大佬帶你認識可編程控制器，可編程控制器發(fā)展趨勢介紹(上篇)

可編程控制器的使用十分常見，生活中諸多電子器件中均包含可編程控制器。往期文章中，小編對可編程控制器的應(yīng)用知識有所介紹。為增進大家對可編程控制器的認識，本文將對可編程控制器的發(fā)展趨勢予以介紹。此外，本文僅為上篇，剩余內(nèi)容請參閱中篇和下篇。

一、PLC的發(fā)展歷史

可編程邏輯控制器，又稱可編程控制器，有過多種定義。可以看作是一種經(jīng)過特殊設(shè)計的工業(yè)計算機，整個的設(shè)計原則就是簡單與實用。

1968年，通用汽車公司的液壓部門為了消除既復(fù)雜又昂貴的繼電器控制系統(tǒng)，確立了第一個可編程控制器的招標指標。該設(shè)計規(guī)格需要固態(tài)系統(tǒng)和電腦技術(shù)，并要求能夠在工業(yè)環(huán)境中生存，也能夠方便地編程，并且可以重復(fù)使用。該控制系統(tǒng)將大大減少機器的停機時間，并為未來提供了可擴展性。該招標由DEC公司中標，這套系統(tǒng)于1969年研制出來，這是第一臺可編程控制器，型號為PDP-14，應(yīng)用取得成功。其后，美國的MODICON公司也推出了同名的084控制器，1971年日本推出了DSC-80控制器，1973年西歐國家的各種可編程控制器也研制成功。這些早期的控制器滿足了最初的要求，并且打開了新的控制技術(shù)的發(fā)展的大門。

PLC的發(fā)展也是與計算機技術(shù)、控制技術(shù)、數(shù)字技術(shù)、通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等高新技術(shù)的發(fā)展息息相關(guān)，正是這些高新技術(shù)的發(fā)展推動了可編程控制器的發(fā)展。

從控制功能來看，可編程控制器的發(fā)展大致經(jīng)歷了4個階段：

1.初級階段：從第一臺PLC問世到20世紀70年代中期

由于第一代PLC是為了取代繼電器的，因此，主要功能是邏輯運算和計時、計數(shù)功能。CPU由中小規(guī)模數(shù)字集成電路構(gòu)成。主要產(chǎn)品有：MODICON公司的084，AB公司的PDQ-IL，DEC公司的PDP-14，日立公司的SCY-022等。第一階段就采用了梯形圖語言作為編程方式，盡管有些枯燥，但卻形成了工廠的編程標準。

2.擴展階段：從20世紀70年代中期到70年代末期

這一階段PLC產(chǎn)品的控制功能得到很大擴展。擴展的功能包括數(shù)據(jù)的傳送、數(shù)據(jù)的比較和運算、模擬量的運算等功能。這一階段的產(chǎn)品有MODICON的184，284，384，西門子公司的SIMATICS3系列，富士電機公司的SC系列產(chǎn)品。

3.通信階段：20世紀70年代末期到80年代中期

這一階段產(chǎn)品與計算機通信的發(fā)展有關(guān)，形成了分布式通信網(wǎng)絡(luò)。但是，由于各制造商各自為政，通信系統(tǒng)也是各有各的規(guī)范。由于在很短的時間內(nèi)，PLC就已經(jīng)從汽車行業(yè)迅速擴展到其它行業(yè)，作為繼電器的替代品進入了食品、飲料、金屬加工、制造和造紙等多個行業(yè)。其次，產(chǎn)品功能也得到很大的發(fā)展。同時，可靠性進一步提高。這一階段的產(chǎn)品有西門子公司的SIMATICS6系列，GOULD公司的M84，884等，富士電機的MICRO和TI公司的TI530等。

4.開放階段：從20世紀80年代中期開始

由于國際標準化組織提出了開放系統(tǒng)互連的參考模型OSI，使PLC在開放功能上有較大發(fā)展。主要表現(xiàn)為通信系統(tǒng)的開放，使各制造廠商的產(chǎn)品可以通信，通信協(xié)議開始標準化，使用戶得益。此外，PLC開始采用標準化軟件系統(tǒng)，增加高級語言編程，并完成了編程語言的標準化工作。這一階段的產(chǎn)品有西門子公司的S7系列，AB公司的PLC-5，SLC500，德維森的V80和PPC11，加拿大ONLINECONTROL公司與合控電氣公司所開發(fā)的OPENPLC等。

二、PLC的特點

1.PLC的硬件和軟件進展

PLC的技術(shù)從誕生之日起，就不停地發(fā)展。PLC的定義也經(jīng)過多次變動。1987年，國際電工委員會IEC(InternationalElectricalCommittee)頒布了可編程序控制器最新的定義：

可編程控制器是一種能夠直接應(yīng)用于專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的數(shù)字運算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各類的機械或生產(chǎn)過程。可編程控制器及其有關(guān)的外圍設(shè)備都應(yīng)按照易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴展其功能的原則而設(shè)計。

可見，PLC的定義實際是根據(jù)PLC的硬件和軟件技術(shù)進展而發(fā)展的。這些發(fā)展不僅改進了PLC的設(shè)計，也改變了控制系統(tǒng)的設(shè)計理念。這些改變，包括硬件和軟件的。

以下列出了PLC的硬件進展：

采用新的、先進的微處理器和電子技術(shù)達到快速的掃描時間;

小型的、低成本的PLC，可以替代4到10個繼電器，現(xiàn)在獲得更大的發(fā)展動力;

高密度的I/O系統(tǒng)，以低成本提供了節(jié)省空間的接口;

基于微處理器的智能I/O接口，擴展了分布式控制能力。典型的接口如：PID，網(wǎng)絡(luò)，CAN總線，現(xiàn)場總線，ASCII通信，定位，主機通訊模塊，和語言模塊(如BASIC，PASCAL);

包括輸入輸出模塊和端子的結(jié)構(gòu)設(shè)計改進，使端子更加集成;

特殊接口允許某些器件可以直接接到控制器上，如熱電偶、熱電阻、應(yīng)力測量、快速響應(yīng)脈沖等;

外部設(shè)備改進了操作員界面技術(shù)，系統(tǒng)文檔功能成為了PLC的標準功能。

以上這些硬件的改進，導(dǎo)致了PLC的產(chǎn)品系列的豐富和發(fā)展，使PLC從最小的只有十個I/O點的微型PLC，到8000點的大型PLC，應(yīng)有盡有。這些產(chǎn)品系列，用普通的I/O系統(tǒng)和編程外部設(shè)備，可以組成局域網(wǎng)，并與辦公網(wǎng)絡(luò)相連。整個PLC的產(chǎn)品系列概念對于用戶來說，是一個非常節(jié)約成本的控制系統(tǒng)概念。

與硬件的發(fā)展相似，PLC的軟件也取得了巨大的進展，大大強化了PLC的功能：

PLC引入了面向?qū)ο蟮木幊坦ぞ?，并且根?jù)國際電工委員會的IEC61131-3的標準形成了多種語言;

小型PLC也提供了強大的編程指令，并且因此延伸了應(yīng)用領(lǐng)域;

高級語言，如BASIC，C在某些控制器模塊中已經(jīng)可以實現(xiàn)，在與外部通訊和處理數(shù)據(jù)時提供了更大的編程靈活性;

梯形圖邏輯中可以實現(xiàn)高級的功能塊指令，可以使用戶用簡單的編程方法實現(xiàn)復(fù)雜的軟件功能;

診斷和錯誤檢測功能，從簡單的系統(tǒng)控制器的故障診斷，擴大到對所控制的機器和設(shè)備的過程和設(shè)備進行診斷;

浮點運算可以進行控制應(yīng)用中計量、平衡和統(tǒng)計等所牽涉的復(fù)雜計算;

數(shù)據(jù)處理指令得到簡化和改進，可以進行涉及大量數(shù)據(jù)存儲、跟蹤和存取的復(fù)雜控制和數(shù)據(jù)采集和處理功能。

盡管PLC比原來復(fù)雜了很多，但是，他們依然保持了令人吃驚的簡單性，對操作員來說，今天的高功能的PLC與三十年前一樣那么容易操作。

2.PLC的特點

PLC發(fā)展如此迅速的原因，在于它具有一些其它控制系統(tǒng)，包括DCS和通用計算機在內(nèi)，所不及的一些特點。下面對這些特點做一個介紹：

① 可靠性

可靠性包括產(chǎn)品的有效性和可維修性。可編程控制器的可靠性高，表現(xiàn)在下列幾個方面：

a) 可編程控制器不需要大量的活動部件和電子元件，接線大大減少，與此同時，系統(tǒng)的維修簡單，維修時間縮短，因此可靠性得到提高;

b) 可編程控制器采用一系列可靠性設(shè)計方法進行設(shè)計，例如冗余設(shè)計，掉電保護，故障診斷，報警和運行信息顯示和信息保護及恢復(fù)等，提高了MTBF，降低了MTTR，使可靠性得到提高;

c) 可編程控制器有較強的易操作性，它具有編程簡單，操作方便，編程的出錯率大大降低，而為工業(yè)惡劣操作環(huán)境設(shè)計的硬件使可靠性大大提高;

d) 可編程控制器的硬件設(shè)計方面，采用了一系列提高可靠性的措施。例如，采用可靠性高的工業(yè)級元件，采用先進的電子加工工藝(SMT)制造，對干擾采用屏蔽、隔離和濾波等;存儲器內(nèi)容的保護，采用看門狗和自診斷措施，便于維修的設(shè)計等。

一份用戶選用PLC原因的調(diào)查報告指出：在各種選用PLC的原因中，首選原因是可靠性高的，占93%，其次，才是性能和維修方面的原因。

② 易操作性

PLC的易操作性表現(xiàn)在下列三個方面：

a) 操作方便：對PLC的操作包括程序的輸入和程序更改操作，大多數(shù)PLC采用編程器進行程序輸入和更改操作?，F(xiàn)在的PLC的編程器大部分可以用電腦直接進行，更改程序也可根據(jù)所需地址編號、繼電器編號或接點號等直接進行搜索或按順序?qū)ふ遥缓罂梢栽诰€或離線更改;

b) 編程方面：PLC有多種程序設(shè)計語言可以使用，對現(xiàn)場電氣人員來說，由于梯形圖與電氣原理圖相似，因此，很容易理解和掌握。采用語句表語言編程時，由于編程語句是功能的縮寫，便于記憶，并且與梯形圖有一一對應(yīng)的關(guān)系，所以有利于編程人員的編程操作。功能圖表語言以過程流程進展為主線，十分適合設(shè)計人員與工藝專業(yè)人員設(shè)計思想的溝通。功能模塊圖和結(jié)構(gòu)化文本語言編程方法的應(yīng)用尚未普及，但由于它們具有功能清晰，易于理解等優(yōu)點，而且與DCS組態(tài)語言統(tǒng)一，正受到廣大技術(shù)人員的重視。

c) 維修方便：PLC所具有的自診斷功能對維修人員的技術(shù)要求較低，當系統(tǒng)發(fā)生故障時，通過硬件和軟件的自診斷，維修人員可以根據(jù)有關(guān)故障代碼的顯示和故障信號燈的提示等信息，或通過編程器和HMI屏幕的設(shè)定，直接找到故障所在的部位，為迅速排除故障和修復(fù)節(jié)省了時間，降低了MTTR。

為便于維修工作的開展，有些PLC制造商提供維修用的專用儀表或設(shè)備，提供故障維修樹等維修用資料;有些廠商還提供維修用的智能卡或插件板，使維修工作變得十分方便。此外，PLC的面板和結(jié)構(gòu)設(shè)計也考慮了維修的方便性。例如，對需要維修的部件設(shè)置在便于維修的位置，信號燈設(shè)置在易于觀察的位置，接線端子采用便于接線和更換的類型等，這些設(shè)計使維修工作能方便地進行，大大縮短了維修時間。采用標準化元件和標準化工藝生產(chǎn)流水作業(yè)，使維修用備品備件簡化等，也使維修工作變得方便。

③ 靈活性

PLC的靈活性主要表現(xiàn)在以下3個方面：

a) 編程的靈活性：PLC采用的標準編程語言有梯形圖、指令表、功能圖表、功能模塊圖和結(jié)構(gòu)化文本編程語言等。使用者只要掌握其中一種編程語言就可進行編程，編程方法的多樣性使編程方便。由于PLC內(nèi)部采用軟連接，因此，在生產(chǎn)工藝流程更改或者生產(chǎn)設(shè)備更換后，可不必改變PLC的硬設(shè)備，通過程序的編制與更改就能適應(yīng)生產(chǎn)的需要。這種編程的靈活性是繼電器順序控制系統(tǒng)和數(shù)字電路控制系統(tǒng)所不能比擬的。正是由于編程的柔性特點，使PLC成為工業(yè)控制領(lǐng)域的重要控制設(shè)備，在柔性制造系統(tǒng)FMS，計算機集成制造系統(tǒng)(CIMS)和計算機流程工業(yè)系統(tǒng)(CIPS)中，PLC正成為主要的控制設(shè)備，得到廣泛的應(yīng)用;

b) 擴展的靈活性：PLC的擴展靈活性是它的一個重要特點。它可以根據(jù)應(yīng)用的規(guī)模不斷擴展，即進行容量的擴展、功能的擴展、應(yīng)用和控制范圍的擴展。它不僅可以通過增加輸入輸出卡件增加點數(shù)，通過擴展單元擴大容量和功能，也可以通過多臺PLC的通信來擴大容量和功能，甚至可以與其它的控制系統(tǒng)如DCS或其它上位機的通信來擴展其功能，并與外部的設(shè)備進行數(shù)據(jù)交換。這種擴展的靈活性大大方便了用戶;

c) 操作的靈活性：操作的靈活性指設(shè)計工作量、編程工作量、和安裝施工的工作量的減少。操作變得十分方便和靈活，監(jiān)視和控制變得很容易。在繼電器順序控制系統(tǒng)中所需的一些操作得到簡化，不同生產(chǎn)過程可采用相同的控制臺和控制屏等。

④ 機電一體化

為了使工業(yè)生產(chǎn)的過程控制更平穩(wěn)，更可靠，向優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低耗要效益，對過程控制設(shè)備和裝置提出了機電一體化，即儀表、電子、計算機綜合的要求，而PLC正是這一要求的產(chǎn)物，它是專門為工業(yè)過程而設(shè)計的控制設(shè)備，具有體積小、功能強，抗干擾性好等優(yōu)點，它將機械與電氣部件有機地結(jié)合在一個設(shè)備內(nèi)，把儀表、電子和計算機的功能綜合集成在一起，因此，它已經(jīng)成為當今數(shù)控技術(shù)、工業(yè)機器人、離散制造和過程流程等領(lǐng)域的主要控制設(shè)備，成為工業(yè)自動化三大支柱(PLC，機器人，CAD/CAM)之一。

可編程控制器現(xiàn)在已經(jīng)成為了一個不可代替的控制系統(tǒng)，它們可以與其它系統(tǒng)通訊，提供產(chǎn)品報表，生產(chǎn)調(diào)度，診斷自身和設(shè)備的故障，這些技術(shù)上的改進，讓PLC成為今天的各行各業(yè)的高質(zhì)量和產(chǎn)量的重要的貢獻者。

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