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可編程控制器PLC的發(fā)展趨勢(shì)
更新時(shí)間：2024-01-11
點(diǎn)擊次數(shù)：17421968年，通用汽車公司的液壓部分為了消除既復(fù)雜又昂貴的繼電器控制系統(tǒng)，確立了第一個(gè)可編程控制器的招標(biāo)指標(biāo)。該設(shè)計(jì)規(guī)格需要固態(tài)系統(tǒng)和電腦技術(shù)，并要求能夠在產(chǎn)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(jī)器的停機(jī)時(shí)間，并為未來(lái)提供了可擴(kuò)展性。該招標(biāo)由DEC公司中標(biāo)，這套系統(tǒng)于1969年研制出來(lái)，這是第一臺(tái)可編程控制器，型號(hào)為PDP-14，應(yīng)用取得成功。其后，美國(guó)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(guó)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(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、數(shù)字技術(shù)、通訊網(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(dòng)了可編程控制器的發(fā)展。
從控制功能來(lái)看，可編程控制器的發(fā)展大致經(jīng)歷了4個(gè)階段：
1．低級(jí)階段：從第一臺(tái)PLC問世到20世紀(jì)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(yùn)算和計(jì)時(shí)、計(jì)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(yǔ)言作為編程方式，盡管有些枯燥，但卻形成了工廠的編程標(biāo)準(zhǔn)。
2．?dāng)U展階段：從20世紀(jì)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(kuò)展。擴(kuò)展的功能包括數(shù)據(jù)的傳送、數(shù)據(jù)的比較和運(yùn)算、模擬量的運(yùn)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(jī)公司的SC系列產(chǎn)品。
3．通訊階段：20世紀(jì)70年代末期到80年代中期
這一階段產(chǎn)品與計(jì)算機(jī)通訊的發(fā)展有關(guān)，形成了分布式通訊網(wǎng)絡(luò)。但是，由于各制造商各自為政，通訊系統(tǒng)也是各有各的規(guī)范。由于在很短的時(shí)間內(nèi)，PLC就已經(jīng)從汽車行業(yè)迅速擴(kuò)展到其它行業(yè)，作為繼電器的替換品進(jìn)進(jìn)了食品、飲料、金屬加工、制造和造紙等多個(gè)行業(yè)。其次，產(chǎn)品功能也得到很大的發(fā)展。同時(shí)，可靠性進(jìn)一步進(jìn)步。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(jī)的MICRO和TI公司的TI530等。
4．開放階段：從20世紀(jì)80年代中期開始
由于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)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)為通訊系統(tǒng)的開放，使各制造廠商的產(chǎn)品可以通訊，通訊協(xié)議開始標(biāo)準(zhǔn)化，使用戶得益。此外，PLC開始采用標(biāo)準(zhǔn)化軟件系統(tǒng)，增加高級(jí)語(yǔ)言編程，并完成了編程語(yǔ)言的標(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)
1．PLC的硬件和軟件進(jìn)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(dòng)。1987年，國(guó)際電工委員會(huì)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)用于專門為在產(chǎn)業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操縱的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲(chǔ)器，用來(lái)在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操縱的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸進(jìn)和輸出，控制各類的機(jī)械或生產(chǎn)過程?？删幊炭刂破骷捌溆嘘P(guān)的外圍設(shè)備都應(yīng)按照易于與產(chǎn)業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體，易于擴(kuò)展其功能的原則而設(shè)計(jì)。
可見，PLC的定義實(shí)際是根據(jù)PLC的硬件和軟件技術(shù)進(jìn)展而發(fā)展的。這些發(fā)展不僅改進(jìn)了PLC的設(shè)計(jì)，也改變了控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念。這些改變，包括硬件和軟件的。
以下列出了PLC的硬件進(jìn)展：
采用新的、先進(jìn)的微處理器和電子技術(shù)達(dá)到快速的掃描時(shí)間；
小型的、低成本的PLC，可以替換4到10個(gè)繼電器，可以獲得更大的發(fā)展動(dòng)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(kuò)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(chǎng)總線、ASCII通訊、定位、主機(jī)通訊模塊和語(yǔ)言模塊（如BASIC，PASCAL）等；
包括輸進(jìn)輸出模塊和端子的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn)，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)力張量、快速響應(yīng)脈沖等；
外部設(shè)備改進(jìn)了人機(jī)界面技術(shù)，系統(tǒng)文檔功能成為了PLC的標(biāo)準(zhǔn)功能。
與硬件的發(fā)展相似，PLC的軟件也取得了巨大的進(jìn)展，大大強(qiáng)化了PLC的功能：
PLC引進(jìn)了面向?qū)ο蟮木幊坦ぞ?，并且根?jù)國(guó)際電工委員會(huì)的IEC61131-3的標(biāo)準(zhǔn)形成了多種語(yǔ)言；
小型PLC也提供了*的編程指令，因此延伸了應(yīng)用領(lǐng)域；
高級(jí)語(yǔ)言，如BASIC，C在某些控制器模塊中已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)，在與外部通訊和處理數(shù)據(jù)時(shí)提供了更大的編程靈活性；
梯形圖邏輯中可以實(shí)現(xiàn)高級(jí)的功能塊指令，可以使用戶用簡(jiǎn)單的編程方法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的軟件功能；
診斷和錯(cuò)誤檢測(cè)功能，從簡(jiǎn)單的系統(tǒng)控制器的故障診斷，擴(kuò)大到對(duì)所控制的機(jī)器和設(shè)備的過程和設(shè)備進(jìn)行診斷；
浮點(diǎn)運(yùn)算可以完成應(yīng)用中計(jì)量、平衡和統(tǒng)計(jì)等所牽涉的復(fù)雜計(jì)算；
數(shù)據(jù)處理指令得到簡(jiǎn)化和改進(jìn)，可以進(jìn)行涉及大量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、跟蹤和存取的復(fù)雜控制和數(shù)據(jù)采集及處理功能。
盡管PLC比原來(lái)復(fù)雜了很多，但是，他們依然保持了令人吃驚的簡(jiǎn)單性，對(duì)操縱員來(lái)說，今天的高功能的PLC與三十年前一樣那么輕易操縱。
2．PLC的特點(diǎn)
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(jì)算機(jī)在內(nèi)，所不及的一些特點(diǎn)。下面對(duì)這些特點(diǎn)做一個(gè)介紹：
① 可靠性
可靠性包括產(chǎn)品的有效性和可維修性?？删幊炭刂破鞯目煽啃愿撸憩F(xiàn)在下列幾個(gè)方面：
a) 可編程控制器不需要大量的活動(dòng)部件和電子元件，接線大大減少，與此同時(shí)，系統(tǒng)的維修簡(jiǎn)單，維修時(shí)間縮短，因此可靠性得到進(jìn)步；
b) 可編程控制器采用一系列可靠性設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，例如冗余設(shè)計(jì)，掉電保護(hù)，故障診斷，報(bào)警和運(yùn)行信息顯示和信息保護(hù)及恢復(fù)等，進(jìn)步了MTBF（全稱是Mean Time Between Failure，即平均工作時(shí)間。就是從新的產(chǎn)品在規(guī)定的工作環(huán)境條件下開始工作到出現(xiàn)第一個(gè)故障的時(shí)間的平均值。MTBF越長(zhǎng)表示可靠性越高正確工作能力越強(qiáng) ），降低了MTTR（源自于IEC61508中的平均維護(hù)時(shí)間mean time to repair，目的是為了清楚界定術(shù)語(yǔ)中的時(shí)間的概念，MTTR是隨機(jī)變量恢復(fù)時(shí)間得期望值。它包括確認(rèn)失效發(fā)生所必需的時(shí)間，以及維護(hù)所需要的時(shí)間。MTTR也必須包含獲得配件的時(shí)間，維修團(tuán)隊(duì)的響應(yīng)時(shí)間，記錄所有任務(wù)的時(shí)間，還有將設(shè)備重新投入使用的時(shí)間），使可靠性得到進(jìn)步；
c) 可編程控制器有較強(qiáng)的易操縱性，它具有編程簡(jiǎn)單，操縱方便，編程的出錯(cuò)率大大降低，而為產(chǎn)業(yè)惡劣操縱環(huán)境設(shè)計(jì)的硬件使可靠性大大進(jìn)步；
d) 可編程控制器的硬件設(shè)計(jì)方面，采用了一系列進(jìn)步可靠性的措施。例如，采用可靠性高的產(chǎn)業(yè)級(jí)元件，采用先進(jìn)的電子加工工藝（SMT）制造，對(duì)干擾采用屏蔽、隔離和濾波等；存儲(chǔ)器內(nèi)容的保護(hù)，采用看門狗和自診斷措施，便于維修的設(shè)計(jì)等。
一份用戶選用PLC原因的調(diào)查報(bào)告指出：在各種選用PLC的原因中，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 易操縱性
PLC的易操縱性表現(xiàn)在下列三個(gè)方面：
a) 操縱方便：對(duì)PLC的操縱包括程序的錄入和程序更改操作，大多數(shù)PLC采用編程器進(jìn)行程序錄入和更改操作。現(xiàn)在的PLC的編程器大部分可以用電腦直接進(jìn)行，更改程序也可根據(jù)所需地址編號(hào)、繼電器編號(hào)或接點(diǎn)號(hào)等直接進(jìn)行搜索或按順序?qū)ふ?，然后可以在線或離線更改；
b) 編程方面：PLC有多種程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言可以使用，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)電氣技術(shù)人員來(lái)說，由于梯形圖與電氣原理圖相似，因此很輕易理解和把握。采用語(yǔ)句表語(yǔ)言編程時(shí)，由于編程語(yǔ)句是功能的縮寫，便于記憶，并且與梯形圖有逐一對(duì)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(yǔ)言以過程流程進(jìn)展為主線，十分適合程序設(shè)計(jì)人員與工藝技術(shù)人員設(shè)計(jì)思想的溝通。功能模塊圖和結(jié)構(gòu)化文本語(yǔ)言編程方法的應(yīng)用具有功能清楚，易于理解等優(yōu)點(diǎn)，而且與DCS組態(tài)語(yǔ)言同一，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(duì)維修技術(shù)要求較低，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，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(hào)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(shí)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(jì)也考慮了維修的方便性。例如，對(duì)需要維修的部件設(shè)置在便于維修的位置，信號(hào)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(jì)使維修工作能方便地進(jìn)行，大大縮短了維修時(shí)間。采用標(biāo)準(zhǔn)化元件和標(biāo)準(zhǔn)化工藝生產(chǎn)流水作業(yè)，使維修用備品備件簡(jiǎn)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(gè)方面：
a) 編程的靈活性：PLC采用的標(biāo)準(zhǔn)編程語(yǔ)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(yǔ)言等。使用者只要把握其中一種編程語(yǔ)言就可進(jìn)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)所不能相比的。正是由于編程的柔性特點(diǎn)，使PLC成為產(chǎn)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(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS）和計(jì)算機(jī)流程產(chǎn)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(kuò)展的靈活性：PLC的擴(kuò)展靈活性是它的一個(gè)重要特點(diǎn)。它可以根據(jù)應(yīng)用的規(guī)模不斷擴(kuò)展，即進(jìn)行容量的擴(kuò)展、功能的擴(kuò)展、應(yīng)用和控制范圍的擴(kuò)展。它不僅可以通過增加輸入輸出卡件增加點(diǎn)數(shù)，通過擴(kuò)展單元擴(kuò)大容量和功能，也可以通過多臺(tái)PLC的通訊來(lái)擴(kuò)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(jī)的通訊來(lái)擴(kuò)展其功能，并與外部的設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。這種擴(kuò)展的靈活性大大方便了用戶；
c) 操縱的靈活性：操縱的靈活性指設(shè)計(jì)工作量、編程工作、和安裝施工的工作量的減少。操縱變得十分方便和靈活，監(jiān)視和控制變得很輕易。在繼電器順序控制系統(tǒng)中所需的一些操作得到簡(jiǎn)化，不同生產(chǎn)過程可采用相同的控制臺(tái)和控制屏等。
④ 機(jī)電一體化
為了使產(chǎn)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(duì)過程控制設(shè)備和裝置提出了機(jī)電一體化，即儀表、電子、計(jì)算機(jī)綜合的要求，而PLC正是這一要求的產(chǎn)物，它是專門為產(chǎn)業(yè)過程而設(shè)計(jì)的控制設(shè)備，具有體積小、功能強(qiáng)，抗干擾性好等優(yōu)點(diǎn)，它將機(jī)械與電氣部件有機(jī)地結(jié)合在一個(gè)設(shè)備內(nèi)，把儀表、電子和計(jì)算機(jī)的功能綜合集成在一起，因此，它已經(jīng)成為當(dāng)今數(shù)控技術(shù)、產(chǎn)業(yè)機(jī)器人、離散制造和過程流程等領(lǐng)域的主要控制設(shè)備，成為產(chǎn)業(yè)自動(dòng)化三大支柱（PLC，機(jī)器人，CAD/CAM）之一。
可編程控制器現(xiàn)在已經(jīng)成為了一個(gè)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(bào)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(jìn)，讓PLC成為今天各行各業(yè)的高質(zhì)量和產(chǎn)量的重要貢獻(xiàn)者。
