智能设备的出现和不断发展是显而易见的。这些系统在执行重复性工作方面，具有极高的速度和准确性，能够适应不断变化的工况，比以往任何时候都具有更大的自主性。就像以往任何技术一样，智能设备会影响生活的几乎每一个领域。它会改变我们生产产品的方式、医生做外科手术的方式、物流公司组织仓储的方式、甚至是下一代接受教育的方式。
　　争议的话题，从担心低、中技能工作机会的减少、到成为高收入国家生产制造业复兴的火种，不一而足。当研究机构、经济学家和媒体在讨论配置了IT设备的影响时，工程师和科学家正在忙于提供具有极大灵活性和通用性的生产制造系统。这些系统必须帮助生产制造行业，满足产品制造变化的需求，并能够处理消费品不断加快的更新换代需求。

控制系统的配置，必须帮助生产制造行业满足产品制造变化的需求，并能够满足消费品不断加快的更新换代需求。图片来源：美国国家仪器NI

　　智能设备的特性
　　两方面的因素，正推动着生产制造设备的创新：一是生产制造产品的个性化与复杂性www.cechina.cn，另外一个则是对生产能力和质量不断增长的需求。一般来说，智能设备有五个特点：
　　1. 灵活性：设备和装置制造商，不再生产设计单一用途的设备。它们转而生产制造灵活的、多用途设备，可以满足当今生产制造的需求：比如更小体积、客户定制的产品，以适应高度集成产品的趋势，从而可以将不同功能整合到一个设备中。
　　2. 自主运行：现代设备的运行，比以往任何时候都具有更多的自主性。
　　3. 诊断：智能设备，还能预防以及校正由诸如原材料工况的改变、机械部件的磨损等原因造成的过程错误。利用大量的网络传感器，智能设备可以获得过程状态、设备状态、机器环境等方面的信息。这会改善运行，提高质量水平。
　　4. 自适应改进：随着时间的推进，通过数据挖掘，借助仿真模型或者使用面向特定应用的学习算法，设备系统可以改善运行性能。
　　5. 通讯：设备可以与其它自动化系统交换信息，为更高层的控制系统提供状态信息。这就使得智慧工厂和自动化生产线能够自动调节，以便适应不断变化的工况CONTROL ENGINEERING China版权所有，平衡设备间的工作负荷，在设备发生故障前通知维护人员。
　　设计方法和挑战
　　现代设备控制系统www.cechina.cn，充分利用环境、过程数据信息、以及设备参数，来适应不断变化的工况，执行实际上已经不再是单纯的重复性工作。传感器和测量技术在其中扮演的角色日益重要，因为它使设备制造商生产的设备，能够了解周围的环境，执行实时的过程检测，确保关键机械设备部件处于健康状态，并利用这些信息来实现自适应控制。
　　这就要求控制系统，能够集成传感器数据，实时收集并利用来自于多个传感器的信息，同时还能并行运行高速控制回路。具有工业级耐用性的高性能嵌入式系统，通过模块化的输入/输出(I/O)设备，提供直接的传感器连接。现在，领先的设备制造商开始使用集成了实时处理器和可编程硬件的多样性计算架构，以满足最严格的应用需求。
　　为了应对当今生产制造的需求，设备制造商必须设计高度模块化的系统，来满足客户定制需求或者在不同的生产工艺过程中进行现场改造，或者产品的改变。模块化的生产方式，帮助原始设备制造商（OEM）开发出可复用的部件，这样在整个产品线上都可以使用这些部件，简化了常备产品的集成，还改变了OEM厂商完成其系统设计的方式。
　　机械系统的模块化，需要反映在控制系统结构中。与传统的使用单一系统架构不同，现代设备基于控制系统网络结构。需要配置无缝通讯的基础设施，以便处理时序要求严格的数据、低优先等级的数据、状态信息以及监控系统的通讯。

分布式协作设备控制系统，通过增加适应性、不断提升的运行自主化、诊断和自适应改善，使得进一步增加产量成为可能。

　　智能设备的差异化
　　领先的设备制造商，通过采用不同的关键技术，来使其产品具有差异化特性，例如:
　　多个控制系统和多样化计算架构的整合；
　　提供信号分析工具、高速控制回路、算法工具的软硬件平台；仿真和建模工具；网络和通讯功能；
　　以软件为中心的设计方法，有助于应对系统不断增加的复杂性。
　　智能的控制系统
　　现代设备使用分布式协同控制和模块化的方法。它们所包括的智能子系统网络，可以联合执行设备的自动化任务，与工厂层面的更高级控制系统进行通讯，使得智能工厂成为可能。为了使系统具有适应性和扩展性，控制系统结构也需要体现这种模块化。需要借助工业通讯协议，来实现子系统之间的相互连接，确保时间和同步性。
　　向以软件为中心的设计方法和编程工具（该编程工具提供了一种能力，利用同一种设计工具，可以实现多种不同的自动化任务）的过渡，使得客户能够在控制软件中体现机械系统的结构化。简单的系统，仍然可以利用传统的与分布式I/O连接的单主控制器概念，现代的设备利用具有分层结构的控制架构，在这种架构中，更高层级的控制器与从控制器连接，由从控制器来执行清晰定义的自动化运行。
　　传统的可编程逻辑控制器（PLC），仍然扮演着重要的角色，尤其是在执行逻辑或安全功能的时候。但是现代设备控制系统www.cechina.cn，加入了嵌入式控制和监视系统，来实现先进控制、机器视觉和运动控制功能，或者设备状态监测。除了与主控制器的连接，智能子系统通常还能与处在同一层级的系统交互，以触发或同步任务，从而实现诸如高性能、视觉导引运动或基于位置的触发和数据采集等功能。
　　设备制造商所面临的最大挑战，是嵌入式技术的应用。由于上市时间紧、竞争残酷，验证客户定制的嵌入式硬件开发过程的时间和人员就受到限制。很多情况下，员工中甚至没有嵌入式工程师，而是将这部分工作外包出去。
　　利用扩展模块实现运动控制、机器视觉、控制设计和仿真、设备预测和状态监测特性以及对I/O硬件和通讯协议的广泛支持，设备制造商可以强化开发工具链www.cechina.cn，进一步优化设计流程。智能设备控制系统的硬件选择，可能是一个令人生畏的任务。
　　系统工程部门经常需要在易于使用、低风险的黑盒解决方案与客户定制系统的性能与价格方面的收益作平衡，这样就可以使其具有差异化的特性，正是这些差异化，会决定其产品在市场上的成功或失败。设计团队在舒适区域内，倾向于使用他们比较熟悉的传统方案，但是这往往会限制其将不同的智能方案增加到设备中的能力，而客户定制方案则一般会推动设计团队离开其舒适区域。

嵌入式系统设计人员，可以将微处理器和现场可编程门阵列（FPGA）整合到一个异构计算架构中。

　　异构计算架构
　　随着设备控制应用复杂性的增加，硬件架构和嵌入式系统的设计工具必须随之改进，以便应对不断增加的严格要求，同时还要减少设计时间。以前，很多嵌入式系统只有一个CPU，所以系统设计人员必须依赖CPU时钟速率的提升，向多核系统转移以及其它方面革新CONTROL ENGINEERING China版权所有，以期实现复杂应用所要求的处理能力。
　　现在，更多的系统设计人员，开始向具有多个不同处理单元的计算架构转移，以便在计算能力、延迟、灵活性、费用和其它因素之间实现最佳的平衡。异构计算架构具有上述优点，使得在先进设备应用中使用高性能嵌入式系统成为可能。
　　缩短设计周期、设计具有更多功能、更复杂设备的需求，已经彻底的改变了设计方法。设计工具能够提供前所未有的灵活性和速度。前几年只能用于高端研究工作的算法和工具，现在已经逐步应用于工业市场领域，而且在软硬件设计中，其功能也在不断增加。（作者：Christian Fritz）