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PLC可編程序控制器的歷史和展望

日期:2025-04-25 21:13
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摘要:
 

PLC可編程序控制器的歷史和展望

     
本文論述了的發(fā)展歷程和市場(chǎng)情況,分別就硬件、軟件和網(wǎng)絡(luò),分析其特點(diǎn)、用途及發(fā)展趨勢(shì)。
 

    1  引言

    可編程序控制器的英文為Programmable Controller,在二十世紀(jì)70-80年代一直簡(jiǎn)稱為PC。由于到90年代,個(gè)人計(jì)算機(jī)發(fā)展起來(lái),也簡(jiǎn)稱為PC;加之可編程序的概念所涵蓋的范圍太大,所以美國(guó)AB公司**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(jiǎn)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(qiáng)調(diào)可編程序控制器生產(chǎn)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(chǎng)情況

    2.1 PLC的發(fā)展歷史

    1968年美國(guó)GM(通用汽車)公司提出取代繼電器控制裝置的要求,*二年美國(guó)數(shù)字公司研制出了代可編程序控制器,滿足了GM公司裝配線的要求。隨著集成電路技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,現(xiàn)在已有*五代PLC產(chǎn)品了。

    在以改變幾何形狀和機(jī)械性能為特征的制造工業(yè)和以物理變化和化學(xué)變化將原料轉(zhuǎn)化成產(chǎn)品為特征的過(guò)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(kāi)關(guān)量為主的開(kāi)環(huán)的順序控制,它按照邏輯條件進(jìn)行順序動(dòng)作號(hào)按照時(shí)序動(dòng)作;另外還有與順序、時(shí)序無(wú)關(guān)的按照邏輯關(guān)系進(jìn)行連鎖保護(hù)動(dòng)作的控制;以及大量的開(kāi)關(guān)量、脈沖量、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)器、模擬量的越限報(bào)警等狀態(tài)量為主的—離散量的數(shù)據(jù)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(jìn)行順序控制為主的產(chǎn)品。在多年的生產(chǎn)實(shí)踐中,逐漸形成了PLC、DCS與IPC三足鼎立之勢(shì),如表1,還有其它的單回路智能式調(diào)節(jié)器等在市場(chǎng)上占一定的百分比。

表1  國(guó)際市場(chǎng)上PLC、DCS與IPC的銷售情況對(duì)比

    在80年代至90年代中期,是PLC發(fā)展快的時(shí)期,年增長(zhǎng)率一直保持為30~40%。由于PLC機(jī)聯(lián)系處理模擬能力和網(wǎng)絡(luò)方面功能的進(jìn)步,擠占了一部分 DCS的市場(chǎng)(過(guò)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(lái)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的發(fā)展,IPC和FCS也擠占了一部分PLC市場(chǎng),所以近年來(lái)PLC增長(zhǎng)速度,總的說(shuō)是漸緩。目前全世界有200多廠家生產(chǎn)300多品種PLC產(chǎn)品,主要應(yīng)用在汽車(23%)、糧食加工 (16.4%)、化學(xué)/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(chǎng)情況

    國(guó)內(nèi)PLC生產(chǎn)廠約30家,但沒(méi)有形成頗具規(guī)模的生產(chǎn)能力和品牌產(chǎn)品,還有一部分是以仿制、來(lái)件組裝或“貼牌”方式生產(chǎn),因此可以說(shuō)PLC在我國(guó)未形成制造產(chǎn)業(yè)。作為原理、技術(shù)和工藝均無(wú)**技術(shù)難度的產(chǎn)品,只要努力,是能形成制造產(chǎn)業(yè)的。

    在PLC應(yīng)用方面,我國(guó)是很活躍的,近年來(lái)每年約新投入10萬(wàn)臺(tái)套PLC產(chǎn)品,年銷售額30億元人民幣,應(yīng)用的行業(yè)也很廣。但是與其它相比,在機(jī)械加工及生產(chǎn)線方面的應(yīng)用,還需要加大投入。我國(guó)市場(chǎng)上流行的有如下幾家PLC產(chǎn)品:

    (1) 施耐德公司,包括早期天津儀表廠引進(jìn)莫迪康公司的產(chǎn)品,目前有Quantum、Premium、Momentum等產(chǎn)品;
    (2) 羅克韋爾公司(包括AB公司)PLC產(chǎn)品,目前有SLC、Micro Logix、Control Logix等產(chǎn)品;
    (3) 西門(mén)子公司的產(chǎn)品,目前有SIMATIC S7-400/300/200系列產(chǎn)品;
    (4) GE公司的產(chǎn)品;日本歐姆龍、三菱、富士、松下等公司產(chǎn)品。

    PLC的市場(chǎng)的潛力是巨大的,不僅在我國(guó),即使在工業(yè)發(fā)達(dá)的日本也有調(diào)查表明,PLC配套的機(jī)電一體化產(chǎn)品的比例占42%,采用繼電器、接觸器控制尚有24%。所以說(shuō),需要應(yīng)用PLC的場(chǎng)合還很多,在我國(guó)就更是如此了。

    從技術(shù)**的角度看,我國(guó)大中型企業(yè)還要大力發(fā)展CIMS(計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)),在機(jī)械制造廠要形成FMS柔性制造系統(tǒng),PLC是基礎(chǔ),所以PLC市場(chǎng)是廣闊的。

    PLC具有穩(wěn)定可靠、價(jià)格便宜、功能齊全、應(yīng)用靈活方便、操作維護(hù)方便的優(yōu)點(diǎn),這是它能持久的占有市場(chǎng)的根本原因,我們下面重點(diǎn)闡述幾個(gè)問(wèn)題,并研究其發(fā)展趨勢(shì)。

    3 PLC的硬件和軟件

    3.1 PLC的分類

    PLC在90年代已經(jīng)形成微、小、中、大、巨型多種PLC。按I/O點(diǎn)數(shù)分,可分為:

    微型PLC: 32 I/O
    小型PLC: 256 I/O
    中型PLC: 1024 I/O
    大型PLC: 4096 I/O
    巨型PLC: 8195 I/O

    近年來(lái)有單機(jī)支持300回路和65000點(diǎn)I/O的大型系統(tǒng)對(duì)應(yīng)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(jù)通訊等方面要求,有的也改用16位~32位CPU。由于I/O 64點(diǎn)以下PLC銷售額占整個(gè)PLC的47%,64點(diǎn)~256點(diǎn)的占31%,合計(jì)位整個(gè)PLC銷售額的78%,所以對(duì)微、小型PLC應(yīng)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(jié)構(gòu),各廠家產(chǎn)品結(jié)構(gòu)大同小異。以日本歐姆龍C200HE為例,為總線模板框式結(jié)構(gòu),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(shí),可由CPU母板經(jīng)I/O擴(kuò)展電纜連接I/O擴(kuò)展母板,在其上裝I/O模板;另一種方法是配備遠(yuǎn)程I/O從站等。這些都說(shuō)明了PLC廠家將硬件各部件均向用戶開(kāi)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(kāi)放性,為制造商、分銷商 (代理商)、系統(tǒng)集成商、終用戶帶來(lái)很多方便,為營(yíng)銷供應(yīng)鏈帶來(lái)很大便利,這是一大成功經(jīng)驗(yàn)。

    PLC內(nèi)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(kāi)了出路,如用于條形碼識(shí)別的ASCII/BASIC模板,用于反饋控制的PID模板,用于運(yùn)行控制、機(jī)械加工的高速計(jì)數(shù)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(shí)別接口模板等,這在以后還會(huì)有很大發(fā)展。另外在輸入、輸出的相關(guān)元件、強(qiáng)干擾場(chǎng)合的輸入、輸出電隔離、地隔離等方面也會(huì)更加完善。

    PLC中的CPU與存儲(chǔ)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(shù)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(gè)數(shù)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(yīng)用程序時(shí)可以調(diào)用。指令系統(tǒng)大致可以分為兩類,即基本指令和擴(kuò)展指令。細(xì)分一般PLC的指令系統(tǒng)有:基本指令、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器指令、移位指令、傳送指令、比較指令、轉(zhuǎn)換指令、BCD運(yùn)算指令、二進(jìn)制運(yùn)算指令、增量/減量指令、邏輯運(yùn)算指令、特殊運(yùn)算指令等,這些指令多是類似匯編語(yǔ)言。另外PLC還提高了充足的計(jì)時(shí)器、計(jì)數(shù)器、內(nèi)部繼電器、寄存器及存貯區(qū)等內(nèi)部資源,為編程帶來(lái)極大方便。

    4  基于Windows的編程語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)—IEC61131-3

    由于各PLC廠家產(chǎn)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(lái)IEC制訂了基于Windows的編程語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)IEC61131-3(1993 年IEC頒布可編程序控制器的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)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(jié)構(gòu)化文本(ST)五種編程語(yǔ)言。這包括了文本化編程(IL、ST)和圖形編程(LD、FBD)兩個(gè)方面,而SFC則在兩類編程語(yǔ)言中均可使用。IEC技術(shù)委員會(huì) (TC65)進(jìn)來(lái)開(kāi)展了  IEC61499項(xiàng)目,將IEC61131-3進(jìn)行了擴(kuò)展,它是針對(duì)通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的模塊化分布系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn),將對(duì)IEC61131-3有所改善。這是以數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)的可編程序邏輯控制裝置在高層次上走向開(kāi)放性的標(biāo)準(zhǔn)化文件,是PLC發(fā)展的一大趨勢(shì)。

    5  PLC的網(wǎng)絡(luò)及發(fā)展趨勢(shì)

    一個(gè)或若干PLC與PC機(jī)聯(lián)出系統(tǒng),PC機(jī)起到原編程器及人機(jī)界面操作站的作用,這20世紀(jì)90年代的新潮流,這樣為系統(tǒng)集成帶來(lái)了商機(jī),同時(shí)編程軟件和人機(jī)界面軟件(監(jiān)控軟件或稱組態(tài)軟件)及軟件接口(或稱驅(qū)動(dòng)軟件)也得到了發(fā)展。

    近年來(lái),PLC廠家在原來(lái)CPU模板上提供物理層RS232/422/485接口的基礎(chǔ),逐漸增加了各種通訊接口,而且提供完整的通訊網(wǎng)絡(luò)。由于近來(lái)數(shù)據(jù)通訊技術(shù)發(fā)展很快,用戶對(duì)開(kāi)放性要求很強(qiáng)烈,現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)及以太網(wǎng)技術(shù)也同步發(fā)展,所以PLC構(gòu)成的PCS系統(tǒng)比DCS的開(kāi)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(jié)構(gòu)體系,即Ether Net、Control Net、Device Net及Asi等現(xiàn)場(chǎng)總線(原DH+網(wǎng)也可兼容)。西門(mén)子公司在Profibus-DP通訊網(wǎng)絡(luò)及Profibus-FMS網(wǎng)絡(luò)以外,提出了S7 Routing網(wǎng)絡(luò),即Profibus-DP和Industrial Enternet兩層結(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)還在發(fā)展,我國(guó)應(yīng)已積極的姿態(tài)投入其中。

    2001年我國(guó)機(jī)械工業(yè)成為工業(yè)發(fā)展新亮點(diǎn),總產(chǎn)值比上年增長(zhǎng)17.15%,汽車產(chǎn)量為世界前10位,機(jī)床產(chǎn)量為世界*5位。機(jī)械工業(yè)利潤(rùn)增長(zhǎng) 33.35%,占整個(gè)工業(yè)新增利潤(rùn)六成多。出口同樣出現(xiàn)可喜的增長(zhǎng)?,F(xiàn)在機(jī)械工業(yè)提出要實(shí)施網(wǎng)絡(luò)化,對(duì)這一點(diǎn),PLC從業(yè)人員應(yīng)有清醒的認(rèn)識(shí),應(yīng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)化的開(kāi)放性、網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的性能/價(jià)格比和網(wǎng)絡(luò)的可靠性、**性、先進(jìn)性上特別下功夫。

    網(wǎng)絡(luò)向上連是互聯(lián)網(wǎng)問(wèn)題,向下連是現(xiàn)場(chǎng)總線問(wèn)題,另外現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)能否用以太網(wǎng)“e網(wǎng)到底”方式、網(wǎng)絡(luò)采用客戶器/服務(wù)器方式、瀏覽器/服務(wù)器方式、生產(chǎn)者/ 消費(fèi)者方式、接口軟件采用OPC方式等問(wèn)題都有待進(jìn)一步落實(shí)。PLC與智能MCC馬達(dá)控制中心、與數(shù)控機(jī)床配套的NC/CNC數(shù)控設(shè)備,以及與其它運(yùn)行控制系統(tǒng)、電控設(shè)備、變頻器和軟起動(dòng)器等連成系統(tǒng);PLC要與DCS分工合作,充當(dāng)DCS的遠(yuǎn)程I/O站等;PLC要與IPC分工合作,除用IPC作人機(jī)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**系統(tǒng)(ESD,Emergency Shut Down Systems)的關(guān)系、與立體倉(cāng)庫(kù)、機(jī)器人、CAD/CAM等等都要處理好關(guān)系??傊琍LC要兼容各種新技術(shù),使PLC成為真正意義上的“電腦”。

    PLC的應(yīng)用領(lǐng)域是寬闊的,還有許多領(lǐng)域急待開(kāi)拓,如用于海關(guān)過(guò)境車輛認(rèn)證(深圳鹽田)、自動(dòng)售藥(若干中藥店)在我國(guó)已有實(shí)例。另外,在離散事件系統(tǒng)中,如公路網(wǎng)交通流(車輛計(jì)數(shù)、乘客計(jì)數(shù)及停留時(shí)間計(jì)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(biāo)準(zhǔn)隨服務(wù)系統(tǒng)中,均可以采用PLC,進(jìn)而建模和采取對(duì)策并優(yōu)化。PLC的前途一片美好,一切悲觀的論點(diǎn)是站不住腳的。至于技術(shù)進(jìn)步,PLC與其它技術(shù)融合以至消失,那還需要一定的時(shí)間!

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