从硬件到软件，全面解析工控系统架构 (从硬件到软件统统自己动手)

文章编号：5063 更新时间：2025-07-05 分类：技术教程 阅读次数：次

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从硬件到软件：全面解析工控系统架构

一、引言

随着工业4.0的到来，工业自动化水平不断提高，工控系统作为工业自动化的核心组成部分，其架构也越来越受到关注。
本文将全面解析工控系统架构，从硬件到软件，统统自己动手，帮助读者深入了解工控系统的构成及其工作原理。

二、硬件部分

1. 中央处理单元（CPU）

工控系统的核心部件是中央处理单元，主要负责执行程序、数据处理和决策。
CPU的性能直接影响整个系统的运行速度和效率。
目前，工控系统常用的CPU包括英特尔、西门子、研华等品牌。

2. 工业控制器

工业控制器是工控系统的核心控制部件，负责控制工业设备的运行。
常见的工业控制器包括PLC（可编程逻辑控制器）、DCS（分布式控制系统）等。
这些控制器具有强大的控制功能和稳定性，能够满足各种工业设备的控制需求。

3. 输入/输出设备

输入设备主要包括传感器、编码器、按钮等，用于采集各种信号和指令；输出设备主要包括继电器、变频器、马达等，用于驱动工业设备的运行。
这些设备的稳定性和可靠性对工控系统的运行至关重要。

4. 通讯设备

通讯设备是工控系统中实现数据传输的关键部件，包括各种总线、网络设备和通讯接口。
这些设备能够实现不同设备之间的数据传输和共享，为系统的集成和控制提供便利。

三、软件部分

1. 操作系统

操作系统是工控系统的软件基础，负责管理和控制硬件资源。
常见的操作系统包括Windows、Linux、VxWorks等。
在选择操作系统时，需要考虑系统的实时性、稳定性和安全性。

2. 控制系统软件

控制系统软件是工控系统的核心软件部分，负责实现工业设备的控制功能。
常见的控制系统软件包括PLC编程软件、DCS组态软件等。
这些软件具有强大的功能和友好的界面，方便工程师进行编程和调试。

3. 人机界面（HMI）软件

人机界面软件是工控系统中实现人机交互的重要部分，用于显示设备状态、操作指令等。
常见的HMI软件包括WinCC、ProFace等。
这些软件具有直观的操作界面和丰富的功能，方便操作人员监控和控制工业设备。

四、系统架构解析

工控系统架构主要包括硬件层、驱动层、操作系统层、应用层等部分。
硬件层主要包括各种硬件设备，如CPU、工业控制器等；驱动层主要负责与硬件设备的连接和通信；操作系统层是软件部分的基础，提供系统管理和控制功能；应用层主要包括各种应用软件，如控制系统软件、HMI软件等。
这些层次之间相互协作，共同实现工控系统的各项功能。

五、自己动手实践

为了更好地了解工控系统架构，读者可以亲自进行实践。
可以了解各种硬件设备的基本工作原理和功能；学习各种软件的编程和调试方法；结合实际项目，将硬件和软件结合起来，搭建一个完整的工控系统。
通过实践，可以深入了解工控系统的构成和工作原理，提高工程实践能力和问题解决能力。

六、结论

本文全面解析了工控系统架构，从硬件到软件进行了详细的介绍。
通过了解工控系统的构成和工作原理，读者可以更好地理解工业自动化的发展趋势和挑战。
同时，通过自己动手实践，读者可以提高工程实践能力和问题解决能力，为未来的工作和学习打下坚实的基础。

本文目录导航：

plc控制系统设计的一般步骤
plc的内部工作原理？
什么是DCS控制系统啊？
（工控主机）监控系统远程怎么设置那请高手指点

plc控制系统设计的一般步骤

（一）分析被控对象并提出控制要求机电专业技术论坛详细分析被控对象的工艺过程及工作特点，了解被控对象机、电、液之间的配合，提出被控对象对PLC控制系统的控制要求，确定控制方案，拟定设计任务书。 CAD/CAM技术（二）确定输入／输出设备 CAD/CAM技术根据系统的控制要求，确定系统所需的全部输入设备（如：按纽、位置开关、转换开关及各种传感器等）和输出设备（如：接触器、电磁阀、信号指示灯及其它执行器等），从而确定与PLC有关的输入/输出设备，以确定PLC的I/O点数。资源下载（三）选择PLC机电专业技术网PLC选择包括对PLC的机型、容量、I/O模块、电源等的选择，详见本章第二节。资源下载（四）分配I/O点并设计PLC外围硬件线路CAD/CAM技术1.分配I/O点机电专业技术论坛画出PLC的I/O点与输入／输出设备的连接图或对应关系表，该部分也可在第２步中进行。电气技术2.设计PLC外围硬件线路机电专业技术论坛画出系统其它部分的电气线路图，包括主电路和未进入PLC的控制电路等。资源下载由PLC的I/O连接图和PLC外围电气线路图组成系统的电气原理图。到此为止系统的硬件电气线路已经确定。资源下载（五）程序设计资源下载1. 程序设计CAD/CAM技术根据系统的控制要求，采用合适的设计方法来设计PLC程序。程序要以满足系统控制要求为主线，逐一编写实现各控制功能或各子任务的程序，逐步完善系统指定的功能。除此之外，程序通常还应包括以下内容：机电专业技术论坛1）初始化程序。在PLC上电后，一般都要做一些初始化的操作，为启动作必要的准备，避免系统发生误动作。初始化程序的主要内容有：对某些数据区、计数器等进行清零，对某些数据区所需数据进行恢复，对某些继电器进行置位或复位，对某些初始状态进行显示等等。机电专业技术论坛2）检测、故障诊断和显示等程序。这些程序相对独立，一般在程序设计基本完成时再添加。电气技术3）保护和连锁程序。保护和连锁是程序中不可缺少的部分，必须认真加以考虑。它可以避免由于非法操作而引起的控制逻辑混乱，。机电专业技术论坛2. 程序模拟调试机电专业技术网程序模拟调试的基本思想是，以方便的形式模拟产生现场实际状态，为程序的运行创造必要的环境条件。根据产生现场信号的方式不同，模拟调试有硬件模拟法和软件模拟法两种形式。电气技术1）硬件模拟法是使用一些硬件设备（如用另一台PLC或一些输入器件等）模拟产生现场的信号，并将这些信号以硬接线的方式连到PLC系统的输入端，其时效性较强。电气技术2）软件模拟法是在PLC中另外编写一套模拟程序，模拟提供现场信号，其简单易行，但时效性不易保证。模拟调试过程中，可采用分段调试的方法，并利用编程器的监控功能。机电专业技术网（六）硬件实施 CAD/CAM技术硬件实施方面主要是进行控制柜（台）等硬件的设计及现场施工。主要内容有：机电专业技术网1) 设计控制柜和操作台等部分的电器布置图及安装接线图。 CAD/CAM技术2)设计系统各部分之间的电气互连图。资源下载3)根据施工图纸进行现场接线，并进行详细检查。机电专业技术网由于程序设计与硬件实施可同时进行，因此PLC控制系统的设计周期可大大缩短。机电专业技术论坛（七）联机调试资源下载联机调试是将通过模拟调试的程序进一步进行在线统调。联机调试过程应循序渐进，从PLC只连接输入设备、再连接输出设备、再接上实际负载等逐步进行调试。如不符合要求，则对硬件和程序作调整。通常只需修改部份程序即可。 CAD/CAM技术全部调试完毕后，交付试运行。经过一段时间运行，如果工作正常、程序不需要修改，应将程序固化到EPROM中，以防程序丢失。资源下载八）整理和编写技术文件资源下载技术文件包括设计说明书、硬件原理图、安装接线图、电气元件明细表、PLC程序以及使用说明书等。

plc的内部工作原理？

PLC系统组成及各部分的功能一．系统组成。二．各部分的作用。 1． CPU运算和控制中心起“心脏”作用。纵：当从编程器输入的程序存入到用户程序存储器中，然后CPU根据系统所赋予的功能（系统程序存储器的解释编译程序），把用户程序翻译成PLC内部所认可的用户编译程序。横：输入状态和输入信息从输入接口输进，CPU将之存入工作数据存储器中或输入映象寄存器。然后由CPU把数据和程序有机地结合在一起。把结果存入输出映象寄存器或工作数据存储器中，然后输出到输出接口、控制外部驱动器。组成：CPU由控制器、运算器和寄存器组成。这些电路集成在一个芯片上。 CPU通过地址总线、数据总线与I/O接口电路相连接。 2．存储器具有记忆功能的半导体电路。分为系统程序存储器和用户存储器。系统程序存储器用以存放系统程序，包括管理程序，监控程序以及对用户程序做编译处理的解释编译程序。由只读存储器、ROM组成。厂家使用的，内容不可更改，断电不消失。用户存储器：分为用户程序存储区和工作数据存储区。由随机存取存储器（RAM）组成。用户使用的。断电内容消失。常用高效的锂电池作为后备电源，寿命一般为3~5年。 3．输入/输出接口（1）输入接口：光电耦合器由两个发光二极度管和光电三极管组成。发光二级管：在光电耦合器的输入端加上变化的电信号，发光二极管就产生与输入信号变化规律相同的光信号。光电三级管：在光信号的照射下导通，导通程度与光信号的强弱有关。在光电耦合器的线性工作区内，输出信号与输入信号有线性关系。输入接口电路工作过程：当开关合上，二极管发光，然后三极管在光的照射下导通，向内部电路输入信号。当开关断开，二极管不发光，三极管不导通。向内部电路输入信号。也就是通过输入接口电路把外部的开关信号转化成PLC内部所能接受的数字信号。（2）输出接口PLC的继电器输出接口电路工作过程：当内部电路输出数字信号1，有电流流过，继电器线圈有电流，然后常开触点闭合，提供负载导通的电流和电压。当内部电路输出数字信号0，则没有电流流过，继电器线圈没有电流，然后常开触点断开，断开负载的电流或电压。也就是通过输出接口电路把内部的数字电路化成一种信号使负载动作或不动作。三种类型：继电器输出：有触点、寿命短、频率低、交直流负载晶体管输出：无触点、寿命长、直流负载晶闸管输出：无触点、寿命长、交流负载4．编程器编程器分为两种，一种是手持编程器，方便。我们实验室使用的就是手持编程器。二种是通过PLC的RS232口。与计算机相连。然后敲击键盘。通过NSTP-GR软件（或WINDOWS下软件）向PLC内部输入程序。第二节 PLC的基本工作原理一．PLC采用“顺序扫描，不断循环”的工作方式1．每次扫描过程。集中对输入信号进行采样。集中对输出信号进行刷新。 2．输入刷新过程。当输入端口关闭时，程序在进行执行阶段时，输入端有新状态，新状态不能被读入。只有程序进行下一次扫描时，新状态才被读入。 3．一个扫描周期分为输入采样，程序执行，输出刷新。 4．元件映象寄存器的内容是随着程序的执行变化而变化的。 5．扫描周期的长短由三条决定。（1）CPU执行指令的速度（2）指令本身占有的时间（3）指令条数6．由于采用集中采样。集中输出的方式。存在输入/输出滞后的现象，即输入/输出响应延迟。二．PLC与继电器控制系统、微机区别1．PLC与继电器控制系统区别前者工作方式是“串行”，后者工作方式是“并行”。前者用“软件”，后者用“硬件”。 2．PLC与微机区别前者工作方式是“循环扫描”。后者工作方式是“待命或中断”PLC 编程方式PLC最突出的优点采用“软继电器”代替“硬继电器”。用“软件编程逻辑”代替“硬件布线逻辑”。 PLC编程语言有梯形图、布尔助记符语言，等等。尤其前两者为常用。梯形图语言特点：1．每个梯形图由多个梯级组成。 2．梯形图中左右两边的竖线表示假想的逻辑电源。当某一梯级的逻辑运算结果为“1”时，有假想的电流通过。 3．继电器线圈只能出现一次，而它的常开、常闭触点可以出现无数次。 4．每一梯级的运算结果，立即被后面的梯级所利用。 5．输入继电器受外部信号控制。只出现触点，不出现线圈。第四节主要技术性能用户程序存储容量：是衡量可存储用户应用程序多少的指标。通常以字或K字为单位。 16位二进制数为一个字，每1024个字为1K字。 PLC以字为单位存储指令和数据。一般的逻辑操作指令每条占1个字。定时/计数，移位指令占2个字。数据操作指令占2~4个字。每五节 PLC的分类按结构分类：1．整体式：是把PLC各组成部分安装在一起或少数几块印刷电路板上，并连同电源一起装在机壳内形成一个单一的整体，称之为主机或基本单元、小型、超小型PLC采用这种结构。模块式：是把PLC各基本组成做成独立的模块。中型、大型PLC采用这种方式。便于维修。

什么是DCS控制系统啊？

System 简称DCS）定义：以多台微处理器为基础，采用控制功能分散，显示操作集中，兼顾分而自治和综合协调原则设计的控制系统称为分散控制系统（简称DCS）。技术支持：四C技术(计算机技术Computer通信技术CommunicationCRT显示技术CRT 过程控制技术Control)控制系统的角度来看：DCS是一种分级的控制系统。各级完成不同的功能。功能分层体系是分散控制系统的显著特点，是实现控制功能分散，操作显示集中的关键。 1.过程控制级设备：现场站（采集站、控制站）。功能：数据采集、运算处理和控制输出；经通信网络和控制管理级通信。组成：通信模件、控制器模件和I/O模件。 2.控制管理级设备：操作员站，工程师站。功能：监视和操作；人和过程的接口。经网关机向生产管理级发送数据。工程组态、参数调整和系统维护；人和系统的接口。组成：主机和外设。 3. 生产管理级设备：实时数据服务器，工作站。功能：厂级生产过程的监视和管理，厂级故障诊断和分析，厂级性能指标计算。经网关机向经营管理级发送数据。 4 .经营管理级设备：数据服务器，工作站。功能：厂级经营管理、财务管理和人事管理等。从信息系统的角度来看：DCS是一个数据通信系统，具有不同的网络结构，连接着功能各异的一个个节点，实现节点间的信息传送与互换。从计算机系统的角度来看：DCS分为硬件系统和软件系统。 1．硬件系统一系列以微处理器为基础的智能模件、过程通道、通信接口和各种外部设备。 2．软件系统包括对系统进行管理的操作系统、数据库系统、数据通信软件、组态软件和对过程进行控制的一系列标准化功能模块。