PLC可編程序控制器的歷史和展望

1 引言

　　 可編程序控制器的英文為Programmable Controller，在二十世紀70-80年代一直簡稱為PC。由于到90年代，個人計算機發(fā)展起來，也簡稱為PC;加之可編程序的概念所涵蓋的范圍太大，所以美國AB公司首次將可編程序控制器定名為可編程序邏輯控制器(PLC-Programmable Logic Controller)，為了方便，仍簡稱PLC為可編程序控制器。有人把可編程序控制器組成的系統(tǒng)稱為PCS可編程序控制系統(tǒng)，強調可編程序控制器生產廠商向人們提供的已是完整的系統(tǒng)了。

　　2 PLC的發(fā)展和市場情況

　　2.1 PLC的發(fā)展歷史

　　 1968年美國GM(通用汽車)公司提出取代繼電器控制裝置的要求，第二年美國數字公司研制出了第一代可編程序控制器，滿足了GM公司裝配線的要求。隨著集成電路技術和計算機技術的發(fā)展，現(xiàn)在已有第五代PLC產品了。

　　 在以改變幾何形狀和機械性能為特征的制造工業(yè)和以物理變化和化學變化將原料轉化成產品為特征的過程工業(yè)中，除了以連續(xù)量為主的反饋控制外，特別在制造工業(yè)中存在了大量的開關量為主的開環(huán)的順序控制，它按照邏輯條件進行順序動作號按照時序動作;另外還有與順序、時序無關的按照邏輯關系進行連鎖保護動作的控制;以及大量的開關量、脈沖量、計時、計數器、模擬量的越限報警等狀態(tài)量為主的—離散量的數據采集監(jiān)視。由于這些控制和監(jiān)視的要求，所以PLC發(fā)展成了取代繼電器線路和進行順序控制為主的產品。在多年的生產實踐中，逐漸形成了PLC、DCS與IPC三足鼎立之勢，還有其它的單回路智能式調節(jié)器等在市場上占一定的百分比。

　　 在80年代至90年代中期，是PLC發(fā)展最快的時期，年增長率一直保持為30~40%。由于PLC機聯(lián)系處理模擬能力和網絡方面功能的進步，擠占了一部分DCS的市場(過程控制)并逐漸壟斷了污水處理等行業(yè)，但是由于工業(yè)PC(IPC)的出現(xiàn)，特別是近年來現(xiàn)場總線技術的發(fā)展，IPC和FCS也擠占了一部分PLC市場，所以近年來PLC增長速度，總的說是漸緩。目前全世界有200多廠家生產300多品種PLC產品，主要應用在汽車(23%)、糧食加工(16.4%)、化學/制藥(14.6%)、金屬/礦山(11.5%)、紙漿/造紙(11.3%)等行業(yè)。

　　2.2 PLC的市場情況

　　 國內PLC生產廠約30家，但沒有形成頗具規(guī)模的生產能力和名牌產品，還有一部分是以仿制、來件組裝或“貼牌”方式生產，因此可以說PLC在我國未形成制造產業(yè)。作為原理、技術和工藝均無尖端技術難度的產品，只要努力，是能形成制造產業(yè)的。

　　 在PLC應用方面，我國是很活躍的，近年來每年約新投入10萬臺套PLC產品，年銷售額30億元人民幣，應用的行業(yè)也很廣。但是與其它國家相比，在機械加工及生產線方面的應用，還需要加大投入。我國市場上流行的有如下幾家PLC產品:

　　(1) 施耐德公司，包括早期天津儀表廠引進莫迪康公司的產品，目前有Quantum、Premium、Momentum等產品;

　　(2) 羅克韋爾公司(包括AB公司)PLC產品，目前有SLC、Micro Logix、Control Logix等產品;

　　(3) 西門子公司的產品，目前有SIMATIC S7-400/300/200系列產品;

　　(4) GE公司的產品;日本歐姆龍、三菱、富士、松下等公司產品。

　　PLC的市場的潛力是巨大的，不僅在我國，即使在工業(yè)發(fā)達的日本也有調查表明，PLC配套的機電一體化產品的比例占42%，采用繼電器、接觸器控制尚有24%。所以說，需要應用PLC的場合還很多，在我國就更是如此了。

　　 從技術創(chuàng)新的角度看，我國大中型企業(yè)還要大力發(fā)展CIMS(計算機集成制造系統(tǒng))，在機械制造廠要形成FMS柔性制造系統(tǒng)，PLC是基礎，所以PLC市場是廣闊的。

　　 PLC具有穩(wěn)定可*、價格便宜、功能齊全、應用靈活方便、操作維護方便的優(yōu)點，這是它能持久的占有市場的根本原因，我們下面重點闡述幾個問題，并研究其發(fā)展趨勢。

　　3 PLC的硬件和軟件

　　3.1 PLC的分類

　　PLC在90年代已經形成微、小、中、大、巨型多種PLC。按I/O點數分，可分為:

　　l 微型PLC: 32 I/O

　　l 小型PLC: 256 I/O

　　l 中型PLC: 1024 I/O

　　l 大型PLC: 4096 I/O

　　l 巨型PLC: 8195 I/O

　　 近年來有單機支持300回路和65000點I/O的大型系統(tǒng)對應中型PLC以上，均采用16位~32位CPU，微、小型PLC原采用8位CPU，現(xiàn)在根據通訊等方面要求，有的也改用16位~32位CPU。由于I/O

　　64點以下PLC銷售額占整個PLC的47%，64點~256點的占31%，合計位整個PLC銷售額的78%，所以對微、小型PLC應多加研究。

　　3.2 PLC的硬件

　　 PLC控制器本身的硬件采用積木式結構，各廠家產品結構大同小異。以日本歐姆龍C200HE為例，為總線模板框式結構，基本框架(CPU母板)上裝有CPU模板，其它槽位裝有I/O模板;如果I/O模板多時，可由CPU母板經I/O擴展電纜連接I/O擴展母板，在其上裝I/O模板;另一種方法是配備遠程I/O從站等。這些都說明了PLC廠家將硬件各部件均向用戶開發(fā)，便于用戶選用，配置成規(guī)模不等的PLC，而且這種硬件配置的開放性，為制造商、分銷商(代理商)、系統(tǒng)集成商、最終用戶帶來很多方便，為營銷供應鏈帶來很大便利，這是一大成功經驗。

　　 PLC內的I/O模板，除一般的DI/DO、AD/DA模板外，還發(fā)展了一系列特殊功能的I/O模板，這為PLC用于各行各業(yè)打開了出路，如用于條形碼識別的ASCII/BASIC模板，用于反饋控制的PID模板，用于運行控制、機械加工的高速計數模板、單軸位置控制模板、雙軸位置控制模板、凸輪定位器模板、射頻識別接口模板等，這在以后還會有很大發(fā)展。另外在輸入、輸出的相關元件、強干擾場合的輸入、輸出電隔離、地隔離等方面也會更加完善。

　　 PLC中的CPU與存儲器配合，完成控制功能。它與DCS系統(tǒng)處理溫度、壓力、流量等參數的系統(tǒng)不同，采用快速的巡回掃描周期，一般為0.1~0.2s，更快的則選用50ms或更小的掃描周期。它是一個數字采樣控制系統(tǒng)。

　　3.3 PLC的軟件

　　 為了完成控制策略，為了替代繼電器，使用戶等完成類似繼電器線路的控制系統(tǒng)梯形圖，而編制了一套控制算法功能塊(或子程序)，稱為指令系統(tǒng)，固化在存貯器ROM中，用戶在編制應用程序時可以調用。指令系統(tǒng)大致可以分為兩類，即基本指令和擴展指令。細分一般PLC的指令系統(tǒng)有:基本指令、定時器/計數器指令、移位指令、傳送指令、比較指令、轉換指令、BCD運算指令、二進制運算指令、增量/減量指令、邏輯運算指令、特殊運算指令等，這些指令多是類似匯編語言。另外PLC還提高了充足的計時器、計數器、內部繼電器、寄存器及存貯區(qū)等內部資源，為編程帶來極大方便。

　　4 基于Windows的編程語言標準—IEC61131-3

　　 由于各PLC廠家產品在指令系統(tǒng)上的差異及編程方法上用戶要求不同，近年來IEC制訂了基于Windows的編程語言標準IEC61131-3(1993年IEC頒布可編程序控制器的國際標準IEC1131)，它規(guī)定了指令表(IL)、梯形圖(LD)、順序功能圖(SFC)、功能塊圖(FBD)、結構化文本(ST)五種編程語言。這包括了文本化編程(IL、ST)和圖形編程(LD、FBD)兩個方面，而SFC則在兩類編程語言中均可使用。IEC技術委員會(TC65)進來開展了 IEC61499項目，將IEC61131-3進行了擴展，它是針對通過通信網絡互聯(lián)的模塊化分布系統(tǒng)的體系結構的標準，將對IEC61131-3有所改善。這是以數字技術為基礎的可編程序邏輯控制裝置在高層次上走向開放性的標準化文件，是PLC發(fā)展的一大趨勢。

　　5 PLC的網絡及發(fā)展趨勢

　　 一個或若干PLC與PC機聯(lián)出系統(tǒng)，PC機起到原編程器及人機界面操作站的作用，這20世紀90年代的新潮流，這樣為系統(tǒng)集成帶來了商機，同時編程軟件和人機界面軟件(監(jiān)控軟件或稱組態(tài)軟件)及軟件接口(或稱驅動軟件)也得到了發(fā)展。

　　 近年來，PLC廠家在原來CPU模板上提供物理層RS232/422/485接口的基礎，逐漸增加了各種通訊接口，而且提供完整的通訊網絡。由于近來數據通訊技術發(fā)展很快，用戶對開放性要求很強烈，現(xiàn)場總線技術及以太網技術也同步發(fā)展，所以PLC構成的PCS系統(tǒng)比DCS的開放性所處的現(xiàn)狀稍好一些。目前羅克韋爾AB公司已形成了多層結構體系，即Ether Net、Control Net、Device Net及Asi等現(xiàn)場總線(原DH+網也可兼容)。西門子公司在Profibus-DP通訊網絡及Profibus-FMS網絡以外，提出了S7 Routing網絡，即Profibus-DP和Industrial Enternet兩層結構。網絡還在發(fā)展，我國應已積極的姿態(tài)投入其中。

　　 2001年我國機械工業(yè)成為工業(yè)發(fā)展新亮點，總產值比上年增長17.15%，汽車產量為世界前10位，機床產量為世界第5位。機械工業(yè)利潤增長33.35%，占整個工業(yè)新增利潤六成多。出口同樣出現(xiàn)可喜的增長?，F(xiàn)在機械工業(yè)提出要實施網絡化，對這一點，PLC從業(yè)人員應有清醒的認識，應對網絡化的開放性、網絡構成的性能/價格比和網絡的可*性、安全性、先進性上特別下功夫。

　　 網絡向上連是互聯(lián)網問題，向下連是現(xiàn)場總線問題，另外現(xiàn)有網絡能否用以太網“e網到底”方式、網絡采用客戶器/服務器方式、瀏覽器/服務器方式、生產者/消費者方式、接口軟件采用OPC方式等問題都有待進一步落實。PLC與智能MCC馬達控制中心、與數控機床配套的NC/CNC數控設備，以及與其它運行控制系統(tǒng)、電控設備、變頻器和軟起動器等連成系統(tǒng);PLC要與DCS分工合作，充當DCS的遠程I/O站等;PLC要與IPC分工合作，除用IPC作人機界面外，作軟件PLC的I/O部件也是可行的;此外還有PLC與緊急停車安全系統(tǒng)(ESD，Emergency Shut Down Systems)的關系、與立體倉庫、機器人、CAD/CAM等等都要處理好關系。總之，PLC要兼容各種新技術，使PLC成為真正意義上的“電腦”。

　　 PLC的應用領域是寬闊的，還有許多領域急待開拓，如用于海關過境車輛認證(深圳鹽田)、自動售藥(若干中藥店)在我國已有實例。另外，在離散事件系統(tǒng)中，如公路網交通流(車輛計數、乘客計數及停留時間計量)、物流系統(tǒng)、柔行制造系統(tǒng)(敏捷制造系統(tǒng))及一切非標準隨服務系統(tǒng)中，均可以采用PLC，進而建模和采取對策并優(yōu)化。PLC的前途一片美好，一切悲觀的論點是站不住腳的。至于技術進步，PLC與其它技術融合以至消失，那還需要一定的時間！