作者 | 劉鑫
中國計算機學會工業控制計算機專委會，北京康拓科技有限公司
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製造商參考。
關鍵詞：模塊化計算機；工業平板電腦；邊緣計算設備；個性化定製；移動HMI；分佈式智能控制系統
1 工業計算機技術發展簡要回顧
工業控制計算機（Industrial Control Computers）的概念是上世紀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，並開始流行。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），並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於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，其範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：主要是基於並行總線技術，伴隨著並行總線技術的發展而發展，並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）、智能建築（Intelligent Building）、環境保護（Environment protection）、數字標籤（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
不同於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年正式發佈的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，採用超低功耗、低時延、基於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徵，免維護設計開始佔據主導地位
有別於商用計算機，工業計算機是在室外等最苛刻的環境中（the most demanding applications）工作的，其重要特徵是長期可用性（long-term availability）、高可靠性（high reliability）和良好的可維護性（friendly serviceability）[2]。目前國際流行的免維護（maintenance-free）設計已經在工業計算機的設計中占主導地位，由此將極大降低製造商和用戶的運行成本和維護費用，也減少了由於系統故障而造成的利潤損失。免維護設計要採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、不採用電池供電、使用保持時間長（holdup times）的電源供電以及採用長壽命（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，相當於連續運行5年以上而無故障。現在主流設計是採用低功耗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後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小於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週期，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）、衝擊（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 串行總線已經佔據主導地位，並行總線還會存續一定時間
雖然支持並行總線的計算機模板或模塊還在一定範圍內使用，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，但採用串行互聯總線的模板或模塊已經牢牢地佔據了市場主導地位，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，也已經逐漸取代了並行接口總線，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於流行，工業平板電腦被廣泛採用
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）市場佔有率不斷提高，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、深圳崑崙通態、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徵
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並不是放在辦公桌上工作，能看得見、摸得著，而是嵌入到控制室裡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製，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製造企業
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，陝西威藍工業自動化有限公司，北京立華萊康平臺科技有限公司，深圳崑崙通態、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，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 UK Limited） , Artesyn Embedded Technologies, Janam Technologies LLC., 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）主要製造商
北京和利時集團，中控科技集團公司，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）, Allen-Bradley, 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湧來，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採用的系統模塊
未來，越來越多的工業和嵌入式系統設計工程師將採用模塊化設計方案，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製造商或客戶對市場需求做出快速響應，顯著降低研製難度和研製費用，降低研製風險，減少研製時間、提高工作效率，縮短產品投放市場時間，有利於在激烈的市場競爭中搶佔先機。
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）。製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，專用設備製造商就可以避免從事計算機主板設計中技術難度大、複雜程度高、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範圍工業和嵌入式系統設計普遍採用的、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，採用可靠堅固的連接器（reliable and rugged connector）與載板連接，抗震動和衝擊能力強，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，適合多媒體設備採用。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規範由國際標準化組織PICMG制定，Qseven和SMARC規範由國際標準化組織SGET（Standardization Group 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範，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並逐漸推廣，5G將對世界範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範圍內可以實現高速（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，使基於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。藉助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於Ethernet的標準協議，以解決在工廠裡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採集、存儲、處理的嵌入式計算設備的需求劇增。據RTC Magazine預測，小型化系統在萬物互聯的世界裡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，並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製（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（mass production），而是大規模客戶定製（mass customization）。個性化需求、小批量定製生產將成為潮流，一款產品包打天下（One-size-fits-all products）將讓位於客戶定製化，以滿足不同客戶的特定要求和慾望[11]。因此，近年來工業計算機產業的產品特性已經趨向於專業化及多樣化，以滿足不同的顧客需求。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製化需求的能力，及時提供面向特定應用的高質量產品。
相對於標準化通用產品，面向嵌入式應用的定製化工業計算機，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。客戶定製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餘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。這種定製單板機的設計可以從零開始，也可以採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，這樣可以簡化設計複雜性，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。
近來風起雲湧的邊緣計算是5G網絡的核心特徵，也是結合5G的智能物聯應用的核心特徵。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製化、個性化的特徵，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。
4.5 軟件和硬件一體化，提供一整套系統集成解決方案能力將成為主要競爭優勢
多年以來，工業計算機行業由眾多的中小企業組成，其中硬件製造商提供OEM產品或ODM方案，軟件供應商提供組態軟件以及管理和控制算法軟件模塊，由最終客戶進行系統集成，編制應用程序，實現特定目標功能。未來，工業自動化行業將進行大規模整合，將若干中小企業整合成大型企業，實現軟件和硬件一體化，能夠根據客戶的應用需求，進行需求分析，提供一整套解決方案，實現客戶的應用目標。一站式服務極大縮短研發和系統集成時間，提高達成目標的效率，也提高了最終系統的可靠性、穩定性，節約成本，有效降低了對客戶需要掌握複雜知識和專業技能的要求。
在未來工業4.0環境下的智能工廠裡，要求能夠高效地採集、顯示和分析生產線上的實時數據，以便能在技術上提高生產線的性能，改進生產工藝。這就要求有更先進的分析軟件，來對大數據進行篩選和挖掘，找到需要改進的參數。因此，需要工業計算機系統製造商能為智能工廠建設和生產提供這樣的服務能力。以後的競爭核心就是服務能力的競爭。
4.6 嵌入式HMI分佈到工業現場，並將逐漸進入到移動HMI時代
傳統上，人機界面軟件（HMI）安裝在控制室裡的操作站和工程師站上，完成數據的採集、處理和顯示，設備的控制組態，設置報警、日誌以及顯示歷史數據趨勢圖等功能，實現對生產過程的監視、控制和管理。為了適應惡劣的工業環境要求，安裝在工業現場的工業控制裝置或終端設備是“黑匣子”，沒有顯示屏。一般在前面板上嵌入控制按鈕、控制開關、撥碼盤、數碼管、五顏六色的發光二極管以及各類模擬儀表，如電壓表、電流表、壓力錶等，以發佈控制命令，顯示重要控制數據和狀態信息。
隨著工業互聯網或工業物聯網技術的發展，未來控制裝置將被廣泛分散到了工廠車間現場，越來越靠近被控設備，實現就地測量和控制，做到快速響應。因此，現代HMI也將伴隨著控制裝置走進工廠的車間，走近被控設備。同時，HMI將虛擬儀表化，使在現場靠近被控設備安裝的控制裝置或終端可視化和圖形化，取代傳統模擬開關和儀表，使用更簡單、方便、直觀。操作員或者工程師可以實時瞭解設備或生產線的工作情況，以改進生產過程，診斷和維護設備，避免設備故障或宕機，減少損失。HMI還將打通邊緣設備與雲計算之間的通信通道，實現與雲平臺、工廠管理系統、歷史和實時數據庫以及各種控制設備之間直接的信息交流。
隨著移動通信技術進入5G時代，並在2020年將具備大規模商用能力，預計將HMI功能移植到移動設備上，特別是5G摺疊屏智能手機上，將成為潮流[12]。移動設備可以通過無線接入方式，隨時隨地訪問現場控制設備，及時獲取設備運行數據。操作員、工程師或技術人員能夠技術快速拿到他們所關注的重要信息，及時瞭解設備或生產線的運行狀況，並做出準確的診斷和決策，預先採取有針對性的措施，使設備工作在最優狀態。
目前比較流行的HMI軟件有Siemens的WinCC、GE-IP的iFIX、力控科技的eForceCon系列監控組態軟件以及崑崙通態的MCGS等。
4.7 工業自動化正走向智能化時代
以人工智能、高級機器人和工業物聯網為代表的第四次工業革命正在以驚人的速度向我們走來，它將極大重塑我們的生產、製造、商業以及生活模式。就像工業4.0所構想的那樣，傳統的製造業將邁入智能工廠時代，工業自動化正在走向智能化。
在智能工廠裡，將是一種全新的景象，機器人可以與機器、設備以及產品進行交流，實時交換信息。人類將和高級機器人肩並肩地協同工作。智能機器（smart machine）具有極大的自主性（autonomous）、靈活性（flexibility）和自適應性（adaptability）, 能夠實現自主監視（self-monitoring）和預報（prognostic）、自主進行故障檢測和問題診斷，減少能量消耗、減少浪費、縮短宕機時間以及防止嚴重事故發生[13]。智能產品是唯一可識別的，知道自己的過去生產歷史、如今的現狀以及未來的目標以及實現路徑，而且能隨時定位自己。智能的、互聯的嵌入式設備在智能工廠裡將隨處可見，工業計算機等嵌入式設備將在智能工廠裡發揮極大的不可替代的作用。
4.8 邊緣計算和雲計算有效結合，將打造真正意義上的分佈式控制系統
不同於傳統的集中控制系統，分佈式控制系統（distributed control systems），在國內也叫集散控制系統（DCS），其主要理念就是“管理集中、控制分散”，即對工廠整個生產過程按區域或功能分散進行採集、監視和控制，對過程的狀態信息進行集中管理。但在實際操作過程中，監視控制系統（控制站）和管理系統（工程師站、操作站）都是佈置在控制室裡，而不是靠近被監控設備，沒有真正分散到工業現場，實現就地監控。因此，某種意義上說，目前運行的所謂分佈式控制系統仍然是一種集中控制系統。
邊緣計算（edge computing）和雲計算（cloud computing）相結合，並進行平衡控制，將使DCS系統的結構發生革命性的變化，形成全新的分佈式智能控制系統，一種真正意義上的高級分佈式控制系統[14]。控制更加分散，可以一直分散到網絡或者車間生產過程的邊緣，也就是設備信息數據產生和使用的地方，無限接近生產過程中的運行設備；管理更加集中，從控制室走到整個工廠的私有云或更廣泛的公有云。
所謂的邊緣計算設備，是一種智能設備，指的是用在離散製造過程或連續過程控制的邊緣，包括IPCs、PLCs、PACs、industrial controllers、嵌入式計算機等工業計算機設備[16]。邊緣設備（edge devices）或邊緣計算機（edge computers）實現就地監視和控制功能，可以極大提高被監控設備的工作效率。對於獨立設備而言，通過局部數據分析和計算及時發現異常問題，迅速自主加以彌補或解決。遇到需要實時決策的關鍵性事件，邊緣設備可以做到毫秒級分析處理並即時做出處置反應，有效避免由於網絡延時或者網絡、服務器故障而造成生產事故[14]。通過雲計算，可以實現複雜智能控制算法的計算和流程工藝優化計算，並把結果傳到邊緣計算設備裡改進控制質量和工藝流程，提高生產效率。同時，雲計算掌管全局數據，通過大數據處理和挖掘，以及模型比對、分析判斷等，可以對不同設備、不同生產線和不同的製造區域的工作情況進行對比，及時發現運行設備的異常狀態，做出準確地故障診斷和定位，進行預先維護或排除故障，最大限度地防止破壞性故障出現或止損。
4.9 工業控制系統將在自主可控基礎上實現安全可靠
中興、華為和福建晉華集成電路公司事件，極大地震驚了中國政府和科技界。“核心技術買不來，也討不來”，只能自力更生、自主創新。從2018年開始，我國技術創新的推動力已經從應用端拉動的生產力推動轉變為生產關係推動。關係到國計民生的重要行業，政府將大力推動基於自主可控基礎上的安全可靠技術創新和產品應用，主要包括CPU、OS（操作系統）和SI（系統集成）。工業計算機或嵌入式計算機系統，採用自主可控的CPU、操作系統和系統集成應用軟件實現安全可靠，為關係到國計民生的重要行業提供基礎支撐，是國內行業必然的發展趨勢，未來將大有可為。
5 工業計算機的市場前景
根據美國MarketWatch發佈的“Industry 4.0 Market & Technologies – 2019-2023” 報告預測，到2023年全球工業4.0市場將達到2140億美元。其中Asia-Pacific工業4.0市場將是全球增長最快的，複合年均增長率（CAGR）將達到23.7%[15]。
根據IHS Inc的預測，從2014年到2019年，全球industrial PCs 的銷售收入複合年均增長率為6%，到2019年將達到43 億美元。根據TechNavio發佈的"Industrial PC Market - Global Forecast to 2022" report預測，從2018年-2022年，由於IIoT對製造業的滲透和相關R&D投資的增加，將促進工業計算機的應用，工業計算機的複合年均增長率將達到6.2%，到2022年市場規模將達到47.3億美元。根據TechNavio發佈的“Global Embedded Computer Market 2018-2022”報告預測，僅僅由於電信、銀行、金融服務、智能零售以及衛生保健方面的應用對IoT設備需求的增長，將激發全球嵌入式計算機市場規模到2022年將擴大到33億美元。
由於模塊化計算機（COM ）的出現，很好地解決了眾多工業計算機設備廠商和自動化設備製造商所困擾的“造或買”（build or buy）的問題，應用前景看好。VDC研究報告顯示，全球層疊式計算機模塊（Stackable Module）的出貨量的複合年均增長率一直保持在9.3%以上。來自Research and Markets的研究也表明，在2016-2020年，全球模塊化計算機（Computer-on-Module）市場的複合年均增長率將達到17.97%[14]。除了COM模塊，Mini-ITX和Pico-ITX也提供了小規格主板模塊，非常適合在空間受到極大限制的嵌入式系統設計中應用。VME/VPX架構在軍事裝備中的應用市場也呈現良好的增長勢頭，當然了在同樣領域，Compact PCI和xTCA技術的應用卻有下降趨勢。
根據MarketsandMarkets最新的"Human Machine Interface Market (HMI) - Global Forecast to 2022"報告預測，到2022年，全球HMI將達到58.6億美元，複合年均增長率為9.0%，發展前景看好。
在工業控制行業，工業自動化（Industrial automation）、過程控制（Process control）、樓宇自動化（Building automation）、工業製冷（Industrial refrigeration）、遠程監視（Remote monitoring）以及數據採集（Data acquisition）等領域對工業計算機也有著旺盛的需求。
因此，隨著工業4.0、工業物聯網、邊緣計算、大數據處理、人工智能、機器人、5G移動通信等技術的迅猛發展、商業化應用的不斷深入推進，必將帶動接入設備和終端設備等載體需求量的爆發式增長。作為這些新技術應用的主要載體，工業計算機特別是層疊式單板計算機將迎來重大發展機遇。可以毫不誇張地說，工業計算機發展的又一個春天到來了。工業計算機必將在國家經濟結構轉型升級、供給側改革和創新驅動發展過程中繼續發揮不可替代的作用，應用數量將呈現爆發式增長，應用前景廣闊。
6 結論
今天，世界面臨著百年未有之大變局，工業計算機及其系統也迎來了其幾十年發展史上的第二次大發展浪潮。機遇與挑戰並存。
特朗普減稅，激活了美國眾多中小企業，也因此激發了美國經濟的活力。中國政府也意識到了中小微企業對國民經濟發展的重要性，出臺了一系列支持中小微企業創新和融資的政策，規模空前地大幅度減稅降費，給廣大工業計算機設計和製造企業的快速發展提供了政策上的利好。
“中國製造2025發展規劃”與工業4.0對接，以智能製造為核心，推動製造業數字化轉型，以提高製造能力，特別是創新能力（innovation ability）、能源效率（energy efficiency）和信息效率（information efficiency）。工業 4.0，也叫工業物聯網，代表著第四次工業革命。在垂直方向，用數字化（digitize）整合企業的所有管理和運行過程，從產品研發，原材料採購，到製造、物流和服務。橫向，將整合從內部操作延伸到供應商、客戶以及關鍵價值鏈上的所有合作伙伴。因此，在工業 4.0企業裡，在生產過程的每個工段都安裝著大量的傳感器，每天都產生大量的數據，累計起來的數據量更是驚人的。眾多的邊緣計算設備或工業控制設備廣泛分散部署，無限靠近機器設備，即時就地進行數據處理和控制，使生產過程更靈活、更高效、更精細。雖然數據經濟或數據就是生產力已經深入人心，但如何讓巨量的數據變成對企業有用的信息，使數據產生價值，藉此增強企業的競爭力，給企業帶來巨大的效益就成為關鍵。隨著大數據分析與利用逐漸成為每個工業企業的核心競爭力，企業必將對工業計算機以及以工業計算機技術為核心的嵌入式計算設備產生巨大的需求。
唯有創新才能生存，也唯有創新才能發展。目前國內眾多從事工業計算機設計製造企業絕大多數為中小微企業，還缺少世界級的大型工業計算機及系統領軍企業。如何抓住機遇實現騰飛，把企業發展成能與國際自動化巨頭並肩的企業，支撐起中國自動化產業的藍天，是所有工控企業需要認真面對的挑戰。
劉鑫（1963- ），男，研究員。現任北京康拓科技有限公司副總裁，曾任中國計算機行業協會副會長。中國空間技術研究院工業控制計算機系統專業學科帶頭人，國家一級學科計算機應用工業控制計算機專業方向學術帶頭人，碩士生導師。主要社會兼職包括中國計算機行業協會工業計算機與物聯網專業委員會會長，中國計算機學會工業控制計算機專業委員會主任，中國計算機學會理事，中國自動化學會理事，北京自動化學會副理事長，中國嵌入式系統產業聯盟副理事長。1986年畢業於哈爾濱工業大學控制工程與計算機科學系自動控制專業，獲工學學士學位。1989年畢業於中國空間技術研究院自動控制專業，獲工學碩士學位。1989年參加工作至今一直從事工業控制計算機及工業測量和控制系統的研究工作，研究成果3次獲得省部級科學技術獎，在相關研究領域發表學術論文40多篇。
• end •
閱讀更多 控制網 的文章
