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Sinea百科

一、 EtherCAT 相关协议与核心组件(EtherCAT Protocols & Core Components)

1. DC (Distributed Clocks) - 分布式时钟

EtherCAT 总线的核心同步技术,通过主站下发基准时钟、从站动态校准的方式,实现各节点纳秒级时间同步。关键属性为 “分布式校准 + 高精度同步”,可消除节点间时间偏差,是运动控制、多轴协同等对同步性要求极高的工业场景的核心支撑。

2. EAP (EtherCAT Automation Protocol) - 自动化协议

EtherCAT 标准中的核心自动化通信协议,定义了主从站间数据交互的规则与帧格式。支持周期性实时数据传输与非周期性控制指令交互,兼容工业自动化常用功能块,是实现设备协同控制的基础协议。

3. EoE (Ethernet over EtherCAT) - 以太网隧道通信

基于 EtherCAT 总线实现以太网数据传输的隧道协议,通过封装以太网帧为 EtherCAT 数据格式,在工业实时总线中传输 TCP/IP 数据。核心价值是 “实时性与通用性兼顾”,可在不影响控制数据传输的前提下,实现远程调试、网络配置等以太网功能。

4. CoE (CANopen over EtherCAT) - CANopen 应用协议

将 CANopen 协议适配于 EtherCAT 总线的应用层协议,复用 CANopen 的对象字典、PDO/SDO 通信机制。无需修改原有 CANopen 设备的应用逻辑即可接入 EtherCAT 网络,降低设备升级与系统集成成本,广泛应用于电机控制、传感器等设备。

5. FoE (File access over EtherCAT) - 文件传输协议

EtherCAT 总线中用于非实时文件传输的协议,支持从站固件升级、配置文件下载 / 上传等功能。采用分段传输机制,可在工业现场实现设备维护与参数更新,无需拆卸设备或中断生产流程。

6. SoE (Servo drive profile over EtherCAT) - 伺服驱动配置文件

针对伺服驱动器定制的 EtherCAT 应用层协议,定义了伺服控制的核心参数(如位置、速度、扭矩指令)与状态反馈格式。支持高精度运动控制指令传输,是数控机床、机器人等伺服系统的标准配置协议。

7. VoE (Vendor-specific over EtherCAT) - 厂商自定义协议

EtherCAT 预留的厂商扩展协议,允许设备厂商基于自身需求定义私有数据格式与通信规则。核心价值是 “灵活性”,可满足特殊设备(如定制化传感器、专用控制器)的功能扩展需求,同时兼容 EtherCAT 底层通信机制。

8. FSoE (Safety over EtherCAT) - 故障安全协议

EtherCAT 总线的功能安全扩展协议,符合 IEC 61508 安全标准,支持安全相关数据(如急停信号、安全扭矩切断指令)的实时传输。采用双路冗余通信与故障检测机制,确保危险工况下设备快速响应,适用于 SIL 2/3 等级的工业安全场景。

9. PDO (Process Data Object) - 过程数据对象

EtherCAT 中用于周期性、高优先级实时数据传输的对象,主要承载设备控制指令(如电机转速)、状态反馈(如传感器数据)等。特点是传输延迟低、数据长度固定,可满足工业控制中高频次数据交互需求。

10. SDO (Service Data Object) - 服务数据对象

EtherCAT 中用于非周期性、低优先级数据传输的对象,主要用于设备参数配置、故障诊断、对象字典访问等。支持变长数据传输与确认机制,确保数据交互的可靠性,是设备调试与维护的核心通信载体。

11. Mailbox (信箱通信) - 非周期性数据交换机制

EtherCAT 主从站间非实时数据的传输通道,本质是基于 SDO 协议的封装机制,用于传输配置指令、故障信息、日志数据等。特点是 “异步传输 + 可靠性优先”,不占用实时控制带宽,保障系统实时性与功能性兼顾。

12. ESM (EtherCAT State Machine) - 状态机(Init, Pre-Op, Safe-Op, Op)

EtherCAT 设备的运行状态管理机制,定义了四种核心状态:初始化(Init)、预运行(Pre-Op)、安全运行(Safe-Op)、运行(Op),以及状态切换的条件与流程。通过状态机统一管理设备启动、配置、运行、停止全生命周期,确保系统稳定协同。

13. ESI (EtherCAT Slave Information) - 从站描述 XML 文件

EtherCAT 从站设备的标准化描述文件,包含设备型号、支持的协议(如 CoE/FSoE)、PDO/SDO 映射表、I/O 配置等信息。主站通过读取 ESI 文件自动识别设备能力,实现 “即插即用”,简化系统配置流程。

14. ENI (EtherCAT Network Information) - 网络配置 XML 文件

EtherCAT 系统的整体配置文件,记录了主从站拓扑结构、节点地址、PDO 通信周期、同步参数等关键配置。由配置软件生成,主站启动时加载以初始化网络,确保所有设备按预设规则通信,是系统部署的核心文件。

15. FMMU (Fieldbus Memory Management Unit) - 现场总线存储管理单元

EtherCAT 从站的核心硬件组件,负责将主站发送的全局地址映射为从站本地内存地址。支持数据分片、地址重定向功能,使主站可通过 “内存映射” 方式直接访问从站数据,大幅降低通信延迟,是 EtherCAT 实时性的关键硬件支撑。

16. Sync Manager (同步管理器)

EtherCAT 从站中管理数据传输的核心模块,负责接收主站同步信号、控制 PDO 数据的收发时序。支持多通道配置,可区分实时控制数据与非实时数据,确保高优先级数据优先传输,保障系统实时性。

17. SII (Slave Information Interface) - 从站信息接口 (EEPROM)

EtherCAT 从站中存储设备信息的硬件接口,通常关联 EEPROM 芯片,记录设备序列号、ESI 文件摘要、校准参数等静态信息。主站可通过 SII 快速读取设备基础信息,简化设备识别与配置流程。

18. Hot Connect (热连接) - 动态拓扑配置

EtherCAT 总线的动态扩展功能,支持在系统运行过程中(无需停机)添加、移除或替换从站设备。主站自动检测拓扑变化并更新配置,适用于生产线柔性调整、设备在线维护等场景,提升系统灵活性与可用性。

19. Slave Stack Code (从站协议栈代码)

实现 EtherCAT 从站通信功能的标准化软件代码库,包含底层驱动、协议解析、状态机管理、PDO/SDO 处理等模块。设备厂商可基于该代码库快速开发兼容 EtherCAT 标准的从站设备,降低研发成本与兼容性风险。

20. Master Stack (主站协议栈)

运行于 EtherCAT 主站设备(如 PLC、IPC)的协议软件,负责网络初始化、拓扑扫描、数据收发、同步控制、故障诊断等核心功能。提供标准化 API 接口,支持与上层控制软件(如运动控制库、SCADA)集成,是构建 EtherCAT 系统的核心软件组件。

二、 控制系统架构与硬件 (Control Systems & Hardware)

21. SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) - 监视控制与数据采集系统

面向工业生产过程的分布式监控系统,核心组成包括主站监控软件、远程终端单元(RTU)、传感器 / 执行器,以及通信网络。主要功能为实时采集现场数据、远程监控设备状态、下发控制指令、生成报表,适用于电力、水利、油气等大规模分布式生产场景。

22. RTU (Remote Terminal Unit) - 远程终端单元

SCADA 系统的远程数据采集与控制终端,具备工业级抗干扰能力,支持模拟量 / 数字量 I/O 接口,可采集传感器数据并执行主站下发的控制指令。通过 Modbus、OPC UA 等协议与主站通信,适用于恶劣环境下的远程监测与控制。

23. DCS (Distributed Control System) - 分布式控制系统

面向流程工业(如化工、冶金、电力)的模块化控制系统,采用 “分散控制、集中监视” 架构,由多个控制器(Controller)、I/O 模块、操作站、工程师站组成。每个控制器负责特定区域的控制任务,通过高速总线互联,兼具控制独立性与系统协同性,可靠性高、扩展性强。

24. PLC (Programmable Logic Controller) - 可编程逻辑控制器

工业自动化核心控制设备,采用可编程的存储器存储逻辑指令,通过数字量 / 模拟量 I/O 接口控制机械设备或生产过程。支持梯形图(LD)、结构化文本(ST)等工业编程语言,适用于离散制造(如汽车装配、机床加工)的逻辑控制、顺序控制与运动控制。

25. PAC (Programmable Automation Controller) - 可编程自动化控制器

融合 PLC 逻辑控制与工业 PC 数据处理能力的复合型控制器,具备实时控制、多协议通信、数据存储与分析功能。支持复杂算法(如 PID 调节、运动控制)与网络集成,适用于需要兼顾逻辑控制与数据处理的复杂工业场景(如智能生产线、机器人工作站)。

26. IPC (Industrial PC) - 工业个人计算机

针对工业环境设计的加固型计算机,具备抗电磁干扰、宽温工作、防尘防震等特点,核心硬件与普通 PC 兼容(CPU、内存、硬盘),但采用工业级主板与电源。可运行工业软件(如 SCADA、PLC 编程软件、运动控制库),适用于数据采集、监控、边缘计算等场景。

27. Embedded Controller - 嵌入式控制器

基于嵌入式处理器(如 ARM、MCU)的小型化控制器,体积小、功耗低、成本低,集成 I/O 接口与通信模块。支持实时操作系统(RTOS),适用于对体积和功耗有严格要求的场景(如小型设备控制、物联网终端)。

28. SoftPLC - 软 PLC

运行于工业 PC 或嵌入式设备的软件化 PLC 解决方案,通过软件模拟传统 PLC 的控制功能,无需专用硬件。支持 IEC 61131-3 标准编程语言,可灵活扩展功能(如添加运动控制、视觉处理模块),降低系统硬件成本,适用于柔性制造与定制化控制场景。

29. Remote I/O - 远程 I/O 模块

远离控制器部署的输入 / 输出模块,通过工业总线(如 EtherCAT、Profinet)与主控制器通信,扩展系统 I/O 点数。无需长距离布线传输模拟量 / 数字量信号,减少信号衰减与干扰,适用于大型生产线或设备分散布局的场景。

30. Bus Coupler - 总线耦合器

工业总线系统中的接口转换设备,用于连接不同类型的 I/O 模块或总线设备(如将远程 I/O 模块接入 EtherCAT 总线)。实现信号格式转换与总线协议适配,简化系统拓扑构建,提升设备兼容性。

31. Gateway (工业网关)

工业网络中的协议转换设备,用于连接不同通信协议的网络(如 EtherCAT 与 Modbus、OPC UA 与 MQTT)。实现数据格式与协议的双向转换,解决 IT 网络(如以太网)与 OT 网络(如工业总线)的融合问题,是 IIoT 系统的核心互联组件。

32. Backplane (背板总线)

工业控制器(如 PLC、DCS 控制器)内部的高速数据传输总线,用于连接 CPU 模块、I/O 模块、通信模块等。提供稳定的内部数据交互通道,确保模块间数据传输的实时性与可靠性,是控制器模块化设计的基础。

33. Chassis (机箱 / 机架)

工业控制设备的物理安装载体,用于固定 CPU 模块、I/O 模块、电源模块等,提供机械保护与散热功能。支持标准导轨安装或壁挂安装,符合工业现场安装规范,部分机箱集成背板总线接口,简化模块插拔与维护。

34. DIN-Rail (导轨安装)

工业设备的标准安装方式,采用 DIN 标准导轨(常用 35mm 规格),设备可直接卡扣式安装,无需打孔固定。适用于 PLC、I/O 模块、继电器等小型工业设备,安装便捷、布线规整,是工业控制柜内设备安装的主流方式。

35. HMI (Human Machine Interface) - 人机界面

工业控制系统中实现人与设备交互的硬件 / 软件组件,常见形式包括触摸屏、操作面板、上位机监控软件。核心功能为显示设备运行状态、参数配置、故障报警,以及接收人工操作指令(如启动 / 停止、参数修改),是操作人员与控制系统的桥梁。

36. Panel PC (面板型工业电脑)

集成触摸屏与工业 PC 功能的一体化设备,采用嵌入式设计,可直接安装在设备面板或控制柜上。兼具 HMI 的交互功能与工业 PC 的数据处理能力,适用于需要复杂数据显示与操作的场景(如生产线监控、设备调试)。

37. I/O Mapping (I/O 映射)

将工业控制器的物理 I/O 接口(如数字量输入端子、模拟量输出通道)与软件中的逻辑地址建立对应关系的过程。通过 I/O 映射,控制程序可通过逻辑地址访问物理 I/O 设备,简化编程流程,提升程序可读性与可维护性。

38. Digital Input/Output (DI/DO) - 数字量输入 / 输出

工业控制中的离散信号接口:DI 用于采集开关量信号(如传感器通断、按钮状态),DO 用于输出开关量指令(如控制继电器、指示灯)。信号格式为二进制(0/1),适用于简单的状态检测与开关控制。

39. Analog Input/Output (AI/AO) - 模拟量输入 / 输出

工业控制中的连续信号接口:AI 用于采集连续变化的物理量(如温度、压力、流量,转换为 4-20mA 电流信号或 0-10V 电压信号),AO 用于输出连续控制信号(如调节阀门开度、电机转速)。适用于需要精确调节的控制场景。

40. Watchdog Timer (看门狗计时器)

工业控制器中的硬件 / 软件保护机制,通过定时触发信号检测系统运行状态。若控制器程序卡死或故障导致无法按时复位看门狗,计时器将触发系统重启或安全停机,避免设备失控,提升系统可靠性。

三、 计算机化自动化与实时系统 (Computing & RTOS)

41. RTOS (Real-Time Operating System) - 强实时操作系统

专为满足实时性要求设计的操作系统,核心特征是 “任务响应时间可预测”,能在规定时间内完成特定任务(如控制指令处理、数据采集)。支持任务调度、中断管理、资源同步,适用于工业控制、机器人、航空航天等对响应时间有严格要求的场景。

42. Hypervisor (硬隔离虚拟化)

实现硬件资源虚拟化的底层软件,可将一台物理服务器划分为多个独立的虚拟机(VM),每个 VM 运行独立的操作系统。支持硬件资源的动态分配与隔离,确保不同 VM 间互不干扰,适用于工业场景中多系统协同运行(如控制软件与监控软件共用一台硬件)。

43. Virtual Machine (VM) - 虚拟机

通过 Hypervisor 虚拟化技术创建的虚拟计算机,具备独立的 CPU、内存、存储、网络接口,可运行完整的操作系统与应用程序。在工业自动化中,可实现一台物理硬件同时运行实时控制软件、数据采集软件、人机界面,降低硬件成本与空间占用。

44. Container (容器化技术 / Docker)

轻量级虚拟化技术,将应用程序及其依赖(如库文件、配置)封装为独立的容器,共享宿主操作系统内核,启动速度快、资源占用低。适用于工业软件的快速部署、版本管理与跨平台迁移,提升软件开发与维护效率。

45. Determinism (确定性)

工业实时系统的核心特性,指系统在接收输入后,能在可预测的固定时间内给出输出响应,无随机延迟。确定性直接影响控制精度(如运动控制的轨迹精度),是工业控制软件与硬件设计的核心目标之一。

46. Jitter (抖动)

实时系统中任务响应时间的波动范围,即实际响应时间与理论响应时间的偏差。抖动过大会导致控制指令执行不一致(如电机转速波动),需通过硬件优化(如高精度时钟)、软件调度算法(如优先级抢占)降低抖动。

47. Interrupt Latency (中断延迟)

从硬件触发中断请求到 CPU 开始执行中断服务程序的时间间隔。在工业控制中,中断用于处理紧急事件(如急停信号、传感器触发),中断延迟需控制在微秒级,否则会影响系统对紧急事件的响应速度。

48. Preempt-RT (实时内核补丁)

针对 Linux 内核的实时性增强补丁,通过优化任务调度、中断处理、锁机制,将通用 Linux 系统改造为具备硬实时能力的操作系统。无需更换操作系统即可实现工业级实时性,降低基于 Linux 的工业控制软件研发成本。

49. Hard Real-time vs Soft Real-time - 硬实时与软实时

  • 硬实时:任务响应时间有严格上限,超时会导致严重后果(如设备损坏、安全事故),适用于运动控制、安全控制等场景;
  • 软实时:任务响应时间无绝对严格要求,超时仅影响系统性能(如数据显示延迟),适用于监控、报表生成等场景。

50. Kernel Mode / User Mode - 内核态与用户态

操作系统的两种运行模式:
 
  • 内核态:拥有最高权限,可直接访问硬件资源(如 CPU、内存、I/O 接口),运行操作系统内核程序(如调度器、中断处理);
  • 用户态:权限受限,仅能访问用户空间内存,运行应用程序(如控制软件、HMI)。
     
    两种模式的隔离可防止应用程序误操作硬件,提升系统稳定性。

51. CPU Affinity (CPU 亲和性 / 绑核)

将进程或线程绑定到特定 CPU 核心运行的技术,避免进程在多核心 CPU 间频繁切换,减少缓存失效与调度延迟。在工业实时系统中,可将核心控制任务绑定到独立 CPU 核心,提升任务响应的确定性。

52. Shared Memory (共享内存)

多进程 / 线程间的高效通信机制,通过开辟一块共享的内存区域,实现数据直接读写,无需数据拷贝。在工业控制中,适用于控制程序、数据采集程序、监控程序间的高速数据交互,提升系统整体性能。

53. Tickless Kernel (无滴答内核)

取消传统操作系统中固定周期时钟滴答(Tick)的内核优化技术,通过动态触发时钟事件替代固定滴答,降低 CPU 占用率与功耗。适用于嵌入式工业设备与低功耗场景,同时减少时钟滴答对实时任务的干扰。

54. Multi-core Real-time Scheduling - 多核实时调度

针对多核心 CPU 设计的实时任务调度算法,合理分配任务到不同 CPU 核心,避免核心负载不均衡与任务冲突。核心目标是确保每个实时任务都能获得足够的计算资源,维持系统的确定性与实时性。

55. Abstraction Layer (硬件抽象层 / HAL)

位于操作系统与硬件之间的软件层,封装硬件的底层操作(如 I/O 接口访问、时钟配置),提供标准化 API 接口。上层软件通过 HAL 访问硬件,无需关注硬件细节,提升软件的可移植性与兼容性。

四、 运动控制、NC 与机床技术 (Motion Control & NC)

56. NC (Numerical Control) - 数字控制

通过数字指令(如脉冲信号)控制机械设备运动的技术,核心是将加工工艺参数(如位置、速度)转化为数字信号,驱动执行机构(如电机)完成精准运动。是数控机床、机器人等自动化设备的基础控制技术。

57. CNC (Computerized Numerical Control) - 计算机数控

融合计算机技术与 NC 技术的控制系统,通过计算机实现加工指令的编程、存储、解析与执行,支持复杂轨迹规划与工艺参数优化。具备人机交互、故障诊断、自动补偿等功能,是现代机床的核心控制单元。

58. G-Code / M-Code - 数控指令集

CNC 系统的标准编程指令:
  • G-Code(准备功能指令):定义机床运动轨迹与加工方式(如 G00 快速定位、G01 直线插补、G02 圆弧插补);
  • M-Code(辅助功能指令):控制机床辅助设备(如 M03 主轴正转、M08 冷却液开启、M30 程序结束)。
     
    是连接加工工艺与机床运动的核心桥梁。

59. Interpolation (插补算法) - 线性、圆弧、样条插补

CNC 系统中计算运动轨迹的核心算法,根据编程指令中的目标点,在相邻两点间生成连续的中间点坐标,驱动机床按预设轨迹运动。常见类型包括线性插补(直线轨迹)、圆弧插补(圆弧轨迹)、样条插补(复杂曲线轨迹),直接决定加工精度。

60. Servo Drive (伺服驱动器)

连接控制器与伺服电机的功率放大与控制设备,接收控制器下发的位置 / 速度 / 扭矩指令,通过调节输出电流驱动伺服电机运行,并实时反馈电机状态(如转速、位置)。具备闭环控制功能,可补偿负载波动与误差,提升运动控制精度。

61. Servo Motor (伺服电机)

高精度执行电机,与伺服驱动器配合实现闭环控制,具备转速稳定、定位精准、响应快速的特点。分为交流伺服电机、直流伺服电机,广泛应用于数控机床、机器人、自动化生产线等需要精准运动控制的场景。

62. Encoder (编码器) - 绝对值 / 增量式

用于检测电机转速与位置的传感器,将机械运动转化为电信号反馈给伺服驱动器或控制器:
 
  • 增量式编码器:输出脉冲信号,通过计数计算位置与速度,成本低但需回零校准;
  • 绝对值编码器:直接输出绝对位置信息,无需回零,断电后仍保留位置数据,精度更高。
     
    是闭环运动控制的核心反馈组件。

63. Full-Closed Loop (全闭环控制)

同时检测执行机构(如机床工作台)的实际位置与电机输出位置的闭环控制方式,通过对比两者偏差进行补偿。相比半闭环控制(仅检测电机位置),可消除机械传动误差(如丝杠间隙),大幅提升运动控制精度。

64. Electronic Cam (电子凸轮)

通过软件模拟机械凸轮的运动规律,实现主从轴间的同步联动(如主轴旋转与从轴进给的协同)。无需机械凸轮的物理设计与更换,可通过编程灵活调整运动曲线,适用于多轴协同加工、自动化装配等场景。

65. Electronic Gear (电子齿轮)

通过软件调节主从轴的传动比,实现主轴运动与从轴运动的比例联动(如主轴转 1 圈,从轴移动 5mm)。传动比可实时调整,无需机械齿轮更换,适用于柔性加工与多工况适配场景。

66. Virtual Axis (虚轴)

在运动控制系统中虚拟定义的坐标轴,不直接连接物理执行机构,用于协调多个物理轴的运动(如同步控制、轨迹规划)。可简化复杂运动逻辑的编程,提升多轴协同的灵活性与精度。

67. Following Error (跟随误差)

伺服系统中,电机实际位置与控制器指令位置的偏差。跟随误差过大会导致运动轨迹偏移,需通过优化伺服参数(如增益、前馈)降低误差,确保控制精度。

68. Feed Forward (前馈控制)

运动控制中的预判补偿技术,根据指令信号的变化趋势(如加速度)提前输出控制量,抵消系统滞后与负载扰动。可减少跟随误差,提升系统响应速度与轨迹精度。

69. Look-ahead (前瞻 / 预读处理)

CNC 系统的轨迹优化技术,提前读取后续多段加工指令,分析轨迹的速度、加速度变化,优化加减速曲线。避免轨迹突变导致的冲击与振动,提升加工效率与表面质量。

70. Kinematics (运动学变换)

描述机械系统运动规律的数学方法,包括正运动学(已知关节运动求末端执行器位置)与逆运动学(已知末端位置求关节运动参数)。是机器人、多轴机床等复杂设备轨迹规划与控制的核心数学基础。

71. Homing (回零 / 原点回归)

运动系统启动时,设备自动移动到预设原点位置并校准坐标的过程。通过原点传感器或编码器零位信号实现,确保每次启动后坐标系统一,是精准运动控制的前提。

72. Jerk (加加速度 / 冲击)

加速度的变化率,反映运动速度变化的平缓程度。在运动控制中,通过限制 Jerk 大小,可避免加速度突变导致的机械冲击与振动,提升设备稳定性与加工精度。

73. PWM (脉冲宽度调制)

通过调节脉冲信号的占空比(高电平时间与周期的比值)控制输出电压或电流的技术。广泛应用于伺服驱动器、变频器等设备,实现电机转速与扭矩的精准调节,兼具高效性与稳定性。

74. Motion Group (运动控制组)

将多个物理轴(如机床的 X/Y/Z 轴)划分为一个逻辑组,实现同步控制、轨迹联动等协同运动。组内轴共享运动参数(如速度、加速度)与轨迹规划,适用于多轴协同加工场景(如 3D 打印、曲面加工)。

75. PLCopen Motion Control (运动控制功能块标准)

基于 IEC 61131-3 标准的运动控制功能块规范,定义了标准化的运动控制功能块(如位置控制、速度控制、同步控制)。支持不同厂商的 PLC 与运动控制器兼容,简化运动控制程序的开发与移植。

五、 高可靠性与工程安全 (Reliability & Safety)

76. Redundancy (冗余)

通过增加备用组件(硬件 / 软件)提升系统可靠性的设计方法,当主组件故障时,备用组件自动投入运行,确保系统不中断。常见类型包括硬件冗余(如双 CPU、双电源)、软件冗余(如双程序备份)、通信冗余(如双链路)。

77. Hot Redundancy (热冗余 / 双机热备)

冗余系统中主备组件同时运行,备用组件实时同步主组件的数据与状态,主组件故障时无延迟切换到备用组件,系统运行不中断。适用于对连续性要求极高的场景(如电力控制、化工生产)。

78. Cold/Warm Redundancy (冷 / 温冗余)

  • 冷冗余:备用组件处于待机状态,主组件故障时需手动启动备用组件,存在切换延迟;
  • 温冗余:备用组件通电待机,实时同步主组件数据,切换延迟小于冷冗余但大于热冗余。

适用于对连续性要求中等、成本敏感的场景。

79. Cable Redundancy (链路冗余)

工业网络中采用双通信链路(如双 Ethernet 电缆、双总线)的冗余设计,当主链路故障时,数据自动切换到备用链路传输。避免通信中断导致的系统停机,提升网络可靠性。

80. Hot-swap (热插拔)

支持在系统运行过程中(无需停机)插拔设备组件(如 I/O 模块、电源模块)的技术。便于设备在线维护与更换,减少系统停机时间,提升可用性。

81. Fail-over (故障转移)

冗余系统中,当主组件(如主控制器、主链路)故障时,自动将控制权转移到备用组件的过程。转移过程需确保数据不丢失、业务不中断,是冗余系统的核心功能。

82. Fail-safe (故障安全)

系统故障时自动切换到安全状态(如停机、断电、锁定)的设计原则,避免故障扩大导致设备损坏或人员伤亡。例如,急停按钮触发时,系统立即切断电机电源,确保安全。

83. Fault Tolerance (容错控制)

系统在存在组件故障的情况下,仍能维持正常功能或降级运行的能力。通过故障检测、隔离、补偿技术实现,例如,多轴系统中某一轴故障时,其余轴仍可完成部分加工任务。

84. High Availability (HA, 高可用性)

衡量系统正常运行时间的指标,通常用 “可用性百分比” 表示(如 99.99% 表示每年停机时间不超过 52 分钟)。通过冗余设计、故障快速修复、在线维护等技术实现,是工业控制系统的核心要求之一。

85. SIL (Safety Integrity Level) - 安全完整性等级

根据 IEC 61508 标准定义的安全系统性能等级,分为 SIL 1-SIL 4 四级,等级越高,系统故障时的安全保障能力越强。适用于安全相关系统(如急停控制、安全扭矩切断)的设计与评估。

86. PL (Performance Level) - 性能等级

根据 ISO 13849-1 标准定义的机械安全系统性能等级,分为 PL a-PL e 五级,用于评估安全功能的可靠性。与 SIL 对应,是机床、机器人等机械设备安全系统的核心评估指标。

87. Emergency Stop (E-Stop) - 急停控制

工业设备的紧急停机功能,通过急停按钮(硬件)或软件指令触发,立即切断设备动力电源或控制信号,使设备停止运行。是保障操作人员安全的最后一道防线,必须具备高可靠性与易操作性。

88. Safe Torque Off (STO) - 安全扭矩切断

伺服系统的安全功能,触发后立即切断伺服电机的扭矩输出,电机自由停机(无制动扭矩),同时确保无法通过控制指令重启。符合 SIL 2/PL d 安全等级,适用于需要防止电机意外启动的场景。

89. MTBF (Mean Time Between Failures) - 平均无故障时间

衡量设备可靠性的量化指标,指设备两次故障之间的平均运行时间。MTBF 越长,设备可靠性越高,是设备选型与维护计划制定的重要参考。

90. MTTR (Mean Time To Repair) - 平均修复时间

衡量设备可维护性的量化指标,指设备故障后从发现到修复并恢复正常运行的平均时间。MTTR 越短,设备恢复速度越快,可减少故障对生产的影响。

六、 工业网络协议与 IT/OT 融合 (Connectivity & IIoT)

91. OPC UA (Open Platform Communications Unified Architecture)

跨平台、跨厂商的工业通信协议,采用面向对象的数据模型,支持实时数据传输、历史数据访问、报警与事件通知。具备安全性(加密、认证)、互操作性强的特点,是 IT 网络与 OT 网络融合的核心协议。

92. MQTT (Message Queuing Telemetry Transport)

轻量级发布 / 订阅模式通信协议,适用于低带宽、高延迟、资源受限的场景(如物联网终端)。数据传输量小、功耗低,支持设备与云平台的远程通信,是 IIoT 系统中设备接入的主流协议。

93. TSN (Time-Sensitive Networking) - 时间敏感网络

基于以太网的实时通信标准,通过时间同步、流量调度、优先级划分等技术,确保工业控制数据(如运动控制指令)的低延迟、低抖动传输。解决传统以太网实时性不足的问题,支持 IT/OT 网络统一部署。

94. Modbus (RTU/TCP)

工业领域应用最广泛的开源通信协议,分为 Modbus RTU(串口通信,适用于短距离)与 Modbus TCP(以太网通信,适用于长距离)。协议简单、兼容性强,主要用于 PLC、传感器、变频器等设备的数据交互。

95. Profinet (RT/IRT)

基于以太网的工业总线协议,支持实时(RT)与等时实时(IRT)两种传输模式:RT 适用于一般实时控制,IRT 适用于运动控制等高精度同步场景。兼容性强,是汽车制造、机械加工等行业的主流协议。

96. EtherNet/IP

基于以太网与 TCP/IP 的工业协议,采用 CIP(Common Industrial Protocol)通信模型,支持设备级通信与控制级通信。适用于离散制造与流程工业,可实现从传感器到控制器、从控制器到上位机的全层级数据交互。

97. CANopen / DeviceNet

基于 CAN 总线的工业协议:CANopen 适用于自动化设备(如伺服驱动器、传感器)的通信,DeviceNet 适用于工业设备的网络接入。总线拓扑简单、抗干扰能力强,适用于短距离、低速率的工业场景。

98. CC-Link / CC-Link IE

日本三菱电机主导的工业总线协议,CC-Link 基于现场总线,CC-Link IE 基于以太网。支持高速率数据传输与多设备接入,广泛应用于日系设备为主的生产线。

99. AMQP (Advanced Message Queuing Protocol)

高级消息队列协议,支持可靠消息传输、路由、事务等功能,适用于工业系统中跨平台、跨网络的消息交互。具备安全性与可扩展性,常用于云平台与工业设备的双向通信。

100. Restful API (工业接口化)

基于 REST 架构的应用程序接口,通过 HTTP 协议实现数据的增删改查(GET/POST/PUT/DELETE)。用于工业软件(如 MES、ERP)与设备、云平台的接口对接,简化系统集成,提升数据交互的灵活性。

101. Time-Series Database (时序数据库 / InfluxDB)

专门存储与管理时序数据(如传感器采集的温度、压力、设备状态)的数据库,具备高写入速度、高压缩比、时序查询优化的特点。适用于工业大数据存储与分析,是预测性维护、生产优化的核心数据载体。

102. Node-RED (流式开发)

基于浏览器的可视化编程工具,通过拖拽节点的方式连接不同设备、协议与应用,快速构建工业数据流转与处理流程。无需复杂编程,降低 IIoT 系统开发门槛,适用于快速原型验证与小型系统部署。

103. Edge Computing (边缘计算)

在工业现场(靠近设备端)部署计算资源,对数据进行实时处理、分析与存储,无需将所有数据上传至云端。降低网络带宽占用与数据传输延迟,提升实时控制与本地决策能力,是 IIoT 系统的核心架构之一。

104. Fog Computing (雾计算)

介于边缘计算与云计算之间的分布式计算架构,在局域网网关或区域服务器上部署计算资源,实现区域内设备数据的汇聚、处理与协同。适用于大规模工业场景,平衡实时性与集中管理需求。

105. Cyber-Physical Systems (CPS) - 信息物理系统

融合计算、通信、控制技术的智能系统,实现物理世界(设备、生产过程)与信息世界(数据、算法)的深度融合。通过数据感知、实时分析、精准控制,优化生产效率与系统可靠性,是工业 4.0 的核心技术载体。

七、 软件工程与开发环境 (Software Engineering)

106. IEC 61131-3 - 工业编程语言标准(LD, ST, SFC, FBD, IL)

国际电工委员会制定的工业控制系统编程语言标准,定义了五种标准化语言:
 
  • 梯形图(LD):模拟继电器电路,直观易懂;
  • 结构化文本(ST):类高级编程语言,适用于复杂算法;
  • 顺序功能图(SFC):描述顺序控制流程,可视化强;
  • 功能块图(FBD):通过功能块组合实现控制逻辑,模块化强;
  • 指令表(IL):基于汇编语言的文本指令,简洁高效。
     
    是工业控制软件开发的统一标准,确保不同厂商设备的兼容性。

107. IEC 61499 - 分布式功能块标准

针对分布式控制系统制定的功能块标准,支持功能块的分散部署与协同运行,每个功能块可独立执行并通过事件触发通信。适用于模块化、分布式工业控制系统,提升系统灵活性与可扩展性。

108. IDE (Integrated Development Environment) - 集成开发环境

集成代码编辑、编译、调试、仿真等功能的一站式开发工具,如西门子 TIA Portal、罗克韦尔 Studio 5000。提供设备配置、程序编写、在线监控、故障诊断等功能,简化工业控制软件的开发流程。

109. Compiler / Interpreter - 编译器与解释器

  • 编译器:将高级编程语言(如 ST、C)编写的源代码一次性编译为机器语言,生成可执行文件,运行效率高,适用于工业控制等对性能要求高的场景;
  • 解释器:逐行解释执行源代码,无需编译,开发调试便捷,但运行效率较低,适用于简单控制逻辑或脚本编程。

110. Static/Dynamic Linking - 静态与动态链接

软件编译过程中库文件的链接方式:
  • 静态链接:将库文件代码直接嵌入可执行文件,运行时无需依赖外部库,稳定性强但文件体积大;
  • 动态链接:运行时动态加载外部库文件,文件体积小,便于库文件更新,但依赖库文件的完整性。

111. Continuous Integration (CI/CD) - 工业软件持续集成

软件开发的自动化流程,通过代码仓库(如 Git)、自动化编译、自动化测试工具,实现代码提交后自动构建、测试与部署。提升工业软件的开发效率与质量,支持快速迭代与版本管理。

112. Version Control (Git in Automation) - 版本控制

管理软件代码版本的工具(如 Git),支持多人协作开发、代码回溯、分支管理等功能。在工业自动化中,可跟踪控制程序的修改记录,避免版本冲突,便于故障排查与程序回滚。

113. Simulation / Digital Twin - 仿真与数字孪生

  • 仿真:通过软件模拟设备或系统的运行状态,验证控制逻辑、优化参数配置,无需物理设备即可完成测试,降低研发成本;
  • 数字孪生:构建物理设备的数字化镜像,实时同步物理设备的运行数据,实现虚拟调试、远程监控、预测性维护等功能,是智能工厂的核心技术。

114. Unit Testing (单元测试)

对软件中最小功能单元(如功能块、函数)进行独立测试的过程,验证每个单元的逻辑正确性。在工业控制软件中,可提前发现程序漏洞,提升软件可靠性与可维护性。

115. Hardware-in-the-loop (HIL) - 硬件在环仿真

将实际硬件设备(如控制器、传感器)接入仿真系统,通过仿真模型模拟物理过程,验证硬件与软件的兼容性与控制效果。适用于复杂工业控制系统的测试,避免物理测试中的设备损坏风险。

116. Software-Defined Automation (SDA) - 软件定义自动化

以软件为核心的工业自动化架构,将控制逻辑、工艺参数、设备配置等功能通过软件实现,硬件仅作为执行载体。支持功能灵活扩展、远程升级与快速适配不同工况,是工业自动化的未来发展趋势。

117. Industry 4.0 - 工业 4.0

源于德国的工业发展战略,核心是通过物联网、大数据、人工智能、数字孪生等技术,实现制造业的智能化、柔性化与高效化。目标是构建 “智能工厂”,实现生产过程的自主决策、自适应调整与全生命周期优化。

118. Smart Factory - 智能工厂

工业 4.0 的核心应用场景,通过数字化、网络化、智能化技术,实现生产资源(设备、物料、人员)的优化配置与协同运作。具备自主调度、质量追溯、预测性维护、柔性生产等功能,大幅提升生产效率与产品质量。

119. Lights-out Manufacturing - 黑灯工厂

无需人工干预即可实现全流程自动化生产的工厂,通过智能设备、机器人、自动化物流系统、远程监控系统,实现 24 小时无人化生产。是智能制造的高级形态,要求系统具备极高的可靠性与自主决策能力。

120. Machine Vision (工业视觉)

融合图像采集、图像处理、模式识别技术的工业检测技术,通过相机采集物体图像,分析图像特征(如尺寸、缺陷、位置),输出检测结果或控制信号。广泛应用于产品质量检测、零件定位、机器人视觉引导等场景。

121. Predictive Maintenance (预测性维护)

基于设备运行数据(如振动、温度、电流)与 AI 算法,预测设备潜在故障并提前安排维护的技术。相比传统定期维护,可减少不必要的停机时间,降低维护成本,延长设备使用寿命。

122. OEE (Overall Equipment Effectiveness) - 综合设备效率

衡量设备运行效率的核心指标,计算公式为:OEE = 时间利用率 × 性能利用率 × 合格品率。全面反映设备的开机时间、运行速度、生产质量,是生产优化与设备管理的重要依据。

123. MES (Manufacturing Execution System) - 制造执行系统

位于 ERP 与现场控制层之间的生产管理系统,核心功能包括生产计划调度、工序管理、质量控制、数据采集、设备管理、报表分析。实现生产过程的实时监控与闭环管理,是连接企业管理层与生产现场的桥梁。

124. ERP (Enterprise Resource Planning) - 企业资源计划

覆盖企业全业务流程的管理信息系统,整合采购、生产、销售、库存、财务、人力资源等核心业务数据,实现资源优化配置与协同管理。为企业管理层提供决策支持,是企业数字化转型的核心系统。

125. APS (Advanced Planning and Scheduling) - 高级计划与排程

基于约束优化算法的生产计划系统,考虑生产资源(设备、人力、物料)的约束条件,自动生成最优生产计划与排程方案。支持多订单、多工序、多资源的协同调度,提升生产效率与订单交付率。

 

机器视觉相关

1. CMOS / CCD - 图像传感器类型

两种主流图像传感器技术:
  • CMOS(互补金属氧化物半导体):核心特点是集成度高、功耗低、成本低,每个像素点自带信号放大电路,数据读取速度快,支持全局 / 卷帘曝光;
  • CCD(电荷耦合器件):核心特点是画质均匀、噪声低、动态范围广,通过电荷转移读取数据,速度较慢、功耗较高。
     
    适用场景:CMOS 广泛用于工业相机、消费级设备;CCD 适用于对画质要求极高的精密检测(如半导体缺陷检测)。

2. Global Shutter (全局曝光) / Rolling Shutter (卷帘曝光)

相机曝光方式:
  • 全局曝光:传感器所有像素同时采集光线并存储信号,无拖影,适用于高速运动物体拍摄(如流水线零件、高速机器人);
  • Rolling Shutter(卷帘曝光):像素按行依次曝光,逐行读取数据,成本低、功耗小,但快速运动物体易产生畸变(如倾斜、拖尾),适用于静态或低速场景。

3. Frame Rate (帧率 / FPS)

相机每秒采集图像的帧数(单位:帧 / 秒),核心属性是 “采集速度”,由传感器读取速度、传输带宽决定。帧率越高,越能捕捉快速运动细节,适用于高速检测(如瓶盖缺陷检测、高速分拣);帧率越低,图像噪声越低、画质越好,适用于静态精密测量。

4. Exposure Time (曝光时间)

相机传感器接收光线的时间(单位:毫秒 / 微秒),核心影响图像亮度与动态模糊:曝光时间越长,图像越亮,但运动物体易模糊;曝光时间越短,图像越暗,但能冻结快速运动。适用于:静态场景用长曝光提升画质,动态场景用短曝光避免模糊。

5. Gain (增益)

对传感器采集的电信号进行放大的系数,核心作用是提升图像亮度(尤其低光环境),但会同步放大噪声。分为模拟增益(信号放大时噪声影响小)和数字增益(后期软件放大,噪声明显),适用于低光照工业场景(如暗箱内检测),需平衡亮度与噪声。

6. Binning (像素合并)

将传感器相邻像素(如 2×2、3×3)的信号叠加后作为一个像素输出的技术,核心属性是 “以分辨率换灵敏度 / 速度”:合并后像素尺寸变大,光通量增加,噪声降低、帧率提升,但图像分辨率下降。适用于低光、高速检测场景(如夜间安防监控、高速零件计数)。

7. ROI (Region of Interest, 感兴趣区域)

在图像中指定的特定分析区域(无需处理整幅图像),核心价值是 “提升处理效率”:仅对 ROI 进行采集、传输、分析,减少数据量,缩短处理时间。适用于工业检测中仅关注局部特征的场景(如零件孔径测量、标签字符识别)。

8. Telecentric Lens (远心镜头) - 消除透视误差

一种特殊光学镜头,核心特点是 “物方 / 像方远心设计”,光线平行于光轴传播,可消除透视畸变(近大远小),确保物体在不同距离拍摄时尺寸测量结果一致。适用于高精度尺寸测量(如精密零件公差检测、半导体芯片测量)。

9. Focal Length (焦距) / Depth of Field (DoF, 景深)

  • 焦距:镜头中心到传感器的距离,决定成像大小与视角(焦距越长,视角越窄、成像越大;反之则视角宽、成像小);
  • 景深:成像清晰的物体前后距离范围,焦距越短、光圈越小、拍摄距离越远,景深越大。
     
    适用场景:长焦镜头用于远距离特写(如远距离缺陷检测),大景深镜头用于多层面物体检测(如堆叠零件有无判断)。

10. C-Mount / CS-Mount - 镜头接口标准

工业相机与镜头的常用机械接口标准:
 
  • C-Mount:法兰焦距 17.526mm,应用最广泛,兼容多数工业镜头;
  • CS-Mount:法兰焦距 12.5mm,比 C-Mount 短 5mm,体积更小、成本更低。
     
    核心差异:需匹配相机与镜头的接口类型,否则需加转接环,否则会导致成像模糊。

11. GigE Vision / USB3 Vision - 工业相机传输协议

两种主流工业相机数据传输协议:
 
  • GigE Vision:基于以太网,传输距离远(最长 100m)、支持多相机组网、抗干扰性强,适用于远距离、多相机协同场景;
  • USB3 Vision:基于 USB 3.0/3.1,传输速度快(最高 10Gbps)、延迟低、即插即用,适用于近距离、高速单相机场景。
     
    核心优势:均为开源标准,兼容性强,无需自定义驱动。

12. Coaxial Light (同轴光) / Ring Light (环形光) / Backlight (背光)

工业视觉常用光源类型:
  • 同轴光:光线与相机光轴同轴,适用于反光物体(如金属、玻璃)表面缺陷检测(如划痕、污点);
  • 环形光:环形分布的斜射光,照明均匀,适用于零件定位、字符识别、表面特征提取;
  • 背光:从物体后方照明,突出物体轮廓(如边缘、孔径),适用于尺寸测量、有无检测、轮廓提取。

13. Line Scan Camera (线扫描相机) vs Area Scan Camera (面扫描相机)

  • 线扫描相机:核心特点是 “逐行采集”,仅含一条 / 多条像素线,需配合物体运动(如传送带)生成完整图像,分辨率高、帧率快,适用于长幅 / 高速物体检测(如布匹、钢板、印刷品);
  • 面扫描相机:核心特点是 “一次性采集整幅图像”,像素矩阵排列,速度较慢但操作简单,适用于静态 / 低速物体检测(如零件缺陷、电子元件外观)。

14. Grayscale (灰度化)

将彩色图像(RGB 等)转换为单通道灰度图像的过程,核心原理是通过加权平均(如 Y = 0.299R + 0.587G + 0.114B)合并三色通道。核心价值是简化数据量(减少 2/3 计算量),保留亮度特征,为后续算法(如二值化、边缘检测)降低复杂度。

15. Binarization (二值化) - Otsu (大津法) 自适应阈值

将灰度图像转换为黑白二值图像(仅 0/255 像素值)的过程,核心是确定 “阈值” 区分目标与背景:
  • 手动阈值:人为设定固定阈值(适用于光照稳定场景);
  • Otsu(大津法):自动计算最优阈值,最大化目标与背景的灰度差异,适用于光照变化场景。
     
    适用场景:突出目标轮廓(如零件边缘、字符区域),简化特征提取。

16. Histogram Equalization (直方图均衡化)

通过调整图像灰度分布,提升图像对比度的算法:核心是将集中的灰度区间拉伸至全范围,使暗部变亮、亮部变暗。适用于低对比度图像(如雾天拍摄、低光环境),增强细节辨识度(如零件表面纹理、缺陷边缘)。

17. Spatial Filtering (空间滤波) - 高斯滤波、中值滤波、均值滤波

基于像素邻域信息调整像素值的降噪 / 增强算法:
  • 高斯滤波:加权平均邻域像素(中心权重高),平滑效果好,适用于高斯噪声(如传感器热噪声);
  • 中值滤波:取邻域像素中值,能有效去除椒盐噪声(如随机亮点 / 暗点),保留边缘细节;
  • 均值滤波:取邻域像素均值,降噪速度快但易模糊边缘,适用于低精度场景。

18. Morphology (形态学处理) - Erosion (腐蚀)、Dilation (膨胀)、Opening (开运算)、Closing (闭运算)

基于像素形态(连通性)的图像优化算法,核心是用 “结构元素” 遍历图像:
  • 腐蚀:收缩目标区域,消除小亮点、细化边缘;
  • 膨胀:扩大目标区域,填补小黑洞、连接断裂边缘;
  • 开运算(腐蚀 + 膨胀):先腐蚀再膨胀,去除小噪声点且不改变目标大小;
  • 闭运算(膨胀 + 腐蚀):先膨胀再腐蚀,填补小缺口且不改变目标大小。
     
    适用场景:优化二值化图像,提升后续特征提取准确性。

19. Gamma Correction (伽马校正)

调整图像灰度值非线性映射的算法,核心是修正人眼视觉与传感器感光的非线性差异(人眼对暗部更敏感)。通过调整 γ 值(γ>1 提亮暗部,γ<1 压暗亮部),优化图像亮度分布,适用于显示器显示、低光图像增强。

20. Color Space (颜色空间) - RGB, HSV, Lab, YUV

描述颜色的数学模型,核心用于颜色特征提取与分割:
 
  • RGB:基于红、绿、蓝三原色混合,适用于彩色图像采集与显示;
  • HSV:基于色调(H)、饱和度(S)、明度(V),分离颜色与亮度,便于颜色分割(如区分红色零件与绿色背景);
  • Lab:基于人眼视觉感知,颜色空间均匀,适用于颜色匹配与色差检测;
  • YUV:Y 为亮度通道,U/V 为色度通道,可单独处理亮度(如降噪),适用于视频传输与处理。

21. Geometric Transformation (几何变换) - 仿射变换、透视变换

调整图像几何形态的算法:
 
  • 仿射变换:保留平行关系,包含平移、旋转、缩放、剪切,适用于图像对齐(如零件位置校正);
  • 透视变换:不保留平行关系,修正透视畸变(如倾斜拍摄的平面物体),适用于文档矫正、视觉引导定位。

22. Image Stitching (图像拼接)

将多幅重叠图像融合为一幅宽视角 / 高分辨率图像的算法,核心步骤包括特征匹配、图像配准、融合去缝。适用于大面积场景检测(如全景监控、大幅面零件表面检测)。

23. Edge Detection (边缘检测) - Canny 算子、Sobel 算子、Laplacian 算子

提取图像中灰度突变区域(边缘,对应物体轮廓、边界)的算法:
 
  • Sobel 算子:计算水平 / 垂直方向梯度,检测边缘速度快,适用于快速边缘提取;
  • Laplacian 算子:检测二阶导数零交叉点,对噪声敏感,需先降噪;
  • Canny 算子:多步骤优化(降噪→梯度计算→非极大值抑制→双阈值筛选),边缘定位准、抗噪性强,是工业视觉最常用边缘检测算法。

24. Blob Analysis (斑点分析) - 连通域分析

对图像中 “连通的同类像素区域(斑点)” 进行特征提取的算法,核心提取参数包括面积、周长、中心坐标、圆度、矩形度等。适用于零件计数、缺陷识别(如表面污点、孔洞)、目标定位。

25. Hough Transform (霍夫变换) - 检测直线、圆、椭圆

基于参数空间投票机制的几何形状检测算法:
 
  • 直线霍夫变换:将图像空间的直线映射为参数空间的点,通过投票找到高频参数(对应直线);
  • 圆 / 椭圆霍夫变换:同理映射为多维度参数空间,检测圆形 / 椭圆形目标。
     
    适用于工业场景中规则形状检测(如零件孔径、直线边缘、圆形标记)。

26. Corner Detection (角点检测) - Harris 角点、Shi-Tomasi

检测图像中 “灰度变化剧烈、具有明显转折” 的点(角点,对应物体顶点、特征点)的算法:
  • Harris 角点:基于自相关矩阵检测角点,抗旋转、抗缩放;
  • Shi-Tomasi:优化 Harris 算法,提高角点检测的稳定性与准确性。
     
    适用于图像配准、特征匹配、目标跟踪。

27. Feature Matching (特征匹配) - SIFT, SURF, ORB, BRIEF

通过提取图像特征点(如角点、边缘)并计算相似度,实现两幅图像对应关系的算法:
  • SIFT/SURF:具有尺度不变性、旋转不变性,但专利受限、速度较慢;
  • ORB:开源替代方案,融合 FAST 角点检测与 BRIEF 描述子,速度快、抗噪性强,是工业视觉主流匹配算法;
  • BRIEF:生成二进制描述子,匹配速度极快,适用于实时场景。

28. Normalized Cross-Correlation (NCC) - 归一化相关性匹配

基于灰度相似度的模板匹配算法,核心是计算模板与图像局部区域的灰度相关性(取值 -1~1,越接近 1 相似度越高),对光照变化具有鲁棒性。适用于目标定位(如零件在图像中的位置检测)、模板对齐。

29. Sub-pixel Accuracy (亚像素精度)

突破像素级限制的高精度定位技术,核心是通过插值算法(如二次插值、重心法)计算像素内部的精确坐标(如 256.3 像素、142.7 像素)。定位精度可达 0.1~0.01 像素,适用于高精度尺寸测量(如微米级零件公差检测)。

30. Template Matching (模板匹配) - 基于形状或基于灰度

通过预定义模板,在图像中寻找相似区域的算法:
  • 基于灰度:对比模板与图像的灰度分布(如 NCC),适用于光照稳定、无变形场景;
  • 基于形状:对比模板与图像的轮廓 / 边缘特征,适用于轻微变形、光照变化场景。
     
    适用于目标识别(如零件型号判断)、定位对齐(如视觉引导装配)。

31. Convex Hull (凸包检测)

寻找包含图像中所有目标点的最小凸多边形的算法,核心是保留目标的整体轮廓,忽略凹陷细节。适用于目标形状分析(如零件轮廓完整性检测)、障碍物规避(如机器人路径规划)。

32. Skeletonization (骨架提取)

将目标区域细化为单像素宽度 “骨架” 的算法,核心是保留目标的拓扑结构(如分支、长度)。适用于细长物体分析(如导线、管道的弯曲检测)、字符骨架提取(如 OCR 预处理)。

33. Positioning / Alignment (定位与对齐) - 视觉引导机器人、晶圆对齐

工业视觉核心任务之一,通过图像特征提取(如角点、边缘、模板)确定目标在图像中的精确位置与姿态(如 X/Y 坐标、旋转角度)。适用于视觉引导机器人抓取、零件装配对齐、晶圆 / PCB 高精度定位。

34. Measurement / Metrology (尺寸测量) - 长度、角度、形位公差测量

基于图像像素与物理尺寸的标定关系,测量目标几何参数的任务,核心要求 “高精度、高重复性”。测量类型包括长度(如零件边长)、角度(如两平面夹角)、形位公差(如圆度、直线度),适用于精密零件质检(如汽车零部件、半导体芯片)。

35. OCR / OCV (字符识别与验证) - Optical Character Recognition / Verification

  • OCR(字符识别):将图像中的印刷体 / 手写体字符转换为文本的技术,核心步骤包括字符定位、分割、识别;
  • OCV(字符验证):验证图像中的字符是否与预设标准一致(如零件编号、生产日期校验)。
     
    适用于产品追溯(如食品包装日期识别)、质量控制(如电子元件型号验证)。

36. Defect Inspection (缺陷检测) - 划痕、污点、裂纹检测 (AVI/AOI)

工业视觉最核心的应用任务,通过对比标准图像与待测图像,识别目标表面或内部的异常(如划痕、污点、裂纹、缺料):
  • AVI(自动视觉检测):适用于通用场景;
  • AOI(自动光学检测):特指电子制造业(如 PCB 焊点检测、半导体缺陷检测)。
     
    核心价值是替代人工质检,提升检测效率与一致性。

37. 1D / 2D Code Reading (码类识别) - DataMatrix, QR Code, Barcode

识别图像中 1D 条码(如条形码)与 2D 码(如 DataMatrix、QR 码)的任务,核心是解码码中存储的信息(如产品编号、追溯数据)。适用于物流追溯、产品防伪、生产流程管控。

38. Presence / Absence Detection (有无检测)

判断图像中目标是否存在或缺失的任务(如零件是否安装到位、包装是否漏装),核心是通过模板匹配、斑点分析等算法检测目标特征。适用于流水线快速筛查(如瓶盖漏装检测、螺丝缺失检测)。

39. Sorting (分类分拣)

基于图像特征(如颜色、形状、缺陷、条码)将目标分为不同类别的任务,通常与机械分拣设备联动。适用于自动化生产线(如农产品分级、零件分类、缺陷产品分拣)。

40. CNN (Convolutional Neural Network) - 卷积神经网络

深度学习核心网络结构,专为图像处理设计,通过卷积层(提取局部特征)、池化层(降维)、全连接层(分类 / 回归)实现特征自动学习。核心优势是无需人工设计特征,能处理复杂非标场景(如不规则缺陷、变形零件),是 AI 视觉的基础。

41. Object Detection (目标检测) - YOLO 系列,SSD, Faster R-CNN

同时完成 “目标定位” 与 “目标分类” 的深度学习任务,输出目标的边界框与类别标签:
  • YOLO 系列:速度快(实时性强),适用于工业流水线高速检测;
  • SSD:多尺度检测效果好,适用于大小不一的目标;
  • Faster R-CNN:精度高,适用于高精度检测场景(如微小缺陷检测)。

42. Semantic Segmentation (语义分割) - U-Net, DeepLab

将图像中每个像素分类到对应语义类别(如 “零件”“背景”“缺陷”)的任务,核心是像素级精准分割。适用于复杂场景分割(如布匹缺陷分割、医疗影像分析),工业中常用于不规则缺陷检测(如曲面零件裂纹分割)。

43. Instance Segmentation (实例分割) - Mask R-CNN

在语义分割基础上,进一步区分同一类别的不同个体(如多个零件分别分割),输出每个实例的像素掩码。适用于多目标精准分割(如多个零件同时检测、缺陷个体区分)。

44. Anomaly Detection (异常检测) - 自编码器 (AutoEncoder), GAN

针对 “正常样本多、异常样本少” 的工业场景,通过学习正常样本特征,识别偏离正常分布的异常(如缺陷)的算法:
  • 自编码器(AutoEncoder):通过编码 - 解码重构正常图像,异常区域重构误差大;
  • GAN(生成对抗网络):生成器模拟正常图像,判别器区分正常与异常。
     
    适用于稀有缺陷检测(如半导体微小缺陷、航空零件裂纹检测)。

45. Transfer Learning (迁移学习)

将预训练模型(如在 ImageNet 上训练的 CNN)的参数迁移到工业视觉特定任务(如缺陷检测)的技术,核心价值是减少目标任务的训练数据量、缩短训练时间。适用于工业场景中数据稀缺的情况。

46. Inference Engine (推理引擎) - TensorRT, OpenVINO, ONNX Runtime

优化深度学习模型部署的软件工具,核心功能包括模型压缩、层融合、精度优化(如 FP16/INT8 量化),提升模型在工业硬件(如 GPU、FPGA、边缘计算设备)上的推理速度。适用于模型实时部署(如流水线高速检测)。

47. Dataset Annotation (数据标注) - LabelImg, LabelMe

为训练深度学习模型准备标注数据的过程,包括目标框标注(检测任务)、像素掩码标注(分割任务)、类别标签标注(分类任务),常用工具包括 LabelImg(检测标注)、LabelMe(分割标注)。核心是保证标注准确性,直接影响模型性能。

48. Model Quantization (模型量化) - INT8, FP16 压缩

将深度学习模型的权重 / 激活值从高精度(如 FP32)转换为低精度(如 FP16、INT8)的技术,核心是在保证模型精度损失可控的前提下,减小模型体积、提升推理速度。适用于边缘计算设备(如工业边缘盒)部署。

49. Stereo Vision (双目视觉)

模拟人类双眼视觉原理,通过两台相机拍摄同一物体,计算像素视差(左右图像中对应点的位置差),再通过三角测量法恢复物体 3D 结构。核心优势是成本低、无接触,适用于场景重建、距离测量(如障碍物检测)。

50. Structured Light (结构光)

向物体投射预设编码图案(如条纹、点阵),通过相机拍摄图案畸变情况,计算物体 3D 轮廓的技术。核心特点是精度高、速度快,适用于近距离高精度测量(如人脸建模、零件 3D 扫描、机械臂抓取)。

51. ToF (Time of Flight, 飞行时间)

通过发射调制光信号(如红外光),测量光信号往返于相机与物体的时间差 / 相位差,计算物体距离的技术。核心特点是测量范围广、抗环境光干扰强,适用于中远距离 3D 感知(如仓储体积测量、自动驾驶避障)。

52. Laser Triangulation (激光三角测量)

通过激光发射器发射激光束到物体表面,相机接收反射光,基于激光束、相机光轴、反射点构成的三角形,计算物体距离。核心优势是精度极高(微米级),适用于精密零件 3D 轮廓测量(如刀具磨损检测、半导体封装检测)。

53. Point Cloud (点云) - .pcd, .ply 格式

3D 视觉的核心数据格式,由海量三维坐标点(X,Y,Z)组成,每个点可附带颜色、法向量等信息,常用格式为 .pcd(PCL 库标准)、.ply(通用格式)。适用于 3D 模型重建、物体姿态估计、空间分析(如体积计算)。

54. ICP (Iterative Closest Point) - 点云配准算法

将两组不同视角的点云对齐到同一坐标系的迭代算法,核心是不断寻找对应点、计算变换矩阵(平移 + 旋转)、最小化点云距离误差。适用于 3D 模型拼接(如多视角零件扫描重建)、点云与 CAD 模型匹配。

55. 6D Pose Estimation (6 自由度位姿估计)

估计物体在 3D 空间中位置(X,Y,Z 坐标)与姿态(滚转角、俯仰角、偏航角)的技术,核心是通过 3D 特征匹配或深度学习方法实现。适用于机械臂抓取(如乱堆零件抓取)、零件装配对齐。

56. Bin Picking (乱堆拨取 / 散装抓取)

3D 视觉的典型应用,通过 3D 相机获取乱堆零件的 3D 信息,计算每个零件的可抓取位姿,引导机械臂精准抓取。适用于自动化生产线(如零件上料、仓储分拣),替代人工分拣。

57. Disparity Map (视差图)

双目视觉中,左右相机图像对应像素的位置差构成的图像,像素值越大表示物体距离越近。是双目视觉恢复 3D 结构的核心中间数据,视差图精度直接影响 3D 测量准确性。

58. V-SLAM (视觉即时定位与建图)

通过单目 / 双目相机实时获取环境图像,同时完成相机自身定位与环境 3D 地图构建的技术。核心应用于移动机器人导航(如 AGV 自主避障、无人机路径规划)。

59. Camera Calibration (相机标定) - 张正友标定法

确定相机内参(如焦距、主点坐标)、外参(如相机位置、姿态)与畸变参数的过程,核心是通过拍摄已知尺寸的标定板(如棋盘格),求解相机数学模型。张正友标定法是工业视觉最常用的标定方法,仅需拍摄多幅不同角度的棋盘格图像即可完成标定。

60. Internal / External Parameters (内参 / 外参)

相机标定的核心参数:
  • 内参:相机自身固有参数(焦距 f、主点坐标 (cx, cy)、畸变系数),与拍摄场景无关;
  • 外参:相机相对于世界坐标系的位置(平移向量)与姿态(旋转矩阵),随相机位置变化而变化。
     
    作用是建立像素坐标与世界坐标的映射关系,是精准测量与定位的基础。

61. Distortion Correction (畸变校正) - 径向畸变、切向畸变

修正相机镜头光学畸变的过程,常见畸变类型:
  • 径向畸变:镜头中心与边缘的放大率不同导致(如桶形畸变、枕形畸变);
  • 切向畸变:镜头安装偏差导致的图像倾斜。
     
    通过标定得到的畸变参数,可还原真实图像,确保测量与定位的准确性。

62. Hand-Eye Calibration (手眼标定) - 眼在手上 (Eye-in-Hand)、眼在手外 (Eye-to-Hand)

建立相机坐标系与机械臂坐标系之间变换关系的过程,核心是实现视觉定位与机械臂运动的协同:
  • Eye-in-Hand(眼在手上):相机安装在机械臂末端,随机械臂运动;
  • Eye-to-Hand(眼在手外):相机固定安装,不随机械臂运动。
     
    适用于视觉引导机械臂抓取、装配等任务。

63. Homography Matrix (单应性矩阵)

描述同一平面物体在不同视角下的图像像素坐标变换关系的 3×3 矩阵,核心作用是实现像素坐标与世界坐标的转换(适用于平面场景)。适用于图像拼接、平面目标定位、透视畸变校正。

64. Coordinate System Transformation (坐标系变换) - 像素坐标到世界坐标

将图像像素坐标(u, v)转换为物理世界坐标(X, Y, Z)的过程,核心是通过相机内参、外参或单应性矩阵建立映射关系。是工业视觉从 “图像分析” 到 “物理控制” 的关键步骤(如测量零件物理尺寸、引导机械臂运动)。

65. Repeatability (重复精度)

同一条件下(同一目标、同一设备、同一环境)多次测量 / 定位的结果一致性,通常用标准差表示。核心反映系统的稳定性,是工业视觉系统最关键的指标之一(如多次定位的偏差是否在允许范围内)。

66. Absolute Accuracy (绝对精度)

测量值与真实值之间的偏差,核心反映系统的准确性。与重复精度的区别:重复精度关注 “一致性”,绝对精度关注 “正确性”(如测量 10mm 零件,重复精度是多次测量的波动,绝对精度是测量值与 10mm 的差值)。

67. Cycle Time (处理周期)

工业视觉系统完成一次完整检测 / 定位任务的总时间(包括图像采集、传输、处理、输出结果)。核心反映系统的效率,需满足生产线节拍要求(如流水线每秒检测 10 个零件,处理周期需≤100ms)。

68. Latency (延迟)

从目标出现到系统输出结果的时间差,核心影响实时性。与处理周期的区别:延迟强调 “响应速度”(如急停信号触发后的响应时间),处理周期强调 “任务完成时间”。

69. Precision / Recall (精确率与召回率)

缺陷检测 / 分类任务的核心评价指标:
  • Precision(精确率):预测为 “正例(如缺陷)” 的结果中,真实为正例的比例(反映 “少误检”);
  • Recall(召回率):真实为正例的样本中,被预测为正例的比例(反映 “少漏检”)。
     
    两者存在权衡(如提高精确率可能降低召回率),需根据场景调整(如高端制造业优先保证召回率,避免漏检)。

70. F1 Score - 综合评价指标

精确率(P)与召回率(R)的调和平均数,计算公式:F1 = 2×P×R/(P+R),核心是综合衡量模型性能,避免单一指标的片面性。F1 越接近 1,模型性能越好,适用于需要平衡误检与漏检的场景。

71. Overkill (误检率 / 弃真率) / Underkill (漏检率 / 取伪率)

工业检测场景的专属评价指标:
  • Overkill(误检率):将正常样本误判为缺陷样本的比例(导致合格产品被丢弃);
  • Underkill(漏检率):将缺陷样本误判为正常样本的比例(导致不合格产品流入市场)。
     
    需根据行业要求控制(如汽车行业对漏检率要求极高)。

72. Resolution (分辨率) - 像素分辨率与物理分辨率

  • 像素分辨率:相机传感器的像素数量(如 1920×1080),决定图像细节丰富度;
  • 物理分辨率:系统能分辨的最小物理尺寸(如 0.1mm / 像素),由像素分辨率、镜头焦距、拍摄距离共同决定。
     
    物理分辨率直接影响测量与检测的精度(物理分辨率越小,精度越高)。

1. DI (Digital Input) - 数字量输入(如开关、光电传感器)

工业 I/O 系统中接收离散开关信号的模块,核心功能是采集外部设备的通断状态(二进制 0/1),典型输入设备包括机械开关、光电传感器、接近开关等。信号无需模数转换,响应速度快,适用于设备状态检测(如按钮按下、零件到位信号)、计数触发等场景。

2. DO (Digital Output) - 数字量输出(如电磁阀、继电器)

工业 I/O 系统中输出离散开关信号的模块,核心功能是向外部执行器下发通断指令(二进制 0/1),驱动电磁阀、继电器、指示灯、接触器等设备动作。分为继电器输出、晶体管输出等类型,适用于设备启停控制(如电机启动、气缸伸缩)、报警指示等场景。

3. AI (Analog Input) - 模拟量输入(电流 4-20mA, 电压 0-10V)

接收连续变化物理量信号的模块,核心将模拟信号(如 4-20mA 电流、0-10V 电压)通过 ADC(模数转换器)转换为数字信号,典型采集对象包括温度、压力、流量、液位等传感器数据。适用于需精准监测连续变化参数的场景(如化工反应釜温度监测、供水压力采集)。

4. AO (Analog Output) - 模拟量输出

输出连续变化模拟信号的模块,核心通过 DAC(数模转换器)将数字控制指令转换为模拟信号(4-20mA 电流 / 0-10V 电压),用于调节执行器的运行状态(如阀门开度、电机转速、变频器频率)。适用于连续调节类场景(如生产线速度闭环控制、温度恒温调节)。

5. RTD (Resistance Temperature Detector) - 热电阻输入模块 (PT100/PT1000)

专门适配热电阻传感器的温度采集模块,核心基于热电阻的 “电阻值随温度变化” 特性,通过恒流源激励测量电阻值并换算为温度数据,支持 PT100(0℃时电阻 100Ω)、PT1000(0℃时电阻 1000Ω)等标准型号。精度高、稳定性强,适用于中低温区间(-200℃~850℃)温度测量(如设备轴承温度、车间环境温度)。

6. TC (Thermocouple) - 热电偶输入模块 (J/K/S/T 型)

专门适配热电偶传感器的温度采集模块,核心基于热电偶的 “塞贝克效应”(两种不同金属组成的回路产生温差电动势),将电动势信号转换为温度数据,支持 J/K/S/T 等标准型号(适用温度范围不同,如 K 型 - 270℃~1372℃)。响应速度快、耐高温,适用于高温场景(如熔炉温度、锅炉烟气温度)。

7. Counter / Encoder Module - 高速计数器 / 编码器接口模块

具备高速计数与编码器信号采集功能的专用模块,核心支持脉冲信号计数(如光电开关计数)、编码器(增量式 / 绝对值)信号解析(位置、速度数据),计数频率可达 kHz~MHz 级。适用于高速计数(如流水线零件计数)、运动控制反馈(如电机转速检测、传送带定位)。

8. PWM Output - 脉冲宽度调制输出模块

输出 PWM 信号的模块,核心通过调节脉冲占空比(高电平时间 / 周期)控制输出电压 / 电流平均值,实现执行器的无级调速或功率调节。适用于电机转速控制、加热器功率调节、LED 亮度控制等场景。

9. Pulse Train Output (PTO) - 脉冲串输出(用于简易步进控制)

输出固定频率、固定数量脉冲串的模块,核心通过脉冲频率控制步进电机转速,通过脉冲数量控制电机转动角度,无需复杂伺服驱动器即可实现简易定位。适用于精度要求不高的点位控制场景(如小型机械臂抓取、简单送料机构)。

10. HART I/O - 带有 HART 协议的模拟量模块

兼容 HART(Highway Addressable Remote Transducer)协议的模拟量 I/O 模块,核心在 4-20mA 模拟信号基础上叠加数字信号,实现 “模拟量传输 + 数字量通信”(如传感器参数配置、故障诊断、多变量采集)。无需重新布线即可升级传统模拟量系统,适用于流程工业智能传感器接入(如压力变送器、流量计)。

11. Relay Output - 继电器输出(干接点)

采用继电器作为开关元件的数字量输出模块,核心通过继电器触点的通断输出信号,为干接点输出(无极性、无电源),耐压耐流能力强,可直接驱动大功率设备。适用于交流 / 直流负载控制(如接触器线圈、电磁阀),但响应速度较慢(ms 级)。

12. Transistor Output - 晶体管输出(源型 / 漏型)

采用晶体管作为开关元件的数字量输出模块,核心通过晶体管导通 / 截止输出信号,响应速度快(μs 级)、寿命长,分为源型(PNP,高电平输出)和漏型(NPN,低电平输出)。适用于高频次、小功率负载控制(如传感器触发、小型电磁阀)。

13. SSI Interface - 同步串行接口模块(用于绝对值编码器)

适配 SSI(Synchronous Serial Interface)协议的接口模块,核心通过同步时钟与数据信号,读取绝对值编码器的实时位置数据,传输速率高、抗干扰性强。适用于高精度位置反馈场景(如机床工作台定位、起重设备位移检测)。

14. Local I/O - 本地 I/O(直接插在 CPU 背板上)

直接安装在控制器(如 PLC、PAC)背板总线上的 I/O 模块,核心特点是 “近距离连接、传输延迟低”,数据通过背板总线与 CPU 直接交互,无需额外通信模块。适用于 I/O 点数少、设备集中的场景(如小型控制柜、单机自动化设备)。

15. Remote I/O (Distributed I/O) - 远程 / 分布式 I/O

通过工业总线(如 EtherCAT、Profinet)与控制器远程连接的 I/O 系统,核心由 I/O 耦合器、I/O 模块组成,可部署在生产现场(靠近传感器 / 执行器),减少布线长度。适用于 I/O 点数多、设备分散的场景(如大型生产线、车间级自动化系统)。

16. I/O Coupler (Head Station) - 总线耦合器 / 头站

分布式 I/O 系统的核心接口设备,核心功能是实现远程 I/O 模块与控制器的总线协议转换(如将 I/O 信号转换为 EtherCAT 协议),管理模块通信与供电。是远程 I/O 系统的 “网关”,确保数据稳定传输。

17. I/O Terminal / Slice - 片状 I/O 模块

采用模块化、片状设计的 I/O 模块,核心特点是体积小、可堆叠扩展,支持灵活组合 DI/DO/AI/AO 等不同类型模块,适配复杂 I/O 需求。适用于空间受限的控制柜(如小型设备控制柜)。

18. Backplane Bus (E-Bus / K-Bus) - 背板总线(如 EtherCAT 背板)

控制器或 I/O 机架内部的高速数据传输总线,核心用于连接 CPU 模块与本地 I/O 模块、或 I/O 模块之间的数据交互,常见类型包括 E-Bus(西门子)、K-Bus(倍福)、EtherCAT 背板总线等。传输速率高、延迟低,确保本地 I/O 的实时响应。

19. I/O Rack / Chassis - I/O 机架 / 机箱

用于安装 I/O 模块的物理载体,核心提供机械固定、背板总线连接、集中供电功能,支持多模块堆叠扩展,部分具备防尘、散热设计。适用于集中式 I/O 系统部署(如控制柜内 I/O 模块集中安装)。

20. Block I/O - 一体化 / 紧凑型 I/O 模块

将多种 I/O 功能(如 DI、DO、AI)集成在一个模块内的紧凑型产品,核心特点是集成度高、体积小、成本低,无需额外组合模块即可满足基础 I/O 需求。适用于小型自动化设备(如小型机床、简易生产线)。

21. IP20 / IP67 I/O - 柜内型(低防护)与柜外型(高防护 / 机床直装)

按防护等级分类的 I/O 模块:
  • IP20 I/O:防护等级低,仅防手指触摸,适用于控制柜内安装(环境清洁、无粉尘 / 水汽);
  • IP67 I/O:防护等级高(防尘、防水浸),可直接安装在生产现场(如机床旁、户外),无需控制柜保护。
     
    适用于不同环境下的 I/O 部署(如车间粉尘多场景选用 IP67 I/O)。

22. Expansion Module - 扩展模块

用于扩展控制器 I/O 点数或功能的模块,核心通过控制器的扩展接口连接,可灵活增加 DI/DO/AI/AO 等通道,或新增特殊功能(如高速计数、温度采集)。适用于控制器原生 I/O 点数不足的场景(如设备升级后需增加传感器接入)。

23. Terminal Block - 接线端子排

工业 I/O 系统的接线转接部件,核心用于将现场传感器 / 执行器的导线与 I/O 模块接口规范连接,提供接线固定、防松动、标识功能,便于布线、检修与维护。是控制柜内 I/O 接线的标准组件。

24. IO-Link Master - IO-Link 主站

IO-Link 系统的核心控制设备,核心功能是与 IO-Link 设备(传感器 / 执行器)建立点对点通信,实现过程数据传输、设备参数配置、故障诊断,同时支持与上位控制器(PLC)通过工业总线(如 Profinet、EtherCAT)交互。是 IO-Link 系统的 “中枢”,可连接多个 IO-Link 设备。

25. IO-Link Device - IO-Link 设备(传感器 / 执行器)

支持 IO-Link 协议的智能传感器或执行器,核心具备数字量通信功能,可向主站传输高精度过程数据(如多变量传感器数据),接收主站下发的参数配置(如传感器阈值调整、执行器行程设置),并反馈设备状态与故障信息。适用于智能工业场景(如柔性生产线、智能检测设备)。

26. IODD (IO Device Description) - IO-Link 设备描述文件

IO-Link 设备的标准化描述文件(XML 格式),核心包含设备型号、支持的通信速率、过程数据格式、参数列表、诊断信息等。主站通过读取 IODD 文件自动识别设备能力,实现 “即插即用”,简化系统配置。

27. COM1 / COM2 / COM3 - IO-Link 的三种通信速率

IO-Link 协议定义的三种通信速率:COM1(4.8kbit/s)、COM2(38.4kbit/s)、COM3(230.4kbit/s),核心根据设备类型与传输需求选择(如低速传感器用 COM1,高速数据传输用 COM3)。速率自适应,确保通信稳定性与灵活性。

28. Sustaining / Process Data - 过程数据与参数数据

IO-Link 通信的两类核心数据:
  • 过程数据(Process Data):周期性、高优先级数据(如传感器测量值、执行器状态),传输延迟低;
  • 参数数据(Sustaining Data):非周期性数据(如设备参数配置、故障诊断信息),传输优先级低。
     
    兼顾实时控制与设备管理需求。

29. Point-to-Point Communication - 点对点通信架构

IO-Link 系统的通信方式,核心是主站与每个 IO-Link 设备建立独立通信链路,无需地址分配,简化布线(仅需 3/4 芯电缆),同时避免总线冲突,提升通信可靠性。是 IO-Link 相比传统总线的核心优势之一。

30. IO-Link Hub - IO-Link 集线器(将普通 DI/DO 转为 IO-Link)

扩展 IO-Link 系统的接口设备,核心功能是将普通模拟量 / 数字量传感器 / 执行器转换为 IO-Link 兼容设备,通过一个 IO-Link 端口连接多个普通 I/O 设备,降低系统升级成本。适用于传统设备改造为智能 IO-Link 系统的场景。

31. Sink (NPN) - 漏型输入 / 输出

工业 I/O 的信号极性类型,核心是电流从外部设备流入 I/O 模块(NPN 型):
 
  • 漏型输入:传感器信号触发时,电流通过传感器流入模块输入点;
  • 漏型输出:模块输出低电平时,电流从负载流入模块输出点。
     
    适用于 NPN 型传感器 / 执行器,是工业场景最常用的极性类型之一。

32. Source (PNP) - 源型输入 / 输出

工业 I/O 的信号极性类型,核心是电流从 I/O 模块流出至外部设备(PNP 型):
 
  • 源型输入:传感器信号触发时,电流从模块输入点流出至传感器;
  • 源型输出:模块输出高电平时,电流从模块输出点流出至负载。
     
    需与 PNP 型传感器 / 执行器匹配,避免信号冲突。

33. Galvanic Isolation - 电气隔离 / 隔离保护

通过变压器、光耦等元件实现 I/O 模块内部与外部电路的电气隔离,核心作用是阻断地环路干扰、防止过电压 / 过电流损坏模块,同时保护操作人员安全。适用于工业现场电磁干扰严重或高压设备附近的场景。

34. Optical Isolation (Optocoupler) - 光电隔离

采用光耦(Optocoupler)实现的电气隔离方式,核心是通过光信号传递信号(电→光→电),完全隔离输入输出电路的电气连接,抗电磁干扰能力强、响应速度快。广泛应用于数字量 I/O 模块与通信模块。

35. Potential Group - 电位组(馈电组)

I/O 模块的供电分组,核心是将多个 I/O 通道划分为独立供电单元,每个电位组可单独接入电源(如不同电压等级、不同接地方式),避免一个通道故障影响其他通道,同时适配不同类型负载的供电需求。

36. Power Contact - 功率触点

继电器输出模块的高容量触点,核心具备耐受大电流、高电压的能力(如 AC250V/10A),可直接连接大功率负载(如电机接触器线圈、加热器),无需额外中间继电器放大功率。

37. Voltage Drop - 电压降

I/O 模块输出端或接线端子的电压损耗,核心影响负载驱动能力(电压降过大会导致负载无法正常工作)。通常要求模块输出电压降≤0.5V(晶体管输出)或≤1V(继电器输出),是模块选型的重要指标。

38. Short-Circuit Protection - 短路保护

I/O 模块的安全保护功能,核心是当输出通道发生短路时(如导线碰线),快速切断输出电流,防止模块烧毁或引发火灾。保护方式包括熔断丝、电子限流等,故障排除后可自动或手动恢复。

39. Overload Protection - 过载保护

I/O 模块的负载保护功能,核心是当输出负载电流超过模块额定值时,切断输出或限制电流,防止模块因过载损坏。适用于负载电流波动较大的场景(如电机启动电流冲击)。

40. Reverse Polarity Protection - 反接保护

I/O 模块的电源或信号反接保护功能,核心是当电源正负极接反或信号极性接反时,通过二极管、保险丝等元件阻断反向电流,保护模块内部电路不被损坏。是工业现场布线容错的重要设计。

41. Filtering Time (Debounce) - 滤波时间 / 去抖动

I/O 模块的信号处理功能,核心是通过设置滤波时间(如 1ms~100ms)过滤输入信号的高频抖动(如机械开关触点弹跳),确保采集到的信号真实有效。滤波时间越长,抗干扰性越强,但响应速度越慢,需根据场景平衡。

42. Resolution (ADC/DAC) - 采样分辨率(12-bit, 16-bit, 24-bit)

模拟量 I/O 模块的核心精度指标,指 ADC(模拟输入)或 DAC(模拟输出)的位数(如 12-bit、16-bit、24-bit),位数越高,采样 / 输出精度越高(如 12-bit ADC 的最小分辨率为满量程 / 4096)。适用于高精度测量与控制场景(如实验室设备、精密制造)。

43. Sampling Rate - 采样频率

模拟量输入模块的采集速率,指单位时间内对模拟信号的采样次数(如 100Hz、1kHz),采样频率越高,越能捕捉信号的快速变化(如高频振动信号),但数据量越大。适用于动态信号采集(如电机振动监测)。

五、 诊断与维护 (Diagnostics & Maintenance)

44. Wire Break Detection - 断线检测

I/O 模块的故障诊断功能,核心通过监测输入 / 输出通道的电流或电压变化,判断现场导线是否断路(如传感器信号线断裂、执行器接线松动),并上报故障信息(如通过 LED 指示灯、控制器报警)。便于快速定位布线故障,减少维护时间。

45. Fieldside Diagnostics - 现场侧诊断

I/O 模块对现场设备(传感器 / 执行器)的故障诊断功能,核心监测设备的供电状态、信号完整性、负载异常等(如传感器短路、执行器卡滞),并将诊断信息反馈给控制器。适用于智能设备的状态监测与预测性维护。

46. Channel-level Diagnostics - 通道级诊断

I/O 模块的精细化诊断功能,核心是对每个 I/O 通道独立进行故障监测(如短路、断线、过载),而非整体模块诊断,可精准定位故障通道(如 “DI 通道 3 断线”)。提升故障排查效率,减少系统停机范围。

47. Status LED - 状态指示灯(Run, Error, I/O Status)

I/O 模块的可视化状态指示元件,核心通过不同颜色(红、绿、黄)与闪烁方式显示模块运行状态:
 
  • Run(运行灯):模块正常工作时点亮;
  • Error(故障灯):模块或通道故障时点亮 / 闪烁;
  • I/O Status(I/O 状态灯):通道信号通断时点亮。
     
    便于现场人员快速判断模块状态,无需连接电脑查询。

48. Hot-swap (热插拔) - 在带电情况下更换 I/O 模块

I/O 模块的维护便利性功能,核心支持在系统运行(控制器与总线带电)时插拔模块,无需停机即可更换故障模块或扩展通道。减少系统停机时间,提升设备可用性(如生产线 24 小时运行场景)。

49. Cold Junction Compensation (CJC) - 热电偶冷端补偿

热电偶输入模块的温度测量补偿功能,核心是补偿热电偶冷端(与导线连接端)的温度误差(热电偶测量的是温差,冷端温度变化会影响测量精度)。通过模块内置温度传感器测量冷端温度,自动修正测量结果,确保温度测量准确性。

50. Self-test - 自检功能

I/O 模块的启动或运行时自动检测功能,核心通过内部电路检测模块的 CPU、ADC/DAC、通信接口、电源等组件是否正常工作,若发现故障则触发报警。确保模块自身可靠性,避免因模块故障导致系统误动作。

51. Forcing (强制) - 在软件中强制修改 I/O 状态

工业控制软件的调试功能,核心是在软件中手动强制设置 I/O 通道的状态(如强制 DO 通道输出高电平、强制 AI 通道采集固定值),无需改变现场接线即可验证控制逻辑是否正常。适用于系统调试、故障排查(如判断是 I/O 模块故障还是控制逻辑故障)。

六、 I/O 通信与时序 (Communication & Timing)

52. Refresh Rate (Update Time) - I/O 刷新周期

控制器与 I/O 模块之间的数据更新周期,指控制器读取输入映像区、写入输出映像区的时间间隔(如 1ms、10ms)。刷新周期越短,系统实时性越强,适用于高速控制场景(如运动控制、高频计数)。

53. Process Image - 过程映像(PAI/PAO)

控制器内存中用于存储 I/O 数据的缓存区,分为过程输入映像区(PAI,存储输入信号)和过程输出映像区(PAO,存储输出信号)。控制器通过周期性刷新过程映像与 I/O 模块交互数据,而非实时访问物理 I/O,提升控制效率。

54. Synchronous I/O - 同步 I/O(基于 DC 分布式时钟)

基于分布式时钟(如 EtherCAT DC)实现的 I/O 同步功能,核心是所有 I/O 模块在同一时间点采集输入或输出信号,确保多模块、多通道的动作一致性(如多轴运动控制的同步触发)。同步精度可达纳秒级,适用于高精度协同控制场景。

55. Over-sampling (超采样) - 单周期内多次采样的 I/O 技术

模拟量输入模块的采样优化技术,核心是在一个 I/O 刷新周期内对同一信号进行多次采样(如 10 次),通过平均滤波等算法处理采样数据,提升信号稳定性与抗干扰能力。适用于低信噪比信号采集(如微弱传感器信号)。

56. Time-stamping - 时间戳(记录输入信号触发的精确时间)

I/O 模块的事件记录功能,核心是当输入信号触发(如传感器检测到零件)时,记录触发时刻的精确时间(基于系统时钟,如精确到微秒),便于事件追溯与分析(如生产节拍统计、故障事件时序分析)。

57. Input Image / Output Image - 输入映像区 / 输出映像区

过程映像的细分区域:
 
  • 输入映像区:存储 I/O 模块采集的输入信号(如传感器状态),控制器从该区域读取数据用于逻辑运算;
  • 输出映像区:存储控制器逻辑运算后的输出指令,定期写入 I/O 模块驱动执行器。
     
    是控制器与 I/O 模块数据交互的核心缓存。

58. Bit-wise / Byte-wise Access - 位访问 / 字节访问

控制器对过程映像区的访问方式:
 
  • 位访问:单独访问某个 I/O 通道(如 DI 0.0 位、DO 1.2 位),适用于数字量信号;
  • 字节访问:以字节(8 位)为单位访问连续通道(如 AI 0 通道的 16 位数据需 2 字节访问),适用于模拟量信号或批量数字量信号。
     
    提升数据访问的灵活性与效率。

59. Polling (轮询) - 控制器轮询 I/O 状态

控制器与 I/O 模块的通信方式,核心是控制器按固定顺序依次查询每个 I/O 模块的状态与数据,模块被动响应查询。实现简单、可靠性高,适用于 I/O 模块数量少、实时性要求不高的场景。

七、 安全 I/O (Safety I/O/ Failsafe)

60. Safety Digital Input (F-DI) - 安全数字量输入

符合功能安全标准(如 IEC 61508、ISO 13849)的数字量输入模块,核心用于采集安全相关信号(如急停按钮、安全门开关),具备双通道冗余、故障检测功能,确保信号采集的可靠性。适用于 SIL 2/3、PL d/e 等级的安全场景。

61. Safety Digital Output (F-DO) - 安全数字量输出

符合功能安全标准的数字量输出模块,核心用于控制安全相关执行器(如安全接触器、急停继电器),具备双通道输出、短路检测、故障安全状态输出功能(如故障时强制断电)。确保危险工况下设备快速进入安全状态。

62. Dual Channel (1oo2 / 2oo2) - 双通道冗余架构

安全 I/O 模块的核心安全设计,通过两个独立通道采集 / 输出同一信号,确保单一通道故障时系统仍能正常工作:
 
  • 1oo2(1 取 2):任一通道正常即可维持安全功能,容错性强;
  • 2oo2(2 取 2):两个通道均正常才维持安全功能,可靠性高。
     
    是实现高安全等级(如 SIL 3)的关键架构。

63. Test Pulse (测试脉冲) - 用于检测短路或交叉回路的脉冲

安全 I/O 模块的故障检测功能,核心是定期向输出通道发送微弱测试脉冲,检测通道是否存在短路(如两通道交叉短路、对地短路),并在故障时触发安全响应。确保安全通道的完整性,避免故障未被发现。

64. Discrepancy Time (差异时间) - 双通道信号不一致的容忍时间

安全 I/O 模块的参数,核心是允许两个冗余通道的信号不一致的最大时间(如 10ms),超过该时间则判定为通道故障,触发安全状态。平衡安全可靠性与系统稳定性(避免轻微信号波动误触发故障)。

65. Safe State (安全状态) - 发生故障时模块强制进入的状态(通常为 0)

安全 I/O 模块的故障响应状态,核心是当检测到故障(如通道故障、通信中断)时,模块自动将输出强制切换到预设安全状态(如 DO 输出低电平、切断负载电源),防止设备失控引发危险。

66. Yellow Modules - 工业界通用的黄色安全模块识别色

工业安全 I/O 模块的通用视觉标识,核心是采用黄色外壳或黄色标签,便于现场人员快速区分安全模块与普通模块,避免误操作(如误拔安全模块)。是行业通用的安全设计规范。

八、 连接件与布线 (Cabling & Connection)

67. M12 / M8 Connector - 工业圆形连接器

工业现场常用的防水圆形连接器,核心特点是螺纹锁紧、防护等级高(IP67/IP68)、抗振动,分为 M12(12mm 直径,适用于传感器 / 执行器)和 M8(8mm 直径,适用于小型设备),支持 3/4/5/8 芯等规格。广泛应用于户外或恶劣环境的 I/O 接线。

68. RJ45 (Industrial Ethernet) - 工业以太网接头

适用于工业以太网的 RJ45 接头,核心在普通 RJ45 基础上增强防护(如 IP20/IP67)、抗振动、抗电磁干扰,支持 Cat5e/Cat6 网线,用于工业总线(如 Profinet、EtherCAT)的 I/O 模块通信连接。

69. Spring Clamp / Screw Terminal - 弹簧端子 / 螺钉端子

I/O 模块的接线端子类型:
 
  • 弹簧端子:通过弹簧弹力夹紧导线,接线快速、无需工具,抗振动性强,适用于批量布线;
  • 螺钉端子:通过螺钉拧紧固定导线,接触可靠、载流能力强,适用于大功率负载或振动剧烈场景。
     
    是控制柜内 I/O 接线的两种主流方式。

70. Shielding (屏蔽) - 防止电磁干扰 (EMI)

工业电缆的抗干扰设计,核心是在电缆芯线外包裹金属屏蔽层(如编织网、铝箔),接地后可阻挡外部电磁干扰(EMI)侵入,同时防止电缆内部信号向外辐射干扰其他设备。适用于工业现场电磁环境复杂的场景(如变频器附近、高压设备旁)。

71. Twisted Pair (双绞线)

工业通信与信号传输的常用电缆类型,核心是将两根绝缘导线按一定绞距缠绕,利用差分信号原理减少电磁干扰,分为屏蔽双绞线(STP)和非屏蔽双绞线(UTP)。适用于工业总线(如 Modbus、Profinet)与模拟量信号传输。

72. Daisy Chain (菊花链拓扑)

I/O 模块或设备的布线拓扑结构,核心是将多个 I/O 模块或设备依次串联(如 A→B→C→D),仅需首尾两端连接控制器或总线,节省布线成本。适用于设备呈线性分布的场景(如流水线传感器布线),但单点故障可能影响后续设备。

73. D-Sub Connector - 常用于总线接口的 D 型连接器

采用 D 型外壳的矩形连接器,核心特点是结构紧凑、接触可靠,常见规格包括 DB9(9 针)、DB15(15 针),常用于工业总线接口(如 RS232、RS485)、I/O 模块辅助接口(如编程口)。适用于控制柜内设备间的近距离连接。
 

1. CPU Architecture (x86, ARM, RISC-V) - 不同算力平台的架构

工业控制器核心算力载体的架构类型,三类主流架构各有特性:
 
  • x86:复杂指令集(CISC),算力强、兼容性好,支持 Windows/Linux 系统,适用于高精度运动控制、复杂算法运算(如 MPC);
  • ARM:精简指令集(RISC),低功耗、高集成度,适用于边缘计算、小型化控制器(如嵌入式 PLC);
  • RISC-V:开源精简指令集,灵活可扩展、成本低,支持定制化指令集,适配工业场景的差异化需求(如安全控制、专用算法加速)。
     
    核心价值:决定控制器的算力、功耗、扩展性,是 “软件定义控制” 的硬件基础。

2. SoC (System on Chip) - 片上系统

将 CPU、内存控制器、I/O 接口、通信模块、专用加速器(如 FPGA 逻辑)等核心组件集成在单一芯片上的系统级解决方案。核心特点是高集成度、小体积、低功耗,减少板级布线复杂度,提升系统稳定性与抗干扰能力。适用于小型化、高可靠性工业控制器(如嵌入式运动控制器、边缘网关)。

3. FPGA Acceleration (FPGA 加速) - 用于高速 I/O 或预处理的并行计算

基于现场可编程门阵列(FPGA)的硬件加速技术,核心通过并行逻辑电路实现高速数据处理(如 I/O 信号采集、实时滤波、运动轨迹预计算),无需 CPU 干预即可完成高实时性任务。关键优势是 “并行计算 + 低延迟”,适用于高速 I/O 数据预处理(如 1MHz 以上传感器采集)、多轴同步运动控制(如 32 轴以上协同)、复杂算法硬件化(如卡尔曼滤波实时运算)。

4. NVRAM (Non-Volatile RAM) - 非易失性随机访问存储(用于掉电数据保存)

兼具 RAM 高速读写与 ROM 非易失性的存储介质,核心特性是掉电后数据不丢失,无需电池备份即可保存关键参数(如工艺配方、设备配置、故障日志)。相比传统 EEPROM,读写速度更快、寿命更长,适用于工业控制器的掉电数据保护(如生产过程中断后恢复参数)。

5. Fanless Design (无风扇设计) - 工业环境散热标准

通过散热片、外壳传导、自然对流等被动散热方式替代风扇的工业控制器设计方案。核心优势是无机械磨损、防尘防潮、低噪音,适应工业现场恶劣环境(如高温、粉尘、振动场景),提升设备 MTBF(平均无故障时间)。

6. MTBF (Mean Time Between Failures) - 平均无故障时间

衡量控制器硬件可靠性的核心指标,指设备两次故障之间的平均运行时间(单位:小时)。MTBF 越长,设备稳定性越强,是工业控制器选型的关键依据(如连续生产场景要求 MTBF≥10 万小时)。

7. Watchdog Timer (硬件看门狗)

控制器硬件层面的故障自恢复机制,核心通过独立定时器周期性检测 CPU 运行状态:若 CPU 因程序卡死、死循环无法按时复位看门狗,定时器将触发控制器重启或进入安全状态。确保工业控制过程不因软件故障长时间中断,提升系统容错性。

8. Chipset (芯片组)

协调 CPU 与内存、I/O 接口、通信模块等硬件组件的核心控制芯片,核心功能包括总线管理、内存调度、外设接口适配。芯片组性能直接影响控制器的 I/O 扩展能力、数据传输速率(如 PCIe 通道带宽),是硬件架构的 “中枢神经”。

9. PCIe Lane (PCIe 通道) - 控制器内部高速总线

PCI Express(PCIe)接口的传输通道,单通道传输速率随版本升级(如 PCIe 4.0 单通道速率 8GT/s),通道数(x1/x4/x8/x16)决定总带宽。核心用于连接高速外设(如 FPGA 加速卡、工业以太网网卡、SSD),是控制器内部高速数据传输的核心链路。

10. Industrial Grade Memory (工业级内存) - 宽温与抗震特性

针对工业环境优化的内存(DDR 系列)与存储(SSD)产品,核心特性包括宽温工作(-40℃~85℃)、抗震防摔、抗电磁干扰,相比消费级内存更适应恶劣工况。确保控制器在高低温、振动场景下的稳定运行(如户外设备、机床控制器)。

11. TPM (Trusted Platform Module) - 硬件安全模块

集成在控制器主板上的加密芯片,核心功能包括密钥存储、数据加密 / 解密、身份认证、系统完整性校验。通过硬件级安全防护防止恶意篡改控制程序、窃取敏感数据(如工艺参数、安全密钥),符合工业信息安全标准(如 IEC 62443)。

二、 实时系统与虚拟化技术 (RTOS & Virtualization)

12. Hypervisor (Type-1 / Type-2) - 虚拟化层

实现硬件资源虚拟化的核心软件,分为两类架构:
 
  • Type-1(裸金属型):直接运行在硬件上,无宿主操作系统,虚拟化效率高、延迟低(如 Xen、KVM),适用于工业实时控制场景;
  • Type-2(宿主型):运行在宿主操作系统(如 Windows/Linux)上,部署灵活,适用于非实时任务与实时任务混合场景(如监控软件与控制软件协同)。
     
    核心价值:实现 “一台硬件运行多系统”,是中科时代 “软件定义控制” 的核心支撑技术。

13. Hardware Partitioning (硬件分区) - 确保算力硬隔离

通过 Hypervisor 将 CPU 核心、内存、I/O 接口等硬件资源划分为独立分区,每个分区运行独立操作系统(如实时系统 + Linux),分区间资源物理隔离、互不干扰。核心优势是 “硬隔离 + 低延迟”,确保实时控制任务(如运动控制)不受非实时任务(如数据采集)影响,满足工业控制的确定性要求。

14. Real-Time Kernel (实时内核)

实时操作系统(RTOS)的核心组件,核心特性是任务响应时间可预测,支持抢占式调度、优先级管理、中断延迟控制。相比通用操作系统内核,实时内核优化了任务切换、资源同步机制,确保控制指令在规定时间内执行(如微秒级响应),是实时控制的软件基础。

15. Preemption (抢占式调度)

实时内核的任务调度机制,高优先级任务可中断低优先级任务的执行,立即获得 CPU 资源。核心价值是确保紧急任务(如急停信号处理、高速 I/O 响应)优先执行,避免低优先级任务阻塞高优先级任务,保障系统实时性。

16. Interrupt Latency (中断延迟)

从硬件触发中断请求(如传感器信号、定时器溢出)到 CPU 开始执行中断服务程序的时间间隔。工业实时系统要求中断延迟控制在微秒级(如≤10μs),直接影响控制器对外部事件的响应速度(如高速计数、急停处理)。

17. Context Switching (上下文切换)

CPU 从一个任务切换到另一个任务时,保存当前任务状态(寄存器、程序计数器)并加载新任务状态的过程。上下文切换耗时越短,系统实时性越强,实时内核通过优化切换算法(如减少寄存器保存数量)降低切换延迟。

18. Priority Inversion (优先级翻转)

低优先级任务占用高优先级任务所需资源(如共享内存、互斥锁),导致高优先级任务阻塞的异常现象。实时系统通过优先级继承、优先级天花板等机制避免该问题,确保高优先级任务的实时性不受影响。

19. Jitter (时钟抖动) - 衡量控制器稳定性的关键指标

实时任务执行时间的波动范围(如任务理论执行周期 1ms,实际波动 ±0.1ms)。抖动源于 CPU 调度、中断干扰、硬件延迟等,抖动越小,控制器输出越稳定(如运动控制的轨迹精度越高),是衡量控制器性能的核心指标之一。

20. Core Isolation (核隔离) - 将特定 CPU 核心分配给实时任务

通过操作系统配置将 CPU 特定核心单独分配给实时控制任务,禁止其他非实时任务(如后台服务、日志记录)使用该核心。核心价值是避免任务间资源竞争,减少上下文切换与抖动,提升实时任务的确定性(如多轴运动控制任务独占 CPU 核心)。

21. Shared Memory (共享内存通信) - 虚拟化层间的高速数据交换

虚拟化环境中不同分区 / 虚拟机(VM)间的高效通信机制,通过开辟共享内存区域实现数据直接读写,无需数据拷贝或网络传输。传输延迟低(微秒级),适用于实时控制分区与非实时数据处理分区的高速数据交互(如运动控制参数与监控数据共享)。

22. Zero-copy (零拷贝技术)

数据传输过程中避免 CPU 重复拷贝数据的优化技术,通过直接内存访问(DMA)、内存映射等方式,让数据从硬件设备(如网卡、I/O 模块)直接写入目标内存区域,无需经过 CPU 中转。核心优势是减少 CPU 占用率、降低传输延迟,适用于高速 I/O 数据采集、大数据量通信(如工业以太网实时数据传输)。

三、 控制逻辑引擎与运行环境 (Runtime & Logic Engine)

23. Runtime Environment (RTE, 运行时环境) - 如 Codesys Runtime, TwinCAT Runtime

控制器中支撑控制逻辑运行的软件平台,核心功能包括解析执行 PLC 程序、任务调度、I/O 数据交互、通信协议处理,兼容 IEC 61131-3 标准编程语言。常见工业级 RTE 包括 Codesys Runtime(开源兼容)、TwinCAT Runtime(倍福),是软 PLC / 虚拟 PLC 的核心运行载体。

24. SoftPLC (软 PLC)

运行于工业 PC、嵌入式控制器的软件化 PLC 解决方案,通过 RTE 实现传统硬件 PLC 的全部功能(逻辑控制、运动控制、通信),无需专用 PLC 硬件。核心优势是灵活扩展(如添加 AI 算法模块)、成本低、易于集成,是 “软件定义控制” 的核心形态。

25. Virtual PLC (虚拟 PLC)

基于虚拟化技术(如 Hypervisor)部署的 PLC 实例,可在同一硬件上运行多个独立虚拟 PLC,每个实例拥有独立的控制逻辑、I/O 资源与通信接口。适用于多生产线独立控制、柔性制造系统(如同一控制器控制多条差异化生产线)。

26. Interpreter vs. Compiler (解释器与编译器) - 逻辑执行方式

控制逻辑的两种执行机制:
 
  • 解释器:逐行解析并执行 PLC 程序(如 IL、LD),无需编译,调试便捷但执行效率低,适用于简单逻辑或调试场景;
  • 编译器:将 PLC 程序(如 ST、SFC)一次性编译为机器语言,执行效率高、实时性好,适用于复杂逻辑、高速控制场景。
     
    工业级 RTE 通常采用编译器模式,兼顾效率与实时性。

27. Task Scheduling (任务调度) - 循环周期、事件触发、自由运行

RTE 对控制任务的调度方式,支持三类任务类型:
 
  • 循环周期任务:按固定周期执行(如 1ms、10ms),适用于实时控制(如 PID 调节、运动轨迹计算);
  • 事件触发任务:由特定事件(如 I/O 信号上升沿、中断)触发执行,适用于异步操作(如急停处理、报警响应);
  • 自由运行任务:无固定周期,空闲时执行,适用于非实时任务(如日志记录、参数备份)。
     
    核心价值是合理分配 CPU 资源,保障实时任务优先执行。

28. Scan Cycle (扫描周期)

传统 PLC 的核心执行周期,指 “读取输入映像→执行控制逻辑→写入输出映像” 的完整过程耗时。扫描周期越短,系统响应越快,适用于离散控制场景(如流水线逻辑控制),现代软 PLC 通过任务调度替代固定扫描周期,灵活性更高。

29. Process Image (过程映像)

控制器内存中缓存 I/O 数据的区域,分为输入映像区(存储传感器采集数据)与输出映像区(存储控制执行指令)。控制器通过周期性刷新过程映像与物理 I/O 交互,避免实时访问硬件导致的延迟,提升控制效率。

30. Global Variable List (GVL, 全局变量表)

存储控制器全局共享变量的列表,变量可被所有程序组织单元(POU)访问,用于传递跨 POU 的控制参数(如工艺设定值、设备状态)。支持变量属性配置(如保持、持久、常量),是控制逻辑的数据交互核心。

31. POU (Program Organization Unit) - 程序组织单元(Program, Function Block, Function)

IEC 61131-3 标准定义的控制程序组织单元,包括三类核心组件:
 
  • Program(程序):控制逻辑的顶层容器,可调用函数块与函数;
  • Function Block(函数块):带内部状态的可重用模块(如 PID 功能块、运动控制功能块);
  • Function(函数):无内部状态的纯逻辑模块(如数学运算、数据转换函数)。
     
    核心价值是实现控制逻辑的模块化、复用化,降低开发与维护成本。

32. Library (库文件管理)

存储可重用 POU、变量、数据类型的文件(如标准库、自定义库、第三方库),支持导入 / 导出与版本管理。核心价值是沉淀行业标准化逻辑(如机床控制库、机器人运动库),提升开发效率,确保不同项目的逻辑一致性。

33. Retain / Persistent Variables (保持 / 持久变量)

具有数据保持特性的变量:
 
  • Retain 变量:控制器断电后通过电容或 NVRAM 保存数据,上电后恢复(如设备运行状态);
  • Persistent 变量:长期存储在非易失性存储(如 SSD)中,即使控制器恢复出厂设置也不丢失(如工艺配方、校准参数)。
     
    适用于需要长期保存的关键数据。

四、 运动控制内核 (Motion Kernel)

34. Motion Group / Axes Group (轴组)

将多个物理轴或虚轴划分为逻辑组,实现协同运动控制(如同步、插补、电子凸轮)。组内轴共享运动参数(如速度、加速度、加加速度)与轨迹规划,适用于多轴联动场景(如机床 X/Y/Z 轴联动、机器人多关节协同)。

35. Coordinate Systems (ACS, MCS, PCS) - 轴坐标、机械坐标、产品坐标

运动控制的三类核心坐标系:
 
  • ACS(Axis Coordinate System,轴坐标系):单轴自身的物理坐标系(如电机旋转角度、直线轴位移);
  • MCS(Machine Coordinate System,机械坐标系):机床 / 设备的全局坐标系,定义所有轴的物理位置基准;
  • PCS(Product Coordinate System,产品坐标系):基于加工产品的局部坐标系,便于工艺参数编程(如零件加工原点)。
     
    三类坐标系通过坐标变换实现联动,是精准运动控制的基础。

36. Interpolation Engine (插补引擎)

运动控制内核的核心算法模块,根据目标轨迹参数(如起点、终点、速度),实时计算轴的中间位置指令(如线性插补、圆弧插补、样条插补)。插补精度直接决定运动轨迹的平滑度与加工精度(如数控机床的曲面加工质量)。

37. Look-ahead (前瞻缓冲)

插补引擎的优化技术,提前读取后续多段轨迹指令,分析速度、加速度变化趋势,优化加减速曲线。核心价值是避免轨迹突变导致的冲击与抖动(如折线轨迹的速度平滑过渡),提升运动稳定性与加工效率。

38. Velocity Blending (速度平滑过渡)

多段轨迹衔接时的速度优化技术,通过计算衔接点的过渡速度,避免速度突变(如从直线轨迹切换到圆弧轨迹时速度无跳跃)。适用于复杂轨迹加工(如多段折线、曲线组合加工),减少设备振动与零件加工误差。

39. Jerk Limiting (加加速度限制) - S 型曲线控制

通过限制加加速度(加速度的变化率),将运动速度曲线优化为 S 型,避免加速度突变导致的机械冲击与振动。核心价值是保护设备机械结构(如丝杠、导轨),提升运动平稳性,适用于高精度、高速度运动场景(如高速机器人抓取)。

40. Electronic Cam (ECAM, 电子凸轮)

通过软件模拟机械凸轮的运动规律,实现主从轴间的同步联动(如主轴旋转与从轴进给的非线性协同)。相比机械凸轮,电子凸轮可通过参数编程灵活调整运动曲线,无需机械更换,适用于柔性加工场景(如印刷机套准控制、包装机封口协同)。

41. G-Code Interpreter (G 代码解析器)

运动控制内核中解析数控 G 代码(如 G01 直线插补、G02 圆弧插补)的模块,将标准化 G 代码转换为运动控制指令(如轴位置、速度指令)。兼容 ISO 标准 G 代码与自定义扩展代码,是数控机床、加工中心的核心解析组件。

42. Kinematic Transformation (运动学正 / 逆解)

描述多轴机械系统运动关系的数学变换:
 
  • 正解:已知各轴运动参数(如机器人关节角度),计算末端执行器的位置与姿态;
  • 逆解:已知末端执行器的目标位置与姿态,计算各轴的运动参数。
     
    是机器人、多轴机床等复杂运动系统的核心数学基础,直接影响运动控制精度。

43. Compensation Table (补偿表) - 丝杠间隙补偿、节距补偿

存储机械误差补偿参数的表格,通过运动控制内核实时修正机械误差:
 
  • 丝杠间隙补偿:修正丝杠与螺母间的间隙导致的定位误差;
  • 节距补偿:修正丝杠加工误差导致的轴向位移误差。
     
    还可支持温度补偿、负载补偿等,是提升运动控制精度的关键手段。

五、 高级控制理论与算法 (Advanced Control Algorithms)

44. PID Control (Proportional-Integral-Derivative)

工业控制中最常用的闭环控制算法,通过比例(P)、积分(I)、微分(D)三个参数调节:
 
  • P(比例):根据偏差大小调节输出,快速响应偏差;
  • I(积分):消除静态偏差(如系统稳态误差);
  • D(微分):预测偏差变化趋势,抑制振荡。
     
    适用于温度、压力、速度等连续过程控制(如反应釜温度调节、电机转速控制)。

45. Auto-tuning (自动整定)

自动优化 PID 参数的算法,通过向系统施加测试信号(如阶跃信号),分析系统响应曲线(如超调量、调节时间),自动计算最优 PID 参数。核心价值是简化 PID 参数调试,降低人工操作难度,适用于复杂或非线性系统。

46. Feed-forward (前馈控制)

基于系统模型的预判补偿算法,根据输入指令的变化趋势(如目标速度、加速度)提前输出控制量,抵消系统滞后与负载扰动。与 PID 反馈控制结合,可减少跟随误差(如运动控制的轨迹偏差),提升系统响应速度。

47. Cascade Control (串级控制)

由主控制器与副控制器组成的双层闭环控制结构:主控制器根据系统总偏差输出设定值,副控制器根据该设定值与副变量(如中间过程参数)的偏差调节执行器。适用于大滞后、多扰动系统(如锅炉温度 - 压力串级控制、精馏塔液位 - 流量串级控制)。

48. MPC (Model Predictive Control) - 模型预测控制

基于系统数学模型的先进闭环控制算法,核心通过预测模型计算未来一段时间内的系统输出,优化控制序列使输出跟踪目标值,同时满足约束条件(如执行器行程限制)。适用于多变量、强耦合、有约束的复杂系统(如化工流程控制、多轴协同控制)。

49. Fuzzy Logic Control (模糊控制)

基于模糊数学的智能控制算法,无需精确系统模型,通过模糊规则(如 “温度偏高则加大冷却量”)处理模糊信息。适用于非线性、不确定性系统(如水泥窑温度控制、洗衣机水位控制),鲁棒性强、易于工程实现。

50. State-Space Model (状态空间模型)

用状态方程与输出方程描述系统动态特性的数学模型,将系统内部状态与输入、输出关联。适用于多变量、高阶系统的分析与控制(如 MPC、最优控制),是现代控制理论的基础。

51. Kalman Filter (卡尔曼滤波) - 用于传感器信号融合

基于概率统计的最优估计算法,核心通过系统模型预测状态,结合传感器测量值修正预测误差,实现噪声环境下的精准状态估计。适用于传感器信号融合(如 GPS 与 IMU 数据融合)、动态系统状态观测(如电机转速与负载估计)。

52. Path Planning (路径规划)

在约束条件(如障碍物、运动极限)下,为移动设备(如 AGV、机器人)寻找从起点到终点的最优路径(如最短距离、最短时间)。核心算法包括 A*、D*、RRT 等,适用于移动机器人导航、自动化物流搬运。

53. Dead-beat Control (无差拍控制)

一类快速响应的闭环控制算法,核心是设计控制律使系统在有限采样周期内达到稳态,且无静态误差。响应速度快、控制精度高,适用于离散时间系统(如数字伺服控制、电力电子变流控制)。

六、 安全与冗余控制 (Safety & Redundancy)

54. Redundant Controller (冗余控制器)

通过部署两台或多台控制器实现故障备份的系统,核心分为热备、冷备、温备模式,当主控制器故障时,备用控制器自动接管控制任务,确保系统不中断。适用于高可用性场景(如连续生产的化工装置、核电控制系统)。

55. Dual-core Lockstep (双核锁步) - 硬件级冗余校验

控制器 CPU 的硬件冗余技术,通过两颗完全相同的 CPU 核心同步执行相同指令,实时对比执行结果:若结果不一致,判定为故障并触发安全响应(如系统停机)。核心优势是硬件级故障检测,响应速度快,适用于 SIL 3/4 高安全等级场景。

56. Voting Logic (表决逻辑) - 2oo3 (三选二) 架构

多冗余系统的故障决策逻辑,常见 “2oo3(三选二)” 架构:三台控制器独立运行,输出结果需至少两台一致才生效,单台控制器故障不影响系统运行。核心价值是提升系统容错性,降低误触发概率,适用于高安全等级场景(如航空航天控制、轨道交通信号)。

57. Hot Standby (热备)

冗余控制器的工作模式,主控制器与备用控制器同时运行,备用控制器实时同步主控制器的运行状态(如变量数据、任务进度),主控制器故障时,备用控制器无延迟切换接管,系统运行不中断。切换时间通常在毫秒级,适用于对连续性要求极高的场景。

58. Fail-over Time (切换时间)

冗余系统中从主控制器故障到备用控制器完全接管控制任务的时间间隔。切换时间越短,系统中断影响越小,工业高可靠系统要求切换时间≤10ms(如运动控制冗余、实时数据采集冗余)。

59. Self-diagnostics (自诊断)

控制器实时检测自身硬件(如 CPU、内存、I/O 模块)与软件(如控制程序、通信协议)状态的功能,发现故障后立即上报(如报警提示、日志记录)并触发安全响应(如切换冗余、系统停机)。是提升系统可靠性的关键功能。

60. Black Channel (黑通道) - 安全协议传输机制

安全通信中的传输机制,指安全相关数据通过非安全认证的通信通道(如普通以太网)传输,安全完整性由上层安全协议(如 FSoE、Profinet Safety)保障,无需对通道本身进行安全改造。核心价值是降低安全系统部署成本,兼容现有通信网络。

61. F-CPU (Failsafe CPU) - 安全控制器

符合功能安全标准(如 IEC 61508、ISO 13849)的专用控制器,核心具备硬件冗余、故障检测、安全状态输出功能,可执行安全相关控制逻辑(如急停、安全门监控)。适用于需要满足 SIL 1-4 安全等级的工业场景。

62. Safety Integrity Level (SIL1-4) - 安全完整性等级

IEC 61508 标准定义的安全系统性能等级,分为 SIL 1(最低)至 SIL 4(最高),等级越高,系统故障时的安全保障能力越强。不同工业场景对 SIL 等级有明确要求(如普通机械 SIL 1-2,核电、航空 SIL 3-4)。

63. Edge Gateway (边缘网关)

部署在工业现场的边缘计算设备,核心功能包括协议转换(如 OPC UA 转 MQTT)、数据预处理(如过滤、聚合)、边缘计算(如本地 AI 推理)、云边通信。是连接工业控制器(OT 层)与云平台(IT 层)的核心枢纽,实现 OT/IT 融合。

64. OPC UA Server / Client

基于 OPC UA 协议的通信角色:
  • OPC UA Server:控制器或边缘设备作为服务器,提供工业数据(如 I/O 状态、工艺参数)的访问接口;
  • OPC UA Client:上位机、云平台作为客户端,通过接口读取 / 写入服务器数据。OPC UA 是工业通信的标准协议,支持跨平台、安全加密,是 OT/IT 数据交互的核心方式。

65. MQTT Broker / Client

基于 MQTT 协议的物联网通信角色:
  • MQTT Broker:消息代理服务器,负责接收、转发客户端消息;
  • MQTT Client:控制器、云平台作为客户端,通过 Broker 实现消息发布 / 订阅(如控制器上传设备状态、云平台下发控制指令)。
     
    MQTT 协议轻量、低带宽,适用于控制器与云平台的远程通信(如物联网终端接入)。

66. Restful API - 用于 Web 与控制器交互

基于 REST 架构的应用程序接口,通过 HTTP 协议(GET/POST/PUT/DELETE)实现 Web 应用与控制器的数据交互(如查询设备状态、修改工艺参数)。接口简洁、跨平台兼容,适用于 Web HMI、移动终端远程监控与控制。

67. Docker Containerization (容器化控制)

将控制软件、依赖库、配置文件封装为 Docker 容器的部署方式,核心优势是环境隔离、快速部署、版本管理便捷,可在不同硬件平台上快速迁移。适用于工业控制软件的标准化部署与升级(如边缘控制器的多应用协同)。

68. Web-based HMI (内置 Web 服务器)

控制器内置 Web 服务器,通过浏览器访问控制器的 HMI 界面,实现设备监控、参数配置、故障查询等功能,无需安装专用客户端软件。核心优势是跨设备访问(如 PC、平板、手机)、部署便捷,适用于远程维护与监控。

69. TSN Endpoint (TSN 终端)

支持时间敏感网络(TSN)协议的控制器通信接口,核心特性是时间同步(如 IEEE 802.1AS)、流量调度(如 IEEE 802.1Qbv),确保工业控制数据(如运动控制指令)的低延迟、低抖动传输。是工业以太网实时通信的未来方向,支持 OT/IT 网络统一部署。

70. Microservices in Control (控制微服务)

将控制功能拆分为独立的微服务(如逻辑控制服务、运动控制服务、数据采集服务),每个服务独立部署、运行与升级,通过标准化接口协同工作。核心优势是灵活扩展、故障隔离,适用于复杂工业控制系统的模块化设计(如智能工厂的分布式控制)。

71. Database Integration (内置 SQL/NoSQL 接口)

控制器内置 SQL(如 MySQL)或 NoSQL(如 InfluxDB)数据库访问接口,可直接读写数据库数据(如存储生产日志、工艺配方、故障记录)。核心价值是实现控制数据的本地化存储与管理,支持与 MES、ERP 等信息化系统的数据同步。
 

七、工业通信协议与冗余规范(Industrial Communication Protocols and Redundancy Specifications)

1 Profinet RT (Real Time)

Profinet 协议的实时通信模式,基于以太网的软实时技术,通过优化报文结构、优先级调度(IEEE 802.1p)实现毫秒级通信周期,适用于工厂自动化的离散控制场景(如 PLC 与远程 I/O、变频器的通信),满足大部分工业控制的实时性需求。

2 Profinet IRT (Isochronous Real Time)

Profinet 协议的等时实时通信模式,通过硬件时间戳 + 带宽预留技术,实现微秒级同步精度(±1μs),支持运动控制的多轴协同(如数控机床、机器人),是高精度同步控制的核心协议。

3 GSDML (General Station Description Markup Language)

基于 XML 格式的 Profinet 设备描述文件,包含设备型号、通信参数、I/O 通道配置、诊断信息等内容。组态软件通过读取 GSDML 文件自动识别设备,实现 “即插即用”,简化系统集成。

4 DCP (Discovery and Configuration Protocol)

Profinet 设备的自动发现与配置协议,无需手动设置 IP 地址,主站可通过 DCP 自动扫描网络中的 Profinet 设备,分配设备名称与 IP 地址,提升网络部署效率。

5 GSD File (通用站描述文件)

Profinet 早期的设备描述文件格式(文本格式),功能与 GSDML 类似,用于定义设备的通信能力与 I/O 映射关系,现已逐步被 GSDML(XML 格式)取代。

6 Conformance Class (A, B, C)

Profinet 设备的兼容性等级,划分设备的通信能力:
  • Class A:基础通信,支持非实时数据交换;
  • Class B:支持 RT 实时通信,适用于离散控制;
  • Class C:支持 IRT 等时实时通信,适用于运动控制。

7 MRP (Media Redundancy Protocol)

Profinet 网络的介质冗余协议,支持环形拓扑结构,当网络链路发生故障时,可在200ms 内切换到备用链路,确保通信不中断,提升网络可靠性。

8 Device Name (设备名称分配)

Profinet 设备的唯一标识(如 “PLC_Line1”),由 DCP 协议分配,用于区分网络中的不同设备,避免 IP 地址冲突,是 Profinet 网络通信的基础。

9 Profinet 设备的智能通信模式,允许设备同时作为主站和从站,实现不同 Profinet 子网间的数据交互(如生产线间的设备协同),无需额外网关。

10 CIP (Common Industrial Protocol)

EtherNet/IP 的核心通信协议,全称为通用工业协议,融合控制、通信、信息管理功能,支持离散控制、运动控制、过程控制等多种工业场景,是 EtherNet/IP 协议的 “灵魂”。

11 EDS (Electronic Data Sheet)

EtherNet/IP 设备的电子数据手册,包含设备型号、通信参数、I/O 数据格式等信息,组态软件通过 EDS 文件识别设备,实现设备的快速组态。

12 Scanner (扫描器 / 主站)

EtherNet/IP 网络的主站设备,负责发起通信、扫描从站设备、交换 I/O 数据,通常由 PLC、PAC 等控制器担任。

13 Adapter (适配器 / 从站)

EtherNet/IP 网络的从站设备,负责响应主站的通信请求,上传传感器数据或接收控制指令,通常由 I/O 模块、变频器、伺服驱动器等设备担任。

14 RPI (Requested Packet Interval)

EtherNet/IP 主站向从站请求数据的周期,即 I/O 数据的刷新周期,可根据应用场景灵活设置(如 ms 级用于实时控制,s 级用于非实时监控)。

15 Explicit Messaging (显式报文)

EtherNet/IP 的非周期性通信报文,基于 TCP 协议,用于设备参数配置、故障诊断、程序下载等,数据传输可靠但实时性较低。

16 Implicit Messaging (隐式报文 / I/O 报文)

EtherNet/IP 的周期性通信报文,基于 UDP 协议,用于实时 I/O 数据交换,数据传输速度快、延迟低,是工业控制的核心通信方式。

17 CIP Motion

基于 CIP 协议的运动控制扩展,支持多轴同步、电子凸轮、电子齿轮等功能,实现高精度运动控制(如机器人、数控机床),是 EtherNet/IP 运动控制的标准。

18 CIP Safety

基于 CIP 协议的功能安全扩展,符合 IEC 61508 标准,支持安全相关数据的实时传输(如急停信号、安全门开关),适用于 SIL 3/PL e 等级的安全场景。

19 DLR (Device Level Ring)

EtherNet/IP 网络的设备级环网冗余协议,支持环形拓扑,链路故障时切换时间小于 5ms,比 MRP 更快,适用于对实时性要求极高的场景。

20 Modbus RTU

Modbus 协议的串行通信版本,基于 RS-485/RS-232 物理层,采用二进制数据格式,传输效率高、抗干扰性强,适用于短距离、小数据量的工业通信(如 PLC 与传感器的通信)。

21 Modbus TCP

Modbus 协议的以太网通信版本,基于 TCP/IP 协议,采用以太网作为物理层,支持长距离通信、多主站访问,是工业以太网中应用最广泛的开源协议。

22 Modbus ASCII

Modbus 协议的串行通信版本,采用 ASCII 字符格式传输数据,可读性强但传输效率低,适用于需要人工调试的场景,现已逐步被 Modbus RTU 取代。

23 Function Code (功能码)

Modbus 协议的核心指令,用于定义数据的读写操作,如01H 读取线圈状态、03H 读取保持寄存器、06H 写入单个寄存器,不同功能码对应不同的操作类型。

24 Coil (线圈) / Discrete Input (离散输入)

Modbus 协议的数字量数据类型:
  • Coil(线圈):可读写的数字量输出,对应 DO 通道(如电磁阀、继电器);
  • Discrete Input(离散输入):只读的数字量输入,对应 DI 通道(如按钮、接近开关)。

25 Holding Register (保持寄存器) / Input Register (输入寄存器)

Modbus 协议的模拟量数据类型:
  • Holding Register(保持寄存器):可读写的 16 位数据,对应 AO 通道或工艺参数(如变频器频率设定);
  • Input Register(输入寄存器):只读的 16 位数据,对应 AI 通道(如温度、压力传感器数据)。

26 Slave ID (从站地址)

Modbus 网络中从站设备的唯一标识(1-247),主站通过 Slave ID 区分不同的从站设备,实现点对点通信。

27 CRC Check (循环冗余校验)

Modbus RTU 协议的差错校验方式,通过计算报文的 CRC 值,检测数据传输过程中的错误,确保通信可靠性。

28 OD (Object Dictionary - 对象字典)

CANopen 协议的核心数据结构,是设备的 “数据手册”,包含设备的所有参数(如通信参数、控制参数、状态参数),主站通过访问对象字典实现对从站的控制与监控。

29 PDO (Process Data Object - TPDO/RPDO)

CANopen 协议的过程数据对象,用于周期性实时数据交换:
  • TPDO(发送 PDO):从站向主站发送数据(如传感器数据);
  • RPDO(接收 PDO):主站向从站发送数据(如控制指令)。

30 SDO (Service Data Object)

CANopen 协议的服务数据对象,用于非周期性数据交换,如设备参数配置、对象字典访问,数据传输可靠但实时性较低。

31 NMT (Network Management - 网络管理)

CANopen 协议的网络管理服务,负责设备的启动、停止、故障复位等,主站通过 NMT 报文控制整个 CANopen 网络的运行状态。

32 LSS (Layer Setting Services)

CANopen 协议的层设置服务,用于设备的地址分配、波特率配置,支持在网络运行时动态修改设备参数,简化网络部署。

33 Heartbeat (心跳报文)

CANopen 设备的状态监测报文,设备周期性发送心跳报文,主站通过检测心跳报文判断设备是否在线,若超时则判定为设备故障。

34 Node Guarding (节点保护)

CANopen 协议的节点监测机制,主站周期性向从站发送查询报文,从站回复状态报文,主站通过节点保护实现对从站的实时监控,与心跳报文功能类似。

35 SYNC (同步帧)

CANopen 协议的同步报文,主站发送 SYNC 帧触发所有从站同时传输 PDO 数据,实现多设备的同步运行,适用于运动控制的多轴协同。

36 Emergency Object (EMCY - 紧急报文)

CANopen 设备的故障报警报文,当设备发生故障时(如过载、短路),立即发送 EMCY 报文上报故障信息,主站接收后触发相应的安全响应。

八. 基础网络硬件

1 Gateway (网关)

连接不同通信协议网络的设备,实现协议转换(如 Profinet 转 Modbus、EtherNet/IP 转 CANopen),是工业网络异构集成的核心设备。

2 Bridge (网桥)

连接两个同类型局域网的设备,实现数据帧的转发,扩大网络覆盖范围,适用于相同协议的子网互联。

3 Repeater (中继器)

延长网络传输距离的设备,通过放大信号补偿传输损耗,适用于串行通信(如 RS-485)或以太网的长距离传输。

4 Managed Switch (网管型交换机)

具备网络管理功能的工业以太网交换机,支持 VLAN 划分、QoS 优先级调度、链路冗余(如 MRP、DLR),可监控网络状态、诊断网络故障,适用于复杂工业以太网。

5 Unmanaged Switch (非网管型交换机)

无网络管理功能的工业以太网交换机,即插即用、成本低,适用于简单的星型拓扑网络(如小型生产线的设备互联)。

6 VLAN (Virtual Local Area Network)

虚拟局域网技术,将物理上的一个局域网划分为多个逻辑上的子网,子网间数据隔离,提升网络安全性与带宽利用率,适用于大型工业网络的分段管理。

7 MAC Address (MAC 地址)

网络设备的物理地址,全球唯一,用于标识网络中的设备,是以太网数据帧传输的基础。

8 IP Address / Subnet Mask (IP 地址 / 子网掩码)

  • IP 地址:设备在 TCP/IP 网络中的逻辑地址,用于设备间的通信寻址;
  • 子网掩码:用于划分 IP 地址的网络位与主机位,确定设备所在的子网,实现子网内通信与子网间路由。

9 Position Loop (位置环)

伺服系统的最外环控制,以电机编码器的位置反馈为输入,与目标位置比较计算位置偏差,输出速度指令给速度环,核心目标是实现精准定位(如机床工作台定位)。

10 Velocity Loop (速度环)

伺服系统的中间环控制,以电机编码器的速度反馈为输入,与位置环输出的速度指令比较计算速度偏差,输出电流指令给电流环,核心目标是实现速度稳定(如电机恒速运行)。

11 Current Loop / Torque Loop (电流环 / 力矩环)

伺服系统的最内环控制,以电机定子电流为反馈,与速度环输出的电流指令比较计算电流偏差,输出 PWM 信号驱动电机,核心目标是实现扭矩快速响应(如负载突变时的扭矩补偿)。

12 Bandwidth (带宽)

伺服系统的频率响应能力,指系统能够跟踪的最高输入信号频率,带宽越高,系统响应速度越快、动态性能越好,适用于高速高精度运动控制(如高速加工中心)。

13 Gain Margin / Phase Margin (增益裕度 / 相位裕度)

伺服系统稳定性的衡量指标:
  • 增益裕度:系统达到临界稳定时的增益与当前增益的比值,越大表示系统稳定性越强;
  • 相位裕度:系统达到临界稳定时的相位差与当前相位差的差值,越大表示系统抗干扰能力越强。

14 Bode Plot (波特图)

伺服系统频率响应的可视化图表,横坐标为频率,纵坐标为增益(dB)和相位(°),用于分析系统的带宽、稳定性,指导伺服参数调试(如增益调整)。

15 Notch Filter (陷波滤波器)

伺服系统的振动抑制滤波器,可精准衰减特定频率的信号(如机械共振频率),避免系统发生共振,适用于刚性较低的机械系统(如长悬臂机床)。

16 Low Pass Filter (低通滤波器)

伺服系统的噪声抑制滤波器,衰减高频信号,保留低频信号,用于过滤编码器反馈的高频噪声,提升系统稳定性。

17 Vibration Suppression (振动抑制)

通过软件算法(如陷波滤波、前馈控制)或硬件优化,抑制机械系统的振动(如定位后的残余振动),提升运动平稳性与加工精度。

18 Inertia Ratio (惯量比)

负载惯量与电机转子惯量的比值,是伺服参数调试的核心指标,惯量比过大易导致系统振荡,需通过调整增益或加装减速器降低惯量比。

19 Load Inertia (负载惯量)

伺服系统中负载的转动惯量,是影响伺服系统动态性能的关键因素,负载惯量越大,系统响应越慢,需要更大扭矩的电机驱动。

20 Cogging Torque (齿槽转矩)

永磁同步电机的固有转矩波动,由定子齿槽与转子永磁体的相互作用产生,会导致电机低速运行时的抖动,可通过优化电机设计或软件补偿抑制。

21 S-Curve Profile (S 型曲线 / 加加速度控制)

运动轨迹的速度规划方式,通过限制加加速度(Jerk),使速度曲线呈 S 型,避免加速度突变导致的机械冲击与振动,适用于高精度、高平稳性的运动控制(如机器人搬运、精密装配)。

22 T-Curve / Trapezoidal Profile (梯形曲线)

运动轨迹的速度规划方式,速度曲线呈梯形,分为加速、匀速、减速三个阶段,规划简单、运算量小,但加速度突变易产生振动,适用于对平稳性要求不高的场景(如送料机构)。

23 Spline Interpolation (样条插补 - B-Spline, NURBS)

复杂曲线轨迹的插补算法:
 
  • B 样条插补:通过控制点拟合光滑曲线,局部修改不影响整体曲线,适用于自由曲面加工;
  • NURBS 插补:非均匀有理 B 样条插补,可精确拟合二次曲线(如圆、椭圆),适用于高精度模具加工。

24 PVT Mode (Position-Velocity-Time)

运动控制的轨迹模式,通过指定轨迹的关键点位置(P)、速度(V)、时间(T),生成平滑的运动轨迹,适用于复杂轨迹的精准控制(如机器人路径规划)。

25 PT Mode (Position-Time)

运动控制的轨迹模式,通过指定轨迹的关键点位置(P)与时间(T),生成运动轨迹,无需指定速度,适用于简单的点位控制(如机床换刀)。

26 Continuous Path (CP - 连续路径)

运动控制的轨迹模式,多段轨迹无缝衔接,速度平滑过渡,适用于连续加工场景(如模具的曲面加工)。

27 Point-to-Point (PTP - 点对点)

运动控制的轨迹模式,仅关注起点与终点的位置,不关注中间轨迹,适用于点位定位场景(如机床工作台的快速移动)。

28 Blending (轨迹融合 / 平滑过渡)

多段轨迹衔接处的速度优化技术,通过计算衔接点的过渡速度,实现轨迹间的平滑切换,避免速度突变导致的冲击,适用于复杂轨迹加工。

29 Look-ahead (前瞻控制)

插补引擎的核心优化技术,提前读取后续多段轨迹指令,分析速度、加速度变化趋势,优化加减速曲线,规划最优运动轨迹。可避免高速加工时的过冲与振荡,平衡加工速度与精度,是高端数控机床的核心功能。

30 Forward Kinematics (正运动学)

已知机器人各关节的角度 / 位移,通过运动学模型计算末端执行器(TCP)的位置与姿态,是机器人运动控制的基础(如关节角度指令转换为 TCP 位置)。

31 Inverse Kinematics (逆运动学)

已知机器人末端执行器(TCP)的目标位置与姿态,通过运动学模型计算各关节的角度 / 位移,是机器人路径规划的核心(如 TCP 轨迹转换为关节运动指令)。

32 Jacobian Matrix (雅可比矩阵)

描述机器人关节速度与末端执行器速度之间映射关系的矩阵,用于机器人的速度控制、力控制、奇异点分析,是机器人高级控制的数学基础。

33 DH Parameters (Denavit-Hartenberg 参数)

机器人连杆坐标系的标准化建模参数,包括连杆长度、连杆扭角、关节偏移、关节角度,通过 DH 参数可建立机器人的运动学模型,适用于各类串联机器人的建模。

34 Singularity (奇异点)

机器人运动学模型中的特殊位置,此时雅可比矩阵不可逆,机器人失去一个或多个自由度,无法沿某些方向运动,需通过路径规划避开奇异点(如六轴机器人的腕部奇异点)。

35 TCP (Tool Center Point - 工具中心点)

机器人末端执行器的参考点(如焊枪的喷嘴、夹爪的中心),是机器人运动控制的目标点,TCP 标定是机器人精准作业的前提(如焊接、搬运)。

36 User Coordinate System (用户坐标系)

基于工件或工作台建立的局部坐标系,方便操作人员以工件为基准编程,无需关注机器人的基坐标系位置,适用于柔性生产场景(如多品种工件的切换加工)。

37 Joint Coordinate System (关节坐标系)

以机器人各关节为基准建立的坐标系,每个关节对应一个坐标轴,适用于机器人的关节运动控制(如关节回零、单轴调试)。

38 Collision Detection (碰撞检测)

通过传感器(如力传感器、视觉传感器)或运动学模型,检测机器人与周围环境(如工件、夹具)是否发生碰撞,避免设备损坏,是机器人安全运行的核心功能。

39 Drag & Teach (拖拽示教)

机器人的便捷编程方式,操作人员手动拖拽机器人末端执行器沿目标轨迹运动,机器人自动记录轨迹点,生成运动程序,无需复杂的代码编程,适用于小批量、多品种的生产场景。

40 PID Tuning (PID 整定)

调整 PID 控制器的比例(P)、积分(I)、微分(D)参数,使系统达到最优控制效果(如超调量小、调节时间短),是过程控制的核心调试工作。

41 Ziegler-Nichols Method (齐格勒 - 尼科尔斯法)

经典的 PID 参数整定方法,通过测试系统的阶跃响应曲线,计算 PID 参数的经验值,适用于无自平衡能力的系统(如液位控制、温度控制)。

42 Dead Zone (死区)

控制器的输入信号阈值,当输入信号的偏差小于死区时,控制器无输出,用于避免执行器的频繁动作(如阀门的小幅开关),延长设备寿命。

43 Hysteresis (滞后 / 回差)

控制系统的输出滞后于输入的现象,分为纯滞后(如物料传输延迟)和容量滞后(如容器的温度变化延迟),是过程控制的难点,需通过前馈控制或 Smith 预估器补偿。

44 Integral Windup (积分饱和)

PID 控制器的积分环节饱和现象,当系统存在大偏差或执行器达到极限位置时,积分环节持续累积误差,导致控制器输出饱和,系统超调量增大,可通过积分分离、限幅等方法抑制。

45 Cascade Control (串级控制)

双层闭环控制结构,主控制器的输出作为副控制器的设定值,副控制器控制执行器,适用于大滞后、多扰动的系统(如锅炉的温度 - 流量串级控制),提升系统抗干扰能力。

46 Ratio Control (比值控制)

保持两个或多个变量的比值恒定的控制方式,适用于需要按比例混合物料的场景(如化工生产中的原料配比、燃料与空气的配比)。

47 Split-range Control (分程控制)

一个控制器的输出信号分段控制多个执行器,适用于大范围调节的场景(如液位控制中,低液位时控制泵的转速,高液位时控制阀门的开度)。

48 4-20mA (电流环)

工业标准的模拟量信号传输方式,以 4mA 为零点(对应量程下限),20mA 为满量程(对应量程上限),抗干扰能力强、传输距离远,适用于温度、压力、流量等参数的传输。

49 0-10V / 1-5V

工业标准的模拟量电压信号,0-10V 适用于短距离传输,1-5V 通过偏移零点避免信号零点漂移,适用于精度要求较高的场景。

50 HART Protocol

可寻址远程传感器高速通道协议,在 4-20mA 模拟信号上叠加数字信号,实现 “模拟量传输 + 数字量通信”,支持传感器参数配置、故障诊断,是智能仪表的标准协议。

51 Namur Sensor

符合 NAMUR 标准的传感器,输出信号为 1-5V 或 4-20mA,具备故障诊断功能(如短路时输出 <1.2V,断路时输出> 3.8V),适用于危险环境的过程控制。

52 Transmitter (变送器)

将传感器的物理信号(如温度、压力)转换为标准工业信号(如 4-20mA、0-10V)的设备,具备信号放大、线性化、温度补偿等功能,是过程控制的核心仪表。

53 Positioner (定位器)

气动执行器的控制装置,接收控制器的电信号(如 4-20mA),转换为气压信号控制阀门开度,具备定位精准、响应快速的特点,适用于调节阀的控制。

54 Actuator (执行机构 - 气动 / 电动)

执行控制器指令的设备,分为气动执行机构(以压缩空气为动力,成本低、安全防爆)和电动执行机构(以电机为动力,控制精度高),用于控制阀门、挡板等设备的开度。

55 EMI (Electromagnetic Interference - 电磁干扰)

设备或系统产生的电磁信号对其他设备或系统造成的干扰,分为传导干扰(通过电源线、信号线传输)和辐射干扰(通过空间电磁波传播)。

56 EMS (Electromagnetic Susceptibility - 电磁抗扰度)

设备或系统抵抗外界电磁干扰的能力,EMS 越强,设备在复杂电磁环境下的运行稳定性越高,是工业设备的核心指标。

57 ESD (Electrostatic Discharge - 静电放电)

静电电荷的快速释放,会损坏电子元器件(如芯片),工业设备需通过静电防护设计(如接地、静电屏蔽)提升 ESD 抗扰度。

58 Surge (浪涌)

电网中瞬间出现的高电压、大电流脉冲(如雷击、开关操作),会损坏设备的电源模块,工业设备需通过浪涌保护器(SPD)抑制浪涌冲击。

59 Burst / EFT (电快速瞬变脉冲群)

电网中出现的高频脉冲群,会干扰设备的控制电路,工业设备需通过滤波电路、接地设计提升 EFT 抗扰度。

60 Conducted Emission (传导发射)

设备通过电源线、信号线向电网或其他设备发射的电磁干扰,需通过滤波器、屏蔽电缆抑制传导发射,符合 EMC 标准。

61 Radiated Emission (辐射发射)

设备通过空间向外界发射的电磁干扰,需通过金属外壳屏蔽、接地设计抑制辐射发射,符合 EMC 标准。

62 Ferrite Core (磁环 / 铁氧体)

抑制高频电磁干扰的元件,套在电源线或信号线上,可衰减高频干扰信号,成本低、使用方便,是工业设备电磁兼容设计的常用元件。

63 PE (Protective Earth - 保护地)

设备的安全接地,将设备的金属外壳接地,防止设备漏电时操作人员触电,是工业电气安全的基础。

64 FE (Functional Earth - 功能地 / 信号地)

设备的信号接地,为控制电路提供稳定的参考电位,减少信号干扰,提升控制精度,需与保护地分开布线,避免地环路干扰。

65 Ground Loop (地环路)

多个设备的接地端通过地线形成的闭合回路,会产生感应电流,干扰信号传输,可通过隔离变压器、光电耦合器消除地环路。

66 Star Grounding (星形接地)

将设备的所有接地端连接到一个公共接地点,避免地环路干扰,是工业控制电路的标准接地方式。

67 Shielding (屏蔽层)

电缆或设备的金属屏蔽结构,用于阻挡电磁干扰,屏蔽层需单端或双端接地,才能发挥屏蔽效果。

68 SMPS (Switch Mode Power Supply - 开关电源)

工业设备的常用电源,通过高频开关变换实现电压转换,具备体积小、效率高、稳压范围宽的特点,适用于工业控制设备的供电。

69 UPS (Uninterruptible Power Supply - 不间断电源)

具备储能功能的电源设备,当电网断电时,可无缝切换到电池供电,保障设备持续运行,适用于对供电连续性要求高的场景(如 PLC、服务器)。

70 Regenerative Unit (回馈单元)

伺服系统的能量回收设备,将电机制动时产生的再生电能回馈到电网,避免电能浪费,适用于频繁制动的场景(如电梯、起重机)。

71 Braking Resistor (制动电阻)

伺服系统的能耗制动设备,将电机制动时产生的再生电能转化为热能消耗掉,成本低、使用方便,适用于中小功率伺服系统。

72 Defense in Depth (纵深防御)

工业信息安全的防护策略,通过多层防护措施(如物理隔离、防火墙、访问控制、数据加密)构建安全防护体系,即使某一层防护失效,其他层仍能保障系统安全。

73 Zero Trust (零信任)

工业信息安全的访问控制策略,核心是 “永不信任,始终验证”,无论用户或设备是否在内部网络,都需进行身份认证与权限验证,适用于 OT/IT 融合的工业网络。

74 Air Gap (物理隔离)

工业控制系统与外部网络的物理断开,是最高级别的安全防护措施,适用于对安全性要求极高的场景(如核电、军工控制系统)。

75 DMZ (Demilitarized Zone - 隔离区)

工业网络与外部网络之间的缓冲区,部署防火墙、入侵检测系统等安全设备,对进出数据进行过滤,保护内部网络的安全。

76 Data Diode (单向网闸)

实现数据单向传输的安全设备,只允许数据从 OT 网络传输到 IT 网络,禁止反向传输,防止外部网络的攻击渗透到 OT 网络。

77 Firewall (防火墙 - 工业级)

工业网络的安全防护设备,分为包过滤防火墙(基于 IP 地址、端口过滤数据)和应用层防火墙(基于协议、内容过滤数据),用于隔离不同安全等级的网络。

78 VPN (Virtual Private Network)

虚拟专用网络,通过加密技术在公共网络上建立安全的专用通道,实现远程设备的安全访问(如工程师远程调试 PLC)。

九、 标准与威胁

1 IEC 62443

工业自动化和控制系统的信息安全标准,定义了工业控制系统的安全要求、安全等级、防护措施,是工业信息安全的国际标准。

2 ISO 27001

信息安全管理体系标准,定义了信息安全管理的框架与要求,适用于工业企业的信息安全管理体系建设。

3 DoS / DDoS (拒绝服务攻击)

  • DoS 攻击:通过发送大量请求耗尽目标设备的资源,使其无法提供正常服务;
  • DDoS 攻击:分布式拒绝服务攻击,通过多个攻击源同时发起攻击,破坏力更强,是工业网络的常见威胁。

4 Man-in-the-Middle (中间人攻击)

攻击者拦截并篡改设备间的通信数据,窃取敏感信息(如控制指令、工艺参数),可通过数据加密、身份认证防范中间人攻击。

5 Ransomware (勒索软件)

恶意软件,加密目标设备的数据,要求支付赎金才能解密,会导致工业控制系统瘫痪,可通过数据备份、访问控制防范勒索软件攻击。

6 Deep Packet Inspection (DPI - 深度报文检测)

网络安全设备的核心技术,通过分析网络报文的内容(如协议类型、数据格式),识别恶意流量,阻止攻击行为,适用于工业网络的入侵检测。

7 BOOL / BYTE / WORD / DWORD

IEC 61131-3 标准的基础数据类型:
 
  • BOOL:布尔型,取值 0(FALSE)或 1(TRUE),对应数字量信号;
  • BYTE:字节型,8 位无符号整数,取值 0-255;
  • WORD:字类型,16 位无符号整数,取值 0-65535;
  • DWORD:双字类型,32 位无符号整数,取值 0-4294967295。

8 INT / DINT / UINT / UDINT

IEC 61131-3 标准的整数类型:
  • INT:16 位有符号整数,取值 - 32768~32767;
  • DINT:32 位有符号整数,取值 - 2147483648~2147483647;
  • UINT:16 位无符号整数,取值 0~65535;
  • UDINT:32 位无符号整数,取值 0~4294967295。

9 REAL / LREAL

IEC 61131-3 标准的浮点型数据:
  • REAL:32 位单精度浮点数,适用于一般精度的小数计算;
  • LREAL:64 位双精度浮点数,适用于高精度的小数计算(如运动控制的轨迹计算)。

10 STRING / WSTRING

IEC 61131-3 标准的字符串类型:
  • STRING:单字节字符串,基于 ASCII 编码,适用于英文文本;
  • WSTRING:双字节字符串,基于 Unicode 编码,适用于多语言文本。

11 ARRAY (数组)

相同数据类型的元素集合,通过下标访问元素(如 ARRAY [1..10] OF INT),适用于批量数据的存储与处理(如温度采集数据)。

12 STRUCT (结构体 / UDT)

不同数据类型的元素集合,可自定义数据结构(如 STRUCT 包含温度、压力、流量参数),适用于复杂数据的组织与传输。

13 ENUM (枚举)

自定义的离散数据类型,将整数映射为具有实际意义的名称(如 ENUM {RUN, STOP, ERROR}),提升程序的可读性。

14 UNION (联合体)

共享内存的不同数据类型集合,同一内存空间可存储不同类型的数据,适用于节省内存空间的场景。

15 Pointer (指针)

指向变量内存地址的变量,通过指针可间接访问变量,适用于动态内存分配、复杂数据结构的操作。

16 Reference (引用)

变量的别名,与指针类似,但更安全、易用,适用于函数参数传递、复杂数据结构的访问。

17 Task Configuration (任务配置 - 循环 / 事件 / 自由运行)

IEC 61131-3 标准的任务调度方式:
  • 循环任务:按固定周期执行(如 10ms),适用于实时控制;
  • 事件任务:由特定事件触发执行(如 I/O 信号上升沿),适用于异步操作;
  • 自由运行任务:无固定周期,空闲时执行,适用于非实时任务。

18 Library (库管理)

可重用程序代码的集合,包含函数、函数块、数据类型等,支持导入 / 导出,适用于标准化程序开发(如运动控制库、PID 控制库)。

19 Interface (接口 - OOP 概念)

面向对象编程的接口定义,包含函数和属性的声明,无具体实现,用于规范类的行为,提升程序的模块化程度。

20 Method (方法)

面向对象编程的成员函数,属于类或对象,用于实现特定功能(如机器人的移动方法)。

21 Property (属性)

面向对象编程的成员变量,属于类或对象,可通过 get/set 方法控制访问权限,提升程序的安全性。

22 Inheritance (继承)

面向对象编程的特性,子类继承父类的属性和方法,可扩展父类的功能,适用于程序的复用与扩展。

23 Polymorphism (多态)

面向对象编程的特性,同一接口可对应不同的实现方式(如不同类型电机的控制方法),提升程序的灵活性。

24 PackML (Packaging Machine Language)

包装机械的标准状态机语言,定义了包装机械的标准化运行状态(如待机、运行、故障),适用于包装机械的程序开发,提升设备的兼容性。

25 State Machine (状态机)

基于状态转换的程序组织方式,将程序分为多个状态,通过事件触发状态转换,适用于顺序控制场景(如生产线的工序控制)。

26 Global Variable (全局变量)

在程序中全局可见的变量,可被所有 POU 访问,适用于跨 POU 的数据共享(如设备运行状态)。

27 Local Variable (局部变量)

仅在特定 POU(如函数、函数块)内可见的变量,生命周期与 POU 的执行周期一致,适用于临时数据的存储。

28 Retain Variable (保持变量)

设备断电后数据不丢失的变量,上电后恢复原值,适用于设备运行状态的保存(如生产计数)。

29 Persistent Variable (持久变量)

长期存储在非易失性存储器中的变量,即使设备恢复出厂设置也不丢失,适用于工艺配方、校准参数的保存。

30 Constant (常量)

值不可修改的变量,在程序编译时确定,适用于固定参数的定义(如 π、重力加速度)。

31 Mapping (地址映射)

将变量与物理 I/O 地址或寄存器地址关联,实现程序变量与硬件设备的数据交互,是工业控制程序的核心配置步骤。
最近修改: 2025-12-30