工控機，工業(yè)電腦，工業(yè)計算機

 

近年來，我國社會經(jīng)濟與科技發(fā)展迅猛，智慧電網(wǎng)、智能交通、智慧市政、智慧金融、智能制造等建設進程加快，各行業(yè)對工業(yè)計算機的需求逐漸增大，中國工業(yè)計算機市場規(guī)模穩(wěn)步擴張，行業(yè)內(nèi)技術競爭也日趨激烈。下面分別簡要闡述工業(yè)計算機的歷史、現(xiàn)狀、知名企業(yè)及未來趨勢

1  工業(yè)計算機技術發(fā)展歷史

 

工業(yè)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(yè)控制計算機專業(yè)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，并開始流行。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），并在工業(yè)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(huán)境適應性，將微型計算機技術應用于工業(yè)測量和控制領域，為非計算機專業(yè)設計和研發(fā)人員提供一套可靠、簡單、易用的解決方案，工業(yè)控制計算機應運而生。

工業(yè)控制計算機，業(yè)界也稱其為工業(yè)計算機（Industrial Computers）或嵌入式計算機（Embedded Computers）。根據(jù)《計算機科學百科全書》（第二版）的描述，工業(yè)控制計算機是具有“高可靠性、惡劣環(huán)境適應性、易維護性、強實時性、易擴展性”特點的計算機，其范疇主要包括工業(yè)計算機（Industrial Computers），工業(yè)/嵌入式平板電腦（Industrial/Embedded Panel PCs），工業(yè)平板電腦（Industrial Panel Computers）、加固工業(yè)計算機（Rugged Industrial Computers），工業(yè)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(tǒng)（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(jié)構(gòu)、總線型以及惡劣環(huán)境適應性和商業(yè)軟件兼容性。

發(fā)展脈絡：主要是基于并行總線技術，伴隨著并行總線技術的發(fā)展而發(fā)展，并逐漸向串行總線過度。

模板之間主要互聯(lián)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(yè)計算機技術發(fā)展現(xiàn)狀

 

伴隨著中國改革開放40年的發(fā)展，工業(yè)計算機已經(jīng)廣泛應用到了國民經(jīng)濟的各行各業(yè)，應用領域主要集中在工業(yè)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(yī)療器械（Medical）、交通運輸（Transportation）、物流（Logistics）、信息安全（Security）、智能建筑（Intelligent Building）、環(huán)境保護（Environment protection）、數(shù)字標簽（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(jié)構(gòu)依然是工業(yè)計算機不變的主流架構(gòu)，新一代模塊化計算機興起

 

不同于所熟知的符合各種工業(yè)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(tǒng)模塊，安裝結(jié)構(gòu)是層疊式而不是導軌式。傳統(tǒng)的模塊化計算機主要有1992年正式發(fā)布的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，采用超低功耗、低時延、基于ARM或x86 processor的片上系統(tǒng)（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(lián)網(wǎng)（IoT: Internet of Things）、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT: Industrial Internet of Things）、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、Industry 4.0、邊緣計算（Edge computing）以及工業(yè)自動化和控制等嵌入式應用領域。

 

COM模塊全系列產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)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(chǎn)PC/104系列產(chǎn)品和COMe模塊；研華科技的主要產(chǎn)品是COMe和Qseven模塊。

 

2.2 高可靠、快修復、惡劣環(huán)境適應性依舊是其代表特征，免維護設計開始占據(jù)主導地位

 

有別于商用計算機，工業(yè)計算機是在室外等最苛刻的環(huán)境中（the most demanding applications）工作的，其重要特征是長期可用性（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(jīng)在工業(yè)計算機的設計中占主導地位，由此將極大降低制造商和用戶的運行成本和維護費用，也減少了由于系統(tǒng)故障而造成的利潤損失。免維護設計要采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、不采用電池供電、使用保持時間長（holdup times）的電源供電以及采用長壽命（long-life）元器件等[3]。

 

工業(yè)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(yè)計算機的MTBF要求至少是50000小時以上，甚至達到100000小時，相當于連續(xù)運行5年以上而無故障?，F(xiàn)在主流設計是采用低功耗CPU或SoC，取消風扇和硬盤等運動部件來實現(xiàn)可靠工作[3]?？删S護性是用MTTR（mean time to repair）來度量的，表示計算機出現(xiàn)故障后恢復正常工作的速度。商用計算機對MTTR無要求；工業(yè)計算機在出現(xiàn)故障情況下需要快速修復，其要求MTTR小于30分鐘，甚至可以達到5分鐘[4]。工業(yè)計算機的可用性是可靠性和可維護性的函數(shù)，即Availability=MTBF/(MTBF+MTTR)。工業(yè)計算機的可用性一般設計為5個9，即99.999%，連續(xù)工作一年的宕機時間（downtime）不超過5分鐘。為了保證已經(jīng)定型的工業(yè)計算機產(chǎn)品具有較長的生命周期，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(xù)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(yè)計算機對抗震動（Vibration）、沖擊（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(yè)計算機能在室外等嚴苛的環(huán)境條件中長期、穩(wěn)定、可靠工作。

 

2.3 串行總線已經(jīng)占據(jù)主導地位，并行總線還會存續(xù)一定時間

 

雖然支持并行總線的計算機模板或模塊還在一定范圍內(nèi)使用，可能還需要持續(xù)存在一定時間，如ISA總線、PC/104總線、PCI總線、PCI/104總線等，但采用串行互聯(lián)總線的模板或模塊已經(jīng)牢牢地占據(jù)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(jīng)逐漸取代了并行接口總線，如IDE、LPT等，業(yè)已成為主流接口總線。

 

2.4 顯示和控制一體化趨于流行，工業(yè)平板電腦被廣泛采用

 

長期以來，工業(yè)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(yè)多點觸控顯示面板（Industrial multi-touch Panels）市場占有率不斷提高，市場需求旺盛，推動了工業(yè)計算機逐漸發(fā)展為主機和顯示一體化，即工業(yè)平板電腦，使顯示和控制一體化、個性化。工業(yè)平板電腦符合人機界面軟件和監(jiān)控操作走向網(wǎng)絡邊緣、走進現(xiàn)場前端的技術發(fā)展趨勢。為了適應惡劣的工業(yè)環(huán)境，工業(yè)平板電腦一般都符合IP65標準。

 

目前市場上流行的工業(yè)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(nèi)主要生產(chǎn)企業(yè)有富士康工控（FOXKPC）、深圳英德斯、研祥智能、集智達智能、深圳昆侖通態(tài)、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(yè)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征

 

市場上的大多數(shù)工業(yè)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(shù)工業(yè)計算機并不是放在辦公桌上工作，能看得見、摸得著，而是嵌入到控制室里或者安裝在現(xiàn)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(yè)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制，形態(tài)多樣，滿足個性化要求。

 

3   國內(nèi)外工業(yè)計算機研究成果和知名企業(yè)

3.1 國內(nèi)主要企業(yè)

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，陜西威藍工業(yè)自動化有限公司，北京立華萊康平臺科技有限公司，深圳昆侖通態(tài)、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(fā)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(tǒng)股份有限公司，北京凌天科技有限公司，北京研泓興業(yè)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(yè)

Versalogic，Kontron Compact Computers AG（德國控創(chuàng)）, 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(nèi)外工業(yè)控制系統(tǒng)（DCS、 PLC、PAC）主要制造商

北京和利時集團，中控科技集團公司，中國電子信息產(chǎn)業(yè)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(yè)計算機技術未來主要趨勢

 

據(jù)專家預測，未來六種新技術將驅(qū)動新一波創(chuàng)新浪潮，即人工智能（artificial intelligence）、物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things ）、高級機器人技術（advanced robotics）、區(qū)塊鏈（blockchain）、新材料（new materials）以及自主設備（autonomous devices) [5]。隨著新一波創(chuàng)新浪潮涌來，新科技成果逐漸轉(zhuǎn)化、應用，必將極大驅(qū)動工業(yè)計算機技術的進步和創(chuàng)新步伐。

 

4.1 模塊化計算機將成為工業(yè)和嵌入式系統(tǒng)設計普遍采用的系統(tǒng)模塊

 

未來，越來越多的工業(yè)和嵌入式系統(tǒng)設計工程師將采用模塊化設計方案，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(yè)和嵌入式產(chǎn)品。這種設計方式可以使設備制造商或客戶對市場需求做出快速響應，顯著降低研制難度和研制費用，降低研制風險，減少研制時間、提高工作效率，縮短產(chǎn)品投放市場時間，有利于在激烈的市場競爭中搶占先機。

 

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(zhì)上來講，模塊化計算機也是一種特殊的單板機（Single Board Computer）。制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(tǒng)等軟件 [6]。有了模塊化計算機模塊，專用設備制造商就可以避免從事計算機主板設計中技術難度大、復雜程度高、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(qū)動軟件、數(shù)據(jù)庫軟件和API）的編制[6]，而專心做面向特定應用的專業(yè)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(tǒng)，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(fā)展成為全球范圍工業(yè)和嵌入式系統(tǒng)設計普遍采用的、技術領先的系統(tǒng)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(gòu)SoC，采用可靠堅固的連接器（reliable and rugged connector）與載板連接，抗震動和沖擊能力強，適合應用在嚴苛的工業(yè)環(huán)境。Qseven和SMARC模塊主要支持non-X86架構(gòu)的SoC，如ARM系列，同時也支持低功耗的x86架構(gòu)SoC。SMARC有豐富的視聽接口信號，適合多媒體設備采用。Qseven具有豐富的I/O接口，更適合工業(yè)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(chuàng)和德國康佳特。國內(nèi)工控廠家主要生產(chǎn)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(guī)范由國際標準化組織PICMG制定，Qseven和SMARC規(guī)范由國際標準化組織SGET（Standardization Group for Embedded Technologies）制定。

 

當然，隨著AI和5G的快速發(fā)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(jīng)著手組織制定兩款與之相關的規(guī)范，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(shù)據(jù)和IIoT 的深度融合，工業(yè)計算機將進入5G移動網(wǎng)絡時代

 

隨著5G移動通信開始試驗部署并逐漸推廣，5G將對世界范圍內(nèi)的商業(yè)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(wǎng)絡連接技術將拓展到迅速增長的新興領域，如物聯(lián)網(wǎng)、自動駕駛汽車、智能家居等行業(yè)，也必將改變工業(yè)計算機之間的網(wǎng)絡連接方式。通過推動工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)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(shù)據(jù)，5G將為未來工業(yè)生產(chǎn)和人類生活提供所必需的智能連接（Intelligent Connectivity）能力。5G、AI、大數(shù)據(jù)、智能平臺（smart platform）和IIoT 的深度融合將改變世界，開創(chuàng)一個智能連接時代[8]。

 

在邊緣計算（edge computing）和網(wǎng)絡切片（network slicing）技術的支撐下，5G移動網(wǎng)絡在授權(quán)許可的范圍內(nèi)可以實現(xiàn)高速（10 gigabit-per-second download speeds）、高帶寬、超可靠和低延時（1ms）聯(lián)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(xiàn)按單元分組和空中（by the air）自由組網(wǎng)，使工廠生產(chǎn)過程具有更高的靈活性。5G網(wǎng)絡的1ms低延時，使基于工業(yè)計算機的工業(yè)智能設備可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)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(yè)網(wǎng)絡對數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性和確定性要求，將驅(qū)動眾多工廠、醫(yī)院、交通運輸工具等進行智能化改造。借助5G移動網(wǎng)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(yè)智能設備互聯(lián)將進入5G時代。

 

目前，工業(yè)自動化行業(yè)正在聯(lián)合起來行動，尋找一種專為工廠應用設計的基于Ethernet的標準協(xié)議，以解決在工廠里同時存在多個不同標準的網(wǎng)絡和網(wǎng)絡碎片化的現(xiàn)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(yè)計算機發(fā)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(yè)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(yè)計算機未來發(fā)展的必然趨勢。隨著邊緣計算和人工智能的發(fā)展，越來越多的數(shù)據(jù)需要在網(wǎng)絡邊緣或者靠近數(shù)據(jù)源端，就地存儲和處理，實現(xiàn)事件的快速響應。這必然帶來對滿足邊緣計算和智能信息采集、存儲、處理的嵌入式計算設備的需求劇增。據(jù)RTC Magazine預測，小型化系統(tǒng)在萬物互聯(lián)的世界里將發(fā)揮越來越重要的作用[10]。在IoT或IIoT的驅(qū)動下，尺寸小、功能強的微小系統(tǒng)的市場將發(fā)生爆炸性的增長，并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制（Customization）產(chǎn)品未來將呈現(xiàn)爆發(fā)式增長

 

21世紀工廠自動化的未來不再是大規(guī)模生產(chǎn)（mass production），而是大規(guī)?？蛻舳ㄖ疲╩ass customization）。個性化需求、小批量定制生產(chǎn)將成為潮流，一款產(chǎn)品包打天下（One-size-fits-all products）將讓位于客戶定制化，以滿足不同客戶的特定要求和欲望[11]。因此，近年來工業(yè)計算機產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)品特性已經(jīng)趨向于專業(yè)化及多樣化，以滿足不同的顧客需求。同時市場需要穩(wěn)定和可靠的產(chǎn)品質(zhì)量，因此工業(yè)計算機制造商需要不斷提高快速反應客戶定制化需求的能力，及時提供面向特定應用的高質(zhì)量產(chǎn)品。

 

相對于標準化通用產(chǎn)品，面向嵌入式應用的定制化工業(yè)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?？蛻舳ㄖ频漠a(chǎn)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(chǎn)品中多余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。這種定制單板機的設計可以從零開始，也可以采用開箱即用的模塊化計算機與I/O功能載板設計相結(jié)合的方式，這樣可以簡化設計復雜性，降低設計難度，節(jié)省設計費用，縮短交付客戶時間，加快市場反應能力。

 

近來風起云涌的邊緣計算是5G網(wǎng)絡的核心特征，也是結(jié)合5G的智能物聯(lián)應用的核心特征。針對智能物聯(lián)應用場景的特異性，邊緣計算對計算能力需求將呈現(xiàn)定制化、個性化的特征，將驅(qū)動計算能力領域FPGA產(chǎn)業(yè)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(yè)計算機產(chǎn)業(yè)發(fā)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(tǒng)集成解決方案能力將成為主要競爭優(yōu)勢

 

多年以來，工業(yè)計算機行業(yè)由眾多的中小企業(yè)組成，其中硬件制造商提供OEM產(chǎn)品或ODM方案，軟件供應商提供組態(tài)軟件以及管理和控制算法軟件模塊，由最終客戶進行系統(tǒng)集成，編制應用程序，實現(xiàn)特定目標功能。未來，工業(yè)自動化行業(yè)將進行大規(guī)模整合，將若干中小企業(yè)整合成大型企業(yè)，實現(xiàn)軟件和硬件一體化，能夠根據(jù)客戶的應用需求，進行需求分析，提供一整套解決方案，實現(xiàn)客戶的應用目標。一站式服務極大縮短研發(fā)和系統(tǒng)集成時間，提高達成目標的效率，也提高了最終系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性，節(jié)約成本，有效降低了對客戶需要掌握復雜知識和專業(yè)技能的要求。

 

在未來工業(yè)4.0環(huán)境下的智能工廠里，要求能夠高效地采集、顯示和分析生產(chǎn)線上的實時數(shù)據(jù)，以便能在技術上提高生產(chǎn)線的性能，改進生產(chǎn)工藝。這就要求有更先進的分析軟件，來對大數(shù)據(jù)進行篩選和挖掘，找到需要改進的參數(shù)。因此，需要工業(yè)計算機系統(tǒng)制造商能為智能工廠建設和生產(chǎn)提供這樣的服務能力。以后的競爭核心就是服務能力的競爭。

 

4.6 嵌入式HMI分布到工業(yè)現(xiàn)場，并將逐漸進入到移動HMI時代

 

傳統(tǒng)上，人機界面軟件（HMI）安裝在控制室里的操作站和工程師站上，完成數(shù)據(jù)的采集、處理和顯示，設備的控制組態(tài)，設置報警、日志以及顯示歷史數(shù)據(jù)趨勢圖等功能，實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的監(jiān)視、控制和管理。為了適應惡劣的工業(yè)環(huán)境要求，安裝在工業(yè)現(xiàn)場的工業(yè)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(shù)碼管、五顏六色的發(fā)光二極管以及各類模擬儀表，如電壓表、電流表、壓力表等，以發(fā)布控制命令，顯示重要控制數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息。

 

隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)或工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展，未來控制裝置將被廣泛分散到了工廠車間現(xiàn)場，越來越靠近被控設備，實現(xiàn)就地測量和控制，做到快速響應。因此，現(xiàn)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(xiàn)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(tǒng)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了解設備或生產(chǎn)線的工作情況，以改進生產(chǎn)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云計算之間的通信通道，實現(xiàn)與云平臺、工廠管理系統(tǒng)、歷史和實時數(shù)據(jù)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，并在2020年將具備大規(guī)模商用能力，預計將HMI功能移植到移動設備上，特別是5G折疊屏智能手機上，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(xiàn)場控制設備，及時獲取設備運行數(shù)據(jù)。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，及時了解設備或生產(chǎn)線的運行狀況，并做出準確的診斷和決策，預先采取有針對性的措施，使設備工作在最優(yōu)狀態(tài)。

 

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(jiān)控組態(tài)軟件以及昆侖通態(tài)的MCGS等。

 

4.7 工業(yè)自動化正走向智能化時代

 

以人工智能、高級機器人和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)為代表的第四次工業(yè)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(chǎn)、制造、商業(yè)以及生活模式。就像工業(yè)4.0所構(gòu)想的那樣，傳統(tǒng)的制造業(yè)將邁入智能工廠時代，工業(yè)自動化正在走向智能化。

 

在智能工廠里，將是一種全新的景象，機器人可以與機器、設備以及產(chǎn)品進行交流，實時交換信息。人類將和高級機器人肩并肩地協(xié)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?qū)崿F(xiàn)自主監(jiān)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(fā)生[13]。智能產(chǎn)品是唯一可識別的，知道自己的過去生產(chǎn)歷史、如今的現(xiàn)狀以及未來的目標以及實現(xiàn)路徑，而且能隨時定位自己。智能的、互聯(lián)的嵌入式設備在智能工廠里將隨處可見，工業(yè)計算機等嵌入式設備將在智能工廠里發(fā)揮極大的不可替代的作用。

 

4.8 邊緣計算和云計算有效結(jié)合，將打造真正意義上的分布式控制系統(tǒng)

 

不同于傳統(tǒng)的集中控制系統(tǒng)，分布式控制系統(tǒng)（distributed control systems），在國內(nèi)也叫集散控制系統(tǒng)（DCS），其主要理念就是“管理集中、控制分散”，即對工廠整個生產(chǎn)過程按區(qū)域或功能分散進行采集、監(jiān)視和控制，對過程的狀態(tài)信息進行集中管理。但在實際操作過程中，監(jiān)視控制系統(tǒng)（控制站）和管理系統(tǒng)（工程師站、操作站）都是布置在控制室里，而不是靠近被監(jiān)控設備，沒有真正分散到工業(yè)現(xiàn)場，實現(xiàn)就地監(jiān)控。因此，某種意義上說，目前運行的所謂分布式控制系統(tǒng)仍然是一種集中控制系統(tǒng)。

 

邊緣計算（edge computing）和云計算（cloud computing）相結(jié)合，并進行平衡控制，將使DCS系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)發(fā)生革命性的變化，形成全新的分布式智能控制系統(tǒng)，一種真正意義上的高級分布式控制系統(tǒng)[14]?？刂聘臃稚?，可以一直分散到網(wǎng)絡或者車間生產(chǎn)過程的邊緣，也就是設備信息數(shù)據(jù)產(chǎn)生和使用的地方，無限接近生產(chǎn)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，指的是用在離散制造過程或連續(xù)過程控制的邊緣，包括IPCs、PLCs、PACs、industrial controllers、嵌入式計算機等工業(yè)計算機設備[16]。邊緣設備（edge devices）或邊緣計算機（edge computers）實現(xiàn)就地監(jiān)視和控制功能，可以極大提高被監(jiān)控設備的工作效率。對于獨立設備而言，通過局部數(shù)據(jù)分析和計算及時發(fā)現(xiàn)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并即時做出處置反應，有效避免由于網(wǎng)絡延時或者網(wǎng)絡、服務器故障而造成生產(chǎn)事故[14]。通過云計算，可以實現(xiàn)復雜智能控制算法的計算和流程工藝優(yōu)化計算，并把結(jié)果傳到邊緣計算設備里改進控制質(zhì)量和工藝流程，提高生產(chǎn)效率。同時，云計算掌管全局數(shù)據(jù)，通過大數(shù)據(jù)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(chǎn)線和不同的制造區(qū)域的工作情況進行對比，及時發(fā)現(xiàn)運行設備的異常狀態(tài)，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(xiàn)或止損。

 

4.9 工業(yè)控制系統(tǒng)將在自主可控基礎上實現(xiàn)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(chuàng)新。從2018年開始，我國技術創(chuàng)新的推動力已經(jīng)從應用端拉動的生產(chǎn)力推動轉(zhuǎn)變?yōu)樯a(chǎn)關系推動。關系到國計民生的重要行業(yè)，政府將大力推動基于自主可控基礎上的安全可靠技術創(chuàng)新和產(chǎn)品應用，主要包括CPU、OS（操作系統(tǒng)）和SI（系統(tǒng)集成）。工業(yè)計算機或嵌入式計算機系統(tǒng)，采用自主可控的CPU、操作系統(tǒng)和系統(tǒng)集成應用軟件實現(xiàn)安全可靠，為關系到國計民生的重要行業(yè)提供基礎支撐，是國內(nèi)行業(yè)必然的發(fā)展趨勢，未來將大有可為。

 

5  工業(yè)計算機的前景展望

根據(jù)美國MarketWatch發(fā)布的“Industry 4.0 Market & Technologies – 2019-2023” 報告預測，到2023年全球工業(yè)4.0市場將達到2140億美元。其中Asia-Pacific工業(yè)4.0市場將是全球增長最快的，復合年均增長率（CAGR）將達到23.7%[15]。

根據(jù)IHS Inc的預測，從2014年到2019年，全球industrial PCs 的銷售收入復合年均增長率為6%，到2019年將達到43 億美元。根據(jù)TechNavio發(fā)布的"Industrial PC Market - Global Forecast to 2022" report預測，從2018年-2022年，由于IIoT對制造業(yè)的滲透和相關R&D投資的增加，將促進工業(yè)計算機的應用，工業(yè)計算機的復合年均增長率將達到6.2%，到2022年市場規(guī)模將達到47.3億美元。根據(jù)TechNavio發(fā)布的“Global Embedded Computer Market 2018-2022”報告預測，僅僅由于電信、銀行、金融服務、智能零售以及衛(wèi)生保健方面的應用對IoT設備需求的增長，將激發(fā)全球嵌入式計算機市場規(guī)模到2022年將擴大到33億美元。

由于模塊化計算機（COM ）的出現(xiàn)，很好地解決了眾多工業(yè)計算機設備廠商和自動化設備制造商所困擾的“造或買”（build or buy）的問題，應用前景看好。VDC研究報告顯示，全球?qū)盈B式計算機模塊（Stackable Module）的出貨量的復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）市場的復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(guī)格主板模塊，非常適合在空間受到極大限制的嵌入式系統(tǒng)設計中應用。VME/VPX架構(gòu)在軍事裝備中的應用市場也呈現(xiàn)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(jù)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，復合年均增長率為9.0%，發(fā)展前景看好。

在工業(yè)控制行業(yè)，工業(yè)自動化（Industrial automation）、過程控制（Process control）、樓宇自動化（Building automation）、工業(yè)制冷（Industrial refrigeration）、遠程監(jiān)視（Remote monitoring）以及數(shù)據(jù)采集（Data acquisition）等領域?qū)I(yè)計算機也有著旺盛的需求。

因此，隨著工業(yè)4.0、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、邊緣計算、大數(shù)據(jù)處理、人工智能、機器人、5G移動通信等技術的迅猛發(fā)展、商業(yè)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(fā)式增長。作為這些新技術應用的主要載體，工業(yè)計算機特別是層疊式單板計算機將迎來重大發(fā)展機遇。可以毫不夸張地說，工業(yè)計算機發(fā)展的又一個春天到來了。工業(yè)計算機必將在國家經(jīng)濟結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級、供給側(cè)改革和創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展過程中繼續(xù)發(fā)揮不可替代的作用，應用數(shù)量將呈現(xiàn)爆發(fā)式增長，應用前景廣闊。

 

6 中國是全球工業(yè)計算機第一大技術來源國

 

據(jù)統(tǒng)計，截至2021年7月，中國工業(yè)計算機專利申請量占全球工業(yè)計算機專利總申請量的78.6%，占據(jù)絕對優(yōu)勢；其次是美國，占全球工業(yè)計算機專利總申請量的14.69%，而排名第三和第四的日本和韓國與排名第一的中國專利申請量更是存在一定差距。

中國方面，廣東為當前申請工業(yè)計算機專利數(shù)量最多的省份，申請累計高達36236項。除此之外，申請省(市、自治區(qū))工業(yè)計算機專利數(shù)量排名前十的省份（浙江、北京、山東、上海、安徽、湖北、河南和四川）的專利數(shù)量也非常客觀。

由此可見，國內(nèi)工業(yè)計算機行業(yè)以技術創(chuàng)新驅(qū)動經(jīng)濟發(fā)展的產(chǎn)業(yè)生態(tài)已然形成。作為市場主體的行業(yè)內(nèi)企業(yè)圍繞技術創(chuàng)新展開的激烈競爭更是趨勢所向。

7  結(jié)論

 

今天，世界面臨著百年未有之大變局，工業(yè)計算機及其系統(tǒng)也迎來了其幾十年發(fā)展史上的第二次大發(fā)展浪潮。機遇與挑戰(zhàn)并存。

 

特朗普減稅，激活了美國眾多中小企業(yè)，也因此激發(fā)了美國經(jīng)濟的活力。中國政府也意識到了中小微企業(yè)對國民經(jīng)濟發(fā)展的重要性，出臺了一系列支持中小微企業(yè)創(chuàng)新和融資的政策，規(guī)模空前地大幅度減稅降費，給廣大工業(yè)計算機設計和制造企業(yè)的快速發(fā)展提供了政策上的利好。

 

“中國制造2025發(fā)展規(guī)劃”與工業(yè)4.0對接，以智能制造為核心，推動制造業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，以提高制造能力，特別是創(chuàng)新能力（innovation ability）、能源效率（energy efficiency）和信息效率（information efficiency）。工業(yè) 4.0，也叫工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，代表著第四次工業(yè)革命。在垂直方向，用數(shù)字化（digitize）整合企業(yè)的所有管理和運行過程，從產(chǎn)品研發(fā)，原材料采購，到制造、物流和服務。橫向，將整合從內(nèi)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(yè) 4.0企業(yè)里，在生產(chǎn)過程的每個工段都安裝著大量的傳感器，每天都產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，累計起來的數(shù)據(jù)量更是驚人的。眾多的邊緣計算設備或工業(yè)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(shù)據(jù)處理和控制，使生產(chǎn)過程更靈活、更高效、更精細。雖然數(shù)據(jù)經(jīng)濟或數(shù)據(jù)就是生產(chǎn)力已經(jīng)深入人心，但如何讓巨量的數(shù)據(jù)變成對企業(yè)有用的信息，使數(shù)據(jù)產(chǎn)生價值，借此增強企業(yè)的競爭力，給企業(yè)帶來巨大的效益就成為關鍵。隨著大數(shù)據(jù)分析與利用逐漸成為每個工業(yè)企業(yè)的核心競爭力，企業(yè)必將對工業(yè)計算機以及以工業(yè)計算機技術為核心的嵌入式計算設備產(chǎn)生巨大的需求。

 

唯有創(chuàng)新才能生存，也唯有創(chuàng)新才能發(fā)展。目前國內(nèi)眾多從事工業(yè)計算機設計制造企業(yè)絕大多數(shù)為中小微企業(yè)，還缺少世界級的大型工業(yè)計算機及系統(tǒng)領軍企業(yè)。如何抓住機遇實現(xiàn)騰飛，把企業(yè)發(fā)展成能與國際自動化巨頭并肩的企業(yè)，支撐起中國自動化產(chǎn)業(yè)的藍天，是所有工控企業(yè)需要認真面對的挑戰(zhàn)。