开放式控制系统

开放式控制系统

1、开放性控制系统的概念

长期以来，制造与生产企业所采用控制系统大多是专用的、封闭的体系结构，其构成系统的硬件是按照各自的标准度身定制的。无论是DCS，PLC还是FCS，虽然它们具有结构简单、技术成熟、产品批量大等优点，但相对日新月异的生产要求，也越来越暴露出其固有的缺点。在许多情况下,当用户要想进行功能上的扩展或变化时，都必须求助于系统的提供商，如想把特殊要求融入到控制系统中去时，都是比较困难的。这无形中不仅提高了制造企业的成本，也成为控制系统升级换代的“瓶颈”。

由于市场竞争越来越剧烈，从而要求制造商具有较强的市场适应能力，这一趋势促成了一个新概念的产生，即模块化、可重构、可扩充的软硬件系统，这就是开放式控制系统。这一系统为制造厂提供了将其技术与任何第三方的技术或产品进行集成的可能性。

2、国际控制系统制造商的开放路线

据国际权威机构美国自动化市场研究公司ARC（Automation Research Corp.）调查预计，在亚洲，基于PC的控制系统、以太网的I/O模件等开放式系统的销售额预计近两年的增幅达到145%，所以，可见在控制系统市场中，开放系统的增长率远远高于传统的控制系统。

几乎所有的制造商都已认识到了开放系统必将是自动化系统的未来。在任何一家控制系统制造商的新产品样本中，都可以看到“开放性”的字样。但是，他们的开放性通常都是在原有的系统上层加上一些接口实现局部的互连和通信，并非真正意义上的开放。不要说控制器的底层，就是在操作站这一层，他们在实现与外界通信方面存在着重重困难。这种状况的产生并不是由于他们无法开发出全开放的系统，而是出于其产品战略考虑不愿也不能这样做。尽管开放式控制系统的市场增长率较高，但由于绝对值还不大，制造商不愿放弃已经现成的数十倍的市场。

但这些公司对于开放式系统市场并非采取坐视不理、惟我独尊的态度。各个公司均在考虑用现有的产品组合出形式上的“开放式”系统。如西门子的PCS7和 WinAC，实际上就是用工控机下挂S7的PLC而组成的概念性的系统，典型地表示了其一方面不想在开放式系统领域落后于他人，同时又不想失去老用户的复杂情结。类似的还有Rockwell-AB的ControlLogic，Fisher-rosemount的Delta-V等等，都是将原有的专用系统加上“开放”的标签。他们的目的都是相同的，那就是既不错过开放式系统这班航船，又可以将原有的系统尽量多地销售出去。全力致力于真正开放式系统开发的反而是一些新兴的相对较小的公司如美国的Opto22，SoftPLC，Controlsoft以及英国的Transmitton等等。这些公司没有过去的包袱，所开发的产品的市场目标也不存在抢自己饭碗的问题，所以他们可以没有后顾之忧地宣传。由于他们的产品是充分考虑了开放性的，今后将成为开放性控制系统的新的生力军。

3、国际开放式系统研究存在的问题

首先，开放式控制系统的概念不清晰，没有解决开放控制系统的平台问题。各系统所采用的体系结构并不一致，相互之间缺乏兼容性和互换性，因而各系统软硬件不具备可移植性和互操作性。

其次，没有充分利用像Windows、UNIX、OS/2等新型操作系统。软件开发思想与技术落后，始终处于甚至低于结构化程序设计的水平。没有充分利用面向对象、软件重用等软件工程中的新理论、新技术，而这些正是实现开放性控制系统的关键所在。

此外，产品的升级、更新、修改和维修仍然依赖于生产厂家，没有提供相应的开发工具和环境，用户无法把自己的或任何第三方的思想或产品融入到系统中去。

PC-BASED控制系统

历史上，VME总线工业控制机一直是许多嵌入式应用的首选机型[6]。1981年，Mostek、Motorola、Philip和Signetics公司发明了VME总线，1996年的新标准VME64（ANSI/VITA1-1994）将总线数据宽度提升到64位，最大数据传输速度为80Mbps。由Force Computers制定的VME64x总线规范将总线速度提高到了320Mbps。VME总线工控机是实时控制平台，大多数运行的是实时操作系统，并由OS制造商提供专用的软件开发工具开发应用程序。VME总线最新产品已经采用了500MHz的Pentium Ⅲ处理器。

由于用户希望使用与所熟悉的桌面PC机相同的操作系统和开发工具，导致了开放式桌面PC在工业环境中的直接应用。除了VME总线工控机外，产生了一系列基于PC的、与ISA/PCI总线标准兼容的嵌入式工控机，其中比较有代表性的是CompactPCI/PXI总线、AT96总线、STD总线、STD32总线、 PC/104和PC/104-Plus总线嵌入式工业控制机。

随着Intel CPU和Microsoft DOS/WINDOWS架构演变成事实上的标准（Wintel），ISA/PCI总线加固型工业PC（IPC）开始向工业领域渗透。然而，虽然加固型工控机对基于大母板的桌面机进行了工业化改造，但其背板技术仍然存在许多缺点：不良的热设计、不良的连接方式、不标准的模板尺寸和有限的PCI插槽数（最大4个）等。因此。

1995年6月PCI SIG正式公布了PCI局部总线规范2.1版，同时PICMG推出了第一个标准PCI/ISA无源背板总线标准。为了将PCI SIG的PCI总线规范用在工业控制计算机系统，1995年11月PCI工业计算机制造者联合会（PICMG）颁布了CompactPCI规范1.0版。由于CPCI总线工控机良好地解决了可靠性和可维护性问题，而且基于Microsoft的软件和开发工具的价位比较低，所以，CPCI工控机得以迅速打入嵌入式产品市场。但相对于PCI/ISA加固型工控机而言，由于总体成本高、技术开发难度大、无源背板定义并不完全统一导致模板配套性差、电磁兼容性设计要求高等因素，CompactPCI工控机在工业过程控制领域并未得到实际应用，反而在电信市场获得广泛应用。