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)可編程序控制器供應(yīng)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)在已有第五代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。在多年的供應(yīng)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  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Z快的時(shí)期，年增長(zhǎng)率一直保持為30~40%。由于PLC機(jī)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)PCIPC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*有200多廠家供應(yīng)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

    內(nèi)PLC供應(yīng)廠約30家，但沒(méi)有形成頗規(guī)模的供應(yīng)能力和產(chǎn)品，還有一部分是以仿制、來(lái)件組裝或“貼牌”方式供應(yīng)，因此可以說(shuō)PLC在我未形成制造產(chǎn)業(yè)。作為原理、技術(shù)和均無(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。但是與其它家相比，在機(jī)械加工及供應(yīng)線方面的應(yīng)用，還需要加大投入。我市場(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)*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，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，在我就更是如此了。

    從技術(shù)創(chuàng)新的角度看，我大中型企業(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有穩(wěn)定、價(jià)格、功能齊全、應(yīng)用靈活方便、操作維護(hù)方便的點(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、Z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)IEC61131-31993 年IEC頒布可編程序控制器的際標(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，我應(yīng)已積極的姿態(tài)投入其中。

    2001年我機(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*位，機(jī)床產(chǎn)量為*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)。現(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)的性、安全性、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、供應(yīng)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與緊急停車安全系統(tǒng)ESD，Emergency Shut Down Systems的關(guān)系、與立體倉(cāng)庫(kù)、機(jī)器人、CAD/CAM等等都要處理關(guān)系。總之，PLC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)策并化。PLC的前途一片美，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！