工控指的是工业自动化控制，主要利用电子电气、机械、软件组合实现。即是工业控制，或者是工厂自动化控制。主要是指使用计算机技术，微电子技术，电气手段，使工厂的生产和制造过程更加自动化、效率化、精确化，并具有可控性及可视性。

工控技术的出现和推广带来了第三次工业革命，使工厂的生产速度和效率提高了300%以上。20世纪80年代初，随着改革开放的春风，国外先进的工控技术进入中国大陆，比较广泛使用的工业控制产品有“PLC，变频器，伺服电机，工控机”等。这些产品和技术大力推动了中国的制造业自动化进程，为中国现代化的建设作出了巨大的贡献。

工控主要核心领域是在大型电站，航空航天，水坝建造，工业温控加热，陶瓷领域等且在这些领域有着不可替代的优势。

例如：电站电网的实时监控需要采集大量的数据值，并进行综合处理，工控技术的介入方便了大量信息的处理。

工控出现完善了制造业和建造业的安全和精准，解决原本需要的温度、压力、气体流量、液体流量等工业需要。将原本需要半自动化与手动化工作演变为自动化进行，包括常见的空气开关、压力变送器、流量表等。

工控工作原理：比如空气开关的功率控制，当使用电器其功率过大，内部机械原理开始运行导致开关自动断开，以此保障工业或建筑安全用电和准确寻找短路源。

工业控制计算机，是一种采用总线结构，对生产过程及其机电设备、工艺装备进行检测与控制的工具总称。它具有重要的计算机属性和特征，如：具有计算机CPU、硬盘、内存、外设及接口、并有实时的操作系统、控制网络和协议、计算能力，友好的人机界面等.工控机的主要类别有：IPC（PC总线工业电脑）、PLC（可编程控制系统）、DCS（分散型控制系统）、FCS（现场总线系统）及CNC（数控系统）五种。

工业控制一向是制约中国装备行业乃至产品升级的瓶颈。装备制造业是工业的核心和基础，决定了国家工业和科技的水平，以及其在全球分工所占据的地位。

对于机床一类的工业母机，作为国内的制造商，需要西门子或者三菱提供整体的运动控制解决方案，核心的运动控制产品如直线电机、交流伺服电机和系统等进行精确运动控制的核心部件或是应用解决方案就是由国外的跨国公司整体提供，从产品到技术都是由外企来设计。国内从事机床制造的厂商，更多的是从应用角度来理解这些关键部件的功能，怎么使用，最终把它们整合成一套机械设备。这就是在制造业方面的差距和追赶的方向。

IPC的全钢机箱是按标准设计的，抗冲击、抗振动、抗电磁干扰，内部可安装同PC-bus兼容的无源底板。

无源底板的插槽由总线扩展槽组成。总线扩展槽可依据用户的实际应用选用扩展ISA总线、PCI总线和PCI-E总线、PCIMG总线的多个插槽组成，扩展插槽的数量和位置根据需要有一定选择，但依据不同PCIMG总线规范版本各种总线在组合搭配上有要求，如PCIMG1.3版本总线不提供ISA总线支持，该板为四层结构，中间两层分别为地层和电源层，这种结构方式可以减弱板上逻辑信号的相互干扰和降低电源阻抗。底板可插接各种板卡，包括CPU卡、显示卡、控制卡、I/O卡等。

早期在以Intel 奔腾处理器为主的之前的工控机主要使用为AT开关电源，与PC机一样主要采用的是ATX电源，平均无故障运行时间达到 250 000 小时。

IPC的CPU酷睿双核等处理器，主板用户可视自己的需要任意选配。其主要特点是：工作温度0-60℃；带有硬件“看门狗”计时器； 也要部份要求低功耗的CPU卡采用的嵌入式系列的CPU。

IPC的其他配件基本上都与PC机兼容，主要有CPU、内存、显卡、硬盘、软驱、键盘、鼠标、光驱、显示器等。工控机箱标准长度为19英寸，高度为4U。

IPC已被广泛应用于工业及人们生活的方方面面。 例如：控制现场、路桥控制收费系统、医疗仪器、环境保护监测、通讯保障、智能交通管控系统、楼宇监控安防、语音呼叫中心、排队机、POS柜台收银机、数控机床、加油机、金融信息处理、石化数据采集处理、物探、野外便携作业、环保、军工、电力、铁路、高速公路、航天、地铁、智能楼宇、户外广告等等。

工控机通俗的说就是专门为工业现场而设计的计算机，而工业现场一般具有强烈的震动，灰尘特别多，另有很高的电磁场力干扰等特点，且一般工厂均是连续作业即一年中一般没有休息。因此，工控机与普通计算机相比必须具有以下特点：

（1） 机箱采用钢结构，有较高的防磁、防尘、防冲击的能力。

（2）机箱内有专用底板，底板上有PCI和ISA插槽。

（3） 机箱内有专门电源，电源有较强的抗干扰能力。

（4） 要求具有连续长时间工作能力。

（5） 一般采用便于安装的标准机箱（4U标准机箱较为常见） 注：除了以上的特点外，其余基本相同。另外，由于以上的专业特点，同层次的工控机在价格上要比普通计算机偏贵，但一般不会相差太多。

工控机的劣势 尽管工控机与普通的商用计算机机相比，具有得天独厚的优势，但其劣势也是非常明显的--数据处理能力差，具体如下：

（1）配置硬盘容量小；

（2）数据安全性低；

（3）存储选择性小。

（4）价格较高。

可编程序控制器的英文为Programmable Logic Controller，在二十世纪70-80年代一直简称为PC。由于到90年代，个人计算机发展起来，也简称为PC；加之可编程序的概念所涵盖的范围太大，所以美国AB公司首次将可编程序控制器定名为可编程序逻辑控制器(PLC-Programmable Logic Controller)，为了方便，仍简称PLC为可编程序控制器。有人把可编程序控制器组成的系统称为PCS可编程序控制系统，强调可编程序控制器生产厂商向人们提供的已是完整的系统了。

2.1 PLC的发展历史

1968年美国GM(通用汽车)公司提出取代继电器控制装置的要求，第二年美国数字公司研制出了第一代可编程序控制器，满足了GM公司装配线的要求。随着集成电路技术和计算机技术的发展，已有第五代PLC产品了。

在以改变几何形状和机械性能为特征的制造工业和以物理变化和化学变化将原料转化成产品为特征的过程工业中，除了以连续量为主的反馈控制外，特别在制造工业中存在了大量的开关量为主的开环的顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作号按照时序动作;另外还有与顺序、时序无关的按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制;以及大量的开关量、脉冲量、计时、计数器、模拟量的越限报警等状态量为主的—离散量的数据采集监视。由于这些控制和监视的要求，所以PLC发展成了取代继电器线路和进行顺序控制为主的产品。在多年的生产实践中，逐渐形成了PLC、DCS与IPC三足鼎立之势，如表1，还有其它的单回路智能式调节器等在市场上占一定的百分比。

在80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为30~40%。由于PLC机联系处理模拟能力和网络方面功能的进步，挤占了一部分DCS的市场(过程控制)并逐渐垄断了污水处理等行业，但是由于工业PC(IPC)的出现，特别是现场总线技术的发展，IPC和FCS也挤占了一部分PLC市场，所以PLC增长速度，总的说是渐缓。全世界有200多厂家生产300多品种PLC产品，主要应用在汽车(23%)、粮食加工(16.4%)、化学/制药(14.6%)、金属/矿山(11.5%)、纸浆/造纸(11.3%)等行业。

2.2 PLC的市场情况

国内PLC生产厂约30家，但没有形成颇具规模的生产能力和名牌产品，还有一部分是以仿制、来件组装或“贴牌”方式生产，因此可以说PLC在我国未形成制造产业。作为原理、技术和工艺均无尖端技术难度的产品，只要努力，是能形成制造产业的。

在PLC应用方面，我国是很活跃的，每年约新投入10万台套PLC产品，年销售额30亿元人民币，应用的行业也很广。但是与其它国家相比，在机械加工及生产线方面的应用，还需要加大投入。

PLC的市场的潜力是巨大的，不仅在我国，即使在工业发达的日本也有调查表明，PLC配套的机电一体化产品的比例占42%，采用继电器、接触器控制尚有24%。所以说，需要应用PLC的场合还很多，在我国就更是如此了。

从技术创新的角度看，我国大中型企业还要大力发展CIMS(计算机集成制造系统)，在机械制造厂要形成FMS柔性制造系统，PLC是基础，所以PLC市场是广阔的。

PLC具有稳定可靠、价格便宜、功能齐全、应用灵活方便、操作维护方便的优点，这是它能持久的占有市场的根本原因，我们下面重点阐述几个问题，并研究其发展趋势。

3.1 PLC的分类

PLC在90年代已经形成微、小、中、大、巨型多种PLC。按I/O点数分，可分为:

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

有单机支持300回路和65000点I/O的大型系统对应中型PLC以上，均采用16位~32位CPU，微、小型PLC原采用8位CPU，根据通讯等方面要求，有的也改用16位~32位CPU。由于I/O64点以下PLC销售额占整个PLC的47%，64点~256点的占31%，合计位整个PLC销售额的78%，所以对微、小型PLC应多加研究。

3.2 PLC的硬件

PLC控制器本身的硬件采用积木式结构，各厂家产品结构大同小异。以日本欧姆龙C200HE为例，为总线模板框式结构，基本框架(CPU母板)上装有CPU模板，其它槽位装有I/O模板;如果I/O模板多时，可由CPU母板经I/O扩展电缆连接I/O扩展母板，在其上装I/O模板;另一种方法是配备远程I/O从站等。这些都说明了PLC厂家将硬件各部件均向用户开发，便于用户选用，配置成规模不等的PLC，而且这种硬件配置的开放性，为制造商、分销商(代理商)、系统集成商、最终用户带来很多方便，为营销供应链带来很大便利，这是一大成功经验。

PLC内的I/O模板，除一般的DI/DO、AD/DA模板外，还发展了一系列特殊功能的I/O模板，这为PLC用于各行各业打开了出路，如用于条形码识别的ASCII/BASIC模板，用于反馈控制的PID模板，用于运行控制、机械加工的高速计数模板、单轴位置控制模板、双轴位置控制模板、凸轮定位器模板、射频识别接口模板等，这在以后还会有很大发展。另外在输入、输出的相关元件、强干扰场合的输入、输出电隔离、地隔离等方面也会更加完善。

PLC中的CPU与存储器配合，完成控制功能。它与DCS系统处理温度、压力、流量等参数的系统不同，采用快速的巡回扫描周期，一般为0.1~0.2s，更快的则选用50ms或更小的扫描周期。它是一个数字采样控制系统。

3.3 PLC的软件

为了完成控制策略，为了替代继电器，使用户等完成类似继电器线路的控制系统梯形图，而编制了一套控制算法功能块(或子程序)，称为指令系统，固化在存贮器ROM中，用户在编制应用程序时可以调用。指令系统大致可以分为两类，即基本指令和扩展指令。细分一般PLC的指令系统有:基本指令、定时器/计数器指令、移位指令、传送指令、比较指令、转换指令、BCD运算指令、二进制运算指令、增量/减量指令、逻辑运算指令、特殊运算指令等，这些指令多是类似汇编语言。另外PLC还提高了充足的计时器、计数器、内部继电器、寄存器及存贮区等内部资源，为编程带来极大方便。

IEC61131-3

由于各PLC厂家产品在指令系统上的差异及编程方法上用户要求不同，IEC制订了基于Windows的编程语言标准IEC61131-3(1993年IEC颁布可编程序控制器的国际标准IEC1131)，它规定了指令表(IL)、梯形图(LD)、顺序功能图(SFC)、功能块图(FBD)、结构化文本(ST)五种编程语言。这包括了文本化编程(IL、ST)和图形编程(LD、FBD)两个方面，而SFC则在两类编程语言中均可使用。IEC技术委员会(TC65)进来开展了

IEC61499项目，将IEC61131-3进行了扩展，它是针对通过通信网络互联的模块化分布系统的体系结构的标准，将对IEC61131-3有所改善。这是以数字技术为基础的可编程序逻辑控制装置在高层次上走向开放性的标准化文件，是PLC发展的一大趋势。

一个或若干PLC与PC机联出系统，PC机起到原编程器及人机界面操作站的作用，这20世纪90年代的新潮流，这样为系统集成带来了商机，同时编程软件和人机界面软件(监控软件或称组态软件)及软件接口(或称驱动软件)也得到了发展。

PLC厂家在原来CPU模板上提供物理层RS232/422/485接口的基础，逐渐增加了各种通讯接口，而且提供完整的通讯网络。由于数据通讯技术发展很快，用户对开放性要求很强烈，现场总线技术及以太网技术也同步发展，所以PLC构成的PCS系统比DCS的开放性所处的现状稍好一些。罗克韦尔AB公司已形成了多层结构体系，即Ether Net、Control Net、Device Net及Asi等现场总线(原DH+网也可兼容)。西门子公司在Profibus-DP通讯网络及Profibus-FMS网络以外，提出了S7 Routing网络，即Profibus-DP和Industrial Enternet两层结构。网络还在发展，我国应已积极的姿态投入其中。

2001年我国机械工业成为工业发展新亮点，总产值比上年增长17.15%，汽车产量为世界前10位，机床产量为世界第5位。机械工业利润增长33.35%，占整个工业新增利润六成多。出口同样出现可喜的增长。机械工业提出要实施网络化，对这一点，PLC从业人员应有清醒的认识，应对网络化的开放性、网络构成的性能/价格比和网络的可靠性、安全性、先进性上特别下功夫。

网络向上连是互联网问题，向下连是现场总线问题，另外现有网络能否用以太网“e网到底”方式、网络采用客户器/服务器方式、浏览器/服务器方式、生产者/消费者方式、接口软件采用OPC方式等问题都有待进一步落实。PLC与智能MCC马达控制中心、与数控机床配套的NC/CNC数控设备，以及与其它运行控制系统、电控设备、变频器和软起动器等连成系统;PLC要与DCS分工合作，充当DCS的远程I/O站等;PLC要与IPC分工合作，除用IPC作人机界面外，作软件PLC的I/O部件也是可行的;此外还有PLC与紧急停车安全系统(ESD，Emergency Shut Down Systems)的关系、与立体仓库、机器人、CAD/CAM等等都要处理好关系。总之，PLC要兼容各种新技术，使PLC成为真正意义上的“电脑”。

PLC的应用领域是宽阔的，还有许多领域急待开拓，如用于海关过境车辆认证(深圳盐田)、自动售药(若干中药店)在我国已有实例。另外，在离散事件系统中，如公路网交通流(车辆计数、乘客计数及停留时间计量)、物流系统、柔行制造系统(敏捷制造系统)及一切非标准随服务系统中，均可以采用PLC，进而建模和采取对策并优化。PLC的前途一片美好，一切悲观的论点是站不住脚的。至于技术进步，PLC与其它技术融合以至消失，那还需要一定的时间!

众所周知，从20世纪60年代开始，西方国家就依靠技术进步(即新设备、新工艺以及计算机应用)开始对传统工业进行改造，使工业得到飞速发展。20世纪末世界上最大的变化就是全球市场的形成。全球市场导致竞争空前激烈，促使企业必须加快新产品投放市场时间(TimetoMarket)、改善质量(Quality)、降低成本(Cost)以及完善服务体系(Service)，这就是企业的T.Q.C.S.。

虽然计算机集成制造系统(CIMS)结合信息集成和系统集成，追求更完善的T.Q.C.S.，使企业实现“在正确的时间，将正确的信息以正确的方式传给正确的人，以便作出正确的决策”，即“五个正确”。然而这种自动化需要投入大量的资金，是一种高投资、高效益同时是高风险的发展模式，很难为大多数中小企业所采用。在我国，中小型企业以及准大型企业走的还是低成本工业控制自动化的道路。

工业控制自动化主要包含三个层次，从下往上依次是基础自动化、过程自动化和管理自动化，其核心是基础自动化和过程自动化。

传统的自动化系统，基础自动化部分基本被PLC和DCS所垄断，过程自动化和管理自动化部分主要是由各种进口的过程计算机或小型机组成，其硬件、系统软件和应用软件的价格之高令众多企业望而却步。

20世纪90年代以来，由于PC-based的工业计算机(简称工业PC)的发展，以工业PC、I/O装置、监控装置、控制网络组成的PC-based的自动化系统得到了迅速普及，成为实现低成本工业自动化的重要途径。我国重庆钢铁公司这样的大企业的几乎全部大型加热炉，也拆除了原来DCS或单回路数字式调节器，而改用工业PC来组成控制系统，并采用模糊控制算法，获得了良好效果。

由于基于PC的控制器被证明可以像PLC一样可*，并且被操作和维护人员接受，所以，一个接一个的制造商至少在部分生产中正在采用PC控制方案。基于PC的控制系统易于安装和使用，有高级的诊断功能，为系统集成商提供了更灵活的选择，从长远角度看，PC控制系统维护成本低。

由于可编程控制器(PLC)受PC控制的威胁最大，所以PLC供应商对PC的应用感到很不安。事实上，可编程控制器(PLC)也加入到了PC控制“浪潮”中。

工业PC在我国得到了异常迅速的发展。从世界范围来看，工业PC主要包含两种类型：IPC工控机和CompactPCI工控机以及它们的变形机，如AT96总线工控机等。由于基础自动化和过程自动化对工业PC的运行稳定性、热插拔和冗余配置要求很高，现有的IPC已经不能完全满足要求，将逐渐退出该领域，取而代之的将是CompactPCI-based工控机，而IPC将占据管理自动化层。国家于2001年设立了“以工业控制计算机为基础的开放式控制系统产业化”工业自动化重大专项，目标就是发展具有自主知识产权的PC-based控制系统，在3（5）年内，占领30%（50%）的国内市场，并实现产业化。

几年前，当“软PLC”出现时，业界曾认为工业PC将会取代PLC。然而，工业PC并没有代替PLC，主要有两个原因：一个是系统集成原因;另一个是软件操作系统WindowsNT的原因。一个成功的PC-based控制系统要具备两点：一是所有工作要由一个平台上的软件完成;二是向客户提供所需要的所有东西。可以预见，工业PC与PLC的竞争将主要在高端应用上，其数据复杂且设备集成度高。工业PC不可能与低价的微型PLC竞争，这也是PLC市场增长最快的一部分。从发展趋势看，控制系统的将来很可能存在于工业PC和PLC之间，这些融合的迹象已经出现。

和PLC一样，工业PC市场在过去的两年里保持平稳。与PLC相比，工业PC软件很便宜。据Frost&Sullivan公司估计，全世界每年7亿美元工业PC市场里，大约8500万美元为控制软件，一亿美元为操作系统。到2007年会翻一番，工业PC市场变得非常可观。

工控行业的产品和技术非常特殊。为其他各行业提供可靠、嵌入式、智能化的工业计算机。随着社会信息化的不时深入，属于中间产品。关键性行业的关键任务将越来越多地依靠工控机，而以IPC为基础的低利息工业控制自动化正在成为主流，外乡工控机厂商所受到重视水平也越来越高。随着电力、冶金、石化、环保、交通、建筑等行业的迅速发展，从数字家庭用的机顶盒、数字电视，银行柜员机、高速公路收费系统、加油站管理、制造业生产线控制，金融、政府、国防等行业信息化需求不时增加，对工控机的需求很大，工控机市场发展前景十分广阔，让我们看一下工控机行业未来会是什么样子的。

1、向综合方向发展

由于标准化数据通信线路和通信网络的发展，将各种单(多)回路调节器、PLC、工业比、NC等工控设备构成大系统，以满足工厂自动化要求，并适应开放化的大趋势。

2、向智能化方向发展

由于数据库系统、推理机能等的发展，尤其是知识库系统(KBS)和专家系统(ES)的应用，如自学习控制、远距离诊断和自寻优等，人工智能会在DCS各级实现。和FF现场总线类似，以微处理器为基础的智能设备，如智能I/O智能PID控制、智能传感器、变送器、执行器、智能人接口及可编程调节器相继出现。

3、简单操作方向

对于工控机，能够简单操作是最好的，这也将成为未来的发展方向，简易操作可以改善人机接口，简化编程、操作面板使用符号键，尽量采用对话方式等，以方便用户使用。

工控仪表重点发展基于现场总线技术的主控系统装置及智能化仪表、特种和专用自动化仪表；全面扩大服务领域，推进仪器仪表系统的数字化、智能化、网络化，完成 自动化仪表从模拟技术向数字技术的转变，5年内数字仪表比例达到60%以上；推进具有自主版权自动化软件的商品化。

电工仪器仪表重点发展长寿命电能表、电子式电度表、特种专用电测仪表和电网计量自动管理系统。2005年，中低档电工仪器仪表国内市场占有率要达到95%；到2010年，高中档电工仪器仪表国内市场占有率达到80%。

科学测试仪器重点发展过程分析仪器、环保监测仪器仪表、工业炉窑节能分析仪器以及围绕基础产业所需的汽车零部件动平衡、动力测试及整车性能检测仪、大地测量仪器、电子速测仪、测量型全球定位系统以及其他试验机、实验室仪器等新产品。产品以技术含量较高的中档产品为主，到2005年在总产值中占50%～60%。

环保仪器仪表重点发展大气环境、水环境的环保监测仪器仪表、取样系统和环境监测自动化控制系统产品，2005年技术水平达到20世纪90年代后期国际先进水平，国内市场占有率达到50%～60%，到2010年国内市场占有率达到70%以上。

仪器仪表元器件“十五”及2010年前，尽快开发出一批适销对路、市场效果好的产品，品种占有率达到70%～80%，高档产品市场占有率达60%以上；通过科技攻关、新品开发，使产品质量水平达到国际20世纪90年代末水平，部分产品接近国外同类产品先进水平。

信息技术电测仪器主要发展电测仪器软件化、智能化技术，总线式自动测试技术，综合自动化测试系统，新型元器件测量技术及测试仪器，在线测试技术，信息产业产品测试技术，多媒体测量技术以及相应测试仪器，用电监控管理技术等。

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