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劉  鑫

一  引言
眾所周知，21世紀的經濟發展正處于由“工業經濟模式”向“信息經濟模式”快速轉變時期，而其中的“技術進步”又是決定性的因素。據統計，技術進步帶動的經濟增長占整個經濟增長的70%～80%。“以高新技術為核心，以信息電子化為手段，提高工業產品附加值”已經成為現代工業企業自動化發展的重要目標。國家在“十五”期間，制定了“用信息化帶動工業自動化”的指導方針。在現代工業企業自動化中，計算機控制技術是核心，它是計算機技術和控制理論有機結合的產物。計算機控制系統的基礎是工業控制計算機技術，其靈魂是智能控制技術。發展與智能控制技術相結合的“高性能的工業控制計算機以及基于工業控制計算機的開放式控制系統”是未來工業企業自動化的重要發展方向。
“十五”期間，自動化主控系統仍將以集散式控制系統（DCS）和工業控制計算機為主。大型DCS以國外產品為主的狀況不會有較大改變。PLC、基于工業控制計算機的國產DCS以及工業控制單元裝置在中小工程應用中將逐漸占據主導地位。現場總線智能儀表和現場總線控制系統（FCS）在試點成功的基礎上，市場需求將逐步增長。因此，具有自主知識產權的DCS、IPC和CompactPCI工業控制計算機系統、FCS等構成的新一代主控系統及其關鍵配套設備將是國家大力扶持的優先發展產品，也是產業化的重要目標。
近幾年，我國工業控制計算機得到快速發展，年增長速度達到10%～15%。2000年已達170～207億人民幣，其中IPC：35～40億；嵌入式計算機：25～30億；DCS：30～35億；FCS：3～4億；CNC：20～25億；PLC：25～30億；其它：30～40億。
由此可見，工業控制計算機（以下簡稱“工控機”）有可觀的市場潛力和發展空間。
二  工控機系統的結構和環境適應性要求
典型的工控機系統包括工控機平臺、過程輸入通道（A/D、DI）、過程輸出通道（D/A、DO）、信號變送單元、信號驅動單元、外設以及測量和被控對象。
工控機的結構主要有兩種：一種是盒式結構（BOX），如國內常見的19” 4U IPC機箱，缺點是自然散熱效果差，可維護性低；另一種是歐洲卡式結構的金屬機箱，利于散熱，可維護性能高。為了使工控機能在惡劣環境下長期穩定工作，工控機設計要滿足必要的環境適應性要求，包括：• 寬工作溫度范圍0～55℃；• 寬工作濕度范圍 5%～95%，無結珠；• MTBF在20 000小時以上；• 抗震動、沖擊、腐蝕、粉塵、抗干擾能力；• 低功耗特性；• 電磁兼容性。此外，工控機還要有長期穩定的供貨能力，以滿足工業產品的長生存周期要求。
三  工控機主板設計技術
工控機主板設計是工控機系統的核心技術。主板設計得合理、可靠是保證工控機系統長期穩定工作的重要因素之一。
1  選擇合適的互連總線
工控機技術向開放性、網絡化方向發展，其標志就是采用國際公認的標準化架構和接口。具體就是采用標準化的傳輸總線和接口，實現模塊間的互連，構成柔性系統結構。
STD總線工控機雖然在工業控制現場的前端應用仍然具有獨特的優勢，但其自身已經沒有發展的空間。
PC/104總線即使通過PC/104-plus的擴展以支持PCI總線，但市場接受的仍然是低端的PC/104總線，繼續發展困難較大。
在高性能工控機領域，比較有代表性的互連總線標準是PCI/ISA總線、CompactPCI/AT96總線。在同一個系統中，PCI總線通過PCI-ISA橋接技術可以支持ISA總線，使PCI和ISA總線共存，組成熟知的IPC工控機；CompactPCI總線通過PCI-ISA橋可以支持AT96總線，組成雙總線結構的CompactPCI總線工控機（如康拓的APCI5000系列工控機）。PCI總線和CompactPCI總線已經成為現代技術工程師設計工控機的首選標準總線。
基于PCI總線的計算機內部典型架構如圖1所示。

圖1  PCI總線計算機典型結構圖

2  合理選擇CPU
選定了模塊（板）間的互連總線標準，還要合理地選擇CPU。
首先，選用CISC（Complex Instruction Set Computer）還是RISC（Reduced Instruction Set Computer）架構CPU。通用產品設計，考慮到軟件的兼容性，主要選擇CISC架構（如x86）。而專用的嵌入式設備，可考慮選用RISC（如中芯微的Arca-1）。
其次是選用什么樣的x86架構的CPU。一種是目前PC市場流行的傳統概念CPU，如Intel的PⅢ、PⅣ，AMD的K6、K7，VIA的C3系列，配上133MHz（PC133）的SDR SDRAM。隨著DDR SDRAM的流行，PⅣ、K7和C3 CPU與DDR200/DDR266標準的DDR SDRAM組合設計將成為工控機主板設計的主要發展方向之一。
現在工控機設計熱門是采用微型化、低功耗SOC（System-On-a-Chip）經濟系統芯片技術，也叫片上計算機或系統芯片技術。具有代表性的產品有STMicrosystems公司的STPC Client、STPC Industrial；National Semiconductor公司的Geode GX1、GXLV以及Geode SC2200芯片；ZF Micro Devices公司的ZFx86等。這些SOC芯片基本集成了PCI系統架構中的CPU、北橋（Northbridge）、南橋（Southbridge）、顯示控制器以及大部分SuperI/O的功能，簡化了線路設計、電磁兼容性設計和熱設計，提高了可靠性。
Transmeta公司的超低功耗Crusoe CPU，在RISC 架構VLIW（Very Long Instruction Word）內核上，通過代碼融合（Code Morphing）軟件技術實現了與x86架構的軟件兼容性。與PⅢ-500MHz的50W峰值功耗相比，Crusoe TM5400-500MHz的功耗僅為0.75W，降低了系統熱設計難度，提高了系統的可靠性，已在高性能CPU領域異軍突起。TM5400-500MHz CPU已經在康拓公司研制的APCI5000系列工控機產品中的APCI5095 CompactPCI/AT96總線主板設計中實現。
3  固態半導體存儲器技術
為了提高可靠性，工控機設計主要采用不帶機械轉動部件，不產生附加噪聲干擾、發熱、抗震動和抗沖擊能力強的固態半導體存儲器。主要產品有以下幾種：
①  Flash Memory，既可以完全影射在CPU的尋址空間，也可以用窗口影射方式設計。Flash Memory既可以直接數據塊讀寫（如BIOS Flash），實現數據直接訪問或程序就地執行（XIP）；也可以作為固態盤使用。一般板上Flash Memory的容量都在1MB以內。
②  單片Flash盤模塊，如M-systems公司的DOC2000系列芯片。其封裝形式和電氣接口與EPROM相同，上電自動引導內部管理程序，模擬硬盤工作。讀盤速度為1.4Mbps；寫盤速度為0.5Mbps；猝發（burst）讀寫速度可達5Mbps。容量為16～288MB。
③  插在144pin DIMM插座上使用的DiskOnChip DIMM2000 Flash盤。這種盤可以提供256MB以上的存儲容量。
④  DOM（Disk On Module）flash盤技術。DOM盤可以直接插在40/44芯IDE硬盤插座上模擬硬盤工作，而且不占用存儲器地址空間。DOM的容量從4～256MB。
Flash半導體盤應用有三大關鍵技術：一是均衡性算法管理問題；二是垃圾收集問題；三是壞字節容錯問題。前兩者已經在管理軟件中解決并得到應用，第三個問題還有待于進一步解決。
4  兩級看門狗（WDT）設計技術
為了實現在出現非破壞性可恢復故障時，在無人值守情況下自動保護現場并恢復工作，工控機要求設計看門狗功能。現在計算機SuperI/O芯片里或SOC里都嵌入了一個軟件可以編程的WDT單元。它一方面可以通過編程實現設置、啟動和關閉，但經常由于軟件本身故障導致WDT失效；另一方面沒有嘗試即時修復就要復位系統，導致控制過程不必要中斷。
在設計中，增加一級硬件WDT功能，既可以保證系統在出現故障時可靠恢復，也可以按照第一級WDT溢出申請中斷（中斷服務程序保存數據并啟動修復功能），如果修復失敗，第二級WDT產生系統復位信號，使系統復位；否則關閉第二級WDT，系統繼續正常運行。
5  CPU板上通訊和網絡接口
主板上設計的通訊接口，傳統上是非隔離的RS232/485接口。現在工控機主板，考慮到系統需要和現場環境，需要設計RS232、USB、1394和光隔485接口。在連網功能要求很強的設計中，需要設計10BASE-T/100BASE-TX Ethernet網接口，必要時設計雙Ethernet網接口，以滿足高可靠的雙機、雙網應用需要。
四  熱設計
如果工控機系統的發熱過高、散熱不良或散熱不均，就會導致系統中印制版變形、互連結構變形、器件不能正常工作或壽命縮短等問題，使系統不能穩定運行。因此良好的熱設計是保證工控機穩定、可靠運行的重要因素之一。涉及的主要技術有：機箱散熱、散熱片設計、熱管設計和風扇強迫散熱設計等。
五  電磁兼容性（EMC）設計
EMC（Electro Magnetic Compatibility）是指設備在某種電磁環境里正常工作的能力，同時不產生干擾其它設備正常工作的電子擾動。工控機的EMC設計一方面要提供抗電磁干擾能力，即抗擾度（EMS），另一方面要降低或消除對其他設備的電磁干擾（EMI）。實踐證明，在工控機系統的方案設計階段就開始考慮EMC問題，比在今后的使用過程中遇到時再去解決更有效。
構成EMI的主要因素有：干擾源、干擾途徑、被干擾體。
(1)  工控機系統的主要干擾源
來自環境對工控機的干擾源主要有：人體產生的ESD、動力線、大電流、高壓開關和RF發生器等。
工控機本身的干擾源主要有：• 晶振―連續RF干擾；• 系統時鐘電路―RF干擾；• 開關量輸出變化瞬時狀態―瞬態時間越短干擾越大；• 長線驅動的總線信號的狀態變位。
(2)  主要干擾途徑
顯然，EMI需要通過某種載體傳播對部件實現干擾。它可以通過電磁波輻射，通過導體傳導，通過電感/電容耦合傳輸。所以，回路、長線和大面積導電區都容易受EMI干擾。
(3)  主要被干擾體
由于微處理器的工作是嚴格按照一定順序和正確的數據進行的，一旦干擾破壞了時序或數據，程序就不能繼續正常執行。在工控機中，容易受干擾的主要有：• 系統時鐘的完整性；• 時序電路（State Machine）；• 存儲器和寄存器單元；• RESET、INTERRUPT、HANDSHAKING等重要信號。
(4)  EMC設計內容
EMC設計的原則是：消除或抑制干擾源，切斷干擾途徑，提高被干擾體的抗干擾能力。
①  系統設計措施
對來自環境的電磁輻射通過金屬機箱的靜電屏蔽減弱或消除。通過動力線傳輸的傳導干擾經由專用濾波器吸收。通過信號線的傳導和耦合干擾則由光電隔離或變壓器隔離消除。來自人體的ESD通過導電機箱和良好接地泄放。同時，為外部大功率接觸器或開關提供能量釋放途徑，以消除或降低輻射干擾。
②  PCB設計措施
器件位置布局：根據器件的EMI特性，將器件和電路劃分成不同區域，可以減小耦合干擾。例如可將高噪聲、大電流電路，低壓電路，數字電路分別設為一個區。
地線和電源線：給不同區域電路分配不同的地線群，它們通過一點接地。不同群之間嚴格避免構成地回路。由于供電回路是主要發射和接收EMI的天線，所以電源線要盡量靠近地線，以減小供電回路面積。如果條件允許，應盡量采用多層印制版，提供相臨的地線層和電源層，可以達到理想的解耦和屏蔽效果。
解耦：常用的解耦方式有電容解耦和電感解耦兩種。電容解耦典型的方式是使用一組100μF/10μF的電容，并聯0.1μF或0.01μF的電容（一般小于主電容1～2個數量級）。解耦電容必須盡量靠近被保護芯片，以減小回路面積。電感解耦在設計中常被忽視，其實電感解耦（如磁珠ferrite beads）既可以消耗EMI能量，又不損失直流電壓，效果很好。
晶振：晶振的引線要盡量短，同時在晶振下面避免走線。
重要信號線：時鐘信號（Clock）、高阻抗信號、RESET、INTERRUPT、HANDSHAKING等重要信號用地線環繞可以取得很好的EMC效果。同時信號線要盡量短，并遠離高噪聲信號線。
數字信號要增大邏輯狀態抗噪聲余度（Margin），并使用Schmitt trigger消除寄生狀態。
③  軟件設計措施
軟件設計提高可靠性的措施有很多，但原則都是在故障條件下進入初始化程序。工控機設計主要是采用：
•  未用存儲器單元處理：將未用存儲器單元填充FF（NOP），最后填充一條“JUMP to Reset routine”語句；
•  周期性地檢測數據完整性（如Checksum）；
•  周期性地刷新控制和數據寄存器，特別是I/O輸出；
•  在程序中設置路標，不斷檢測程序是否按規定順序執行；
•  重要數據進行冗余設計，保證關鍵任務的正確執行。
六  現場總線和工業Ethernet網絡技術
網絡化的結構、智能化的現場設備和現場化的控制功能是現代工業控制系統的主要特征。工控機為了滿足現代控制系統的要求，引入了網絡和現場總線設計技術。
IEC61158規定了8種現場總線標準，還有一些事實上的標準，如LonWorks和CAN總線等。由于各種現場總線具有某種行業適應性特點，在各種控制系統中還要并存相當長的時期。各種現場總線組成的設備層未來發展方向必然是通過工業Ethernet網實現互連，最后連接到Internet網。

圖2  工業系統網絡結構模型

從控制策略的角度，常把控制系統的網絡分成3個層次（實際應用中也可能是1個或2個層次）：現場設備層、控制層和信息管理層。如圖2所示。現場設備（傳感器、變送器和執行器）通過現場總線互連到現場控制器。通訊信息簡短、頻繁、可靠，如CAN總線。控制層網絡將現場控制器、操作站、工程師站互連到管理服務器上，實現信息傳遞、控制優化和管理優化。信息量大，信息傳遞可靠和具有時間確定性，如Arcnet。在信息層上實現企業管理網絡化，進一步實現管理優化，及時進行生產協調、調度。最后與Internet互連，實現遠程管理，如Ethernet。
CAN總線作為最初設計在汽車內部的網絡，已逐漸成為流行的現場設備層互連網絡。
Arcnet是70年代作為辦公自動化網絡發展起來的，但因其信息傳遞快速、時間確定性和支持遠距離擴展而非常適合控制技術，在工業自動化領域取得了成功。Arcnet網絡傳輸速率也由傳統的2.5Mbps提高到10Mbps。
Ethernet網絡在工業上的應用已經成為工業控制技術的一個熱門話題，引出了“工業Ethernet技術”。Ethernet網絡在工業現場應用必須解決以下幾個關鍵技術問題：① Ethernet網絡雙絞線的低幅信號、RJ45連接器和易受外界干擾沖擊的碰撞偵測電路是否能達到工業標準抗擾度；② 網絡傳輸的確定性問題是否能解決；③ 應用層協議的標準化問題，以實現互操作；④ Ethernet網絡的信息安全性問題。
七  操作系統和組態軟件
在實時工業控制系統中，應用軟件的性能在很大程度上決定著整個控制系統的性能。工業控制系統的復雜性對軟件產品提出了很高的要求。過去由硬件制造商或系統應用單位自行研制應用軟件的狀況，已經不適應系統對可靠性、可用性、可維護性、進度以及其它性能指標的要求，需要由第三方專業軟件公司提供成熟的、高性能的軟件產品。
工控機需要配置的軟件產品主要有兩種：嵌入式實時多任務操作系統和監控組態軟件。
2000年世界銷量排在前6位的嵌入式操作系統有VxWorks、Embedded Windows、pSOS、Embedded Linux、Nucleus以及VRTX，常用的還有QNX和中軟實時嵌入式Linux操作系統等。選擇嵌入式實時多任務操作系統除了評測其實時性設計、嵌入式設計和可靠性設計技術特點外，還要注重其開發環境的開放和友好程度。由于中軟實時嵌入式Linux操作系統是基于開放源碼的自由軟件Linux操作系統設計的，而且具有自主產權，因此國內越來越多的控制系統已經采用或計劃采用。
組態的概念起源于“Configuration”，是指使用軟件工具對計算機和軟件的資源進行配置，使計算機或程序按照預先設置自動執行。一個好的組態軟件應具有良好的開放性，容易與其它應用軟件接口，實現數據共享。
國內應用比較多的組態軟件有亞控的“組態王”、昆侖的“MCGS”以及大慶三維科技股份有限公司的力控軟件（ForceControl）等。國外著名軟件有Intellution的iFIX、Wonderware的Intouch、Nema Soft的Paragon TNT、National Instruments的LabView、Iconics的Genesis、信肯通的Think&Do，以及法國Alter Sys公司的Virgo2000等。
八  結語
國家非常重視工控機技術的發展以及對工業自動化和國防自動化的推動作用，為此在“十五”期間設立了“工業控制計算機和以工業控制計算機為基礎的開放式控制系統”產業化的重大專項，并將專項落實到了“航天科技集團502所康拓公司”。IPC和CompactPCI總線工控機是國家下大力氣發展的兩種主要工控機系統，也是開放式控制系統的基石。隨著我國工控機技術的進步并逐漸與國際接軌，相信經過3～5年的時間，國產IPC和CompactPCI總線工控機及其開放式控制系統必將在國內控制系統市場上逐步占有主要份額，并將打入國際市場，為國家和世界經濟的發展作出應有的貢獻。