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下位机是工业控制网络中现场控制层的核心，一般以控制器的形式存在，通常指的是一种相对于主机或上位机的次要计算机或控制设备。下位机可以直接对接现场的各种输入输出设备，通常配备了各种硬件接口，如数字量输入/输出、模拟量输入/输出、图像采集、串行接口、以太网接口等，用于实现与外部设备进行通信和控制。因此，下位机的主要功能包括执行特定的控制、数据采集、实时处理或低级操作任务。与其相对应的上位机则承担着更高级的任务，如业务处理、逻辑处理、数据处理等。两者相辅相成，共同构成了一个相对完整的控制系统。
下位机在工业领域中的应用非常广泛，特别是在嵌入式系统、自动化控制和通信设备等领域。常用的下位机控制器包括PLC、单片机、运动控制器（运动控制卡）等。
1968年，美国通用汽车公司提出了取代继电器控制装置的要求，随后在1969年，美国数字设备公司成功研制出了首台可编程控制器PDP-14。自此之后，PLC在自动化控制系统中扮演着至关重要的角色。经过超过半个世纪的发展历程，PLC不仅没有被其他竞争者［如基于个人计算机的控制系统（PC-Based）和可编程自动化控制器（PAC）］所替代，而且还不断地发展和演进。
PLC的种类繁多，根据控制规模一般分为小型、中型和大型PLC。典型的小型PLC产品包括西门子的S7-200/S7-200 Smart系列PLC、三菱的FX系列PLC、欧姆龙的CP系列PLC、汇川的H1U/H3U系列PLC、台达的DVP系列PLC，以及信捷的XC系列等，西门子S7-200 Smart系列PLC的实物图如图1-2所示。
图1-2 西门子S7-200 Smart系列PLC的实物图
除小型PLC外，针对控制规模较大的控制系统，我们也会使用一些中型和大型PLC。中型和大型PLC包括西门子的S7-1200/1500系列PLC、三菱的L系列/Q系列/R系列PLC、欧姆龙的NX/NJ系列PLC、汇川的AM400/AM600系列PLC、台达的AS/AH系列PLC等。图1-3和图1-4分别是西门子S7-1200和S7-1500系列PLC的实物图。
图1-3 西门子S7-1200系列PLC的实物图
图1-4 西门子S7-1500系列PLC的实物图
在当前工业自动化领域，除了传统的信号采集、逻辑控制、高速计数和网络通信功能，PLC逐渐扩展至运动控制领域。多家厂商推出了专门用于运动控制的PLC产品，如西门子的1500T运动控制PLC、三菱的QD77运动控制模块、汇川的H5U系列EtherCAT总线PLC等。
近年来，随着工控编程语言国际标准IEC 61131-3的广泛应用和完善，软PLC作为一项新的控制技术迅速发展。软PLC利用通用操作系统和个人电脑（PC）作为软硬件平台，通过软件实现传统硬件PLC的控制功能，同时融合了PC的各种优点。
1986年，德国倍福公司（Beckhoff）推出了第一款基于PC的设备控制器，随后在1988年推出了基于PC的软PLC/NC（DOS），从而开启了新的运动控制时代。倍福公司自诞生以来，始终坚持以基于PC的自动化新技术为发展理念，其生产的工业PC、现场总线模块、驱动产品和TwinCAT自动化软件构成了一套完整的、相互兼容的控制系统。倍福的PC控制器、持续发展的EtherCAT实时以太网通信技术和TwinCAT软件平台，共同构成了德国倍福公司PC-Based控制系统的核心组成部分。倍福（Beckhoff）PLC的实物图如图1-5所示。
图1-5 倍福（Beckhoff）PLC的实物图
在自动化应用的早期阶段，PC-Based解决方案面临着来自传统PLC阵营的广泛质疑，市场上存在着相关的争议。主要问题集中在PC-Based系统的稳定性、可靠性以及程序设计的不稳定性等方面。这些因素限制了PC-Based技术在工业控制领域的广泛应用。为了克服这些问题并实现PLC与PC-Based系统的整合，美国研究机构ARC提出了可编程自动化控制器（PAC）架构。PAC将传统的PLC和现代PC-Based技术进行了融合，在PC层面大量应用嵌入式技术，以提升系统的稳定性和可靠性。
尽管从功能上看，PC-Based和PAC可以作为传统PLC的替代品，但各自的控制器类型具有独特的优势和特点，适用于不同的应用场景和市场背景。长期来看，PC-Based、PLC和PAC这三种控制器类型将会共同存在，满足不同行业和应用需求的多样化。
单片机，全称单片微型计算机，英文名为Micro Controller Unit，简称MCU，是一种采用超大规模集成电路技术的微型计算机系统。它将具有数据处理能力的中央处理器（CPU）、随机存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、多种I/O口、中断系统、定时器/计数器等以及各种电路系统（包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等）集成到一块硅片上，构成了一个小型而完整的微型计算机系统。在工业控制领域，单片机应用十分广泛。图1-6是单片机开发板的实物图。
图1-6 单片机开发板的实物图
初学者在学习单片机和PLC时，常会比较这两者，以便理解它们的区别和联系。从技术实现的角度看，PLC经历了多个发展阶段，从早期的位带式处理器到单片机实现，再到现代的FPGA和软PLC等，甚至包括ASIC芯片PLC和基于PC技术的高速软PLC。这种演化表明，PLC本质上可以视为建立在单片机基础上的产品。在某些阶段，PLC底层实际上运行在单片机之上，其开发基于单片机技术，并通过添加外围电路等组合而成。PLC相对于单片机的最大优势在于其简单易用性和高稳定性。作为一种产品，PLC经过多次工业项目验证，通常在稳定性和可靠性方面比单片机更有优势。工业应用中对稳定性的要求极高，这使得选择PLC成为常见做法。此外，PLC具有模块化的特点，可提供一定的可替代性和互换性，而不需要对特定品牌或定制开发过于依赖。
尽管单片机可以实现大多数与PLC类似的功能，如计时、计数、中断处理、模拟信号处理、通信和逻辑控制等，而且在响应速度上可能还会更快，但是实现相同功能时，PLC的成本通常会显著高于单片机。因此，在需要大规模标准化项目或者PLC无法完全满足功能需求的情况下，选择单片机定制开发可能会更为经济实惠。单片机开发的主要优势在于其低成本和高效益，但这也要求开发人员具备一定的研发能力和经验，以确保系统设计和实施的成功。
运动控制器（Motion Controller，MC）是一种利用高性能微处理器和大规模可编程器件来实现多个步进或伺服电机的多轴协调控制设备。它被广泛应用于需要对电机运动进行精确控制的各种领域，如点胶机、喷油机、压膜机、数字显微镜、焊接机器手、螺丝机、石材雕刻机、激光雕刻机、非标自动化以及非标流水线等。
运动控制产品一般分为运动控制器和运动控制卡两种形式。它们的主要区别在于运动控制器可以脱机独立运行，而运动控制卡必须结合PC编程才能工作。运动控制器的接口模式通常有两种：一种是基于PCI/PCIE接口，另一种是基于以太网（Ethernet）接口。基于PCI/PCIE接口的运动控制卡需要连接具有相应接口的计算机或工控机。基于PCI/PCI接口的运动控制卡实物图如图1-7所示。
图1-7 基于PCI/PCIE接口的运动控制卡实物图
而基于以太网（Ethernet）接口的运动控制卡具有更大的便捷性，只需要计算机具备以太网接口即可与运动控制卡进行连接。基于以太网接口的运动控制卡实物图如图1-8所示。
运动控制卡的控制方式通常分为两种：脉冲控制和总线控制。脉冲控制使用高频率的脉冲来控制电机，其中脉冲的数量控制电机位置，频率控制转速，方向控制转向。这种方式在传统应用中表现出色，但在对控制精度和实时性要求较高的场景下使用可能表现不佳，因此出现了总线控制方式。总线控制通过特定的总线协议来实现电机控制。当前主流的总线控制协议包括EtherCAT、RTEX、CANOPEN等，其中EtherCAT应用最为广泛。EtherCAT之所以受到青睐，原因如下。
（1）无需特殊插卡：EtherCAT主站设备不需要特殊的插卡，从站设备可以采用多个不同供应商提供的高集成度、低成本的芯片来实现，降低了系统成本和复杂度。
（2）高速性能：EtherCAT是目前最快的以太网技术之一，具备出色的数据传输速率和响应时间。其同步周期可以达到微妙级别，这使得它能够满足高精度和实时性要求，同时降低了系统的延迟。
（3）降低CPU负载：相比于其他工业总线，EtherCAT总线在相同的循环周期设置下能够显著降低25%～30%的CPU负载，这对于需要处理大量数据和复杂控制算法的应用尤为重要。
（4）多种拓扑结构支持：EtherCAT支持多种拓扑结构，包括线形、总线型、树形和星形等，且最多可以连接65535个节点，提供了灵活性和可扩展性。
图1-8 基于以太网接口的运动控制卡实物图
运动控制卡与独立的可编程控制器（如运动控制器、单片机和PLC）有着显著的区别，它依赖于PC平台来运行，并具备以下优点。
（1）拓展性强：运动控制卡可以利用PC平台丰富的函数库，轻松添加复杂和独特的功能。通过借助PC上已有的CAD软件、视觉识别等功能，可以将绘图、排版、工序优化和视觉识别等多种功能集成为一体。
（2）界面友好：通过电脑软件操作，可以开发出各种符合客户需求的用户界面。对于软件工程师而言，使用PC进行开发更加直观和容易上手。
（3）柔性化生产：运动控制卡能够便捷地修改工艺参数和加工图纸。一旦修改了加工方案，经过简单的软件处理即可将新的加工命令直接传输给设备，无须调整机器设置，即可快速启动新方案的加工。这种特性使其成为制造业柔性化生产的重要工具之一。
（4）高精度和实时调整：基于强大的PC性能，运动控制卡在需要连续插补、圆弧插补等复杂作业要求下能够保持高精度。通过传感器的实时反馈，运动控制卡能够调整加工位置和速度，以保持连续高水平的加工作业，从而确保产品的最终精度和质量。
目前，运动控制卡广泛应用于点胶设备、激光加工设备、振动刀机，以及3C行业等领域。它适用于服装、鞋类、广告、厨具、家具、3C产品、车饰、玩具等轻工业领域，为实现柔性化加工提供了重要的解决方案。