工业控制计算机技术的最新进展

    今年，信息产业部和国务院全国电子信息产品推广应用办公室也非常关注和重视“以工业控制计算机为基础的节能降耗系统”的发展，并列入了2008年度电子发展基金项目

    工业控制计算机技术的总线进展

    2.1昨日黄花std总线

    在上个世纪80年代风靡全国的std总线工业控制计算机技术已经彻底淘汰。ipc工控机已经演变成纯粹的pci总线工控机，isa总线已经从ipc中消失。

    2.2方兴未艾pci总线

    上个世纪90年代末期pci总线开始流行，当时isa总线还处于强势状态，虽然国内外的业界专家都预言isa总线将很快淘汰，但为了既能充分利用现有isa总线的资源，又能跟上新技术的发展，ipc中采用了isa总线和pci总线共存的折中技术方案。应该说这种技术路线是现实的，也是有效的，也为ipc的持续发展发挥了积极的作用。目前，随着pci总线技术的成熟和普及，以及硬件、软件和人才资源的不断丰富，pci总线在ipc中已经完全取代了isa总线。现阶段，ipc仍然是可靠性、安全性要求不很严格的低成本测控系统解决方案的重要选择项，特别是管理自动化和管理信息化层的应用。曾几何时，企业为了降低成本，将品牌pc机取代ipc作为测控系统的主机或管理机使用，但其长期运行的不稳定性也让企业付出了巨大的代价。

    2.3你中有我嵌入式pc/104总线嵌入式的pc/104总线虽然仍然保持着isa总线和pci总线并存的状态，但已经向pci/104和pciexpress迅速发展。pc/104工业控制计算机已经问世近15个年头，目前仍然在工业和国防测量、控制领域对体积和功耗有严格限制的应用领域保持着持久的地位和发展态势。pc/104总线的第一个发展趋势就是去掉pc/104-plus标准中的isa总线部分，仅保留pci总线部分，为嵌入式板卡的设计提供更大的空间[2]，期标准为pci-104specificationversion1.0。pci-104使主流的pci总线技术在小规格、高可靠的嵌入式计算机上得以实现和继续发展。pc/104总线的第二个发展趋势就是兼容pciexpress技术，新标准正在制定，最有可能的结果就是pci-104和pciexpress总线共存在一块板卡上，形成扩展的总线标准pcie-104，而板卡尺寸还维持不变[2]。pc/104总线、pc/104-plus以及pci-104总线技术的应用平台为epic（embeddedplatformforindustrialcomputing），符合2006年2月颁布的标准epicspecificationversion2.0。epic平台可以通过pc/104总线、pc/104-plus以及pci-104总线模板扩展i/o功能，并为采用高性能的cpu、存储器技术以及散热设计留有足够的空间，可以快速集成面向特定应用的嵌入式系统，缩短开发时间，节省费用[3]。

吸收pciexpress技术的新平台是epicexpress。

    2.4国防可靠vme总线

    vme总线工控机技术凭借多主和实时的优势在一定范围内仍然继续发挥着作用。伴随着微处理器技术和通信技术的进步，vme总线技术从诞生开始就一直处于不断的发展之中，并取得了成功。从vme16的20mb/s、vme32的40mb/s、vme64和vme64x的80mb/s，发展到了320mb/s。vme总线目前发展的最新动向是发展vpx和vpx-redi标准。这两个标准吸收compactpci总线的串行交换机制技术（switchedserialfabrics），大幅度提高vme总线的数据吞吐量，提高系统的冗余设计能力，同时通过桥接技术继续保持着与传统的vme总线技术的兼容[4]。虽然vme总线还在发展，但是必须认识到vme总线技术太老了，已经走下坡路了，除了在对实时性和可用性要求较高的国防领域还占据一定优势外，新的工业自动化项目几乎不可能再被采用了。

    2.5补充融合compactpci/pxiexpress总线

    compactpci和pxi总线相互补充和融合奠定了新一代主流工控机不可动摇的地位。

    compactpci总线技术从1997年诞生到今年已经经历了20年的发展。20年来，高可靠、模块化、高性能和低价位的compactpci总线嵌入式计算机已经在通信、医疗器械、仪器测量、工业控制以及军事设备、航空和航天领域得到了广泛的应用。

    compactpci向仪器仪表领域的扩展总线就是pxi。pxi系统联盟推出pxi总线标准的最初的目标是在测量与自动化领域中通过使用pxi规范提高基于compactpci解决方案的有效性。在保持与compactpci总线技术在结构、接插件、尺寸和信号完全兼容的基础上，pxi增加了定时和同步结构，使多个模块化i/o设备的定时特性能够实现精确的同步，大大提高了系统的测控精度和吞吐量。为了快速创建测控系统，pxi配备了可视化的、功能强大的集成开发环境软件工具，包括测试管理、测试开发和i/o驱动程序等[16]。

    根据任务需求，降低开发技术难度、降低成本，也为了充分利用现有的各种资源，用compactpci和pxii/o模块组成混合测控系统是目前客户喜欢采用的技术方案。compactpci和pxi总线相互补充和融合也促进了compactpci和pxi总线的深入普及和应用，形成了新一代测控技术，也奠定了它们作为主流工控机平台的牢固地位。

    compactpci技术未来将向更快方向发展，形成侧重于i/o应用的主要平台技术compactpciexpress，并保持与compactpci总线的兼容性。compactpciexpress是通用的、高性能的、面向工业市场的未来总线系统，其串行、点到点的数据交换能力可以达到每秒4gb。除此之外，compactpciexpress的异步通信模式还具有crc校验和算法，可以实现错误自动识别和纠正[1]。

    pxi总线与pciexpress相结合形成了pxiexpress技术，带宽达到6gb/s，比pxi提高了45倍，比gpib提高了100倍。pxiexpress比pxi还增加了附加的定时和触发总线，包括100mhz差分系统时钟、差分信号、以及差分星形触发等。通过使用差分时钟和触发，pxiexpress增加了对仪器时钟的抗噪声能力，并能传输更高频率的时钟信号[17]。

    compactpci/pxiexpress技术可以满足应用越来越广泛的高速测量要求，如rf/if信号的采集、数字视频的测试、高速图像的采集等[17]。

    2.6新一代虚拟仪器总线

    基于ethernet的lxi标准是目前最有发展潜力的新一代虚拟仪器总线技术。自动测试系统的建立，往往包括一台或多台仪器、主控计算机和测试软件、测试夹具以及系统总线。而系统总线就像是中枢神经系统，负责控制指令和测试数据的传送。测试系统的总线由两种技术体系实现，一种是基于网络接口技术的总线，如gpib等；一种是基于背板式互连的总线技术，如vme/vxi或cpci/pxi等。为了满足测试系统对低价格、更高带宽和更高数据传输速度的要求，测试系统总线正在向两个方向发展：一是基于网络接口技术的总线正在向基于ieee802.3和tcp/ip技术的ethernet方向发展，即lxi总线技术；二是基于背板技术的总线已经从vxi过度到cpci/pxi技术，并正在向pci/pxiexpress技术发展。“无论是相对gpib、vxi还是pxi，lxi都将是未来的总线技术发展趋势”[5]。lxi（lanextensionsforinstrumentation）是lxi联盟定义的一种基于工业标准ethernet技术的开放式仪表平台总线标准，用于构成模块化的、灵活的、高性能的小型或中型测试系统。通过lxi标准，将gpib扩展到lan，使pc或仪表之间的通信更加简单和廉价。lxi标准有三个重要的功能特点：一是具有基于webbrowser的人机界面接口和程序性控制框架的标准化的lan接口，lan接口的连接方式既可以是有线的，也可以是无线的；二是有三种触发方式，即lan触发方式、ieee1588精确定时协议触发方式和lxi触发总线；三是多种标准的仪表测试设备可以共存在同一个系统当中，如gpib、pxi、vxi以及基于lan接口的仪表等[6]。作为以太网技术在测试自动化领域的应用扩展，lxi技术正在为世界上越来越多的仪表制造商所采用。由于lxi具有gpib的易用性、pxi/vxi的性能、ethernet的灵活性和功能，所以lxi技术也是目前最受关注、最有发展潜力的下一代虚拟仪表总线技术。

    2.7串行、点到点、高速互连总线技术

    串行、点到点、高速互连总线技术pciexpress、advancedtca以及microtca正在蓬勃发展随着芯片和模板的密度越来越大，速度越来越快，传统的并行总线逐渐成为系统性能提高的主要瓶颈，而且问题越来越严重。与此同时，串行总线的性能也在不断地提高，这也进一步推动了计算机的共享并行总线技术向高速、独占的、点到点的串行总线技术方向转移。

    (1)pciexpress总线。早在2001年的春季，intel公司就宣布要用一种新的技术取代pci总线和多种芯片的内部连接，并称之为第三代i/o总线技术，即3gio(3rdgenerationi/o)，也就是今天的pciexpress。

    (2)tca总线。自从picmg于2001年9月发布了以太网包交换背板标准（compactpci packetswitchingbackplane/psb）picmg2.16，将串行ethernet网络在背板上实现以来，垄断背板设计多年的并行总线技术被打破，使可管理的、冗余的、点到点的、串行包交换互连总线技术（switchedserialinterconnects，也叫switchedfabrics技术）得到广泛接受。2002年12月picmg发布了基于switchedfabrics技术的更新、更快和功能更强大的开放式平台架构标准picmg3.0，即advancedtca（advancedtelecomcomputingarchitecture），简称atca；并于2005年3月又推出了advancedmezzaninecard标准，简称amc；2006年7月，picmg发布了最新的技术标准microtca（microtelecommunicationscomputingarchitecture）。atca是面向下一代运营通信设备的系列工业标准的总称，它融合了在高速互连技术，下一代微处理器技术，不断提高的可靠性、可管理性和可服务性技术等方面的最新发展成果，满足电信运营对网络设备构建系统（nebs）、欧洲电信协会标准（etsi）以及99.999%时间可用性的要求。atca还具有模板尺寸大（8u×280mm×6hp）、供电能力强（-48v/200w），可以热插拔（hot-swappable）以及支持多协议（ethernet、infiniband、starfabric、pciexpress、rapidio）的switchedfabrics技术等特点。在不久的将来，atca背板的信号传输速度将从现在的5gbps提高到10gbps，大幅度提升atca的数据传送能力。

    amc针对atca技术定义了一种模块化的、基于lvds信号的高速串行互连接口的“女儿板”标准。将amc模块插在atca载板上可以构成特定功能的atca模板。将amc插在背板上就发展成了一种小型化、模块化、高性能的计算平台系统，这就是microtca。microtca集中了atca和amc的先进性，可以满足电信、医疗设备、工业测量和控制、军事设备以及消费类电子产品的需要[7]。

    根据2006年vdc的研究预测，到2009年atca的市场份额将达到$1.15billions，amc将为$763millions，microtca将增长到$217millions[8]。从2007年“第六届中国picmg技术年会”的情况看，包括gefanuc、adlink、pentair、华为、emerson、索斯科、motorola以及continuouscomputing[18]等具有影响力的公司都展示了研制的atca/microtca产品、技术和应用案例，充分说明了vdc预测的可信性。

   混合工业网络技术

    在工业控制和检测系统中主要存在三种有线通信方式，即点到点并行模拟连接方式、现场总线和工业ethernet[15]。并行连接方式随着现场总线技术的出现已经很少见了，现场总线技术使用一对电缆就可以为多个互连设备提供电源以及控制和配置信息。开放式现场总线技术可以使不同制造商生产的设备在同一个系统中实现互操作，方便采购和维护，降低了成本。工业ethernet比现场总线有很多优势，工业ethernet用于工业现场的主要问题出在csma/cd竞争协议上，不能保证响应时间的确定性，即实时性问题。现在通过交换机或网桥进行网络分区的方式避免了碰撞的发生，有效地解决这个问题[15]。

    近几年，随着人们对设备可互连性和可移动性要求的越来越高，无线系统的使用呈指数形式增长。无线网络在工业控制和监测方面的应用也成为继工业ethernet之后的工控领域的又一个热点技术[13]。无线网络在工业现场主要应用在设备或环境实现物理连接困难以及技术上不允许或不希望用物理连接的场合，如移动或旋转设备、运动节点、远距离设备管理、障碍物阻隔环境、高危环境等，以弥补有线网络的不足。

    未来，工业控制网络主要的存在形式应该是有线和无线的混合网络，相辅相成，取长补短。无线网络的主要技术有基于802.11的wlan（wirelesslan）、bluetooth、zigbee技术以及rfid（radiofrequencyidentification）技术。一般而言，工业监控系统对网络的数据吞吐量的要求比较低，但对在恶劣环境下数据通信的可靠性却要求很高，例如在高温和低温，高湿度等级，剧烈振动，爆炸性气体，腐蚀性化学物质以及强电磁干扰环境里。无线网络在工业控制和监测方面应用主要需要解决的技术问题是安全性（security）、鲁棒性（robustness）、故障安全运行模式或故障降级运行模式（fail-safe/fail-softoperation）、干扰免疫性（interferenceimmunity）、能源获取技术（poweravailability）、可互操作性（interoperability）以及人机接口技术（interfaces）[15]。

    可编程自动化控制器pac

    今天，pc机的硬件和软件功能已经非常强大，标准化程度也越来越高，可靠性也得到了很大地改进，因此在工业控制上的应用也越来越多。随着开放的、模块化的主流工业控制计算机总线技术的不断发展，如pc/104、compactpci、pxi以及microtca工控机等，高性能、高可靠、维护方便的工业控制计算机将在工厂自动化的控制层得到更广泛的接受和应用，而不局限于管理层和操作层[12]。在另一方面，根据2006年arcadvisorygroup的研究结果，在未来的5年里，plc在全球的市场年增长率(compoundedannualgrowthrate)将达到6.1%。plc在2005年的市场份额为$7.5billion，预计到2010年将达到$10billion[11]。plc产品也将在功能、通信能力、规模、可扩展性、软件、开发工具以及自诊断能力等方面得到改进。

    融合pc机强大的功能和plc的可靠性[10]，伴随着plc采用cots（commercialoftheshelf）硬件技术以及pc-based的系统融入实时操作系统，产生了新一代工业控制器技术——可编程自动化控制器，即pac（programmableautomationcontroller）。pac可以通过一个复杂的控制器，提供先进的控制特性、网络互连能力、设备之间的互操作能力、以及企业的数据信息的集成能力[9]。

    虽然pac不可能取代plc，但它扩展了plc的能力[11]，其本质上仍然是一种变结构的嵌入式工业控制计算机，将在现在和未来的工厂自动化领域发挥重要的作用。

   结束语

    在未来几年里，小型化的、基于并行总线技术的pc/104（包括pc/104-plus、pci-104）和compactpci/pxi工控机将继续占据主流地位，并向pciexpress技术发展，同时保持向下的兼容性；vme总线技术除了在军工还保持一定优势外，在工业自动化领域的应用将越来越少；虚拟仪器技术将向网络化的lxi技术发展；电信领域将由atca技术一统天下，由高速、串行、点到点的switchedfabrics技术取代统治该领域多年的并行总线技术；microtca技术将从电信领域向其它领域扩展；无线网络技术将扩大在工业测控领域的应用，有线和无线混合网络是未来工业控制网络的一个新的发展方向；作为工业控制计算机技术的一种新的存在形式，pac技术将在工业自动化领域得到更大的发展。

    另外，有关硬件机构加固技术和工程环境应用性能提升始终是推动工控机进步的动力。

    满足恶劣环境的具有安全性、可靠性和环境标准要求的加固型计算机才可以称为工业控制计算机或工业加固计算机。模块化的、开放的、标准化的总线型工业控制计算机技术，可以使设备制造商或系统集成商方便、快捷地构造面向特定需求的高可靠的应用系统，产品研发周期短、费用低、生存周期长，可选择性好，并且具有良好的性能、可靠性、可扩展性、可维护性和服务能力。