結(jié)合成為必然。為使企業(yè)形成自身發(fā)展所需要的最佳解決方案，提高企業(yè)的生產(chǎn)效率，增強市場競爭力，就必須發(fā)展管控一體化的系統(tǒng)集成技術(shù)和系統(tǒng)。自動化技術(shù)發(fā)展方向就是通過以太網(wǎng)和Web技術(shù)，實現(xiàn)開放型分布式智能系統(tǒng)，基于以太網(wǎng)和TCP/IP協(xié)議的技術(shù)標準，提供模塊化、分布式、可重用的自動化方案。

    另一項技術(shù)就是現(xiàn)場總線。現(xiàn)場總線（Fieldbus）技術(shù)是工業(yè)自動化最深刻變革之一。PLC和工控機采用現(xiàn)場總線后可方便地作為I/O站和監(jiān)控站連接在DCS系統(tǒng)中。現(xiàn)場總線是一種取代陳舊的4～20mA標準，連接智能現(xiàn)場設(shè)備和控制設(shè)備的雙向數(shù)字通訊技術(shù)，現(xiàn)場總線具有開放性和互操作性，一些控制功能得以下移到現(xiàn)場設(shè)備中。通過現(xiàn)場總線可以給工業(yè)自動化生產(chǎn)帶來如下益處：

    首先，提高了設(shè)備的互操作性。不同廠家的多個設(shè)備可以工作集成在一個系統(tǒng)中，或者任意選擇不同廠家的設(shè)備來互相替換，而沒有任何功能的缺失。

    其次，降低了設(shè)備的安裝和維護費用。FCS可以實現(xiàn)數(shù)字化終端功能模塊，具有了智能信息處理功能，并且簡化了與控制計算機的連線，這樣便極大降低了設(shè)備的安裝費用。同時，現(xiàn)場總線將擴大操作人員觀察整個過程的視角，可以方便和有效地進行維護和過程管理，加快查找和消除故障的速度，甚至實現(xiàn)在線診斷。

    最后，隨著控制功能從DCS轉(zhuǎn)移到單獨的控制回路，由于就地控制更快，更準確，系統(tǒng)的集成度和可靠性也增加了。這樣就改進了整個系統(tǒng)的性能。由于現(xiàn)場總線使得更容易從現(xiàn)場獲取設(shè)備信息，工廠操作員和管理人員能夠?qū)ζ溥^程進行更嚴格的控制，從而改進性能、增加過程的可用性和一致性。

    工業(yè)自動化系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)

    基于以上技術(shù)，工業(yè)控制自動化將主要包含三個層次，從下往上依次是基礎(chǔ)自動化、過程自動化和管理自動化，其核心部分是基礎(chǔ)自動化和過程自動化。

    如圖1所示，即一個典型的工業(yè)自動化系統(tǒng)的三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其低層是以現(xiàn)場總線將智能測試、控制設(shè)備，以及工控機或者PLC設(shè)備的遠程I/O點連接在一起的設(shè)備層；中間是將PLC、工控機以及操作員界面連接在一起的控制層網(wǎng)絡(luò)，而上層的Ethernet以PC或工作站為主完成管理和信息服務(wù)任務(wù)。三級網(wǎng)絡(luò)各司其職，描述了工業(yè)自動化的典型結(jié)構(gòu)。
 

圖1. 工業(yè)自動化系統(tǒng)的三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

    可以設(shè)想，在IPC的基礎(chǔ)上通過如上三級網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，構(gòu)建連接工廠生產(chǎn)過程控制到企業(yè)ERP系統(tǒng)的前景將是多么誘人！企業(yè)管理層可以透過網(wǎng)絡(luò)直接接受工廠端反饋的生產(chǎn)過程控制信息，而工廠控制端也可以直接接受來自管理層的信息指導，工業(yè)生產(chǎn)過程就可以變得透明，使不同職能部門可以通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)有機結(jié)合。這樣就使得企業(yè)管控一體化、工業(yè)企業(yè)信息化、基于網(wǎng)絡(luò)自動化的目標得以實現(xiàn)。
 

圖2  工業(yè)自動化解決方案示意圖

    如圖2所示，在設(shè)備層采用了現(xiàn)場總線控制，各種檢測控制設(shè)備通過現(xiàn)場總線，在總線橋單元轉(zhuǎn)化為RS-232/485等串口信號與現(xiàn)場控制室的近端計算機系統(tǒng)連接。近端單元計算機采用了研揚的AEC-6810。近端單元計算機與工廠控制中心的工作站通過網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，工作站由操作員或管理員對工廠的多種設(shè)備運行狀態(tài)進行監(jiān)控，方便及時發(fā)現(xiàn)和排除故障。工作站采用了研揚的AWK-3501工作站，內(nèi)部可采用奔3或奔4多種級別的板卡。最后，控制層的計算機單元通過以太網(wǎng)與遠程服務(wù)器ARS-640（4U工業(yè)控制計算機）連接，方便遠距離管理人員獲取現(xiàn)場信息并實施管理。這樣就構(gòu)成了一個多層次的高彈性擴展能力的工業(yè)自動化系統(tǒng)。

    綜上所述，工業(yè)控制計算機在工業(yè)自動化中的重要意義在于如下幾個方面：

    （1）工業(yè)控制計算機技術(shù)是開放式的系統(tǒng)，其高可靠性、易用性方便了工業(yè)環(huán)境的使用。并且在其基礎(chǔ)上發(fā)展起來的網(wǎng)絡(luò)化和現(xiàn)場總線技術(shù)又進一步促進了工業(yè)自動化的發(fā)展。工業(yè)控制計算機可謂是工業(yè)自動化發(fā)展的源動力。

    （2）IPC建立的系統(tǒng)可以顯著提高企業(yè)的生產(chǎn)效益，節(jié)約運營成本，使生產(chǎn)企業(yè)得以實現(xiàn)深層次的信息化，對企業(yè)管理提供準確可靠的參考，使企業(yè)得以取得最大的效益，贏得發(fā)展先機。

    （3）IPC是目前階段滿足我國工業(yè)自動化改造與創(chuàng)新發(fā)展的一個強大的動力，推動了國民經(jīng)濟各個行業(yè)的發(fā)展，使我國向信息化的方向邁向前進。