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新时代工业计算机技术的现状及未来发展趋势(上)

2020-02-20 11:26 作者:迈肯思工控 来源:https://www.mcipc.com
摘要:本文介绍了新时代工业计算机技术发展的历史沿革,分析了目前国内外的现状,预测了工业计算机技术和相关自动化技术的未来主要发展趋势,供国内从事工业计算机或嵌入式系统方面工作的设计工程师和设备制造商参考。
关键词:模块化计算机;工业平板电脑;边缘计算设备;个性化定制;移动HMI;分布式智能控制系统 Abstract: This paper mainly analyses the present status of industrial computers worldwide in the new era, and predicts the future development trends of the industrial computer technologies. 

Key words: Computer on modules; Panel computers; Edge computing devices; Customization; Mobile HMI; Distributed intelligent control systems

1 工业计算机技术发展简要回顾
工业控制计算机(Industrial Control Computers)的概念是20世纪80年代由“中国计算机学会工业控制计算机专业委员会”的专家们提出来的。当时Intel公司的8086/8088、Zilog公司的Z8000以及Motorola的68000等16位微处理器相继问世,并开始流行。也就是在这个时候,IBM公司将8088应用到PC机上,从此微型计算机开始走入人们的工作和生活,开启了一个微机新时代。同期,Intel推出了以8051为核心的MCS-51系列单片微型计算机(简称单片机),并在工业自动化及相关控制领域得到了广泛应用。为了提高微型计算机的可靠性和恶劣环境适应性,将微型计算机技术应用于工业测量和控制领域,为非计算机专业设计和研发人员提供一套可靠、简单、易用的解决方案,工业控制计算机应运而生。
工业控制计算机,业界也称其为工业计算机(Industrial Computers)或嵌入式计算机(Embedded Computers)。根据《计算机科学百科全书》(第二版)的描述,工业控制计算机是具有“高可靠性、恶劣环境适应性、易维护性、强实时性、易扩展性”特点的计算机,其范畴主要包括工业计算机(Industrial Computers)、工业/嵌入式平板电脑(Industrial/Embedded Panel PCs)、工业平板电脑(Industrial Panel Computers)、加固工业计算机(Rugged Industrial Computers)、工业PC(Industrial PCs)、单板机(Single Board Computers)、模块化计算机(Computer on Modules)、加固计算机(Rugged Computers)、加固便携电脑(Rugged Laptops)、嵌入式计算机(Embedded Computers)、嵌入式PC(Embedded PCs)、嵌入式系统(Embedded Systems)。其外延可以扩展到PLC(Programmable Logic Controller)、PAC(Programmable Automation Controller)、DCS(Distributed Control Systems)等计算机控制平台(Computer Control Platforms)。
主要特点:模块化结构、总线型以及恶劣环境适应性和商业软件兼容性。
发展脉络:主要是基于并行总线技术,伴随着并行总线技术的发展而发展,并逐渐向串行总线过度。
模板之间主要互联总线:STD总线、VME总线、ISA总线(XT/AT总线)、AT96总线、PCI总线、CompactPCI总线、PXI总线、AdvancedTCA总线、mTCA总线、PC/104总线、PC104-plus总线、PCI/104总线、PCI/104-Express、PCIe/104总线以及VPX总线。
2 工业计算机技术发展现状
伴随着中国改革开放40年的发展,工业计算机已经广泛应用到了国民经济的各行各业,应用领域主要集中在工业自动化和控制(Industrial automation & control)、测试与测量(Test & Measurement)、仪器仪表(Instrumentation)、航空电子设备(Avionics)、航天设备(Aerospace)、国防装备(Defense)、能源(Energy)、汽车(Automotive)、信息娱乐设备(Infotainment)、通信(Communications)、医疗器械(Medical)、交通运输(Transportation)、物流(Logistics)、信息安全(Security)、智能建筑(IntelligentBuilding)、环境保护(Environment protection)、数字标签(Digital signature)以及智能零售(iRetail)等。
虽然随着技术的进步,总线和接口标准不断在变化,但有些事情是不变的。
2.1 模块化结构依然是工业计算机不变的主流架构,新一代模块化计算机兴起
不同于所熟知的符合各种工业总线标准的计算机模板,如CPU板、I/O模板、功能模板等,模块化计算机是需要插在另一块功能载板(Carrier Board)上工作的计算机系统模块,安装结构是层叠式而不是导轨式。传统的模块化计算机主要有1992年正式发布的PC/104标准模块,及其升级型号PC/104-plus、PCI/104、PCIe/104等;以及1998年推出的ETX(Embedded Technology eXtended)模块及其升级型号XTX(eXpress Technology for ETX)模块。目前,采用超低功耗、低时延、基于ARM或x86 processor的片上系统(SoC: System on Chip)技术的、微型化的新一代模块化计算机模块(COM: Computer on Modules)开始兴起。在市场中占主导地位的是COMe,Qseven,SMARC模块[1],新兴的模块化计算机模块主要应用在物联网(IoT: Internet of Things)、工业物联网(IIoT: Industrial Internet of Things)、工业互联网、Industry 4.0、边缘计算(Edge computing)以及工业自动化和控制等嵌入式应用领域。
COM模块全系列产品生产企业主要是Kontron、Congatec、MSC Technologies和凌华科技。Versalogic、RTD Embedded Technologies和深圳盛博主要生产PC/104系列产品和COMe模块;研华科技的主要产品是COMe和Qseven模块。
2.2 高可靠、快修复、恶劣环境适应性依旧是其代表特征,免维护设计开始占据主导地位有别于商用计算机,工业计算机是在室外等最苛刻的环境中(the Most Demanding Applications)工作的,其重要特征是长期可用性(Long-term Availability)、高可靠性(High Reliability)和良好的可维护性(FriendlyServiceability)[2]。目前国际流行的免维护(Maintenancefree)设计已经在工业计算机的设计中占主导地位,由此将极大降低制造商和用户的运行成本和维护费用,也减少了由于系统故障而造成的利润损失。免维护设计要采取一些严苛的措施来保证,如去掉运动部件、选用低功耗元器件、不采用电池供电、使用保持时间长(holdup times)的电源供电以及采用长寿命(long-life)元器件等[3]。
工业计算机的可靠性用MTBF(Mean Time Between Failures)来描述。一般商用计算机的MTBF大约是20000小时,也就是2年。但工业计算机的MTBF要求至少是50000小时以上,甚至达到100000小时,相当于连续运行5年以上而无故障。现在主流设计是采用低功耗CPU或SoC,取消风扇和硬盘等运动部件来实现可靠工作[3]。可维护性是用MTTR(Mean Time To Repair)来度量的,表示计算机出现故障后恢复正常工作的速度。商用计算机对MTTR无要求;工业计算机在出现故障情况下需要快速修复,其要求MTTR小于30分钟,甚至可以达到5分钟[4]。工业计算机的可用性是可靠性和可维护性的函数,即Availability=MTBF/(MTBF+MTTR)。工业计算机的可用性一般设计为5个9,即99.999%,连续工作一年的宕机时间(downtime)不超过5分钟。为了保证已经定型的工业计算机产品具有较长的生命周期,如5~7年或者更长时间,需要选用长寿命(long-lifecycle)元器件,不仅可靠工作时间长,还要具有长期持续供货能力。而商用计算机的淘汰速度比较快,一般为9~12个月[4]。除此之外,工业计算机对抗震动(Vibration)、冲击(Shock)能力、极限温度条件(Extreme temperature)以及入口保护(Ingress protection)都有严格要求。这些指标保证了工业计算机能在室外等严苛的环境条件中长期、稳定、可靠工作。
2.3 串行总线已经占据主导地位,并行总线还会存续一定时间
虽然支持并行总线的计算机模板或模块还在一定范围内使用,可能还需要持续存在一定时间,如ISA总线、PC/104总线、PCI总线、PCI/104总线等,但采用串行互联总线的模板或模块已经牢牢地占据了市场主导地位,如PCI Express、PCIe/104总线、VPX总线以及Industrial Ethernet等。同样,串行接口总线,如SATA,USB等,也已经逐渐取代了并行接口总线,如IDE、LPT等,业已成为主流接口总线。
2.4 显示和控制一体化趋于流行,工业平板电脑被广泛采用
长期以来,工业计算机的主机和显示屏(器)是分离的。随着多点触控技术(Multi-touch technology)的成熟,工业多点触控显示面板(Industrial multi-touch Panels)市场占有率不断提高,市场需求旺盛,推动了工业计算机逐渐发展为主机和显示一体化,即工业平板电脑,使显示和控制一体化、个性化。工业平板电脑符合人机界面软件和监控操作走向网络边缘、走进现场前端的技术发展趋势。为了适应恶劣的工业环境,工业平板电脑一般都符合IP65标准。
目前市场上流行的工业平板电脑类型有Industrial Panel PCs、Panel Computers、Fanless Embedded Panel PCs以及All-in-One Panel PCs等。国内主要生产企业有富士康工控(FOXKPC)、深圳英德斯、研祥智能、集智达智能、深圳昆仑通态、深圳科拉德计算机、北京启阳科技、南京研维、东方松柏、北京宇田信达、台湾凌华科技、台湾新汉、台湾融程电讯以及台湾研扬等。国外企业主要有BCM Advanced Research、Industrial Computers Limited、Caltron Technology、Impulse Embedded Limited、Beckhoff Automation以及Contec等。
2.5 低功耗、无风扇、微小型化、个性化成为主要指标特征
市场上的大多数工业计算机是满足嵌入式应用需求的计算机,即嵌入式计算机。绝大多数工业计算机并不是放在办公桌上工作,能看得见、摸得着,而是嵌入到控制室里或者安装在现场的设备当中,以隐蔽的形式存在和运行。为了适应这种嵌入式应用需求,工业计算机大多是低功耗、无风扇工作的,以提高可靠性,减少故障率。体积微型化或小型化,以应用在对空间限制比较严格的场合。功能和外形可以客户定制,形态多样,满足个性化要求。
3 国内外工业计算机主要研究和制造企业
3.1 国内主要企业
北京控制工程研究所、北京轩宇智能、北京轩宇空间、深圳研祥智能、北京集智达智能、北京康拓科技、深圳英德斯电子有限公司、北京力控元通科技有限公司、陕西威蓝工业自动化有限公司、上海瑞强信息科技有限公司、北京立华莱康平台科技有限公司、深圳昆仑通态、深圳德航智能技术有限公司、北京宇田科技有限公司、东方松柏科技(北京)有限公司、北京启阳科技有限公司、富士康科技集团工控部(FOXKPC)、台湾研华(Advantech)、台湾凌华(ADLINK)、台湾新汉(NEXCOM)、台湾融程电讯、台湾磐仪科技(Arbor)、研扬科技(苏州)有限公司、艾讯科技、广积科技、研强科技、北京阿尔泰科技发展有限公司、研为科技、摩莎(Moxa)科技(上海)有限公司、台湾昭营科技(ICOP)、台湾威盛科技(VIA Technologies)、台湾瀚达电子、深圳市佳维视(Jawest)电子科技有限公司、天津市英贝特航天科技有限公司、北京方天长久科技股份有限公司、上海鼎钛克电子有限公司、北京新松佳和电子系统股份有限公司、北京凌天科技有限公司、北京研泓兴业科技有限责任公司、深圳华北工控、广州市拓盈科技有限公司、上海诺达佳自动化技术有限公司、以及深圳邦彦技术股份有限公司等。
3.2 国外主要企业
Versalogic、Kontron Compact Computers AG(德国控创)、National Instruments、Caltron Technology, Congatec AG(德国康佳特)、Industrial Computers(Kontron UKLimited)、Artesyn Embedded Technologies、Janam TechnologiesLLC.、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 国内外工业控制系统(DCS、 PLC、PAC)主要制造商
和利时集团、中控科技集团、中国电子信息产业集团有限公司第六研究所、国电智深、ABB、Siemens(西门子)、Rockwell Automation(罗克韦尔自动化)、AllenBradley、Honeywell(霍尼韦尔)、Schneider Electric(施耐德电气)、OPTO22,以及Yokogawa Electric Corp.(横河电机)等。
4 工业计算机技术未来主要发展趋势
据专家预测,未来六种新技术将驱动新一波创新浪潮,即人工智能(Artificial Intelligence)、物联网(Internet of Things )、高级机器人技术(Advanced Robotics)、区块链(blockchain)、新材料(New Materials)以及自主设备(Autonomous Devices) [5]。随着新一波创新浪潮涌来,新科技成果逐渐转化、应用,必将极大驱动工业计算机技术的进步和创新步伐。
4.1 模块化计算机将成为工业和嵌入式系统设计普遍采用的系统模块
未来,越来越多的工业和嵌入式系统设计工程师将采用模块化设计方案,像搭积木一样,用标准的、成熟的、开箱即用的计算机模块,来组装满足客户特定应用需要的工业和嵌入式产品。这种设计方式可以使设备制造商或客户对市场需求做出快速响应,显著降低研制难度和研制费用,降低研制风险,减少研制时间、提高工作效率,缩短产品投放市场时间,有利于在激烈的市场竞争中抢占先机。
模块化设计当中一个最重要的模块无疑是模块化计算机模块。从本质上来讲,模块化计算机也是一种特殊的单板机(Single Board Computer)。制造商在提供模块化计算机时会附带一套免费的底层支持软件包BSP(Board Support Package)和嵌入式操作系统等软件 [6]。有了模块化计算机模块,专用设备制造商就可以避免从事计算机主板设计中技术难度大、复杂程度高、风险也大的处理器、存储器和高速接口部分设计,以及相应底层支持软件(如驱动软件、数据库软件和API)的编制 [6],而专心做面向特定应用的专业性、知识性比较强的外部接口和功能设计,即载板(Carrier)设计。更重要的是,一旦应用对象的技术要求变更或需要升级成性能更高、功能更强大的新型处理器,也无需从头再来设计整个系统,只需简单地更换一块模块化计算机或基础载板即可,省时、省事、省心、省费用。因此,模块化计算机将发展成为全球范围工业和嵌入式系统设计普遍采用的、技术领先的系统模块。
在可预见的未来,模块化计算机市场将主要由三种标准模块主导,即COM express, Qseven和SMARC模块。COM express模块主要支持x86架构SoC,采用可靠坚固的连接器(Reliable
and Rugged Connector)与载板连接,抗震动和冲击能力强,适合应用在严苛的工业环境。Qseven和SMARC模块主要支持non-X86架构的SoC,如ARM系列,同时也支持低功耗的x86架构SoC。SMARC有丰富的视听接口信号,适合多媒体设备采用。Qseven具有丰富的I/O接口,更适合工业和嵌入式应用。但Qseven和SMARC模块与载板是通过金手指连接器(Flat Edge Connector)连接,可靠性比COMe要低[6]。模块化计算机模块主要供应商是德国控创和德国康佳特。国内工控厂家主要生产PC/104系列和COM express模块,如盛博科技、研祥智能、深圳英德斯等。
COM express规范由国际标准化组织PICMG制定,Qseven和SMARC规范由国际标准化组织SGET(StandardizationGroup for Embedded Technologies)制定。
当然,随着AI和5G的快速发展,要求有性能更高的CPU、更高的带宽以及大容量的存储器,因此需要一个全新的Computer on Modules标准问世与之相对应。从2018年开始,PICMG就已经着手组织制定两款与之相关的规范,一是Server Type,另一个是Embedded Type [7]。Server Type支持性能达到125W TDP的CPU、更高带宽的PCI Express Gen5、最大达100GB的LAN、USB3.2以及最多8个存储器条。Embedded Type可以支持性能达到65W TD、PCI Express Gen5、USB 3.2、高分辨率图像通道、支持TSN的Ethernet以及最多4个存储器条。
4.2 随着5G、AI、大数据和IIoT的深度融合,工业计算机将进入5G移动网络时代
随着5G移动通信开始试验部署并逐渐推广,5G将对世界范围内的商业运营模式和消费者的生活带来深刻影响。预计到2020年,5G移动网络连接技术将拓展到迅速增长的新兴领域,如物联网、自动驾驶汽车、智能家居等行业,也必将改变工业计算机之间的网络连接方式。通过推动工业物联网的急剧扩张,以及为机器学习(machine learning)和深度学习(deep learning)获取海量实时数据,5G将为未来工业生产和人类生活提供所必需的智能连接(Intelligent Connectivity)能力。5G、AI、大数据、智能平台(Smart Platform)和IIoT的深度融合将改变世界,开创一个智能连接时代[8]。
在边缘计算(Edge Computing)和网络切片(Network Slicing)技术的支撑下,5G移动网络在授权许可的范围内可以实现高速(10 gigabit-per-second download speeds)、高带宽、超可靠和低延时(1ms)联通性 [8],减少对安装和维护成本都昂贵的电缆线的依赖,实现按单元分组和空中(by the air)自由组网,使工厂生产过程具有更高的灵活性。
5G网络的1ms低延时,使基于工业计算机的工业智能设备可以实现数据的快速、实时传输以及事件的快速响应,响应时间具有可预测性和确定性,满足工业网络对数据传输的实时性和确定性要求,将驱动众多工厂、医院、交通运输工具等进行智能化改造。借助5G移动网络,工厂操作员可以方便地对智能设备进行远程实时遥测和遥控,工业智能设备互联将进入5G时代。
目前,工业自动化行业正在联合起来行动,寻找一种专为工厂应用设计的基于Ethernet的标准协议,以解决在工厂里同时存在多个不同标准的网络和网络碎片化的现状[9]。IEC、IEEE、Industry4.0以及Industrial Internet Consortium正在为此工作,而5G就是其中一种可行的选择方案。
4.3 小型化、微型化是未来工业计算机发展的必然趋势
作为一种满足嵌入式应用要求的嵌入式计算机,工业计算机的外形尺寸会变得越来越小,但功能却越来越强大。小型化甚至微型化是工业计算机未来发展的必然趋势。随着边缘计算和人工智能的发展,越来越多的数据需要在网络边缘或者靠近数据源端,就地存储和处理,实现事件的快速响应。这必然带来对满足边缘计算和智能信息采集、存储、处理的嵌入式计算设备的需求剧增。据RTCMagazine预测,小型化系统在万物互联的世界里将发挥越来越重要的作用[10]。在IoT或IIoT的驱动下,尺寸小、功能强的微小系统的市场将发生爆炸性的增长,并得到广泛的应用和部署。
4.4 面向嵌入式应用的客户个性化定制(Customization)产品未来将呈现爆发式增长
21世纪工厂自动化的未来不再是大规模生产(MassProduction),而是大规模客户定制(Mass customization)。个性化需求、小批量定制生产将成为潮流,一款产品包打天下(One-size-fits-all Products)将让位于客户定制化,以满足不同客户的特定要求和欲望[11]。因此,近年来工业计算机产业的产品特性已经趋向于专业化及多样化,以满足不同的客户需求。同时市场需要稳定和可靠的产品质量,因此工业计算机制造商需要不断提高快速反应客户定制化需求的能力,及时提供面向特定应用的高质量产品。
相对于标准化通用产品,面向嵌入式应用的定制化工业计算机,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竞争力。客户定制的产品多以单板计算机为主,即一块计算机模板上集成了客户特定应用所必需的核心处理器单元和接口功能,删除了通用产品中多余的功能和相应电子元件,既降低了成本,也消除了无用功能或电子元件可能引起的故障隐患。这种定制单板机的设计可以从零开始,也可以采用开箱即用的模块化计算机与I/O功能载板设计相结合的方式,这样可以简化设计复杂性,降低设计难度,节省设计费用,缩短交付客户时间,加快市场反应能力。
近来风起云涌的边缘计算是5G网络的核心特征,也是结合5G的智能物联应用的核心特征。针对智能物联应用场景的特异性,边缘计算对计算能力需求将呈现定制化、个性化的特征,将驱动计算能力领域FPGA产业迎来历史性的机会,同时也将给具有强大计算能力的高性能工业计算机产业发展带来历史性机遇。
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1、为保证防水层的质量及耐久性,建议防水涂膜涂刷厚度宜为1.5mm厚。

2、考虑到室内厨卫间多为轻体隔断或轻体砌墙砖,为防止后期厨卫间在投入使用后产生的大量水汽极易渗透到轻体墙体, 从而造成背水面发霉返潮,建议厨卫间墙面防水进行满墙涂刷处理。