工業(yè)設(shè)備控制系統(tǒng)選型分析

肖中華，杜永昌 ，夏懷成，王振峰

(1.燕山大學(xué) 車輛與能源學(xué)院，秦皇島 066004；2.清華大學(xué) 汽車安全與節(jié)能國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084)

0 引言

現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)規(guī)模越來越大，生產(chǎn)環(huán)節(jié)內(nèi)部以及各個環(huán)節(jié)之間的協(xié)作要求也越來越復(fù)雜，工業(yè)控制技術(shù)作為20世紀(jì)最重要的現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)之一被廣泛應(yīng)用，利用該技術(shù)組成的工業(yè)控制系統(tǒng)使工業(yè)生產(chǎn)過程的生產(chǎn)質(zhì)量和效率有明顯的提高。自上世紀(jì)八十年代以來，工業(yè)控制系統(tǒng)走過了從模擬控制向數(shù)字控制、從單機(jī)控制向綜合控制、從集中控制向分布控制和從簡單邏輯控制向智能控制的發(fā)展道路。

就具體的工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備而言，其控制器可分為可編程序控制器（PLC）、工控計算機(jī)控制系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)等幾種。

最早出現(xiàn)，也是應(yīng)用最多的控制器是PLC，它可以順序執(zhí)行用戶編制的包含邏輯運(yùn)算、順序控制、定時、計數(shù)等操作指令的程序，并通過輸入和輸出操作來控制生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)行。現(xiàn)代的PLC已經(jīng)非常成熟，其功能也不斷提高，如可進(jìn)行模擬量閉環(huán)控制、連續(xù)PID控制及與其它控制器的數(shù)據(jù)通訊等。但是，PLC的特點(diǎn)決定了它只能進(jìn)行順序控制、邏輯控制等相對固定的控制功能，一般作為分布式控制系統(tǒng)的現(xiàn)場控制單元，依靠上位機(jī)進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理、存儲和智能控制。

工控計算機(jī)控制系統(tǒng)和嵌入式控制系統(tǒng)，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)運(yùn)算、存儲功能和豐富的人機(jī)交互界面，且可方便地擴(kuò)展數(shù)據(jù)輸入輸出和通訊功能，因此對于需要復(fù)雜的信息采集、處理和智能控制功能的生產(chǎn)設(shè)備，是很好的選擇。工控計算機(jī)控制系統(tǒng)以通用的工控計算機(jī)為中心，配備特定的接口卡，軟件采用常見的桌面操作系統(tǒng)+專門開發(fā)的控制軟件，對工業(yè)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和控制。嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，采用一體化軟硬件設(shè)計，且功能和配置可按需剪裁的專用計算機(jī)系統(tǒng)。這兩種系統(tǒng)，其組成和適用場合都有很大的區(qū)別。在本文中，針對這兩種在工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備上廣泛應(yīng)用的智能控制系統(tǒng)，分析它們在硬件、操作系統(tǒng)、應(yīng)用軟件及適用場合等方面的不同，為進(jìn)一步設(shè)計開發(fā)工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備的控制系統(tǒng)提供依據(jù)。

1 工控計算機(jī)控制系統(tǒng)和嵌入式控制系統(tǒng)的硬件對比

硬件方面，工控計算機(jī)控制系統(tǒng)以通用的工控計算機(jī)為中心，配備相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集、控制和通訊等外圍擴(kuò)展卡，而嵌入式系統(tǒng)硬件采用專用的嵌入式硬件和一體化設(shè)計，因此，其系統(tǒng)架構(gòu)、中央處理器（CPU）、存儲系統(tǒng)等都有很大的不同。

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

工控計算機(jī)采用工控母版+CPU卡的結(jié)構(gòu)；其擴(kuò)展總線有ISA、EISA、PCI、PCI Express等，與一般桌面計算機(jī)系統(tǒng)兼容，且隨主流技術(shù)的發(fā)展而更新?lián)Q代；機(jī)箱采用通用的標(biāo)準(zhǔn)工控機(jī)箱，內(nèi)部有一個或多個風(fēng)扇進(jìn)行主動散熱，在機(jī)箱的進(jìn)風(fēng)口有簡單的濾網(wǎng)過濾空氣中的灰塵。

嵌入式系統(tǒng)硬件一般采用PC104等小型化、一體化和可牢固堆疊的結(jié)構(gòu)和總線，機(jī)箱可根據(jù)使用環(huán)境和需求自由設(shè)計，既可采用密閉方式，被動散熱（無風(fēng)扇），也可采用開放方式，利用風(fēng)扇主動散熱。

1.2 中央處理器

工控計算大多采用x86兼容的通用CPU，嵌入式系統(tǒng)除此以外，還可有ARM/PowerPC/MIPS等多種選擇，針對不同的應(yīng)用場合的計算能力、功耗等要求可靈活選擇。

1.3 存儲系統(tǒng)

機(jī)械式硬盤是主流的工控計算機(jī)的存儲方式，而嵌入式系統(tǒng)一般采用CF卡/電子盤等電子器件存儲程序和數(shù)據(jù)。

從上述對比分析可以看出，工控計算機(jī)的硬件具有很好的通用性、互換性和兼容性，便于硬件采購和備件維護(hù)，但也導(dǎo)致硬件系統(tǒng)的體積、重量和功耗較大，硬件功能可能存在一定程度的浪費(fèi)，機(jī)械式硬盤存儲系統(tǒng)無法在振動、強(qiáng)磁等場合使用，開放式機(jī)箱和主動式風(fēng)扇散熱系統(tǒng)使其在高溫、高濕、灰塵、腐蝕性等惡劣環(huán)境下故障率較高，需定期維護(hù)。

而嵌入式控制系統(tǒng)的硬件由于針對特點(diǎn)應(yīng)用專門設(shè)計，因此其體積、重量和功耗可得到很好的控制，硬件功能可按需配置，減少浪費(fèi)，同時其采用的電子存儲系統(tǒng)和可選的密閉機(jī)箱、無風(fēng)扇散熱系統(tǒng)等可使系統(tǒng)在惡劣環(huán)境下長期可靠運(yùn)行；但也存在開發(fā)周期長，開發(fā)難度大，不同的應(yīng)用間硬件通用性差等缺點(diǎn)。

2 工控計算機(jī)控制系統(tǒng)和嵌入式控制系統(tǒng)的操作系統(tǒng)對比

工控計算機(jī)控制系統(tǒng)采用以Microsoft Windows為代表的桌面操作系統(tǒng)，以鍵盤鼠標(biāo)等為主要操作手段。其特點(diǎn)為：

1) 用戶熟悉度高，所需培訓(xùn)時間短，可很快掌握新系統(tǒng)的使用；

2) 鍵盤、鼠標(biāo)等操作手段在多數(shù)工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境下使用不便、操作復(fù)雜；

3) Microsoft Windows系統(tǒng)作為通用桌面操作系統(tǒng)包含了大量的在工控系統(tǒng)中使用不到的復(fù)雜功能，無法通過系統(tǒng)剪裁等手段移除，這使系統(tǒng)非常龐大，一方面需要更多的存儲空間，另一方面也使系統(tǒng)運(yùn)行速度較慢，需要更強(qiáng)大的硬件來支持；

4) Microsoft Windows系統(tǒng)不具有實(shí)時控制能力，在需要進(jìn)行實(shí)時控制情況下需依靠額外的軟硬件配合實(shí)現(xiàn)；

5) Microsoft Windows系統(tǒng)的穩(wěn)定性不高，其開放性帶來的病毒感染、系統(tǒng)崩潰、數(shù)據(jù)丟失等問題使整個工控系統(tǒng)的可靠性和安全性問題都非常嚴(yán)重。

而嵌入式工控系統(tǒng)一般采用嵌入式操作系統(tǒng)，如Windows CE、嵌入式Linux、VxWorks等。其特點(diǎn)為：

1) 系統(tǒng)內(nèi)核小，系統(tǒng)精簡，可根據(jù)不同的應(yīng)用對操作系統(tǒng)的功能進(jìn)行剪裁。系統(tǒng)剪裁遵循最小功能原則，即系統(tǒng)中只包含完成系統(tǒng)應(yīng)用所需的最少功能，而其他大量的無關(guān)功能都被剪裁掉，不會包含在最終的系統(tǒng)中。這使得嵌入式操作系統(tǒng)規(guī)模較小，系統(tǒng)啟動和運(yùn)行速度快，因此對存儲空間及硬件處理能力要求較低，同時功能的精簡也使得系統(tǒng)的安全性和可靠性都有很大提高；

2) 嵌入式系統(tǒng)可固化在ROM或保存在電子盤等不容易改寫的介質(zhì)中并可施加寫保護(hù)，使系統(tǒng)的可靠性得到保證；

3) 嵌入式操作系統(tǒng)可做到快速啟動，關(guān)機(jī)時可直接關(guān)閉電源，不需要軟件關(guān)機(jī)等復(fù)雜操作；

4) 嵌入式系統(tǒng)可采用硬件按鈕、開關(guān)、撥盤和觸摸屏等適合工業(yè)現(xiàn)場的操作方式；

5) 嵌入式操作系統(tǒng)一般為實(shí)時系統(tǒng)（RTOS），對于硬件中斷和定時器等具有實(shí)時響應(yīng)能力，因此適用于對系統(tǒng)響應(yīng)時間有嚴(yán)格要求的場合。

3 工控計算機(jī)控制系統(tǒng)和嵌入式控制系統(tǒng)的應(yīng)用軟件對比

應(yīng)用軟件方面，工控計算機(jī)控制系統(tǒng)由于采用了標(biāo)準(zhǔn)的Microsoft Windows操作系統(tǒng)，因此其應(yīng)用軟件的開發(fā)和使用與常規(guī)的應(yīng)用軟件相似；而嵌入式控制系統(tǒng)的應(yīng)用軟件一般針對特定的嵌入式操作系統(tǒng)開發(fā)，需要專用的開發(fā)工具和環(huán)境。

當(dāng)開發(fā)工控計算機(jī)軟件時，開發(fā)者可以對目標(biāo)硬件做出一般性的假設(shè)，如具有1GHz以上的CPU、256MB或更大的內(nèi)存、10G以上的存儲空間等；而開發(fā)嵌入式應(yīng)用軟件時，開發(fā)人員必須研究并理解所有可用的硬件特性，考慮硬件資源的限制，如許多嵌入式設(shè)備沒有顯示器，有顯示設(shè)備的其屏幕尺寸和分辨率也較低，嵌入式設(shè)備的CPU一般計算能力較低，內(nèi)存和存儲空間也較小。

從使用界面上二者也有區(qū)別，運(yùn)行在工控計算機(jī)上的軟件，主要采用鍵盤和鼠標(biāo)進(jìn)行操作，其顯示輸出在彩色、相對高分辨率的顯示器上以窗口、菜單、對話框等經(jīng)典的界面形式實(shí)現(xiàn)；而嵌入式工控系統(tǒng)采用硬件按鈕、開關(guān)、觸摸屏等輸入手段和指示燈、聲光提示等，其用戶界面和操作方式都比較簡單方便，結(jié)果的顯示也比較直觀、醒目。

4 結(jié)束語

工控計算機(jī)控制系統(tǒng)和嵌入式控制系統(tǒng)是工業(yè)控制系統(tǒng)的兩種重要形式，它們各自具有自己的優(yōu)缺點(diǎn)和適合的使用環(huán)境。工控計算機(jī)控制系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)的是“通用”，其優(yōu)點(diǎn)是軟硬件兼容性強(qiáng)、資源豐富，對于熟悉桌面計算機(jī)操作的人員可以很快地學(xué)習(xí)和掌握，但其體積大、耗能多，對于工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用來說，操作不便，可靠性不高，特別是在高溫、高濕、灰塵、腐蝕、振動及強(qiáng)電磁干擾等惡劣環(huán)境下可靠性問題較為嚴(yán)重。而嵌入式工業(yè)控制系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)的是“專用”，其優(yōu)點(diǎn)是采用軟硬件一體化設(shè)計，體積小、功耗低、可靠性高、可按需配置軟硬件，適用于工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境下操作和使用，在高溫、高濕、灰塵、腐蝕、振動及強(qiáng)電磁干擾等惡劣環(huán)境下能長期可靠工作；但其缺點(diǎn)也同樣明顯，如通用性不高，設(shè)計開發(fā)難度大、周期長、需要專門的開發(fā)工具和環(huán)境等。在開發(fā)過程中必須根據(jù)具體的功能要求和使用環(huán)境進(jìn)行方案的分析和選擇。

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