PLC發(fā)展的幾個(gè)特點(diǎn)和國產(chǎn)化

　　PLC產(chǎn)生于上世紀(jì)60年代，崛起于70年代，成熟于80年代，于90年代取得技術(shù)上的新突破，21世紀(jì)PLC技術(shù)發(fā)展的幾個(gè)特點(diǎn)為：適應(yīng)市場需要，加強(qiáng)PLC通信聯(lián)網(wǎng)的信息處理能力；PLC向開放性發(fā)展；PLC的體積小型化，運(yùn)算速度高速化；軟PLC出現(xiàn)；PLC編程語言趨于標(biāo)準(zhǔn)化。其應(yīng)用領(lǐng)域目前不斷擴(kuò)大，并延伸到過程控制、批處理、運(yùn)動(dòng)和傳動(dòng)控制、無線電遙控以至實(shí)現(xiàn)全廠的綜合自動(dòng)化。
　　發(fā)展回顧
　　上世紀(jì)60年代末PLC產(chǎn)生于美國馬薩諸塞州，MODICON084是世界上第一種投入生產(chǎn)的PLC。PLC崛起于70年代，首先在汽車流水線上大量應(yīng)用。80年代PLC走向成熟，全面采用微電子處理器技術(shù)，得到大量推廣應(yīng)用，年銷售始終以高于20%的增長率上升，奠定了其在工業(yè)控制中不可動(dòng)搖的地位。90年代，隨著工控編程語言IEC61131-3的正式頒布，PLC開始了它的第三個(gè)發(fā)展時(shí)期，在技術(shù)上取得新的突破。PLC在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上，從傳統(tǒng)的單機(jī)向多CPU和分布式及遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)發(fā)展；在編程語言上，圖形化和文本化語言的多樣性，創(chuàng)造了更具表達(dá)控制要求、通信能力和文字處理的編程環(huán)境；從應(yīng)用角度看，除了繼續(xù)發(fā)展機(jī)械加工自動(dòng)生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)外，更發(fā)展了以PLC為基礎(chǔ)的DCS系統(tǒng)、監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（SCADA）、柔性制造系統(tǒng)（FMS）、安全連鎖保護(hù)系統(tǒng)（ESD）等，全方位地提高了PLC的應(yīng)用范圍和水平。
　　21世紀(jì)PLC技術(shù)發(fā)展的幾個(gè)特點(diǎn)
　　1、適應(yīng)市場需要，加強(qiáng)PLC通信聯(lián)網(wǎng)的信息處理能力
　　在信息時(shí)代的今天，幾乎所有PLC制造商都注意到了加強(qiáng)PLC通信聯(lián)網(wǎng)的信息處理能力這一點(diǎn)。小型PLC都有通信接口，中、大型PLC都有專門的通信模塊。隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，PLC的通信聯(lián)網(wǎng)能使其與PC和其它智能控制設(shè)備很方便地交換信息，實(shí)現(xiàn)分散控制和集中管理。也就是說，用戶需要PLC與PC更好地融合，通過PLC在軟技術(shù)上協(xié)助改善被控過程的生產(chǎn)性能，在PLC這一級(jí)就可以加強(qiáng)信息處理能力。例如，CONTEC與日本三菱電機(jī)公司（以下簡稱為三菱電機(jī)）合作，推出專門插在小Q系列PLC的機(jī)架上的PC機(jī)模塊，該模塊實(shí)際上就是一臺(tái)可在工廠現(xiàn)場環(huán)境下正常運(yùn)行，而且可通過PLC的內(nèi)部總線與PLC的CPU模塊交換數(shù)據(jù)的PC機(jī)。其處理芯片采用IntelCeleron400M主頻、系統(tǒng)內(nèi)存128MB、Cache128K、支持外掛顯示器，該模塊內(nèi)裝WindowsNT4.0或Windows2000。支持的軟件有：三菱綜合F4軟件，包括PLC編程軟件GT、FA數(shù)據(jù)處理軟件MX、人機(jī)界面畫面設(shè)計(jì)軟件GT、運(yùn)動(dòng)控制設(shè)計(jì)編程軟件MT等。
　　最近，國外一些中、大型PLC制造商推出了一個(gè)機(jī)架上可以插多個(gè)CPU模塊的結(jié)構(gòu)，將PC機(jī)模塊與PLC的CPU模塊、過程控制CPU模塊或運(yùn)動(dòng)控制模塊同時(shí)插在一個(gè)機(jī)架上。實(shí)際上就是將原來PLC要通過工廠自動(dòng)化（FA）用PC機(jī)與管理計(jì)算機(jī)通信的三層結(jié)構(gòu)改為PLC系統(tǒng)可直接與生產(chǎn)管理用的計(jì)算機(jī)的兩層結(jié)構(gòu)。這樣生產(chǎn)管理更加快捷方便。
　　小型PLC之間通信“傻瓜化”。為了盡量減少PLC用戶在通信編程方面的工作量，PLC制造商做了大量工作，使設(shè)備之間的通信自動(dòng)地周期性的進(jìn)行，而不需要用戶為通信編程，用戶的工作只是在組成系統(tǒng)時(shí)作一些硬件或軟件上初始化設(shè)置。
　　如歐姆龍公司的兩臺(tái)CPM1A之間一對(duì)一連接通信只需用三根導(dǎo)線將它們的RS-232C通信接口連在一起后將通信有關(guān)的參數(shù)寫入5個(gè)指定的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中，即可方便地實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)PLC之間的通信。
　　2、PLC向開放性發(fā)展
　　早期的PLC缺點(diǎn)之一是它的軟、硬件體系結(jié)構(gòu)是封閉而不是開放的，如專用總線、通信網(wǎng)絡(luò)及協(xié)議、I/O模塊更互不通用，甚至連機(jī)架、電源模板亦各不相同，編程語言之一的梯形圖名稱雖一致，但組態(tài)、尋址、語言結(jié)構(gòu)均不一致，因此，幾乎各個(gè)公司的PLC均互不兼容。目前，PLC在開放性方面已有實(shí)質(zhì)性突破。十多年前PLC被攻破的一個(gè)重要方面就是它的專有性，現(xiàn)在情況有了極大改觀，不少大型PLC廠商在PLC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上采用了各種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，如IEC61131-3、IEEE802.3以太網(wǎng)、TCP/IP、UDP/IP等。例如，AEGSchneider集團(tuán)已開發(fā)以PLC機(jī)為基礎(chǔ)，在Windows平臺(tái)下，符合IEC61131-3國際標(biāo)準(zhǔn)的全新一代開放體系結(jié)構(gòu)的PLC實(shí)現(xiàn)高度分散控制，開放度高。高度分散控制是一種全新的工業(yè)控制結(jié)構(gòu)，不但控制功能分散化，而且網(wǎng)絡(luò)也分散化，所謂高度分散化控制，就是控制算法常駐在該控制功能的節(jié)點(diǎn)上，而不是常駐在PLC上或PC上，凡掛在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上的設(shè)備，均處于同等的位置，將“智能”擴(kuò)展到控制系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)，從傳感器、變送器到I/O模塊，乃至執(zhí)行器，無處不采用微處理芯片，因而產(chǎn)生了智能分散系統(tǒng)（SDS）。
　　為了使PLC更具開放性和執(zhí)行多任務(wù)，在一個(gè)PLC系統(tǒng)中同時(shí)裝幾個(gè)CPU模塊，每個(gè)CPU模塊都執(zhí)行某一種任務(wù)。例如三菱電機(jī)公司的小Q系列PLC可以在一個(gè)機(jī)架上插4個(gè)CPU模塊，富士電機(jī)的MICREX-ST系列最多可在一個(gè)機(jī)架上插6個(gè)CPU模塊，這些CPU模塊可以進(jìn)行專門的邏輯控制、順序控制、運(yùn)動(dòng)控制和過程控制。這些都是在Windows環(huán)境下執(zhí)行PC機(jī)任務(wù)的模塊，組成混合式的控制系統(tǒng)。
　　近幾年，眾多PLC廠商都開發(fā)了自己的模塊型I/O或端子型I/O，而通信總線都符合IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)，這極大的增強(qiáng)了PLC的開放性。
　　創(chuàng)建開放的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境后，推出了能掛100M的高速以太網(wǎng)的WEB服務(wù)器模塊，三菱電機(jī)公司小Q系列的QJ71WS96，橫河電機(jī)FA-M3系列的F3WBM1-0T-S0；模塊內(nèi)的軟件捆綁了目前常用的TCP/IP、UDP/IP等傳輸層和網(wǎng)絡(luò)層規(guī)約，以及HTTP、FTP、SMTP、POP3等應(yīng)用層規(guī)約，使PLC可直接進(jìn)入因特網(wǎng)，成為不折不扣的WEB的PLC。
　　3、PLC的體積小型化，運(yùn)算速度高速化
　　PLC小型化的好處是節(jié)省空間、降低成本、安裝靈活。目前一些大型PLC，其外形尺寸比他們前一代的同類產(chǎn)品的安裝空間要小50%左右。
　　近幾年，很多PLC廠商推出了超小型PLC，用于單機(jī)自動(dòng)化或組成分布式控制系統(tǒng)。西門子公司的超小型PLC稱通用邏輯模塊LOGO！，它采用整體式結(jié)構(gòu)，集成了控制功能、實(shí)時(shí)時(shí)鐘和操作顯示單元，可用面板上的小型液晶顯示屏和6個(gè)鍵來編程。LOGO！超小型PLC使用功能模塊圖FBD編程語言，有在PC上運(yùn)行的Windows98/NT編程軟件。
　　三菱電機(jī)的超小型PLC叫簡單應(yīng)用控制器，簡稱α并有AL-PCS/win-C型VLS軟件，是強(qiáng)有力且界面友好的編程工具。松下電工的超小型PLC叫可選模式控制器。德國金鐘—默勒公司（MOELLER）的超小型PLC稱控制繼電器，簡稱easy。
　　運(yùn)算速度高速化是PLC技術(shù)發(fā)展的重要特點(diǎn)，在硬件上，PLC的CPU模塊采用32位的RISC芯片，使PLC的運(yùn)算速度大為提高，一條基本指令的運(yùn)算速度達(dá)到數(shù)十個(gè)納秒（ns）。三菱電機(jī)公司的ANA系列PLC最早使用32位的CPU模塊，當(dāng)今它的Q02H系列PLC的CPU模塊也用了32位的RISC芯片，基本指令的執(zhí)行時(shí)間為34ns；富士電機(jī)MICREX-SX系列PLC的CPU模塊由于采用了32位RISC芯片后，其一條基本指令的運(yùn)算時(shí)間為20ns。
　　PLC主機(jī)運(yùn)算速度大大提高，與外設(shè)的數(shù)據(jù)交換速度也呈高速化。大家知道，PLC的CPU模塊通過系統(tǒng)總線與裝插在基板上的各種I/O模塊、特殊功能模塊、通信模塊等交換數(shù)據(jù)，基板上裝的模塊越多，PLC的CPU模塊與那些模塊之間的數(shù)據(jù)交換的時(shí)間就會(huì)增加，在一定程度上會(huì)使PLC的掃描時(shí)間加長，為此，不少PLC廠商采用新技術(shù)，增加PLC系統(tǒng)的帶寬，使一次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量增多；在系統(tǒng)總線數(shù)據(jù)存取方式上，采用連續(xù)成組傳送技術(shù)實(shí)現(xiàn)連續(xù)數(shù)據(jù)的高速批量傳送，大大縮短了存取每個(gè)字所需的時(shí)間；通過向系統(tǒng)總線相連接的模塊實(shí)現(xiàn)全局傳送，即針對(duì)多個(gè)模塊同時(shí)傳送同一數(shù)據(jù)的技術(shù)，有效地活用系統(tǒng)總線。
　　當(dāng)前，不少PLC廠商采用了多CPU芯片并行處理方式，用專門CPU處理編程及監(jiān)控服務(wù)，大大減輕對(duì)執(zhí)行控制程序的CPU芯片的影響，只讓執(zhí)行控制程序的CPU進(jìn)行順控和邏輯運(yùn)算。另外，為提高服務(wù)處理速度，縮短操作時(shí)間，采用高速的串行通信（最大波特率為115Kbps），并將UCB口（最大波特率為12Mbps）引入PLC的CPU模塊，從而實(shí)現(xiàn)與編程工具及監(jiān)控設(shè)備之間通信的高速化，并允許許多人同時(shí)使用這兩個(gè)通信端口同時(shí)進(jìn)行編程和調(diào)試程序。
　　4、軟PLC出現(xiàn)
　　所謂軟PLC，實(shí)際就是在PC機(jī)的平臺(tái)上，在Windows操作環(huán)境下，用軟件來實(shí)現(xiàn)PLC的功能，也就是說，軟PLC是一種基于PC機(jī)開發(fā)結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)，它具有硬PLC的功能、可靠性、速度、故障查找等方面的特點(diǎn)，利用軟件技術(shù)可以將標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)PC轉(zhuǎn)換全功能的PLC過程控制器。軟PLC綜合了計(jì)算機(jī)和PLC的開關(guān)量控制、模擬量控制、數(shù)學(xué)運(yùn)算、數(shù)值處理、網(wǎng)絡(luò)通信等功能，通過一個(gè)多任務(wù)控制內(nèi)核，提供強(qiáng)大的指令集、快速而準(zhǔn)確的掃描周期，可靠的操作和可連接各種I/O系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)的開放式結(jié)構(gòu)。軟PLC具有硬PLC的功能，同時(shí)又提供了PC機(jī)環(huán)境的各種優(yōu)點(diǎn)。GEFanuc公司推出了一種外形類似筆記本電腦的PC以Windows為操作系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)PLC的CPU模塊的功能，通過以太網(wǎng)和I/O模塊、通信模塊用于工廠的現(xiàn)場控制。在美國底特律汽車城，大多數(shù)汽車裝配自動(dòng)生產(chǎn)線、熱處理工藝生產(chǎn)線等都已由傳統(tǒng)PLC控制改為軟件PLC控制，可以說，高性能價(jià)格比的軟PLC將成為今后高檔PLC的發(fā)展方向。5、PLC編程語言趨于標(biāo)準(zhǔn)化
　　IEC61131是可編程控制器的國際標(biāo)準(zhǔn)，共有8個(gè)部分，從1992年開始陸續(xù)頒布實(shí)行。IEC61131-3是PLC編程語言的標(biāo)準(zhǔn)，于1993年頒布實(shí)施。
　　IEC61131-8于2001年頒布實(shí)施，與IEC61131-3被稱為PLC語言的實(shí)現(xiàn)導(dǎo)則。
　　IEC61131-3PLC編程語言國際標(biāo)準(zhǔn)是將現(xiàn)代軟件概念和現(xiàn)代軟件工程的機(jī)制與傳統(tǒng)的PLC編程語言成功的結(jié)合，使它在工業(yè)控制領(lǐng)域的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出PLC的界限，已成為DCS、PC控制、運(yùn)動(dòng)控制以及SCADA的編程系統(tǒng)事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)。IEC61131-3規(guī)定了二大類編程語言：文本化編程語言和圖形化編程語言。前者包括指令語句表語言（IL）和結(jié)構(gòu)化文本化語言（ST），后者包括梯形圖語言（LD）和功能塊圖語言（FBD）。而順序功能圖（SFC）可以在梯形圖語言中使用，也可以在指令語句表語言中使用。
　　IEC61131-3允許在同一個(gè)PLC中使用多種編程語言，也允許程序開發(fā)人員對(duì)一個(gè)特定的任務(wù)選擇最合適的編程語言，還允許在同一個(gè)控制程序中其不同的軟件模塊用不同的編程語言編制，這一規(guī)定既解決了PLC發(fā)展歷史形成編程語言多樣化的現(xiàn)狀，又為PLC的軟件技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展提供了足夠的空間。
　　歐美PLC廠商的PLC大都支持IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)，特別是西門子公司的PLC。我國在1995年就采用IEC61131-3作為PLC的國家標(biāo)準(zhǔn)。日本雖然工業(yè)發(fā)達(dá)，技術(shù)還是相對(duì)封閉，但I(xiàn)EC61131-3標(biāo)準(zhǔn)成為PLC的公認(rèn)世界主流標(biāo)準(zhǔn)后，日本的PLC生產(chǎn)商開始在新一代PLC軟件平臺(tái)中廣泛采用。三菱電機(jī)的PLC編程軟件包GXVer.8開發(fā)系統(tǒng)就支持梯形圖語言（LD）、指令語句表語言（IL）、順序功能圖編程語言（SFC）、結(jié)構(gòu)化文本語言（ST）。三菱電機(jī)的PX開發(fā)系統(tǒng)支持功能塊圖FBD，供PLC用于過程控制。歐姆龍公司的編程軟件包GX除了支持LD、IL外，近期即將推出支持功能塊FBD和結(jié)構(gòu)化文本語言ST的編程軟件包。富士電機(jī)的及橫河電機(jī)的PLC編程軟件包也都支持IEC61131-3。
　　PLC的國產(chǎn)化
　　國內(nèi)開始研制PLC產(chǎn)品是上世紀(jì)70年代中期，當(dāng)時(shí)上海、北京、西安、廣州和長春等地的不少科研單位、大專院校和工廠，總計(jì)20多家單位都在研制和生產(chǎn)PLC（絕大多數(shù)都是小型PLC）。特別值得一提的是國家科委和原機(jī)械工業(yè)部在儀器儀表重點(diǎn)課題攻關(guān)專項(xiàng)中組織了“六五”、“七五”、“八五”的可編程序控制器子項(xiàng)攻關(guān)，由部屬北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所負(fù)責(zé)，先后研制開發(fā)了MPC-10、MPC-20、MPC-85型PLC。這幾種型號(hào)的PLCI/O點(diǎn)數(shù)為256～512，并可擴(kuò)展到1024點(diǎn)，開創(chuàng)了國內(nèi)研制大型PLC的先河，先后在注塑機(jī)、恒溫室、鍋爐控制、汽車壓力機(jī)生產(chǎn)線上獲得了應(yīng)用。這些項(xiàng)目有自動(dòng)開發(fā)的操作系統(tǒng)、工業(yè)控制編程語言并具有與上位機(jī)、HMI連網(wǎng)和通信等功能。當(dāng)時(shí)國內(nèi)研制開發(fā)的PLC產(chǎn)品由于缺乏資金、后續(xù)研制力量不足及生產(chǎn)技術(shù)相對(duì)落后等原因，沒有形成批量工業(yè)化生產(chǎn)，因而被國外產(chǎn)品淘汰而紛紛消失。可喜的是在90年代，由于PLC應(yīng)用不斷深入，國內(nèi)又掀起研制PLC的高潮，雖然仍是小型PLC，批量亦不大，但其功能、質(zhì)量和可靠性比70年代的產(chǎn)品有明顯的提高。其代表產(chǎn)品如：南京冠德科技有限公司（原江蘇嘉華實(shí)業(yè)有限公司PLC工廠）的JH200系列PLC，I/O為12～120點(diǎn)，具有高速計(jì)數(shù)器和模擬量功能；杭州新箭電子有限公司的D系列PLC，D20P的I/O點(diǎn)數(shù)為20點(diǎn)，D100的I/O點(diǎn)可從40～120點(diǎn)；蘭州全志電子有限公司的RD系列小型PLC很有特點(diǎn)，RD100型PLC的I/O點(diǎn)9/4點(diǎn)，2點(diǎn)模擬量輸入，而RD200型PLC的I/O為20～40點(diǎn)，擴(kuò)展的功能有編碼盤測速、熱電偶測溫和模擬量I/O，RD200型PLC最多可32臺(tái)連網(wǎng)，并能與上位PC機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)通信。
　　為了盡快提升我國PLC的技術(shù)水平，引進(jìn)PLC的先進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)，中外合資或外商獨(dú)資企業(yè)在國內(nèi)開始批量生產(chǎn)PLC。西門子公司首先在大連開辦PLC生產(chǎn)企業(yè)；歐姆龍公司在上海生產(chǎn)的PLC遠(yuǎn)銷海內(nèi)外；中日合資后又成獨(dú)資的江蘇無錫光洋電子有限公司的PLC已有小、中、大系列產(chǎn)品。中外合資、引進(jìn)技術(shù)，使國產(chǎn)PLC上了一個(gè)新的臺(tái)階。
　　特別是近幾年，國產(chǎn)PLC有了更新的產(chǎn)品。北京和利時(shí)系統(tǒng)工程股份有限公司推出的FOPLC有小型、中型、大型。該公司推出的HOLIiAS-LECG3新一代高性能的小型PLC有14點(diǎn)（8/6）、24點(diǎn)（14/10）、40點(diǎn)（24/16）三個(gè)規(guī)格，基本指令的執(zhí)行時(shí)間為0.6微秒。程序存儲(chǔ)器的容量為52K。為方便用戶選用，該公司開發(fā)了19種、35個(gè)不同規(guī)格的I/O擴(kuò)展模塊，G3型PLC可最多擴(kuò)展7個(gè)模塊，I/O最大可到264點(diǎn)。G3系列PLC有符合IEC61131-3的5種編程語言，編程軟件具有超強(qiáng)的計(jì)算功能，如其他小型PLC所不具備的64位浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算、優(yōu)化的PID可同時(shí)處理有十幾個(gè)模擬量的多個(gè)閉環(huán)回路。G3系列PLC具有極強(qiáng)的通信功能，有集于CPU模塊的標(biāo)準(zhǔn)Modbus協(xié)議、專有協(xié)議和自由協(xié)議的通信接口。通過該接口可方便的掛到Profibus等總線上去。該公司的FOPLC中型機(jī)，開關(guān)量I/O為256點(diǎn)；內(nèi)置TCP/IP通信接口，很容易接入管理網(wǎng)；配有Profibus-DP現(xiàn)場總線的主站、從站和遠(yuǎn)程I/O都通過ISO9001嚴(yán)格的質(zhì)量保證體系認(rèn)真。FOPLC編程語言符合IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)。
　　深圳德維森公司開發(fā)的基于PC的軟PLCTOMC系列，其特點(diǎn)是符合IEC61131-3國際標(biāo)準(zhǔn)的編程語言，允許梯形圖、順序功能圖和功能塊圖混合編程；用戶可開發(fā)基于內(nèi)置PC資源的C語言和定義功能塊，通過以太網(wǎng)、TCP/IP與上位機(jī)聯(lián)網(wǎng)。TOMC1軟PLC可連接最多32個(gè)本地I/O模塊，最多15個(gè)遠(yuǎn)程站，每個(gè)遠(yuǎn)程站可帶32個(gè)I/O點(diǎn)。
　　在90%的國內(nèi)PLC市場由國外PLC產(chǎn)品占領(lǐng)的今天，國產(chǎn)PLC能脫穎而出，并具有和國外同類產(chǎn)品進(jìn)行競爭的能力，相信不久的將來，國產(chǎn)PLC將占市場更大份額。
　　PLC的應(yīng)用領(lǐng)域目前不斷擴(kuò)大，并延伸到過程控制、批處理、運(yùn)動(dòng)和傳動(dòng)控制、無線電遙控以至實(shí)現(xiàn)全廠的綜合自動(dòng)化。PLC的技術(shù)發(fā)展除了小型化、超高速，大容量存儲(chǔ)器，多CPU，多任務(wù)并行運(yùn)行外，PLC的開放性更大，通信聯(lián)網(wǎng)能力更強(qiáng)，集成化軟件更優(yōu)。標(biāo)準(zhǔn)化的IEC61131-3PLC編程語言已被眾多PLC廠商所接受，其推廣速度越來越快。軟PLC的應(yīng)用范圍將更廣。