时间：2023-05-30 09:14:05
开篇：写作不仅是一种记录，更是一种创造，它让我们能够捕捉那些稍纵即逝的灵感，将它们永久地定格在纸上。下面是小编精心整理的12篇工业控制，希望这些内容能成为您创作过程中的良师益友，陪伴您不断探索和进步。
关键词:嵌入式控制器;工程机械;控制
中图分类号:TP391文献标识码:A文章编号:1009-3044(2010)05-1227-02
嵌入式系统在生产制造,工业控制中有广泛的用途。目前,在工业控制中嵌入式控制系统正朝着高速、高集成度和低功耗方向发展。研究嵌入式控制系统,对于提高工业控制质量,提高生产效率具有重要意义。
1嵌入式系统的特点与结构
嵌入式技术广泛应用于消费电子、通信、汽车、国防、航空航天、工业控制、仪表和办公自动化等领域。在个人领域中,嵌入式产品将主要是个人使用,作为个人移动的数据处理和通信软件。对于企业专用解决方案,如物流管理、条码扫描、移动信息采集等,小型手持嵌入式系统将发挥巨大作用。嵌入式系统不仅可以用于ATM机,自动售货机,工业控制等专用设备,而且和移动通信设备、GPS、娱乐相结合[1]。还有一些其他微处理器,如ARM SA-1100系列是便携式通讯产品和消费类电子产品的理想选择,已成功应用于多家公司的掌上电脑系列产品中。PXA270则应用于高端移动设备中,通过复杂指令集,提高了其媒体的信息处理能力。总体上看,嵌入式控制系统有以下特点:系统内核小,专用性强,系统精简,多任务高实时性操作和专用开发工具和环境。
嵌入式系统具有“嵌入性”、“专用性”、“计算机”的基本要素和特征[2]。其一般由嵌入式处理器、硬件设备、嵌入式操作系统以及用户应用程序四个部分组成,用于实现对其他设备的控制、监视或者管理等功能。它们的结构图可以概括如图1所示。
2 嵌入式控制系统的设计过程
由嵌入式控制系统的组成,可知嵌入式控制系统的设计主要考虑硬件设计和操作系统设计。
2.1 处理器选型
工业中嵌入式控制器的应用较为广泛,由于处理器是控制器的核心,因此不同类型的处理器有着不同的应用基础。嵌入式处理器主要分为四类,嵌入式微处理器,嵌入式微控制器,嵌入式DSP,嵌入式片上系统SOC[3]。但是随着工业控制中对嵌入式控制系统要求越来越高,控制算法越来越复杂,目前形成了以ARM微处理器应用最广泛的现状。该系列的处理器中,ARM7主要应用于工业控制、Internet设备、网络和调制解调器设备、移动电话等多种多媒体和嵌入式应用中;ARM9主要应用于无线设备、仪器仪表、安全系统、机顶盒、高端打印机、数字照相机和数字摄像机等;ARM10E系列微处理器主要应用于下一代无线设备、数字消费品、成像设备、工艺控制、图形和信息系统等领。本文以Philips公司的LPC2880芯片为处理器,它是ARM7系列中的一员,它具有以下特点:8kB高速缓存,64kB SRAM,工作频率可达60MHz;外部存储器控制器支持flash,SRAM,ROM,和SDRAM;2个带可选预分频器的32位定时器;Boot ROM允许执行flash代码、外部代码;允许通过USB进行flash编程等。
2.2 电源电路设计
LPC2880处理器芯片内核芯片需要工作电压为1.8V ,I/0接口的工作电压为3.3V,以高电压为判断依据,因此系统应设计成3.3V应用系统。其实现方法如下:用一个220V到9V的变压器将办公用电转换成直流9V电源,然后将9V直流电源由从另一电源接口输入,并使用二极管用来防止电源反接,经过二次滤波后,通过由美国国家半导体公司生产的LM2575开关电源芯片将电源稳压到5V。最后将5V电源经过低压差电源芯片稳压输出为3.3V和1.8V电压。其中低压差电源芯片可以采用Sipex公司生产的SPX1117系列芯片SPX1117M3-3.3和SPX1117M3-1.8,其特点为输出电流大,输出电压精度高,稳定性高。精度在正负±1%,还具有电流限制和热保护功能。
2.3 系统时钟电路,复位电路的设计
时钟电路在嵌入式控制系统中往往因为市场而决定,在工业控制中,由于机械造价昂贵,嵌入式系统中设计时钟电路就可以控制机械的运行时间,迫使买家按时付款[4]。对于LPC2880处理器而言,通过内部PLL电路可调整系统时钟,使系统运行速度更,达到最高运行频率即60MHz,它可使用外部晶振或外部时钟源。若不使用片内PLL功能,则外部晶振频率为1~30MHz,外部时钟频率为1~50MHz,若使用片内PLL功能,则外部晶振频率为10~25MHz,外部时钟频率为10~25MHz。对于复位电路,其设计一定要使系统能够充分复,保证系统可靠工作,因为LPC2880芯片具有高速、低功耗、低工作电压导致其噪声容限低的特点,使得其对电源的纹波、瞬态响应性能、时钟源的稳定性、电源监控可靠性等有更高的要求。复位电路的设计一定要使系统能够充分复位,保证在各种复杂情况下稳定可靠的工作。本文中复位电路采用由CATALYST公司生产的专用电源监控芯片CAT1025JI-30(复位门槛电压为3.0~3.15V)。
2.4 操作系统设计
一个实时操作系统在应用之前,首先要做的工作是将该实时操作系统移植到该微处理器上,所谓移植,就是使一个实时内核能在某个微处理器或微控制器上运行。本系统采用uC/OS-II,对它的移植就是对对uC/OS-II中与处理器有关的代码进行重写或修改。尽管μC/OS-II的大部分源代码都是用C语言写成的,但是嵌入式控制系统和硬件密切相关,因此处理器必须满足如下要求:C编译器能产生可重入代码,在程序中可以打开或关闭中断,处理器支持中断,并且能产生定时中断,处理器支持能够容纳一定量数据的硬件堆栈,处理器有将堆栈指针和其他CPU寄存器存储和读出到堆栈(或者内存)的指令。对于LPC2880处理器,移植uC/OS-II内核的主要内容是:用#define声明若干个个宏和若干个(根据具体需要而设计)与编译器相关的数据类型,并用#define设置一个常量的值,编写若干个与操作系统相关的函数,用汇编语言编写若干个个与处理器相关的函数[5]。具体过程如下:1) 移植OS_CPU.H。包括定义数据类型,μC/OS-II不使用C语言中的short、int和long等基本数据类型的定义,代之以移植性强的整数数据类型;临界代码的使用,μC/OS-II在进入系统临界代码区之前要关闭中断,等到退出临界区后再打开,它是通过OS_ENTER_CIRTICAL()和OS_EXIT_CRITICAL()这两个宏来实现的。实现关闭中断的方法有多种,如在OS_ENTER_CIRTICAL()中调用处理器指令关中断,在OS_EXIT_CRITICAL()中调用相应处理器指令开中断;执行OS_ENTER_CIRTICAL()时,先将中断状态保存到堆栈中,然后关中断,而当执行OS_EXIT_CRITICAL()时,再从堆栈中恢复原来的中断开/关状态等;2)移植OS_CPU_C.C。主要有6个函数在文件:OSTaskStkInit(),OSTaskCreateHook(),OSTaskSwHook(),OSTaskDelHook(),OSTaskStatHook(),OSTimeTickHoo();3)OS_CPU_A.ASM文件。需要改写的汇编语言函数有四个:OSStartHighRdy(),OSCtxSw(),OSIntCtxSw(),OSTickISR()。
2.5 人机交互模块设计
在工业控制中,有大量的生产控制信息需要实施作人员所掌握,这些信息主要在控制系统的LED面板上现实。其基本信息包括参数值(如速度,进给量、工件统计),X轴、Y轴坐标值(含X轴、Y轴运行方向指示),控制方式指示(自动、半自动、调校)等。通过这些信息,操作人员可以完成对现场设备的组态配置,数据集中处理,工作状态监控等功能。现在很多公司提供功能丰富的组态软件,如Vincc、力控PCAuto、组态王等。主要工作是创建液晶显示接口函数,创建过程如下:定义void LCD_Cls(),在LCD的显示屏中显示液晶初始化后,液晶的主界面;定义void LCD_Init(void),用于初始化设置,主要是对显示区域的设置和显示方式的设置;定义void LCD_Refresh(),用于更新LCD的显示,把需要显示的内容更新到LCD的显示屏上;定义void LCD_BkLight(),用于打开或者关闭LCD的背光;定void LCD_DisplayOpen(),用于打开或者关闭LCD显示。
当前,工程控制中的人机界面越来越人性化,具有可操作性和可理解性。因此将人机界面信息由传统的单文字形式转化为图形界面是嵌入式控制系统的必要工作。有些处理器,如S3C44BOX处理器本身也带有液晶控制系统,其设备只需要配备液晶显示器,用控制信号线将显示器和控制器连接即可。
2.6 键盘按键的程序设计
工业控制系统中,人和机器需要实现信息的交互,即人通过操作界面对机械发出指令。嵌入式系统已经实现了较为人性化的设计,即通过键盘,结合液晶显示,将指令传达给控制器,实现真正意义上的人机交互功能。按键的主要功能可以分为:暂停键,复位键,开始键,分别实现按下此键来暂停运动或程序执行,当程序执行过程或着运动中出现异常情况,按下此键可以终止一切,暂停后按下此键来恢复运动或程序继续执行等指示。这三个状态可以在液晶显示屏上显示。另外,嵌入式控制系统还需要提供上下翻页,树状上翻下翻等功能,这主要是因为嵌入式系统的液晶现实面,不可能不能一次完全把所有程序运行状态或者参数全部显示出来,所以利用上翻和下翻键进行查看。在处理器中键盘控制由一个函数(GetKey(INT16S*key))控制,它用于检测键盘是否有键被按下,如果有,就得到按键值并返回。通常需要频繁的调用该函数,对键盘进行轮询,以检测是否有按键被按下。如果有按键被按下,则返回TRUE;否则返回FALSE。
3 总结
工业生产规模的扩大与生产过程的复杂化,对控制系统的实时性、可靠性提出了更高的要求。嵌入式控制系统实现了计算机的微小化控制,对于提高工业控制的准确,实现快速反应和规模化机械生产具有重要意义。本嵌入式工程机械控制系统以S3C44BOX芯片为控制器,以uC/OS-II为操作系统,以LCD显示器进行显示,配有时钟,输入键盘,数据存储器以及多种数据通讯接口。在实践中,以该处理器为基础的控制器具有成本低,系统移植简单,强操作性和升级性等特点,可以满足不同机型的工程机械使用。
参考文献:
[1] 王田苗.嵌入式系统设计与开发实例[M].北京:清华大学出版社,2003.
[2] 蔡明征,汪海生,徐小龙,等.嵌入式微处理器在工程机械控制系统中的应用[J].筑路机械与施工机械化,2006(9).
[3] 马忠梅.ARM嵌入式处理器结构与应用基础[M].北京:北京航空航天大学出版社,2002.
[4] 马维华.嵌入式系统原理及应用[M].北京:北京邮电大学出版社,2006
1.1我国工业控制的情况
传统的手工生产方式被机械设备所取代，在一段时期内的确使生产效率得到了显著提高，对于经济水平较低的工业发展初期，尚可满足生产的需求。然而随着社会的进步，时代的发展，人们对于工业产品提出了更高的要求，无论是数量还是质量、精度，都提高到了一个新的层次。单纯的机械设备生产以及人工操作的生产方式已无法满足工业生产的要求。电子技术的应用则解决了这一难题，采用可编程逻辑控制器和单片机，并将所需的控制程序写入，完全能够满足工业控制的要求。同时有效降低了劳动强度，节省了大量的人力资源，仅需较少的技术人员进行看护。此外，随着人工智能应用于工业生产，设备在程序的控制下，可以解决生产中遇到的较为简单的问题。然而，虽然近年来电子技术获得了广泛的应用，我国的电子技术水平总体来说仍然不高，与国外的电子技术公司相比存在较大的差距，不利于我国工业控制的发展，我国的电子技术行业面临的形势依然较为严峻。
1.2自动化技术在工业控制领域中的应用
自动化技术应用于工业领域，广义的讲是指对于新能源和信息技术的充分运用的一种特殊生产方式，并以人力资源占用的最小化为宗旨。在工业生产中，其生产的目标和目的经由各种参数来得以表达，从而形成一种新型的生产模式，在这一模式下，无需人工管理，即所谓的自动化。当前，自动化技术的管理理念已经颇具系统性和综合性，这种先进的生产体系和生产方式也逐渐获得人们的重视，越来越多的资源被投入到自动化技术的研究与开发中去。实践已经证明，社会的进步离不开经济的繁荣，而工业则是推动经济繁荣的基础性产业，发展现代化的工业已经成为时代的主题。发展工业的进程中，自动化技术是重要的基础，是确保工业生产顺利进行的关键环节。工业正向着系统化、综合化、全面化的方向发展，而自动化则为其创造了发展的核心环境。工业的管理是一项复杂而系统的工程，自动化的管理亦是如此。因此，需要借鉴国外先进的自动化管理理念，从而推动我国的自动化管理体系的发展，推动工业控制领域的进步。自动化技术应用于工业控制领域，主要体现在对于工业生产过程的控制。简单的说是一种管理的控制流程，以自动化技术为基础，实现工业生产中监测、调度、管理的自动化。从近年来应用自动化技术的成果来看，自动化技术对于工业生产的产量和质量都有着非常重要的提升作用。除此之外，还能够有效的减少生产的能源消耗，这对于当前能源消耗较大、能源不足、环境污染较为严重的现状，具有非常重要的意义。
2电子技术的作用
21世纪，传统工业对于经济发展速度的提升所起到的推动作用已经不十分显著，而新兴的电子技术则为经济的发展提供了新鲜的活力。电子技术是实现生产自动化的关键要素，因此在工业控制领域，电子技术的作用也是不容忽视的。衡量一个国家的技术水平，有多种因素，而电子技术的发展水平则是其中较为关键的因素。当前，我国无论在经济水平还是在技术水平方面，较之以前都有了重大的进步，取得的成果也是十分显著的。然而，却并不能满足于现状，应该看到，与世界上发达国家相比，我国的电子技术水平还有待完善和提高，尤其是高科技的尖端电子技术领域，与发达国家的差距仍然很大。因此，当前的任务则是逐渐摆脱从国外引进产品的现状，加强电子技术的研发力度，积极开发出我国自己的尖端电子产品。
3电子技术在工业控制领域中的应用
3.1提高生产效率
电子芯片是实现电子技术的重要载体，也是实现自动化生产的主要媒介。通过将设定好的程序写入电子芯片，再由电子芯片执行程序，对机械设备进行控制。无需人工干预，即可准确地控制机械设备的操作。人工控制被写入特定程序的电子芯片所取代，避免了人工误操作带来的不利因素，无需休息，实现24小时不间断生产，因此极大的提高了生产效率。相应的，工作人员的数量和工作的强度都得以降低，进而减少人员成本。对传统的工业控制进行改造，将电子技术融入其中，不可避免地需要大量资金，尤其是在改建初期，需要投入较多的人力和物力，然而从长远的观点来看，对于企业效益的提高和可持续发展，其发挥的作用是不容忽视的。
3.2提高加工的精度
关键词 ZigBee；工业控制；现场总线技术；应用
1.ZigBee技术分析
1.1内涵
ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低成本的双向无限通讯技术。其主要适用于距离较短、功耗较低、传输速率要求不高的电子设备，以及其具有一定周期性数据、间歇性数据和低反应数据传输。这就类似于蜜蜂在发现花丛后，会通过特殊的肢体语言来告知同伴其发现的事物。而这种肢体语言，其本身的可输出距离较短，表达难度较低。从这点看来，ZigBee技术也具有类似的特性。而随着现代通信技术的不断发展，目前，其已经成为一种网络协议。该协议相对其他协议而言，局限性较强，但是在应用中，这个局限性也转化为其优势，成为现代工业控制的首选。
1.2特点
1）传输速率低下。相对其他的网络协议而言，该种网络技术其在2.4GHz工业、科学、医学频带的最高传输速率为250kbps，适用于报文吞吐量较小的一些通信场合。然而，在信息技术如此发展的今天，人们很多商业活动，都要依靠网络。该种网络模式基本上没有应用空间。
2）功能耗损较低。ZigBee技术的传输速率低下，自然，其在整个传输过程中，其耗损的功能也相对较少。根据其应用统计，其发射功率损耗大约为1mW，在休眠的状况下，其电池寿命可长达数年。这是其他网络技术所难以达到的一个状态。
3）成本低。当前，zigBee协议是免专利费的，也就是说，在应用该种协议时，协议本身不需要消耗，只需要基本的设备。而根据相关统计，该种技术的设备单位成本在几美元左右，也就是不超过一百元人民币。这就使得其运用成本大幅度降低。
4）距离短。相对一般网络的覆盖来说，该种技术的覆盖面有些局限。其传输距离短，因此在长期的发展中，很少有人使用该种技术。但是，也正是因为传输距离短，所以其传输的准确性相对较高。
1.3优势
1）可靠性。工业控制环境下对通信网络的首要要求，就是数据传输的可靠性与准确性。无限通信技术相对有限通信而言，其受到外界干扰的可能性提高。在部分网络技术的使用中，还需要使用一定的手段，来降低其扰的可能。而ZigBee技术其本身传输的距离短，扰可能降低。另外，其本身也会对外界的干扰进行消除，这就使得其数据的可靠性得到极大的保障。
2）实时性与同步性。实时性是工业控制的重要指标。ZigBee技术其网络新增节点的典型网络参与实践为30ms，其节点从休眠进入激活状态的用时较短，能够更快地保证信息的传递。这就使得其在使用中，各个环节的实时性与同步性较好。
3）灵活性。其灵活性主要体现在自身组网的可扩展性以及设备共存性。一般来说，无线网络信号之间会存在一定的排斥，在共同使用时，其相互干扰的可能性极高。而zigBee技术很好地规避了这一缺点。无论是设备的摆放，还是其应用，都不会产生过多的影响。
4）经济性。从整体来说zigBee技术其成本较低，且能够很好地满足工业控制的需求。在使用中，无论是电源寿命，还是后期的调整，都不会有过大的花费。这就使得其安装成本与维护成本较低。
2.ZigBee技术应用解析
当前，工业控制系统不断完善，其中以现场总线为主要形式。现场总线是一种数字化分布式的双向串行通讯总线，其种类相对较多。应用较广且效果较好的为Modbus。该种协议是Modicon公司为可编程逻辑控制器设计的现场总线协议。该种协议模式，其结构简单、报文吞吐量较小，类似于ZigBee技术。随着ZigBee技术应用范围的不断扩大，不少研究人员也将Modbus进行优化，其本身是通过有线连接来建立，而在这个协议中，其传统的模式没有ZigBee技术，表现如图1。该种模式下，其成本相对较高，其设备可扩展性受限制。随着现代技术的不断发展，当前，已经将zigBee技术引入其中，其结构表现如图2。
优化后的引入zigBee技g的控制系统，其能够在保证通信可靠性与实时性的基础上，提高控制系统的可扩展性，极大地降低了设备的安装成本与维护成本，有效地实现了工业生产的成本控制，经济性较强。
关键词： 工业控制系统；干扰；抗干扰
中图分类号：TP2 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2013）0120046-03
随着机电一体化技术的发展，工业控制系统应用场所越来越广泛。干扰与抗干扰就像矛与盾相伴相随。在工业控制系统的工作环境中，存在大量的干扰信号，如电网的波动、强电设备的启停、高压设备和开关的电磁辐射等，当干扰信号在工控系统中产生电磁感应和干扰冲击时，往往就会扰乱系统的正常运行，从而降低系统运转的可靠性和稳定性。本文即是针对各种干扰的来源以及抗干扰措施进行分析、研究。
1 干扰的产生
1.1 干扰的定义
干扰是指对系统的正常工作产生不良影响的内部或外部因素。这些有害因素使得控制系统的信号数据发生瞬态变化，增大误差，出现假象，甚至使整个系统出现异常信号而引起故障、甚至系统崩溃。
从广义上讲，控制系统干扰因素包括电磁干扰、温度干扰、湿度干扰、声波干扰和振动干扰等等。其中电磁干扰最为普遍，且对控制系统影响最大，最难解决。
1.2 形成干扰的三个要素
干扰形成包括三个要素：干扰源、耦合通道和接受载体。三个要素缺少任何一项干扰都不会产生。
干扰形成的路径
1.2.1 干扰源
产生干扰信号的设备被称作干扰源，如变压器、继电器、微波设备、电机、无绳电话和高压电线等都可以产生干扰信号。当然，雷电、太阳和宇宙射线等也属于干扰源。
1.2.2 传播途径
传播途径是指干扰信号的传播路径。电磁信号在空中直线传播，并具有穿透性的传播称为辐射方式传播；电磁信号借助导线传入设备的传播被称为传导方式传播。传播途径是干扰扩散和无所不在的主要原因。
1.2.3 接收电路
接收电路是指设备中对干扰信号敏感的某个部分，吸收了干扰信号，并转化为对系统造成影响的部分。接收电路的接受过程又成为耦合，耦合分为两类：通过金属导线等介质接受干扰信号的过程称之为传导耦合。干扰信号通过空间以电磁场形式耦合至接受载体的称之为辐射耦合。
根据干扰的定义可以看出，干扰信号之所以是干扰是因为它会对系统造成不良影响，反之，不能称其为干扰。从形成干扰的要素可知，消除三个要素中的任何一个，都会避免干扰。抗干扰技术就是针对干扰三个要素的研究和处理。
1.3 干扰的种类
按干扰的耦合模式分类，干扰主要包括下列四种类型。
1.3.1 电网干扰
电网是整个工业系统的命脉，理想的电网供电质量应该是电压稳定、纯正弦波、频率准确、供电不间断。但实际上由于电网中负载的变化，如继电保护系统开关的通断；大功率用电设备的起停；感抗容抗器件在电网中接入和断开等都会在正弦波上叠加高频振荡或瞬变脉冲，造成电网波形严重失真，电网电压波动。电网干扰可以引起信息设备出错、失灵、数据丢失、破坏程序。造成的损失往往是难以挽回的重大经济损失。据统计工控系统故障有80%是由电网干扰引起的。每年因电网干扰引起仪器、设备受损的例子在国内外举不胜举。对于电子工程师来说，电网干扰是最头疼的事情，尤其是工程施工现场，由于客观条件的限制电网干扰更严重。
1.3.2 辐射干扰
辐射干扰主要是由电力网络、雷电、广播电视信号、雷达、高频感应加热设备等产生的，分布极为复杂。辐射干扰与现场设备布置及与设备所产生的电磁场的大小有关，特别是与频率有关。
1.3.3 信号通道干扰
与控制系统连接的各类信号传输线除了传入各种有用的信号外，还会伴随有外部干扰信号。由信号引入的干扰会引起I/O信号工作异常和测量精度的严重失真。信号干扰分为模拟信号干扰和数字信号干扰。
1.3.4 接地系统干扰
接地是提高电子设备电磁兼容性（EMC）的有效手段之一。正确的接地，既能抑制电磁干扰的影响，又能抑制设备向外发出干扰；而错误的接地，反而会引入严重的干扰信号，使控制系统无法正常工作。
2 抗干扰的措施
抗干扰技术就是了解、分析、研究干扰的产生根源、干扰的传播方式和避免扰的措施（对抗）等问题。在做系统设计时就要采取尽量避开各种干扰的方法，尽量避开干扰源。
提高工控系统抗干扰能力最理想的方法是提高接收电路的抗干扰能力，抑制干扰源，削弱干扰信号的强度，使其不向外产生干扰或尽可能将干扰信号强度影响限制在允许的范围之内。抑制干扰的措施很多，针对不同类型的干扰要采取相应的措施，同时要提高接收电路的抗干扰能力和在软件编写上采取相应对策。抗干扰技术主要包括屏蔽、隔离、滤波、接地和软件处理等方法。
2.1 电网抗干扰措施
工业控制系统的电源都接自电网。工业现场的用电情况比较复杂，电网上经常有振荡电压的存在，经过供电线路进入电源系统，造成电源电压不稳定、波形不规则。干扰工控系统的正常运转。目前主要采取以下几种措施来尽可能减少来自电网的干扰：
2.1.1 低通滤波器
低通滤波器作用只让低频成份通过，而高于截止频率的成份则受抑制、衰减，不让其通过。在工控系统中，常用低通滤波器抑制由交流电网侵入的高频干扰。下图为电源常用的LC低通滤波器的接线图。含有瞬间高频干扰的220V电源通过截止频率为50Hz的滤波器，其高频信号被衰减，只有50Hz的工频信号通过滤波器到达电源变压器，保证正常供电。
LC低通滤波器原理图
2.1.2 隔离变压器
隔离变压器也是常用电源隔离部件，用来阻断交流信号中的直流干扰和抑制低频干扰信号的强度。隔离变压器把各种模拟负载和数字信号源隔离开来，也就是把模拟地和数字地断开。传输信号通过变压器获得通路，而共模干扰由于不形成回路而被抑制。
2.1.3 电源监视线路
电源监视线路具有监视电源电压瞬时短路、瞬间降压和微秒级干扰及掉电功能，即时输出供CPU接受的复位信号及中断信号总功能。
2.2 辐射抗干扰措施
对于外来辐射抗干扰措施主要是屏蔽和正确的接地（见2.3.3）。屏蔽是利用导电或导磁材料制成的盒状或壳状屏蔽体，将干扰源或干扰对象包围起来从而割断或削弱干扰场的空间耦合通道，阻止其电磁能量的传输。屏蔽主要用于空间外来干扰信号的抑制。实际应用中须注意以下几点：
1） 消除静电干扰最简单办法是把感应体接地，接地时要防止形成接地环路。
2）为了防止电磁场干扰，使用带屏蔽层的信号线，要将屏蔽层单端接地。
3）不要把导线的屏蔽层当作信号线或公用线使用。
4）避免在电源电路和检测、控制电路之间使用公共线。
5）避免在模拟电路和数字电路之间使用公共线。
2.3 信号通道抗干扰措施
2.3.1 隔离措施
1）光电隔离
光电隔离是以光作媒介在隔离的两端间进行信号传输的，所用的器件是光电耦合器。光电耦合器在传输信息时，借助于光作为媒介物进行耦合。
光电隔离原理图
光电隔离具有以下几方面的特点：
① 光电耦合器的输入阻抗很小，一般为100Ω～1kΩ之间，而干扰源内阻则很大，通常为105～108Ω，因此能分压到光电耦合器输入端的噪声很小。② 干扰噪声虽有较大的电压幅度，但能量小，只能形成微弱电流，而光电耦合器输入部分的发光二极管是在电流状态下工作的，即使有很高电压幅值的干扰，由于不能提供足够的电流而被吸收。③ 光电耦合器是在密封条件下实现输入回路和输出回路的光耦合，不会受到外界光线的干扰。④ 输入回路和输出回路之间分布电容极小，一般为0.5～2pF之间，而且绝缘电阻很大，通常为1011～1012Ω，因此回路一边的干扰很难通过光电耦合器馈送到另一边去。
2）变压器隔离
隔离变压器也是常用的隔离部件，用来阻断交流信号中的直流干扰和抑制低频干扰信号的强度。
3）继电器隔离
继电器线圈和触点仅在机械上形成联系，而没有直接的电的联系。继电器线圈接受控制信号，利用其触点控制和传输电信号，从而实现强电和弱电的隔离，使得高压交流侧的干扰无法进入低压直流侧。同时，继电器触点较多，触点能承受较大的负载电流，应用非常广泛。
实际使用中，继电器隔离适合开关量信号的传输。系统控制中，常用弱电开关信号控制继电器线圈，使继电器触电闭合和断开。而对应于线圈的触点，则用于传递强电回路的某些控制信号。隔离用的继电器，主要是一般小型电磁继电器或干簧继电器.
2.3.2 传输线防干扰措施
1）传输线要尽可能短。
2）信号线与电源线分开配线，电源线放在有屏蔽的金属管内。
3）带屏蔽层的信号线，要将屏蔽层单端接地。
4）在保证性能的前提下，把并行传输改成串行传输。
5）TTL电路负抗干扰能力比正抗干扰能力强，尽量用负脉冲或负电位传输等。
2.3.3 合理的接地措施
将电路、设备机壳等与作为零电位的一个公共参考点（大地）实现低阻抗的连接，称之谓接地。接地的目的有两个：一、安全。二、给系统提供一个基准电位。接地抗干扰技术主要是消除公共地线阻抗所产生的共阻抗耦合干扰，避免受磁场和电位差的影响，防止形成地环电流电路与其他电路产生耦合干扰。
1）见的接地方式有如下几种：① 悬浮接地 系统的工作地线与参考大地及其他导体之间没有导体连接，即设备悬浮，以悬浮的“地”作为系统的参考电位。这样可以提供良好的电器隔离，但是容易产生静电积累。② 单点接地 系统中的电路以一点作为参考，把这个单一的点连接至设备的接地系统。低频时可以避免各个单元的地阻抗干扰，但高频时，易造成单元间的相互干扰。③ 多点接地 所有电路的地线都是就近接地，以降低地线的阻抗，多适用于高频电路。多点接地比单点接地简单，但是由于接地点增加会导致设备可靠性降低。④ 混合接地 是指接地形式同时包括单点接地和多点接地形式。
2）设计接地电路和地线时遵循以下几点原则：① 交流地、直流地、模拟地、数字地必须要分开接地。② 地线应尽量粗，如果地线很细，接地电阻就会很大，信号电平不稳，降低电路的抗干扰能力。③ 工业控制系统主机和外部设备金属屏蔽直接接地。④ 根据需要选择合适阻值的接地电阻。⑤ 采用接地扼流圈的方法，防止地电流和高频电流干扰。⑥ 根据工作频率的大小，确定合适的接地形式。工作频率小于1MHZ时使用单点接地。大于10MHZ时选择多点接地形式。
2.4 软件抗干扰设计
工业控制系统在恶劣环境中工作时，干扰源不仅会影响到硬件系统的正常工作，还常常使系统的软件运行发生混乱。因此系统的抗干扰问题不能完全靠硬件去解决，软件的抗干扰设计也是一项重要措施。系统受到干扰时，可能使单片机内部特殊功能寄存器（SFR）值改变，使程序状态混乱；如果改变的是程序指针PC值，则会使程序进入死循环或将数据区中的数据破坏。如果是被测信号受到干扰，则会造成测量值失真。对于程序运行失常的软件，对策是及时发现，及时引导程序指针指向正确位置，或系统复位重新开始运行。通常采用如下措施：
2.4.1 软件滤波
用软件来识别有用信号和干扰信号，并滤除干扰信号的方法，称为软件滤波。识别信号的原则有三种：
1）时间原则。分析、掌握有用信号和干扰信号在时间上出现的规律性。
2）空间原则。从不同位置、用不同检测方法、经不同路线或不同I/O口对接收到的同一信号进行比较，根据既定逻辑关系来判断真伪，滤掉干扰信号。
3）属性原则。有用信号往往是在一定幅值或频率范围的信号，当接收的信号远离该信号区时，可通过软件识别予以剔除。
软件滤波的方法主要有限幅滤波法、中值滤波法、算术平均滤波法、滑动平均滤波法、限幅平均滤波法、消抖滤波法、数字滤波器等。
2.4.2 软件“陷阱”
当程序进入非程序区，只要在非程序区设置拦截措施，使程序进入陷阱，然后强迫程序回到初始状态。如单片机的RST指令对应字节码为0FFH，如果在不用的程序存储区预先写入0FFH，则当程序因干扰而“飞”到该区域执行代码时，就相当于执行了一条RST指令，从而达到系统复位的目的。实际上，新的EPROM芯片在没写入任何内容前，各字节内容均为0FFH。
2.4.3 看门狗技术
看门狗技术（watchdog timer）是一种程序监视技术，防止程序由于干扰等原因而进入死循环。它不断监测程序循环运行的时间，若发现程序运行时间超过最大循环运行时间就认为系统陷入死循环，然后强迫程序返回到已安排了出错处理程序的入口地址，使系统回到主程序或程序入口正常运行。看门狗技术可以通过硬件或者软件两种方式实现。
1）硬件看门狗是个特殊定时器，来监控主程序的运行。也就是说在主程序的运行过程中，程序在一定时间范围内对定时器清零。如果出现死循环，或者说PC指针不能回来，那么定时时间到后看门狗定时器就会溢出，产生复位信号使单片机复位。常用硬件看门狗芯片如MAX691、MAX6316LUK29CY-T、TPS3823、MAX813L、W78E51B、X25045、X5043/X5045等。下图为常用硬件看门狗电路设计图。上图为常用硬件看门狗电路设计图。
2）软件看门狗与硬件看门狗原理上差不多，只不过是采用软件的方法实现这个功能。利用单片机片内定时器的计数器单元作为看门狗，在单片机程序中适当地插入“喂狗”指令，当程序运行出现异常或进入死循环时，利用软件将程序计数器PC赋予初始值，强制程序重新开始运行。
以MCS-51系列单片机为例，晶振频率为12MHz，定时器T0工作在方式1，根据定时时间ams，设定定时器T0的初值应设为TH0=0xxH、TL0=0yyH，下面为软件门狗常用汇编语言程序：
3 总结
工业控制系统的工作环境恶劣，存在各种各样的干扰。进行系统设计时，必须对环境做全面的分析，确定干扰的来源、性质。采取相应的措施和方法来加以解决，设计者应综合考虑系统资源、经济性、可靠性等多方面因素，合理制定工业控制系统方案，提高系统的性能价格比，保证工业控制系统能够长期稳定运行。
参考文献：
[1]何立民，《单片机应用技术选编》，北京航空航天大学出版社，1993.12.
如今我国工业迎来全新改革发展机遇，特别是网络实时通信技术支持使得工业自动化控制目标得到全方位的贯彻落实。笔者的任务便是针对网络通信技术特性，其在工业控制期间的适用问题，以及日后网络实时通信技术的控制要点等内容，加以有序论证。
关键词：
网络；实时通信；工业控制；自动化
结合以往实践经验整理论证，在网络实时通信技术贯穿融入工业自动化生产空间之后，有关工业生产的不同工序流程得到一定程度的技术积累并且呈现出愈加可观的改革发展趋势。不过网络实时通信技术目前仍旧存在一定的漏洞，如若想要确保今后在工业领域愈加自然可靠地沿用，并且顺势带动自动化发展进程，就必须预先制定出合理的革新调试方案。
1网络通信技术的特性
如今网络通信技术开始在我国各类产业领域之中融入，不过因为其主张沿用CSMA/CD协议进行相关介质访问，使得该类技术不可避免地呈现出实时和确定性不理想的状况。如带有冲突检测的载波在针对多路访问现象进行动态化监察与发送报文过程中，一旦说遭遇网络运行过于繁忙的状况，要持续到空闲状态再予以监听。可与之相互矛盾的是，大多数节点在发送报文期间，仍需同步承担网络整体监听的重大任务，像这样持续到网络重新空闲时再发送报文，不单单会全面增加数据信息传输消耗的时间，严重情况下会直接发生无法顺利传送的现象。以上结果充分表现出当前我国网络通信运行确定和实时性不佳的状况。
2现阶段网络通信技术在工业环境中的适用问题
网络通信技术无法提供电源，因此在工业环境中沿用期间，需要额外提供电缆等辅器具进行供电，可归根结底来讲，以太网自身也并非完全安全的系统。正如前面内容强调，以太网沿用的是CSMA/CD协议的介质访问模式，这类技术模式不单单难以全方位迎合工业生产实时性控制需求，并且存在严重的不确定特性。须知以太网开发设计的初衷，就是在办公室和商业领域之中调试现场总线之间不兼容等挑战困境基础上，为各类公司控制器之间数据高速实时化传输提供保障。相比之下，在工业自动化领域之中应用，则存在许多有待解决的问题。
3新时代下网络实时通信技术在工业控制领域中的合理化应用措施
面对以太网本身的不确定性和工业环境不适应性等消极状况，有关工作人员必须尽快予以解决。毕竟唯独在实时性的通信网络条件支持下，有关生产现场中的相关设备故障信息才会在第一时间内精准地传输到上级。至于工业自动化领域中沿用网络实时通信技术的具体细节则表现为：
3.1借助网络负荷持续降低途径改善数据信息传输速率
须知以太网上传输的数据冲突概率，往往和数据通信量维持正比例关系，就是说当网络内部不存在过多的数据通信现象时，涉及报文冲突的概率自然就会得到合理程度地降低。而诸多实践经验验证，当通信负荷被控制在25以下期间，网络通信过程基本上能够维持畅通效果；而当负荷维持在5以内时，则能够全面规避报文发送的冲突状况。相比之下，在工业控制活动中，当网络负荷维持在10以内期间，部分人员可能认为当中的报文冲突可以成功规避，可现实往往不遂人愿。虽然说冲突概率不是很高，但网络负荷如若低于一定数值指标，将会不利于网络宽带的经济性应用结果。
3.2配合交换机提高网络站点的宽带
传统的网络通信技术的核心控制媒介，主要是共享形式的集线器，不管透过功能或是结构角度审视，该类集线器都归属于物理层的中继器。所以，如若想要将站点衔接到共享式集线器并保证共享一个宽带，并且确保能够顺利地发送和接收相关数据时，就必须全面以太网预设的介质访问模式CSMA/CD协议。需要注意的是，以太网交换机作为一类保留多个端口的开关矩阵，在受控过程中不同端口的数据信息流都维持相对隔离的状态，唯独在相同端口传送的信息流才会发生冲突迹象。换句话说，当下单位端口都可视为一个冲突域，所以可以借助网络负荷予以测试演算，或是配合交换机工作原理将网络加以分割处理。分割各类端口并且衍生出多个数据通道之后，不同端口上的数据，不管是输入或是输出，就不会再过度承受网络介质模式CSMA/CD协议的约束，进一步贯彻落实网络通信不同站点宽带提升的目标。不过该类模式需要投入较多数量的附加成本，特别是在现场仪表之中沿用期间，有关数据存储和转发程序，也会遗留显著的延迟和不确定隐患，所以日后还须技术人员多多地加以改良优化。
4结语
综上所述，随着网络通信技术的持续革新发展，有关其在工业控制领域中的应用融合进程、质量，也需要予以同步改善，其中最需要注意的问题便是网络通信技术的不确定和非实时性。而笔者在此阐述论证的网络负荷降低、网络传输速率提升，以及借助网络交换机来提升内部单位站点宽带等方案，都可以很好地解决网络通信在工业自动化中应用的不确定和实时性不高问题。相信经过持续优化改进之后，势必能够令工业控制行业赢啦愈加美好的发展前景。
作者：赵新亚 单位：沈阳职业技术学院电气工程学院
参考文献：
[1]李云欢.工业无线网络可靠性研究及实验平台设计[D].上海：上海交通大学，2012.
[2]胡增云.基于无线技术的生产线异常停线监控系统的设计[D].武汉：武汉轻工大学，2013.
关键词：W77E58单片机 智能化 工业控制
1. 系统概述
控制系统是由单片机、液晶显示模块、键盘、控制电路等组成，主要功能是单片机通过模数转换电路实时采集设备腔体内的温度来控制压缩机的起停，使温度保持在一特定的范围内，压缩机的运转状态与腔体温度均由单片机通过串口送往液晶显示器，在其上进行显示。这种技术现在应用非常广泛，如冰箱、空调等很多电器都是采用这种技术。本文重点论述了串行通讯系统的接口设计、串口通讯软件实现及控制功能的实现。系统构成示意图如图1所示。
2. 串行通讯接口系统
由于本控制系统需要两个串口，所以选用WINBOND公司的W77E58这款单片机，它内含2个增强型串口和32KB大容量Flash存储器，指令集与51系列单片机完全兼容。
本控制系统中有压缩机，大功率的电机等设备，容易产生干扰。由于RS-485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，具有抑制共模干扰的能力，传输距离长，可用于恶劣环境中，所以W77E58的串口0与串口1均采用RS485接口，通过SN75176与控制系统进行通讯，采用一问一答的主从机制，用相互约定的协议进行数据传输，来控制整个系统的运转。W77E58单片机其串口增强型特征在于特有的地址自动识别和帧出错诊断功能。需要注意的是，串口0可以使用定时器T1或定时器T2作为波特率发生器；而串口1只能使用定时器T1作为其波特率发生器，所以本例使用单片机的定时器1作为波特率发生器，波特率根据需要进行设定。本例中波特率为9600，8位数据位，1位停止位，无奇偶校验位。
3. 串口通讯软件实现
W77E58串行口是可编程接口，对它初始化编程只需对特殊功能寄存器SCON、SCON1和电源控制寄存器PCON写入相应的控制字即可。本例是用C51语言对单片机串口进行初始化，程序如下：
TMOD=0x25； 定时器0为模式1方式的16位计数器
PCON=0x00；
TL1=0xfd； 晶振为11.059MHZ，定时器1做波特率发生器
TH1=0xfd；
TF1=0； TR1=1；
RI=0； TI=0；
RI1=0； TI1=0；
SCON=0x48； 数据格式为：8数据位，无奇偶校验，1位停止位。
SCON1=0x48；
T2CON=0x04；
ES1=0； 串口1禁止中断
ES0=0； 串口0禁止中断
与控制系统通讯是通过串口0发送数据的，串口0发送数据程序如下：
void SendCharToSeries0（unsigned char byte）
{ TI=0；
SBUF= byte；
while （！TI）；
}
其中的byte就是所要发送的具体字节内容。如果某一指令有15个字节，则要连续执行这段发送程序15次，用具体的发送字节替换byte。例如设置控制系统的加速时间，数据串为a5 30 31 31 02 58 00 6a 0d，数据串是根据具体的协议内容而定的，这一数据串中数据头为0xa5、0x 30、0x 31，0x02、0x58为数据内容即加速时间，0x00、0x6a为CRC检验码，数据结尾是0x0d，调用上面的发送函数将这串数据发送。
当控制系统接收到这一串数据之后也要进行CRC检验，如果检验之后与所接收到CRC检验码一致，说明接收的数据正确，否则舍弃这一数据。在进行串口通讯时，为了确保发送与接收的数据准确无误，最好采用CRC（循环冗余校验）校验，编码和解码方法简单，检错和纠错能力强，在通信领域广泛地用于实现差错控制。CRC的算法如下：
void getcrccode （unsigned char tmpbyte[]，unsigned char length）
{ unsigned char aaa，i；
unsigned int crc；
crc=0xffff；
for （aaa=0；aaa
{ tmpbyte[length]=crc % 256；
tmpbyte[length+1]=crc / 256；
tmpbyte[length]=tmpbyte[length] ^ tmpbyte[aaa]；
crc=tmpbyte[length+1]* 256+tmpbyte[length]；
for （i=1；i
{ if （crc & 0x0001）
{ crc=crc >> 1；
crc=crc & 0x7fff；
crc=crc^0xa001；
}
else
{ crc=crc>>1；
crc=crc&0x7fff；
}
}
}
tmpbyte[length]=crc % 256；
tmpbyte[length+1]=crc / 256；
}
以上是有多个字节进行CRC校验的通用程序代码，在产品中已经得到应用。CRC是现代通信领域的重要技术之一，掌握CRC的算法与实现方法，在通信系统的设计、通信协议的分析以及软件保护等诸多方面，能发挥很大的作用。
让数据在液晶显示器上显示是按照约定的协议通过串口1向液晶显示器发送数据来实现的，发送与接收均采用CRC检验，确保在液晶显示器上所显示的内容正确无误。串口1发送数据程序如下：
void SendCharToSeries1（unsigned char byte）
{ TI1=0；
SBUF1=byte；
while （！TI1）；
}
4. 控制功能
单片机有多个I/O口，通过这些I/O口实现数据的采集及对设备的控制。本控制系统主要包括两个方面，第一是温度传感器经过模数转换电路送入单片机的I/O口，单片机从I/O口读入数值，经过计算便得到实际的温度值，将这一温度值实时显示，并且通过温度来控制压缩机的起停，使机器的腔体温度在一定的范围；第二是通过单片机的计数器读取电机的转速，用变频器控制电机运转，使得电机的运转保持在一定的速度范围之内，进而使风速恒定。
5. 键盘
本系统键盘是非编码的，采用单片机的I/O口组成3X4矩阵，矩阵键盘减少了I/O的占用，在需要的键数比较多且单片机资料够用时，采用矩阵法是很合理的。本例中用P2.0、P2.1、P2.2、P2.3作为行线，每个口上均接入一个10K的上拉电阻，P2.4、P2.5、P2.6作为列线，键盘结构如图2所示。
判断键盘中有无键按下，将全部行线P2.0-P2.3置高电平，再分别置P2.4、P2.5、P2.6为低电平，然后检测行线的状态。如果行线中出现了低电平，则说明有键被按下，再根据自己定义的键盘功能去处理就可以了。
6. 结束语
本系统设计采用模块化、结构化的程序设计方法，软硬件自动故障诊断，使系统具有高可靠性和高实时性。我公司生产的高速冷冻离心机就是采用这种控制方式，产品已投入生产。
参考文献
关键词:工业控制系统;行为审计;智能分析;信息安全
引言
伴随着工业化和信息化融合发展,大量IT技术被引入现代工业控制系统.网络设备、计算设备、操作系统、嵌入式平台等多种IT技术在工控系统中的迁移应用已经司空见惯.然而,工控系统与IT系统存在本质差异,差异特质决定了工控系统安全与IT系统安全不同.(1)工控系统的设计目标是监视和控制工业过程,主要是和物理世界互动,而IT系统主要用于与人的交互和信息管理.电力配网终端可以控制区域电力开关,类似这类控制能力决定了安全防护的效果.(2)常规IT系统生命周期往往在5年左右,因此系统的遗留问题一般都较小.而工控系统的生命周期通常有8~15年,甚至更久,远大于常规IT系统,对其遗留的系统安全问题必须重视.相关的安全加固投入涉及到工业领域商业模式的深层次问题(如固定资产投资与折旧).(3)工控系统安全遵循SRA(Safety、Reliability和AGvailability)模型,与IT系统的安全模型CIA(ConfidentialGity、Integrity和Availability)迥异.IT安全的防护机制需要高度的侵入性,对系统可靠性、可用性都有潜在的重要影响.因此,现有的安全解决方案很难直接用于工控系统,需要深度设计相关解决方案,以匹配工控系统安全环境需求[1G2].
1工控系统安全威胁及成因
工业控制系统安全威胁主要有以下几个方面[3G5]:(1)工业控制专用协议安全威胁.工业控制系统采用了大量的专用封闭工控行业通信协议,一直被误认为是安全的.这些协议以保障高可用性和业务连续性为首要目的,缺乏安全性考虑,一旦被攻击者关注,极易造成重大安全事件.(2)网络安全威胁.TCP/IP协议等通用协议与开发标准引入工控系统,使得开放的工业控制系统面临各种各样的网络安全威胁[6G7].早期工业控制系统为保证操作安全,往往和企业管理系统相隔离.近年来,为了实时采集数据,满足管理需求,工业控制系统通过逻辑隔离方式与企业管理系统直接通信,而企业管理系统一般连接Internet,这种情况下,工业控制系统接入的范围不仅扩展到了企业网,而且面临来自Internet的威胁.在公用网络和专用网络混合的情况下,工业控制系统安全状态更加复杂.(3)安全规程风险.为了优先保证系统高可用性而把安全规程放在次要位置,甚至牺牲安全来实现系统效率,造成了工业控制系统常见的安全隐患.以介质访问控制策略为代表的多种隐患时刻威胁着工控系统安全.为实现安全管理制定符合需求的安全策略,并依据策略制定管理流程,是确保ICS系统安全性和稳定性的重要保障.(4)操作系统安全威胁.工业控制系统有各种不同的通用操作系统(Window、Linux)以及嵌入式OS,大量操作系统版本陈旧(Win95、Winme、Win2K等).鉴于工控软件与操作系统补丁存在兼容性问题,系统上线和运行后一般不会对平台打补丁,导致应用系统存在很大的安全风险.(5)终端及应用安全风险.工业控制系统终端应用大多固定不变,系统在防范一些传统的恶意软件时,主要在应用加载前检测其完整性和安全性,对于层出不穷的新型攻击方式和不断改进的传统攻击方式,采取这种安全措施远远不能为终端提供安全保障.因此,对静态和动态内容必须进行安全完整性认证检查.
2审计方案设计及关键技术
2．1系统总体架构
本方案针对工控系统面临的五大安全威胁,建立了基于专用协议识别和异常分析技术的安全审计方案,采用基于Fuzzing的漏洞挖掘技术,利用海量数据分析,实现工控系统的异常行为监测和安全事件智能分析,实现安全可视化,系统框架如图1所示.电力、石化行业工业控制系统行为审计,主要对工业控制系统的各种安全事件信息进行采集、智能关联分析和软硬件漏洞挖掘,实现对工业控制系统进行安全评估及安全事件准确定位的目的[8G9].审计系统采用四层架构设计,分别是数据采集层、信息数据管理层、安全事件智能分析层和安全可视化展示层.其中数据采集层通过安全、镜像流量、抓取探测等方式,监测工控网络系统中的服务日志、通信会话和安全事件.多层部署采用中继隔离方式单向上报采集信息,以适应各种网络环境.信息数据管理层解析MODBUS、OPC、Ethernet/IP、DNP3、ICCP等各种专用协议,对海量数据进行分布式存储,优化存储结构和查询效率,实现系统数据层可伸缩性和可扩展性.智能分析层通过对异构数据的分析结果进行预处理,采用安全事件关联分析和安全数据挖掘技术,审计工控系统应用过程中的协议异常和行为异常.安全综合展示层,对安全审计结果可视化,呈现工业控制系统安全事件,标识安全威胁,并对工业控制系统安全趋势作出预判.
2．2审计系统关键技术及实现
2．2．1专用协议识别和异常分析技术系统实现对各种常见协议智能化识别,并且重组恢复通信数据,在此基础上分析协议数据语义,进而识别出各种通信会话和系统事件,最终达到审计目的[10G11].2．2．2核心组件脆弱性及漏洞挖掘技术基于Fuzzing的漏洞挖掘技术,实现工业控制系统核心组件软硬件漏洞挖掘,及时发现并规避隐患,使之适应当前的安全环境.Fuzzing技术将随机数据作为测试输入,对程序运行过程中的任何异常进行检测,通过判断引起程序异常的随机数据进一步定位程序缺陷[12－14]通用漏洞挖掘技术无法完全适应工控系统及网络的特殊性,无法有效挖掘漏洞,部分漏洞扫描软件还会对工控系统和网络造成破坏,使工控系统瘫痪.本文结合电力、石化行业工控系统特点,研究设计了工控行业专用Fuzzing漏洞挖掘技术和方法,解决了漏洞探测技术的安全性和高效性问题,实现了工业控制协议(OPC/Modbus/Fieldbus)和通用协议(IRC/DHCP/TCP)等漏洞Fuzzing工具、应用程序的FileFzzinug、针对ActiveX的COMRaidGer和AxMan、操作系统内核的Fuzzing工具应用,构建了通用、可扩展的Fuzzing框架,涵盖多种ICS系统组件.ICS系统测试组件众多,具有高度自动化的Fuzzing漏洞挖掘系统可以大大提高漏洞挖掘效率.生成的测试用例既能有效扩展Fuzzing发现漏洞的范围,又可避免产生类似于组合测试中常见的状态爆炸情况[15].采用模块(Peach、Sulley)负责监测对象异常,实现并行Fuzzing以提高运行效率;还可以将引擎和分离,在不同的机子上运行,用分布式应用程序分别进行Fuzzing测试.2．2．3异常行为检测技术针对工控系统的异常行为检测,本方案采用海量数据和长效攻击行为关联分析技术,内容如下:(1)建立工业控制系统环境行为架构,检查当前活动与正常活动架构预期的偏离程度,由此判断和确认入侵行为,诊断安全事件.(2)研究行为异常的实时或准实时在线分析技术,缩短行为分析时间,快速形成分析报告.(3)基于DPI技术,对网络层异常行为安全事件进行检测分析.基于海量数据处理平台实现对数据包的深度实时/离线分析,从而有效监测工控设备的异常流量,进而有效监测多种网络攻击行为[16].(4)应用层异常行为检测.应用层异常行为安全事件检测围绕工业控制系统软件应用展开,该功能基于应用层数据收集结果进行,支持运行状态分析检测、指令篡改分析检测、异常配置变更分析检测等.(5)系统操作异常行为安全事件检测.系统攻击检测基于海量日志分析技术进行,在检测整个系统安全状态的同时,以大规模系统运行状态为模型,发掘出有悖于系统正常运行的各种信息,支持系统安全事件反向查询,并详细描述系统的运行轨迹,为系统攻击防范提供必要信息.(6)异常行为安全事件取证.基于安全检测平台所提供的多维度多时段网络安全数据信息进行异常行为安全事件取证,有效支持对单点安全事件的获取,达到安全事件单时段、多时段、分时段提取,进而支撑基于事实数据的安全取证功能.2．2．4安全事件智能分析技术方案把工业控制系统海量安全事件的智能关联分析、安全评估、事件定位及回溯相关分析技术应用于分析系统,并且基于不同的粒度进行安全态势预警.(1)安全事件聚合.采用聚类分析模型,将数据分析后的IDS、防火墙等网络设备产生的大量重复或相似的安全事件进行智能聚合,并设计不同条件进行归并,从而将大量重复的无用信息剔除,找到安全事件发生的本质原因.(2)安全事件关联.系统将安全事件基于多个要素进行关联,包括将同源事件、异源事件、多对象信息进行关联,从而在多源数据中提取出一系列相关安全事件序列,通过该安全事件序列,对事件轮廓进行详细刻画,充分了解攻击者的攻击手段和攻击步骤,从而为攻击防范提供知识准备[17].2．2．5安全可视化安全可视化是一项综合展现技术,其核心是为用户提供工控系统安全事件审计全局视图,进行安全状态追踪、监控和反馈,为决策者提供准确、有效的参考信息,并在一定程度上减小制定决策所花费的时间和精力,尽可能减少人为失误,提高整体管理效率.安全可视化包括报表、历史分析、实时监控、安全事件、安全模型5大类.其中,历史分析包括时序分析、关联图、交互分析和取证分析.实时监控重点通过仪表盘来表现.
3安全事件评估
通过以上安全应用分析,能够对安全事件形成从点到面、多视角的分析结果,对安全事件带来的影响进行分级,包括高危级、危险级、中级、低级4个级别,使网络管理者更好地将精力集中于解决对网络安全影响较大的问题.
4安全态势预警
为对网络安全态势进行全面评估,建立如图3所示的全方位多层次异角度的安全态势评估基本框架,分别进行更为细粒度的网络安全态势评估,评估内容如下:(1)基于专题层次的网络态势评估.评估各具体因素,这些具体因素都会不同程度影响工业控制系统安全,根据威胁内容分为资产评估、威胁评估、脆弱性评估和安全事件评估4个模块,每个模块根据评估范围分为3种不同粒度.威胁评估包含了单个威胁评估、某一类威胁评估和整个网络威胁状况评估3种不同粒度的安全分析.(2)基于要素层次的网络态势评估.全方位对安全要素程度进行评估,体现网络各安全要素重要程度,包括保密性评估、完整性评估以及可用性评估.(3)基于整体层次的网络态势评估.综合评估工业控制系统安全状况,对不同层次采用不同方法进行评估.采用基于隐Markov模型、Markov博弈模型和基于指数对数分析的评估技术,对安全态势的3个安全要素进行评估,评估所有与态势值相关的内容;基于指数对数分析评估技术,实现由单体安全态势得到整体安全态势,具体参数根据不同目的和网络环境进行设置.
5工业控制系统审计方案部署
本项目要符合电力、石化行业工业控制系统特点,提供高可用、可扩展和高性能解决方案.系统包含数据采集器、数据存储服务器、安全审计分析服务器等核心组件,如图4、图5所示.(1)数据采集器是工业控制系统的末梢单元,是审计系统与工业控制各种设备、终端的信息接口.数据采集器数量依据工控终端规模进行分布式动态扩展.特定工控采集环境下,硬件数据采集器辅助探针软件协同工作.(2)数据存储服务器用以存储采集和分析计算处理后的海量数据.数据存储服务器以弹性扩展集群方式组成海量数据存储平台.(3)安全审计分析服务器负责数据处理、安全事件分析、漏洞挖掘等高性能安全计算和结果展示,是审计系统的计算中心.
6结语
【关键词】攻击图 工业控制网络 安全隐患 实现
工业控制系统影响着各行各业的生产运行，被广泛的应用于水利系统、电力系统、化工生产系统、制造行业和大型的制造企业的自动化控制领域中，在实际的使用过程中，主要是依靠工业控制系统来实现自动化运转，在各个领域中占据重要位置。工业控制系统与办公管理系统实现了一体化集成，为数据交流提供了便利，通过与办公网络互联，共同组成了工业控制系统网络。本文对攻击图的工业控制网络的安全隐患进行分析。
1 基于攻击图的工业控制网络整体系统结构设计
1.1 整体系统结构设计
在对攻击图的工业控制网络安全隐患进行分析时，需要充分开发工控系统攻击图隐患分析工具，主要包括原子攻击规则生成模块、工控系统主机连接信息采集模块和工控系统图生成模块等。该项工具在使用过程中主要是运用人工手动输入来实现，通过对各模块进行分析，进而得出清晰直观的主机攻击图。攻击图生成模块需要输入相关的攻击图脚本，对攻击图模块进行可视化展示，确保展示效果具有清晰直观性特点。工控系统攻击图分析工具系统中主要包括工控系统隐患分析、原子攻击规则生成、工控系统攻击图生成、攻击图可视化展示等方面的模块。在运用工控系统攻击图对安全隐患进行分析时，主要分为挖掘系统漏洞，（挖掘系统漏洞包括缓冲区溢出、程序不按计划运行、插入恶意代码）、系统配置扫描、仿真平台配置输入、攻击图隐患分析、安全分析与加固建议和系统隐患消除六个流程状况，在实际的运用过程中存在密切的逻辑关系。
1.2 基于层的攻击图生成模块设计
为了给人们展示出直观清晰的网络拓扑生成模块，将其分成不同的区域，对网络的网络模块进行简化，增加绘制网络区域的功能。该种做法能够给用户提供清晰和直观的网络拓扑管理，为基于层的攻击图提供信息配置功能，为了方便人们的使用，在用户界面设置了网络区域功能按钮，对不同的网络区域使用不同的颜色进行填充，并用不同的区域名称进行标记。如果设备从一个区域转移到另外一个区域时，设备的区域属性也会随之发生相应的改变。
基于层的攻击图生成模块主要设计方法为，攻击图的正向生成算法主要是由攻击源发起的，主要用于分析已知攻击源所在的位置，明确哪些主机会对攻击源的正常工作造成威胁，能够实现对网络设备的保护。基于层的攻击图生成算法在实际的使用过程中主要是利用工控网络的层次结构来实现的，需要对复杂的工控网络进行按层计算，进而生成攻击图网络。
攻击图网络图的生成主要以MulVAL为工具，MulVAL是“多主机、多阶段漏洞分析”，是堪萨斯州大学的一个开源项目，主要是运用逻辑编程语言Datalog来描述网络元素和安全联动情况，MulVAL的分析工具输入主要包括主机配置、漏洞通告、网络配置等，输出为PDF或TXT格式描述的攻击图。但是该攻击图的节点不是主机，节点的类型主要包括：棱形的权限节点、圆形的攻击步骤节点和矩形的配置信息节点。MulVAL作为命令行工具，能够实现对漏洞库文件的优化配置，转换OVAL/Nessus漏洞报告，生成攻击图。MulVAL工具生成的攻击图例子如图1所示。
1.3 网络状态采集模块设计
网络状态采集模块主要是对攻击图生成算法进行服务的模块，在使用前需要明确网络系统的信息状态，按照合理的方法对网络拓扑进行有效连接，对网络层次信息进行合理划分，明确网络拓扑设备上存在的漏洞信息，例如，设计网络状态信息输入格式文件，设计网络层次划分方式，网络设备基本信息输入方式和网络威胁信息输入方式等。明确攻击主机的所在位置，对网络状态信息采集模块进行合理设计。首先，在对网络连接输入方式进行设计时，主要的连接信息包括服务器、交换机、防火墙、PC机、集线器和现场设备等。需要明确设备间链路的具体连接情况，结合实际的网络拓扑需要自行选择网络设备，在已有模块的基础上对工业控制网络拓扑图进行合理设计，确保路由器和防火墙配置的合理性。其次，在对网络的层次进行划分时，需要采用矩形框来对网络拓扑进行分层，通过双击矩形对话框，对话框中的设备进行合理配置。最后，对网络设备的信息进行配置时，需要明确设备操作系统的版本、设备上的具体服务信息和设备在运行过程中可能产生的漏洞信息，防止漏洞程序和作用对漏洞造成的威胁。
2 工业控制系统安全隐患分析系统的实现
2.1 攻击图生成算法的实现
为了实现对工业控制系统安全隐患的分析，主要找到IT工控网层中的可攻击到的所有主机，由列表头对主机发起攻击，列表尾可以攻击到最后的主机。在对节点进行计算时，需要防止攻击路径出现重复性，对所有攻击路径列表中的节点进行删除，防止出现无效攻击路径。在办公层生成时，需要办公层节点分为办公层与IT层的边界主机、办公层内主机和办公层与工控层边界主机三种。
2.2 网络状态采集模块的实现
2.2.1 网络连接信息配置技术的实现
集线器、交换机和路由都是网络拓扑设备中的重要连接信息，需要将信息格式保存为：hacl，将src作为源节点，dst作为目标节点，port作为数据使用的传输端口，Apply是保存配置信息，OK是关闭对话框。
2.2.2 主机信息配置技术的实现
在攻击图工业控制网络中，主要包括主机、服务器和PLC等设备，需要严格按照设备配置方法在配置界面上进行配置，对主机上存在的漏洞信息进行优化配置。合理选择主机服务类型，确保信息配置的合理性和正确性。“开放服务”栏目在表格中的信息内容是不可修改的，在运用删除按钮进行信息删除时，首先需要先选中所要删除的内容，点击“服务名称”的前一列数字符号进行删除。需要对出现的网络漏洞信息进行优化配置，需要配置的信息主要包括漏洞所在的程序、漏洞ID、漏洞作用范围和漏洞威胁程度等方面的内容。
2.2.3 攻击源信息配置技术的实现
在对攻击源信息进行配置时，需要选择网络中的所有设备，明确网络拓扑的所有设备节点，点击“》”按钮，将左侧列表中选择好的设备添加到右侧列表中，再次点击“》”能够撤消右侧的选择，点击“重置”按钮，能够清除已选择的信息，点击“apply”是保存信息。需要将树形结构按照设备种类进行分类，明确树枝设备的名称。可以对攻击源进行添加删除重置。添加攻击源功能主要包括按照设备的hostname进行准确添加，支持ctrl多选，但不支持树枝选择。删除功能包括电机攻击源设备属性列表的树头，需要删除树头下的设备节点，支持多选删除节点。重置功能主要是指需要清空所选攻击源信息，对攻击源信息是否为空进行检查，如果不是空，需要询问是否确认清空攻击源配置信息。
2.2.4 攻击目标配置技术的实现
攻击目标配置技术主要是由攻击信息和攻击类型组成的，需要运用攻击目标表格对配置好的信息进行展示，不可对信息进行修改，结合实际的使用需要，对攻击类型进行合理设置，合理选择配置信息选项，待配置信息选择好后，选择增加按钮将攻击信息添加到攻击目标表格中来。需要将设备id作为网络设备的唯一标记，能够实现对perlog文件设备的识别，为了方便用户使用，需要将设备名称标记在攻击目标的信息配置界面进行展示，将模块中的设备名称转化为设备id，之后在进行信息的保存和配置。
3 结论
本文主要是基于攻击图工业控制网络安全隐患进行分析，由于攻击图系统具有复杂性和庞大性，不适宜在大型的工业控制网络中应用。本文对基于攻击图的工业控制网络整体系统结构设计进行分析，主要分析整体系统结构设计、攻击图生成模块设计和网络状态采集模块设计三方面的内容。可知攻击图对控制网络安全隐患具有重要作用，在对工业控制系统安全隐患分析系统的实现进行分析时，主要是对层的攻击图生成算法实现和网络状态采集模块实现两方面的内容进行分析，明确了攻击图工业控制网络安全隐患的实现过程和实现方法，通过增加防火墙，强化了对工业控制网络安全隐患的分析力度。
参考文献
[1]高梦州，冯冬芹，凌从礼，褚健.基于攻击图的工业控制系统脆弱性分析[J].浙江大学学报（工学版），2014（12）：2123-2131.
[2]徐娟，许静，唐刚.工业控制系统网络安全隐患分析方法研究[J].电子科学技术，2015（06）：679-684.
【关键词】 光纤通信 工业控制 优势 应用细节
前言：现代工业主张凭借信息技术作为先导条件，主要是因为信息技术发展速率飞快，且对于人们日常生活和生产水平提升有着较强的推动功效。但是目前我国互联网整体运行速率和外国相比着实不够可观，并且涵盖的信息量十分有限，为了一改该类消极局势，光纤通信技术得以顺利衍生。所以说，尽快理清光纤通信技术在工业控制中的应用细节，存在一定的现实意义，应该引起相关工作人员重视。
一、光纤通信技术内涵
所谓光纤通信技术，即凭借光作为信息载体，光纤作为信息传输模式。光纤可以顺势细化为内芯和包层两类结构单元：其中内芯通常维持在几十微米以内，细过一根头发；至于外包层的存在意义，便是针对光纤加以保护。光纤通信系统通常会聚集许多光纤材质进行光缆制备，其间因为光纤制作的主流原材料是作为电气绝缘体的玻璃，因此设计人员完全可以不用过度关心接地问题；而光波在光纤内部传播，也不会引发严重的信息泄露现象；最为主要的，就是光纤很细且能够很好地解决以往实施空间的问题。
二、光纤通信技术的优势条件
1、频带较宽且通信容量大。结合铜线和电缆加以对比校验，光纤传输宽带要大出许多。而对于单波长光纤通信系统来讲，因为中端设备的影响，使得大宽带优势效应很难予以理想型发挥。所以说，需要有关工作人员主动开展技术创新活动，目的是进一步扩充传输的容量，而当期能够最高效处理这部分挑战困境的莫过于密集波分复用技术莫属。
2、损耗程度不高同时中继距离较长。现阶段损耗程度最低的传输介质便是商品石英光纤，如若日后光纤通信技术考虑沿用这类原材料，相信势必能够全面缩减系统创建和运行维护消耗的成本数量，最终为相关企业赢取合理数量的经济和社会效益。
3、抗电磁干扰能力较为理想。须知石英本身保留较为可靠的抗腐蚀、绝缘，以及抗电磁干扰等性能条件，能够很好地克制过往通信技术中的外部环境和人文架设电缆干扰效应。这类优势条件对于在工业控制领域中的应用的光纤通信技术来讲，十分有利。
4、保密性能妥善。传统通信技术下，电磁波传播泄露几率十分高且保密性较差。而经过光纤通信技术推广沿用之后，则可以有效地克制串扰的状况，进一步彰显出较强的保密特性。
三、光纤通信技术在我国工业控制中的应用细节
如今我国光纤通信技术已经朝着智能化发展方向持续过渡扭转，就是说相关运营主体能够更为自由灵活地控制光传输。而将这类技术要素贯穿融入到工业控制流程之中，明显能够表现出愈加可观的适应性。现阶段沿用光纤通信技术的行业，通常都是有着较高自动化生产需求的，包括汽车工业、机器和物料运输等自动化工厂。至于光纤通信技术想要在工业控制领域之中全方位推广沿用，就必须注意经历以下繁琐的处理流程：首先，在工厂内部安装即插即用的光纤通信系统，实际上就是将传统工作环境下的熔纤设备进行光缆替换之余，合理减少光缆接头盒研磨上的成本投入盗俊⑹实奔涌旃庀朔种У愫团湎吖饫轮间的连接速率、有机缩减布线系统的规划布置时间等。而为了确保今后光纤通信技术在工业控制中发挥出可靠的风险规避功效，就必须考虑预先全面性测验认证各类部件性能、消除现场端接和中间跨度光缆之间引发的网络故障问题。其次，调查认证不同工业环境恶劣状况，结合丰富实践经验开发设计出更高效的光纤连接器，即要求在贯彻落实防尘、防水指标的前提下，强化系统传输的可靠和坚固性。尤其是在工业环境配线中心，要确保现场沿用的光缆布线方案，能够更加理想地适应实际生产和工业应用环境需求，如令EDC系列产品能够在户外存放，并且合理发挥光纤接合的保护功能。至于箱体则需要沿用较为特殊的原材料，要求在维持优质化的化学和温度特性基础上，同步满足NEMA 4X或IEC IP66级别，长此以往，能够令工业控制中的光纤通信系统，很好地克制以往严重的气体、雨雪、灰尘等侵蚀效应。
结语：尽管说当前我国光纤通信技术存在较大的容量，不过同步状况下也存在许多闲置的应用，特别是在我国社会经济和科学技术全面革新发展背景下，有关工业信息需求量持续加大，严重情况下会直接超出既有的网络承载能力。所以有关技术人员必须竭尽全力研发出更为高端合理的光纤传输技术，争取为日后工业信息协调化监管和控制，奠定基础。
参 考 文 献
[1]胡健.聚合物光纤收发模块及其在工控领域应用研究[D].中国科学技术大学，2012.
[2]翁轩.高速光纤通信系统中信号损伤缓解与补偿技术的研究[D].北京邮电大学，2013.
【关键词】变频调速技术；发展；工业控制；应用
前言
作为一项实际应用要求较高的技术方法，变频调速技术的特殊性不言而喻。该项课题的研究，将会更好地提升对变频调速技术的分析与掌控力度，从而通过合理化的措施与途径，进一步优化工业控制的最终整体效果。
一、变频调速技术概述
（一）变频调速技术的发展历史
变频调速技术从理论到使用推广经历了40年的时间，在这期间，电子器件的发展促进了这一过程的实现。在20世纪70年代，发达国家为了缓解石油危机，投入大量的人力、物力和财力去研究更加高效的变频器，使变频调速技术得到进一步推广。到今天，依托于电子计算技术和微电子技术的变频调速技术以优越的性能被各行各业所采用，实现了电气自动化控制领域的节能减排，提高了生产效率。
（二）变频调速技术基本原理及组成
变频调速技术的基本原理为利用电机转速与工作电源输入频率成正比的关系n=60f（1-s）/p，其中n为转速，s为电机转差率，f为输入频率，p为电机磁极对数，改变电动机的工作频率从而达到控制电机转速的目的。
变频调速技术的关键部件主要有3部分：自适应电动机模型单元、脉冲优化选择器、转矩和磁通比较器。（1）自适应电动机模式单元主要的功能是检测输入电动机的电压、电流的性质，从而识别电动机的参数，它是直接转矩控制的关键单元，以定子磁场定向方式帮助实现对转矩的直接控制，该技术能够实现正负0.1%的速度控制精度。（2）脉冲优化选择器的主要功能是优化选择在一定范围内的脉冲信号，功能的实现首先需要选择合适的信息处理选择芯片，当前在电气自动化控制行业中常用的型号为CycloneⅡEP2C5Q209C8；其次需要设计调制方式的信号源并编写能够实现不同功能的电路模块，例如能够实现星座映射、缓冲功能的模块；最后，通过信号源进行仿真模拟判断编写的电路模块是否能够实现既定的功能。影响脉冲优化选择器性能的重要因素是电解电容器的容量具有很大的离散型，导致部件承受的电压出现偏差，为此需要对电容进行改进，可以在电容器旁并联一个与电容器阻值相同的电阻，同时为了防止电路被烧毁，还可以增加抑制浪涌电流的措施。（3）转矩和磁通比较器的主要功能为每隔20s将反馈值与参考值进行比较，而后通过滞环{节器输出转矩或磁场状态，为工作人员后续的工作提供参考。
（三）变频器的特征
变频器是变速调控技术的核心，变频器具有如下特点：利用变频技术将电源转化为不同频率的交流电源，可对发电厂热工控制系统的给水泵、送风机等系统进行调节。变频器分为高压变频器和低压变频器。其中低压变频输出电压为380～650V、工作频率为0～400Hz，输出功率为0.75～400kW。其主电路由整流和逆变构成，该变频器采取拓扑结构使得其技术稳定；硬度大、成本支出低。同时可以满足一般传动在平滑调速方面的需求，由于低压变频与高压变频相比，采用的力矩较低，应用较为广泛。
二、变频调速技术工业自动化控制中的应用
（一）应用案例。本文选择是该技术在数控机床中的应用案例，在这个案例中应用该技术的主要目的就是为了完成节能改造，因为数控机床传统的技术需要耗费很多的电能，无论是对企业，还是数控机床自身都是一种损失，为了减少这种损失，提高企业的整体经济效益，数控机床人员经常使用的方式是工频运行，虽然这种方式有一定效果，但是其劣势也比较明显，比如齿轮主轴速度可供选择的范围过大，这样就不能对其进行精细控制，特别是恒线速度，再加之，在使用该技术的过程中，也不能完全保证机械从始至终都能够安全稳定的运行，因此要时时对机械设备进行维修，尤其是离合器；另外虽然使用的主轴属于直流型，这种类型的注重最大的优势就是可以进行无级调速，但是却为后期维护工作带来了问题，而且在运行的过程中，主轴的最高转速，根本不能达到，所以其总体效果并不好。因此相关人员决定使用变频调速技术，希望能够取得预期的效果，达到降低电能损耗的目标，进而减少企业成本支出。决定使用该技术之后，数控机床人员经过商讨确定了使用方案。
（二）应用效果。使用该技术不仅避免了使用工频技术的劣势，还提高了机械工作的速度，另外机械消耗的能源也有明显的下降，减少了企业成本的支出，其使用效果非常好。变频调速技术主要针对数控机床的结构、功能等多方面，所以效果比较好。因为使用该技术，数控机床自身的结构得到了优化，所以能够节省大量的金属材料，再加之，使用该技术之后，机械操作与原来相比比较简单，这就降低了机械损耗的程度，也减少了机械维修的次数；而且使用该技术之后，数控机床控制范围有所扩展，无论是控制精度，还是控制效率都得到了有效的提高，最关键的是，该技术的使用提高了数控机床加工质量，其生产效率与传统的方法相比，有所提高，这对企业，甚至是整个数控机床行业来说，都有积极的意义。
三、变频调速技术的发展趋势
（一）开关器件方面
就目前的开关器件发展来看，智能化变频器将会是未来的发展潮流，实现功率变化、检测、控制、保护等等功能的全自动化，达到高效节能的目的。让具有更多功能，具有更高特性的开关器件进入我国的电力市场。
（二）变频控制电路方面
目前，我国的高压变频调速装置基本上已经实现了数字化和自动化的全方位控制，但是，在变频调速设备的数字化和自动化方面还有很大的提升空间，我们要不断的将新的先进的科学技术运用其中，用于尝试，实现变频电路的更高效的控制。
（三）矢量控制技术方面
矢量控制技术仍然会是目前和以后很长一段时间内高性能电机的主要控制技术，它包含有多种重要的科学技术，如：PWM技术，参数识别技术、磁通观测技术等等，这些高效的控制技术能够提高开关的频率，改变电压波形。我们需要实现更有效的控制，就必须长期的对矢量控制技术进行研究。
四、结束语
综上所述，加强对变频调速技术及其在工业控制中应用的研究分析，对于其良好实践效果的取得有着十分重要的意义，因此在今后的工业控制实践中，应该加强对变频调速技术的重视程度，并注重其具体应用实施策略的科学性。
参考文献：
[1] 朱娟娟.刍议工业电气自动化控制中变频调速技术的应用[J].企业技术开发.2015（12）：60-62.
[2] 罗春芳.变频调速技术及其在制药工业电气自动化控制中的应用[J].企业技术开发.2015（02）：115-116.
关键词 工业控制计算机；多任务分时操作系统；工业控制
中图分类号 TP39 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2013）104-0222-02
可编程序控制器一直在工业控制领域占有主导地位，但是虽着工业水平的发展，对PLC的运算速度存储容量提出了更高的要求，且PLC的人机接口功能不完善，接口电路比较简单使得工业控制方面出现了瓶颈在一定程度上阻碍了工业在自动化控制领域的发展，因此一种比PLC功能和运算速度更强大的专为大型控制系统设计的工业控制计算机的 （ IPC）产生。
1 工业控制计算机（IPC）
工控机是在个人计算机的基础上发展起来的，采用总线式结构，硬件的兼容性较强。IPC有各种各样的输人/输出板卡供用户选用，有很强的高速浮点数运算、图像处理、通信和人机交互等功能，容易实现管理控制网络集成化。
1.1工业控制计算机（IPC）的技术特点。
1）可靠性高，抗干扰能力强 在工业控制系统中，大量的开关动作是由组态程序控制激活板卡相对应的控制通道输出控制相对应的信道设备，从而大大降低了传统控制中的故障率 I/O 接口电路采用光电隔离措施使各单元利用屏蔽措施以防止干扰；对信息进行自诊断利用校验位来实现所采集的数据准确无误。利用工业总线协议加强系统的可靠性和准确性；
2）强大的接口电路 对于各种现场信号流如电流量或电压量、数字量，电位量；输入输出接口单元与工业现场各种开关及传感器及隔离单元直接连接。为了提高工业控制及信息共享可通过各种通信协议平台及交换机设备获取多种数据从而实现工业控制系统的一体化及集中处理集中控制减少系统的接点增强了系统的集中控制能力；
3）强大的兼容性，工业计算机最基本的特性就是他的兼容性很强，随着现代工业自动化的发展，在生产控制中PLC及工控机种类繁多各种接口电路使得系统结构复杂。这就要求我们整个控制系统具有强大的兼容性和协议共享性。然而我们可以选择多种控制板卡都是可以与之相兼容的使现实生产控制得到了扩大，使其控制的设备及系统功能更加完善。然而我们选用工业计算机来控制生产满足了多种设备联网生产；
4）在通信方面， 现代工业计算机具有多协议多网络支持平台，可通过工业总线实现与各种生产设备进行联网控制，例如现在工业中常用的CAN总线、interbus总线以及光纤通讯等。网络兼容性较好，可与其他生产厂家的各种通信板卡及设备接口电路匹配。使工业控制计算机的功能大加强，能够完善的兼容控制与管理生产现场。
2 IPC 与PLC在煤矿皮带机控制应用中的比较
皮带机运输集控系统是针对矿用煤流运输系统设计的综合监控系统。实现了皮带机打滑、超温、洒水、堆煤、急停、跑偏、撕裂、烟雾等基本保护。同时配有总线型和以太网接口，接入工业以太网，实现远程控制。
工业控制计算机在皮带机控制中的特性
1）工业计算机控制皮带运输具有实时性好，稳定性高，故障率低。在皮带运输控制中工业计算机通过与下位机进行同一平网，对皮带的启动停止，各种传感器的在线监测进行分散采集，集中控制使皮带运输可靠性高，大大提高了井下的运输能力从而提高了生产效率。在皮带的运行保护方面实现了皮带机的启动打滑监测调整电机的运行特性加大转矩降低启动转速；实时采集处理超温、洒水、堆煤、急停、跑偏、撕裂、烟雾等传感器的信息，响应速度快定位准确。计算机系统将全面在线监测所有的电机驱动单元及各类传感器系统，将皮带的运行情况通过网络先传于工作面的集中控制台，控制台将会显示每台电机的运行电流及电压是否正常，及传感器所反馈的各种数据信息；
2） 随着皮带运输自动化技术的广泛应用，各大矿业集团井下生产运输及地面运输装车系统均采用，工业计算机控制的皮带运输监控系统。此系统从井下工作面到主运大巷到地面所有驱动单元及采集系统通过地面调度室的主控制工业计算机来完成启动与停止。地面装车系统也是通过工业计算机来控制给煤皮带运输机及装煤系统来完成装煤的，地面装车系统通过皮带控制器来监测皮带运输情况如，跑偏、堆煤、撕裂、烟雾等。通过开关量，电流量、电压量及超声波传感器来辨认火车车箱的型号级高度和车辆运行状态。从而给主控制机提供数据将信息显示都装车控制室的显示器上供工作人员参考。根据车皮型号计算机会计算出此车的装煤量，通过控制给煤机将煤量给入装车漏斗缓冲区。来实现装车的全过程，实现了煤矿井下生产运输及地面装车为一体的现代工业计算机控制系统，使煤矿企业生产自动化系统高度集中。
3结论
工业计算机的发展促使现代工业自动化的高度集中与控制，使我国的煤炭及相关应用领域从生产规模，生产效率大大提高。本文主要从工业计算机的特性与在工业自动化皮带生产运输中的应用。
参考文献
[1]张烜，段炎杰.基于工业以太网的带式输送机集控系统研究与设计[J].煤矿机电， 2013（1）.
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关键词：光纤；传输系统；工业控制
1 光纤概述
上世界六十年代，美国科学家发明世界第一台激光器，光纤第一次进入通信领域，随后对光纤进行不断的研究，进入了飞速发展阶段，主要优点包括：损耗低，指相对于电缆，同比程度下损耗比电缆小1亿倍，损耗率极小；频率宽，指在光谱上，光的频率覆盖面极广，比VHF频段高出一百多万倍；重量轻，指相对于其他传输介质，更小的体积可以传输更大的信息量；抗干扰能力强，指传光不导电，不受电磁场的影响，保密性能高；保真度高以及成本不断下降。
光纤，全名光导纤维，是一种传输光能的波导介质。裸纤由以下3个部分组成：玻璃芯（50-62.5μm，位于最里层）、硅玻璃包层（125μm，位于中间层）、树脂涂层（最外层）。按照光纤的功能、用途等可以划分很多种类。本文主要按照传输模式对光纤进行分类：单模光纤（含偏振。随着光纤的需求量越来越大及光纤理论体系的不断完备，根据光纤不同性能分为保持光纤、非偏振保持光纤）、多模光纤。
2 光纤传输网络的架构
简单的光传输网络包括光源、光检测器以及光纤。其中光源一般指二极管（LED或LD），传输的原理及路径为：电信号光信号光纤传输光信号电信号。光纤传输网络有自身的很多优点：不产生电磁也不受电磁干扰影响，保证了周围电气设备的安全，也使自身传输介质的功能不受其他电气设备的影响；适合于数据传送。但是光纤的分节较为困难，损耗较大，在实际应用中使用的拓扑网络是解决这一问题的措施之一。
3 光纤信号传输系统应用于工业控制中的解决方案
在工业控制中一般要传输的是模拟信号，因此设计最基本的3种传输方案进行对比分析：第一种是通过光端机直接传输模拟信号；第二种是采用电信号光信号光纤传输光信号电信号的原理进行传送；第三种是在通过光隔离器来进行传输信号。
3.1 方案一
以5公里左右的传输距离作为本次设计的传输距离，通过光端机直接传输模拟信号传输的频率定为1MHz，通过分析发现，这个频率值可以通过光端机来进行传输，费用计算如下表：
通过上表可知，采用第一种解决方案总费用约6000元。通过光端机直接传输模拟信号的优点是网络构建较为简单，成本低。同时，这种传输方式有着自身难以克服的缺点：传输的质量受温度的影响很大，在进行多种信号传输的时候，发生相互干扰，影响传输效率，还有不稳定现象发生，这种解决方法较适用于信号较少，温度变化不大地区使用。
3.2 方案二
第二种方案采用电信号光信号光纤传输光信号电信号的原理进行传送，不再用模拟信号传输，传输方式是将模拟信号转换成数字信号传输。
使用的传输设备主要为数字光端机，其他的传输设备与第一种方案相同。传输网络系统的架构与第一种方式相同，第二种方案能有效克服第一种方案传输信号相互干扰的弊端，可以同时传输4路以上的信号，性能良好的传输设备，可以同时传输几百路信号。第二种方案与第一种方案从性能来看要明显更高，传输保真度高，同时进行多路传输，环境温度影响小，传输稳定的脖颈，从价格来看，第二种方案还需要增加逆流转换器、AD转换器等模块，增加了实际安装的工作量，成本比第一种方案高20%左右。
3.3 方案三
第三种方案与第二种方案的传输原理相同，都是不再使用模拟信号传输，传输方式是将模拟信号转换成数字信号传输。第二种和第三种方案的不同在于第三种方案采用光电隔离器来代替原有的数字光端机。光电隔离器传输原理是以光为媒介传输，对输入、输出信号有很好的隔离作用，同时具备受外界环境干扰度小、性能稳定、使用寿命长、无触点、保真度高等优点，是目前工业控制信号传输中应用最广泛的光电设备之一。
信号传输网路与第二种方案类似，需要增加逆流转换器、AD转换器等模块，同时还需要根据实际传输情况，合理设计电路，包括转换与逆转换的全过程，加大了工作量。从工作原理看，第三种方案输出信号不会影响输入端，设计原理上更容易和逻辑电路配合使用，实用性能提高，输入输出端的相应时间缩短，一般只需要微秒甚至毫微秒。
第三种方案从成本来看，增加的光电隔离器需要2对，成本约800元左右，其他的设备如6芯多模光纤、逆流转换器、AD转换器等价格参考第一种方案，要增加转换电路的设计及安装，费用则根据实际情况而定。总体而言，第三种方案工作量及成本增加，性能最优。
以上三种方案，通过从性能、工作量及成本分析可以看出，各有优缺点，选用时要根据实际情况而定。可以通过以下原则进行选取：传输信号种类不超过4种，环境影响度不大，对传输信号的要求不高时，优先选择第一种方案，因为成本较低，设计简单，产品成熟，操作不复杂，易于掌握；如果传输信号路数多，对信号保真度要求高，环境影响很大时，优先选择第二种方案，适合多路传输，保证传输性能的同时能够有效节省成本；如果只是单向传输，环境影响较大，对信号保真度要求高，优先选择第三种方案，传输性能较好，并能有效降低成本。
