工业设备控制系统选型分析

肖中华，杜永昌 ，夏怀成，王振峰

(1.燕山大学 车辆与能源学院，秦皇岛 066004；2.清华大学 汽车安全与节能国家重点实验室，北京 100084)

0 引言

现代工业生产系统规模越来越大，生产环节内部以及各个环节之间的协作要求也越来越复杂，工业控制技术作为20世纪最重要的现代工业技术之一被广泛应用，利用该技术组成的工业控制系统使工业生产过程的生产质量和效率有明显的提高。自上世纪八十年代以来，工业控制系统走过了从模拟控制向数字控制、从单机控制向综合控制、从集中控制向分布控制和从简单逻辑控制向智能控制的发展道路。

就具体的工业生产设备而言，其控制器可分为可编程序控制器（PLC）、工控计算机控制系统和嵌入式系统等几种。

最早出现，也是应用最多的控制器是PLC，它可以顺序执行用户编制的包含逻辑运算、顺序控制、定时、计数等操作指令的程序，并通过输入和输出操作来控制生产设备的运行。现代的PLC已经非常成熟，其功能也不断提高，如可进行模拟量闭环控制、连续PID控制及与其它控制器的数据通讯等。但是，PLC的特点决定了它只能进行顺序控制、逻辑控制等相对固定的控制功能，一般作为分布式控制系统的现场控制单元，依靠上位机进行复杂的数据处理、存储和智能控制。

工控计算机控制系统和嵌入式控制系统，具有强大的数据运算、存储功能和丰富的人机交互界面，且可方便地扩展数据输入输出和通讯功能，因此对于需要复杂的信息采集、处理和智能控制功能的生产设备，是很好的选择。工控计算机控制系统以通用的工控计算机为中心，配备特定的接口卡，软件采用常见的桌面操作系统+专门开发的控制软件，对工业设备进行数据采集和控制。嵌入式系统是以应用为中心，采用一体化软硬件设计，且功能和配置可按需剪裁的专用计算机系统。这两种系统，其组成和适用场合都有很大的区别。在本文中，针对这两种在工业生产设备上广泛应用的智能控制系统，分析它们在硬件、操作系统、应用软件及适用场合等方面的不同，为进一步设计开发工业生产设备的控制系统提供依据。

1 工控计算机控制系统和嵌入式控制系统的硬件对比

硬件方面，工控计算机控制系统以通用的工控计算机为中心，配备相应的数据采集、控制和通讯等外围扩展卡，而嵌入式系统硬件采用专用的嵌入式硬件和一体化设计，因此，其系统架构、中央处理器（CPU）、存储系统等都有很大的不同。

1.1 系统架构

工控计算机采用工控母版+CPU卡的结构；其扩展总线有ISA、EISA、PCI、PCI Express等，与一般桌面计算机系统兼容，且随主流技术的发展而更新换代；机箱采用通用的标准工控机箱，内部有一个或多个风扇进行主动散热，在机箱的进风口有简单的滤网过滤空气中的灰尘。

嵌入式系统硬件一般采用PC104等小型化、一体化和可牢固堆叠的结构和总线，机箱可根据使用环境和需求自由设计，既可采用密闭方式，被动散热（无风扇），也可采用开放方式，利用风扇主动散热。

1.2 中央处理器

工控计算大多采用x86兼容的通用CPU，嵌入式系统除此以外，还可有ARM/PowerPC/MIPS等多种选择，针对不同的应用场合的计算能力、功耗等要求可灵活选择。

1.3 存储系统

机械式硬盘是主流的工控计算机的存储方式，而嵌入式系统一般采用CF卡/电子盘等电子器件存储程序和数据。

从上述对比分析可以看出，工控计算机的硬件具有很好的通用性、互换性和兼容性，便于硬件采购和备件维护，但也导致硬件系统的体积、重量和功耗较大，硬件功能可能存在一定程度的浪费，机械式硬盘存储系统无法在振动、强磁等场合使用，开放式机箱和主动式风扇散热系统使其在高温、高湿、灰尘、腐蚀性等恶劣环境下故障率较高，需定期维护。

而嵌入式控制系统的硬件由于针对特点应用专门设计，因此其体积、重量和功耗可得到很好的控制，硬件功能可按需配置，减少浪费，同时其采用的电子存储系统和可选的密闭机箱、无风扇散热系统等可使系统在恶劣环境下长期可靠运行；但也存在开发周期长，开发难度大，不同的应用间硬件通用性差等缺点。

2 工控计算机控制系统和嵌入式控制系统的操作系统对比

工控计算机控制系统采用以Microsoft Windows为代表的桌面操作系统，以键盘鼠标等为主要操作手段。其特点为：

1) 用户熟悉度高，所需培训时间短，可很快掌握新系统的使用；

2) 键盘、鼠标等操作手段在多数工业现场环境下使用不便、操作复杂；

3) Microsoft Windows系统作为通用桌面操作系统包含了大量的在工控系统中使用不到的复杂功能，无法通过系统剪裁等手段移除，这使系统非常庞大，一方面需要更多的存储空间，另一方面也使系统运行速度较慢，需要更强大的硬件来支持；

4) Microsoft Windows系统不具有实时控制能力，在需要进行实时控制情况下需依靠额外的软硬件配合实现；

5) Microsoft Windows系统的稳定性不高，其开放性带来的病毒感染、系统崩溃、数据丢失等问题使整个工控系统的可靠性和安全性问题都非常严重。

而嵌入式工控系统一般采用嵌入式操作系统，如Windows CE、嵌入式Linux、VxWorks等。其特点为：

1) 系统内核小，系统精简，可根据不同的应用对操作系统的功能进行剪裁。系统剪裁遵循最小功能原则，即系统中只包含完成系统应用所需的最少功能，而其他大量的无关功能都被剪裁掉，不会包含在最终的系统中。这使得嵌入式操作系统规模较小，系统启动和运行速度快，因此对存储空间及硬件处理能力要求较低，同时功能的精简也使得系统的安全性和可靠性都有很大提高；

2) 嵌入式系统可固化在ROM或保存在电子盘等不容易改写的介质中并可施加写保护，使系统的可靠性得到保证；

3) 嵌入式操作系统可做到快速启动，关机时可直接关闭电源，不需要软件关机等复杂操作；

4) 嵌入式系统可采用硬件按钮、开关、拨盘和触摸屏等适合工业现场的操作方式；

5) 嵌入式操作系统一般为实时系统（RTOS），对于硬件中断和定时器等具有实时响应能力，因此适用于对系统响应时间有严格要求的场合。

3 工控计算机控制系统和嵌入式控制系统的应用软件对比

应用软件方面，工控计算机控制系统由于采用了标准的Microsoft Windows操作系统，因此其应用软件的开发和使用与常规的应用软件相似；而嵌入式控制系统的应用软件一般针对特定的嵌入式操作系统开发，需要专用的开发工具和环境。

当开发工控计算机软件时，开发者可以对目标硬件做出一般性的假设，如具有1GHz以上的CPU、256MB或更大的内存、10G以上的存储空间等；而开发嵌入式应用软件时，开发人员必须研究并理解所有可用的硬件特性，考虑硬件资源的限制，如许多嵌入式设备没有显示器，有显示设备的其屏幕尺寸和分辨率也较低，嵌入式设备的CPU一般计算能力较低，内存和存储空间也较小。

从使用界面上二者也有区别，运行在工控计算机上的软件，主要采用键盘和鼠标进行操作，其显示输出在彩色、相对高分辨率的显示器上以窗口、菜单、对话框等经典的界面形式实现；而嵌入式工控系统采用硬件按钮、开关、触摸屏等输入手段和指示灯、声光提示等，其用户界面和操作方式都比较简单方便，结果的显示也比较直观、醒目。

4 结束语

工控计算机控制系统和嵌入式控制系统是工业控制系统的两种重要形式，它们各自具有自己的优缺点和适合的使用环境。工控计算机控制系统强调的是“通用”，其优点是软硬件兼容性强、资源丰富，对于熟悉桌面计算机操作的人员可以很快地学习和掌握，但其体积大、耗能多，对于工业现场应用来说，操作不便，可靠性不高，特别是在高温、高湿、灰尘、腐蚀、振动及强电磁干扰等恶劣环境下可靠性问题较为严重。而嵌入式工业控制系统强调的是“专用”，其优点是采用软硬件一体化设计，体积小、功耗低、可靠性高、可按需配置软硬件，适用于工业现场环境下操作和使用，在高温、高湿、灰尘、腐蚀、振动及强电磁干扰等恶劣环境下能长期可靠工作；但其缺点也同样明显，如通用性不高，设计开发难度大、周期长、需要专门的开发工具和环境等。在开发过程中必须根据具体的功能要求和使用环境进行方案的分析和选择。

[1] 聂志刚.工业控制系统的现状[J].科技广场,2007,(05).

[2] 张志杰.嵌入式系统在工业控制中的应用[D].成都:电子科技大学,2005.

[3] 杨广才,唐学媛.工业控制系统发展新技术[J].机床电器,2007,1.

[4] 王学文,潘健.国内工业控制系统的状态与趋势[J].湖北工学院学报,1995,12.

[5] 何宗键.Windows CE嵌入式系统[M].北京:北京航空航天大学出版社.