工控

控技術推廣第三次工業革命，使工廠的生產速度和效率提高了300%以上。20世紀80年代初，隨著改革開放的春風，國外 先進的工控技術進入中國大陸，比較廣泛使用的工業控制產品有“PLC，變頻器，伺服電機，工控機”等。這些產品和技術大力推動了中國的製造業自動化進程，為中國現代化的建設作出了巨大的貢獻。

控核領域型站，航空航，壩建造，業溫控熱，陶瓷領域替優勢。

例：站網監控需採集量據值，綜合，控技術介量息。

工控出現完善了製造業和建造業的安全和精準，解決原本需要的溫度、壓力、氣體流量、液體流量等工業需要。在原本需要半自動化與手動化工作演變為自動化進行，包括常見的空氣開關、壓力變送器、流量表等。

工控工作原理：比如空氣開關的功率控制，當使用電器其功率過大，內部機械原理開始運行導致開關自動斷開，以此保障工業或建築安全用電和準確尋找短路源。

工業控制計算機，是一種採用匯流排結構，對生產過程及其機電設備、工藝裝備進行檢測與控制的工具總稱。它具有重要的計算機屬性和特徵，如：具有計算機CPU、硬碟、內存、外設及介面、並有實時的操作系統、控制網路和協議、計算能力，友好的人機界面等。工控機的主要類別有：IPC（PC匯流排工業電腦）、PLC（可編程式控制制系統）、DCS（分散型控制系統）、FCS（現場匯流排系統）及CNC（數控系統）五種。

工業控制一向是制約中國裝備行業乃至產品升級的瓶頸。裝備製造業是工業的核心和基礎，決定了國家工業和科技的水平，以及其在全球分工所佔據的地位。

對於機床一類的工業母機，作為國內的製造商，需要西門子或者三菱提供整體的運動控制解決方案，核心的運動控制產品如直線電機、交流伺服電機和系統等進行精確運動控制的核心部件或是應用解決方案就是由國外的跨國公司整體提供，從產品到技術都是由外企來設計。國內從事機床製造的廠商，更多的是從應用角度來理解這些關鍵部件的功能，怎麼使用，最終把它們整合成一套機械設備。這就是在製造業方面的差距和追趕的方向。

IPC的全鋼機箱是按標準設計的，抗衝擊、抗振動、抗電磁干擾，內部可安裝同PC-bus兼容的無源底板。

無源底板的插槽由匯流排擴展槽組成。匯流排擴展槽可依據用戶的實際應用選用擴展ISA匯流排、PCI匯流排和PCI-E匯流排、PCIMG匯流排的多個插槽組成，擴展插槽的數量和位置根據需要有一定選擇，但依據不同PCIMG匯流排規範版本各種匯流排在組合搭配上有要求，如PCIMG1.3版本匯流排不提供ISA匯流排支持，該板為四層結構，中間兩層分別為地層和電源層，這種結構方式可以減弱板上邏輯信號的相互干擾和降低電源阻抗。底板可插接各種板卡，包括CPU卡、顯示卡、控制卡、I/O卡等。

早期在以Intel 奔騰處理器為主的之前的工控機主要使用為AT開關電源，與PC機一樣主要採用的是ATX電源，平均無故障運行時間達到 250 000 小時。

IPC的CPU卡有多種，根據尺寸可分為長卡和半長卡，多採用的是桌面式系統處理器，如早期的有386\486\586\PIII，現主流為P4、酷睿雙核等處理器，主板用戶可視自己的需要任意選配。其主要特點是：工作溫度0-60℃；帶有硬體“看門狗”計時器；也要部份要求低功耗的CPU卡採用的嵌入式系列的CPU。

IPC的其他配件基本上都與PC機兼容，主要有CPU、內存、顯卡、硬碟、軟碟機、鍵盤、滑鼠、光碟機、顯示器等。工控機箱標準長度為19英寸，高度為4U。

IPC已被廣泛應用於工業及人們生活的方方面面。例如：控制現場、路橋控制收費系統、醫療儀器、環境保護監測、通訊保障、智能交通管控系統、樓宇監控安防、語音呼叫中心、排隊機、POS櫃檯收銀機、數控機床、加油機、金融信息處理、石化數據採集處理、物探、野外便攜作業、環保、軍工、電力、鐵路、高速公路、航天、地鐵、智能樓宇、戶外廣告等等。

工控機通俗的說就是專門為工業現場而設計的計算機，而工業現場一般具有強烈的震動，灰塵特別多，另有很高的電磁場力干擾等特點，且一般工廠均是連續作業即一年中一般沒有休息。因此，工控機與普通計算機相比必須具有以下特點：

1）機箱採用鋼結構，有較高的防磁、防塵、防衝擊的能力。

2）機箱內有專用底板，底板上有PCI和ISA插槽。

3）機箱內有專門電源，電源有較強的抗干擾能力。

4）要求具有連續長時間工作能力。

5) 一般採用便於安裝的標準機箱（4U標準機箱較為常見）註：除了以上的特點外，其餘基本相同。另外，由於以上的專業特點，同層次的工控機在價格上要比普通計算機偏貴，但一般不會相差太多。

工控機的劣勢 儘管工控機與普通的商用計算機機相比，具有得天獨厚的優勢，但其劣勢也是非常明顯的--數據處理能力差，具體如下：

1) 配置硬碟容量小；

2) 數據安全性低；

3) 存儲選擇性小。

4）價格較高。

可編程序控制器的英文為Programmable Logic Controller，在二十世紀70-80年代 一直簡稱為PC。由於到90年代，個人計算機發展起來，也簡稱為PLC;加之可編程序的概念所涵蓋的範圍太大，所以美國AB公司首次將可編程序控制器定名為可編程序邏輯控制器(PLC-Programmable Logic Controller)，為了方便，仍簡稱PLC為可編程序控制器。有人把可編程序控制器組成的系統稱為PCS可編程序控制系統，強調可編程序控制器生產廠商向人們提供的已是完整的系統了。

2.1 PLC的發展歷史

1968年美國GM(通用汽車)公司提出取代繼電器控制裝置的要求，第二年美國數字公司研製出了第一代可編程序控制器，滿足了GM公司裝配線的要求。隨著集成電路技術和計算機技術的發展，已有第五代PLC產品了。

在以改變幾何形狀和機械性能為特徵的製造工業和以物理變化和化學變化將原料轉化成產品為特徵的過程工業中，除了以連續量為主的反饋控制外，特別在製造工業中存在了大量的開關量為主的開環的順序控制，它按照邏輯條件進行順序動作號按照時序動作；另外還有與順序、時序無關的按照邏輯關係進行連鎖保護動作的控制；以及大量的開關量、脈衝量、計時、計數器、模擬量的越限報警等狀態量為主的—離散量的數據採集監視。由於這些控制和監視的要求，所以PLC發展成了取代繼電器線路和進行順序控制為主的產品。在多年的生產實踐中，逐漸形成了PLC、DCS與IPC三足鼎立之勢，如表1，還有其它的單迴路智能式調節器等在市場上佔一定的百分比。

在80年代至90年代中期，是PLC發展最快的時期，年增長率一直保持為30~40%。由於PLC機聯繫處理模擬能力和網路方面功能的進步，擠佔了一部分DCS的市場(過程式控制制)並逐漸壟斷了污水處理等行業，但是由於工業PC(IPC)的出現，特別是現場匯流排技術的發展，IPC和FCS也擠佔了一部分PLC市場，所以PLC增長速度，總的說是漸緩。全世界有200多廠家生產300多品種PLC產品，主要應用在汽車(23%)、糧食加工(16.4%)、化學/製藥(14.6%)、金屬/礦山(11.5%)、紙漿/造紙(11.3%)等行業。

2.2 PLC的市場情況

國內PLC生產廠約30家，但沒有形成頗具規模的生產能力和名牌產品，還有一部分是以仿製、來件組裝或“貼牌”方式生產，因此可以說PLC在我國未形成製造產業。作為原理、技術和工藝均無尖端技術難度的產品，只要努力，是能形成製造產業的。

在PLC應用方面，我國是很活躍的，每年約新投入10萬台套PLC產品，年銷售額30億元人民幣，應用的行業也很廣。但是與其它國家相比，在機械加工及生產線方面的應用，還需要加大投入。

PLC的市場的潛力是巨大的，不僅在我國，即使在工業發達的日本也有調查表明，PLC配套的機電一體化產品的比例佔42%，採用繼電器、接觸器控制尚有24%。所以說，需要應用PLC的場合還很多，在我國就更是如此了。

從技術創新的角度看，我國大中型企業還要大力發展CIMS(計算機集成製造系統)，在機械製造廠要形成FMS柔性製造系統，PLC是基礎，所以PLC市場是廣闊的。

PLC具有穩定可靠、價格便宜、功能齊全、應用靈活方便、操作維護方便的優點，這是它能持久的佔有市場的根本原因，我們下面重點闡述幾個問題，並研究其發展趨勢。

3.1 PLC的分類

PLC在90年代已經形成微、小、中、大、巨型多種PLC。按I/O點數分，可分為:

l 微型PLC: 32 I/O

l 小型PLC: 256 I/O

l 中型PLC: 1024 I/O

l 大型PLC: 4096 I/O

l 巨型PLC: 8195 I/O

有單機支持300迴路和65000點I/O的大型系統對應中型PLC以上，均採用16位~32位CPU，微、小型PLC原採用8位CPU，根據通訊等方面要求，有的也改用16位~32位CPU。由於I/O64點以下PLC銷售額占整個PLC的47%，64點~256點的佔31%，合計位整個PLC銷售額的78%，所以對微、小型PLC應多加研究。

3.2 PLC的硬體

PLC控制器本身的硬體採用積木式結構，各廠家產品結構大同小異。以日本歐姆龍C200HE為例，為匯流排模板框式結構，基本框架(CPU母板)上裝有CPU模板，其它槽位裝有I/O模板；如果I/O模板多時，可由CPU母板經I/O擴展電纜連接I/O擴展母板，在其上裝I/O模板；另一種方法是配備遠程I/O從站等。這些都說明了PLC廠家將硬體各部件均向用戶開發，便於用戶選用，配置成規模不等的PLC，而且這種硬體配置的開放性，為製造商、分銷商(代理商)、系統集成商、最終用戶帶來很多方便，為營銷供應鏈帶來很大便利，這是一大成功經驗。

PLC內的I/O模板，除一般的DI/DO、AD/DA模板外，還發展了一系列特殊功能的I/O模板，這為PLC用於各行各業打開了出路，如用於條形碼識別的ASCII/BASIC模板，用於反饋控制的PID模板，用於運行控制、機械加工的高速計數模板、單軸位置控制模板、雙軸位置控制模板、凸輪定位器模板、射頻識別介面模板等，這在以後還會有很大發展。另外在輸入、輸出的相關元件、強幹擾場合的輸入、輸出電隔離、地隔離等方面也會更加完善。

PLC中的CPU與存儲器配合，完成控制功能。它與DCS系統處理溫度、壓力、流量等參數的系統不同，採用快速的巡迴掃描周期，一般為0.1~0.2s，更快的則選用50ms或更小的掃描周期。它是一個數字採樣控制系統。

3.3 PLC的軟體

為了完成控制策略，為了替代繼電器，使用戶等完成類似繼電器線路的控制系統梯形圖，而編製了一套控制演演算法功能塊(或子程序)，稱為指令系統，固化在存貯器ROM中，用戶在編製應用程序時可以調用。指令系統大致可以分為兩類，即基本指令和擴展指令。細分一般PLC的指令系統有：基本指令、定時器/計數器指令、移位指令、傳送指令、比較指令、轉換指令、BCD運算指令、二進位運算指令、增量/減量指令、邏輯運算指令、特殊運算指令等，這些指令多是類似彙編語言。另外PLC還提高了充足的計時器、計數器、內部繼電器、寄存器及存貯區等內部資源，為編程帶來極大方便。

IEC61131-3

由於各PLC廠家產品在指令系統上的差異及編程方法上用戶要求不同，IEC制訂了基於Windows的編程語言標準IEC61131-3(1993年IEC頒布可編程序控制器的國際標準IEC1131)，它規定了指令表(IL)、梯形圖(LD)、順序功能圖(SFC)、功能塊圖(FBD)、結構化文本(ST)五種編程語言。這包括了文本化編程(IL、ST)和圖形編程(LD、FBD)兩個方面，而SFC則在兩類編程語言中均可使用。IEC技術委員會(TC65)進來開展了

IEC61499項目，將IEC61131-3進行了擴展，它是針對通過通信網路互聯的模塊化分佈系統的體系結構的標準，將對IEC61131-3有所改善。這是以數字技術為基礎的可編程序邏輯控制裝置在高層次上走向開放性的標準化文件，是PLC發展的一大趨勢。

一個或若干PLC與PC機聯出系統，PC機起到原編程器及人機界面操作站的作用，這20世紀90年代的新潮流，這樣為系統集成帶來了商機，同時編程軟體和人機界面軟體(監控軟體或稱組態軟體)及軟體介面(或稱驅動軟體)也得到了發展。

PLC廠家在原來CPU模板上提供物理層RS232/422/485介面的基礎，逐漸增加了各種通訊介面，而且提供完整的通訊網路。由於數據通訊技術發展很快，用戶對開放性要求很強烈，現場匯流排技術及乙太網技術也同步發展，所以PLC構成的PCS系統比DCS的開放性所處的現狀稍好一些。羅克韋爾AB公司已形成了多層結構體系，即Ether Net、Control Net、Device Net及Asi等現場匯流排(原DH+網也可兼容)。西門子公司在Profibus-DP通訊網路及Profibus-FMS網路以外，提出了S7 Routing網路，即Profibus-DP和Industrial Enternet兩層結構。網路還在發展，我國應已積極的姿態投入其中。

2001年我國機械工業成為工業發展新亮點，總產值比上年增長17.15%，汽車產量為世界前10位，機床產量為世界第5位。機械工業利潤增長33.35%，占整個工業新增利潤六成多。出口同樣出現可喜的增長。機械工業提出要實施網路化，對這一點，PLC從業人員應有清醒的認識，應對網路化的開放性、網路構成的性能/價格比和網路的可靠性、安全性、先進性上特別下功夫。

網路向上連是網際網路問題，向下連是現場匯流排問題，另外現有網路能否用乙太網“e網到底”方式、網路採用客戶器/伺服器方式、瀏覽器/伺服器方式、生產者/消費者方式、介面軟體採用OPC方式等問題都有待進一步落實。PLC與智能MCC馬達控制中心、與數控機床配套的NC/CNC數控設備，以及與其它運行控制系統、電控設備、變頻器和軟起動器等連成系統;PLC要與DCS分工合作，充當DCS的遠程I/O站等;PLC要與IPC分工合作，除用IPC作人機界面外，作軟體PLC的I/O部件也是可行的；此外還有PLC與緊急停車安全系統(ESD，Emergency Shut Down Systems)的關係、與立體倉庫、機器人、CAD/CAM等等都要處理好關係。總之，PLC要兼容各種新技術，使PLC成為真正意義上的“電腦”。

PLC的應用領域是寬闊的，還有許多領域急待開拓，如用於海關過境車輛認證(深圳鹽田)、自動售葯(若干中藥店)在我國已有實例。另外，在離散事件系統中，如公路網交通流(車輛計數、乘客計數及停留時間計量)、物流系統、柔行製造系統(敏捷製造系統)及一切非標準隨服務系統中，均可以採用PLC，進而建模和採取對策並優化。PLC的前途一片美好，一切悲觀的論點是站不住腳的。至於技術進步，PLC與其它技術融合以至消失，那還需要一定的時間!

眾所周知，從20世紀60年代開始，西方國家就依靠技術進步(即新設備、新工藝以及計算機應用)開始對傳統工業進行改造，使工業得到飛速發展。20世紀末世界上最大的變化就是全球市場的形成。全球市場導致競爭空前激烈，促使企業必須加快新產品投放市場時間(TimetoMarket)、改善質量(Quality)、降低成本(Cost)以及完善服務體系(Service)，這就是企業的T.Q.C.S.。

雖然計算機集成製造系統(CIMS)結合信息集成和系統集成，追求更完善的T.Q.C.S.，使企業實現“在正確的時間，將正確的信息以正確的方式傳給正確的人，以便作出正確的決策”，即“五個正確”。然而這種自動化需要投入大量的資金，是一種高投資、高效益同時是高風險的發展模式，很難為大多數中小企業所採用。在我國，中小型企業以及准大型企業走的還是低成本工業控制自動化的道路。

工業控制自動化主要包含三個層次，從下往上依次是基礎自動化、過程自動化和管理自動化，其核心是基礎自動化和過程自動化。

傳統的自動化系統，基礎自動化部分基本被PLC和DCS所壟斷，過程自動化和管理自動化部分主要是由各種進口的過程計算機或小型機組成，其硬體、系統軟體和應用軟體的價格之高令眾多企業望而卻步。

20世紀90年代以來，由於PC-based的工業計算機(簡稱工業PC)的發展，以工業PC、I/O裝置、監控裝置、控制網路組成的PC-based的自動化系統得到了迅速普及，成為實現低成本工業自動化的重要途徑。我國重慶鋼鐵公司這樣的大企業的幾乎全部大型加熱爐，也拆除了原來DCS或單迴路數字式調節器，而改用工業PC來組成控制系統，並採用模糊控制演演算法，獲得了良好效果。

由於基於PC的控制器被證明可以像PLC一樣可*，並且被操作和維護人員接受，所以，一個接一個的製造商至少在部分生產中正在採用PC控制方案。基於PC的控制系統易於安裝和使用，有高級的診斷功能，為系統集成商提供了更靈活的選擇，從長遠角度看，PC控制系統維護成本低。

由於可編程式控制制器(PLC)受PC控制的威脅最大，所以PLC供應商對PC的應用感到很不安。事實上，可編程式控制制器(PLC)也加入到了PC控制“浪潮”中。

工業PC在我國得到了異常迅速的發展。從世界範圍來看，工業PC主要包含兩種類型：IPC工控機和CompactPCI工控機以及它們的變形機，如AT96匯流排工控機等。由於基礎自動化和過程自動化對工業PC的運行穩定性、熱插拔和冗餘配置要求很高，現有的IPC已經不能完全滿足要求，將逐漸退出該領域，取而代之的將是CompactPCI-based工控機，而IPC將佔據管理自動化層。國家於2001年設立了“以工業控制計算機為基礎的開放式控制系統產業化”工業自動化重大專項，目標就是發展具有自主知識產權的PC-based控制系統，在3(5年內，佔領30%(50%的國內市場，並實現產業化。

幾年前，當“軟PLC”出現時，業界曾認為工業PC將會取代PLC。然而，時至 今日工業PC並沒有代替PLC，主要有兩個原因：一個是系統集成原因；另一個是軟體操作系統WindowsNT的原因。一個成功的PC-based控制系統要具備兩點：一是所有工作要由一個平台上的軟體完成；二是向客戶提供所需要的所有東西。可以預見，工業PC與PLC的競爭將主要在高端應用上，其數據複雜且設備集成度高。工業PC不可能與低價的微型PLC競爭，這也是PLC市場增長最快的一部分。從發展趨勢看，控制系統的將來很可能存在於工業PC和PLC之間，這些融合的跡象已經出現。

和PLC一樣，工業PC市場在過去的兩年裡保持平穩。與PLC相比，工業PC軟體很便宜。據Frost&Sullivan公司估計，全世界每年7億美元工業PC市場里，大約8500萬美元為控制軟體，一億美元為操作系統。到2007年會翻一番，工業PC市場變得非常可觀。

工控行業的產品和技術非常特殊。為其他各行業提供可靠、嵌入式、智能化的工業計算機。隨著社會信息化的不時深入，屬於中間產品。關鍵性行業的關鍵任務將越來越多地依靠工控機，而以IPC為基礎的低利息工業控制自動化正在成為主流，外鄉工控機廠商所受到重視水平也越來越高。隨著電力、冶金、石化、環保、交通、建築等行業的迅速發展，從數字家庭用的機頂盒、數字電視，銀行櫃員機、高速公路收費系統、加油站管理、製造業生產線控制，金融、政府、國防等行業信息化需求不時增加，對工控機的需求很大，工控機市場發展前景十分廣闊，讓我們看一下工控機行業未來會是什麼樣子的。

1、向綜合方向發展

由於標準化數據通信線路和通信網路的發展，將各種單(多)迴路調節器、PLC、工業比、NC等工控設備構成大系統，以滿足工廠自動化要求，並適應開放化的大趨勢。

2、向智能化方向發展

由於資料庫系統、推理機能等的發展，尤其是知識庫系統(KBS)和專家系統(ES)的應用，如自學習控制、遠距離診斷和自尋優等，人工智慧會在DCS各級實現。和FF現場匯流排類似，以微處理器為基礎的智能設備，如智能I/O智能PID控制、智能感測器、變送器、執行器、智能人介面及可編程調節器相繼出現。

3、簡單操作方向

對於工控機，能夠簡單操作是最好的，這也將成為未來的發展方向，簡易操作可以改善人機介面，簡化編程、操作面板使用符號鍵，盡量採用對話方式等，以方便用戶使用。

工控儀錶重點發展基於現場匯流排技術的主控系統裝置及智能化儀錶、特種和專用自動化儀錶；全面擴大服務領域，推進儀器儀錶系統的數字化、智能化、網路化，完成 自動化儀錶從模擬技術向數字技術的轉變，5年內數字儀錶比例達到60%以上；推進具有自主版權自動化軟體的商品化。

電工儀器儀錶重點發展長壽命電能表、電子式電度表、特種專用電測儀錶和電網計量自動管理系統。2005年，中低檔電工儀器儀錶國內市場佔有率要達到95%；到2010年，高中檔電工儀器儀錶國內市場佔有率達到80%。

科學測試儀器重點發展過程分析儀器、環保監測儀器儀錶、工業爐窯節能分析儀器以及圍繞基礎產業所需的汽車零部件動平衡、動力測試及整車性能檢測儀、大地測量儀器、電子速測儀、測量型全球定位系統以及其他試驗機、實驗室儀器等新產品。產品以技術含量較高的中檔產品為主，到2005年在總產值中佔50%～60%。

環保儀器儀錶重點發展大氣環境、水環境的環保監測儀器儀錶、取樣系統和環境監測自動化控制系統產品，2005年技術水平達到20世紀90年代後期國際先進水平，國內市場佔有率達到50%～60%，到2010年國內市場佔有率達到70%以上。

儀器儀錶

儀器儀錶元器件“十五”及2010年前，儘快開發出一批適銷對路、市場效果好的產品，品種佔有率達到70%～80%，高檔產品市場佔有率達60%以上；通過科技攻關、新品開發，使產品質量水平達到國際20世紀90年代末水平，部分產品接近國外同類產品先進水平。

信息技術電測儀器主要發展電測儀器軟體化、智能化技術，匯流排式自動測試技術，綜合自動化測試系統，新型元器件測量技術及測試儀器，在線測試技術，信息產業產品測試技術，多媒體測量技術以及相應測試儀器，用電監控管理技術等。

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