1  發(fā)展回顧

    上世紀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(chē)流水線(xiàn)上大量應用。80年代PLC走向成熟，全面采用微電子處理器技術(shù)，得到大量推廣應用，年銷(xiāo)售始終以高于20%的增長(cháng)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(zhù)工控編程語(yǔ)言IEC 61131-3的正式頒布，PLC開(kāi)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在系統結構上，從傳統的單機向多CPU和分布式及遠程控制系統發(fā)展；在編程語(yǔ)言上，圖形化和文本化語(yǔ)言的多樣性，創(chuàng )造了更具表達控制要求、通信能力和文字處理的編程環(huán)境；從應用角度看，除了繼續發(fā)展機械加工自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)的控制系統外，更發(fā)展了以PLC為基礎的DCS系統、監控和數據采集系統（SCADA）、柔性制造系統（FMS）、安全連鎖保護系統（ESD）等，全方位地提高了PLC的應用范圍和水平。

2  21世紀PLC技術(shù)發(fā)展的幾個(gè)特點(diǎn)

    2.1  適應市場(chǎng)需要，加強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(zhuān)門(mén)的通信模塊。隨著(zhù)計算機網(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和其它智能控制設備很方便地交換信息，實(shí)現分散控制和集中管理。也就是說(shuō)，用戶(hù)需要PLC與PC更好地融合，通過(guò)PLC在軟技術(shù)上協(xié)助改善被控過(guò)程的生產(chǎn)性能，在PLC這一級就可以加強信息處理能力。例如，CONTEC與日本三菱電機公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)為三菱電機）合作，推出專(zhuān)門(mén)插在小Q系列PLC的機架上的PC機模塊，該模塊實(shí)際上就是一臺可在工廠(chǎng)現場(chǎng)環(huán)境下正常運行，而且可通過(guò)PLC的內部總線(xiàn)與PLC的CPU模塊交換數據的PC機。其處理芯片采用IntelCeleron400M主頻、系統內存128MB、Cache 128K、支持外掛顯示器，該模塊內裝WindowsNT 4.0或Windows 2000。支持的軟件有：三菱綜合F4軟件，包括PLC編程軟件GT、FA數據處理軟件MX、人機界面畫(huà)面設計軟件GT、運動(dòng)控制設計編程軟件MT等。

    最近，國外一些中、大型PLC制造商推出了一個(gè)機架上可以插多個(gè)CPU模塊的結構，將PC機模塊與PLC的CPU模塊、過(guò)程控制CPU模塊或運動(dòng)控制模塊同時(shí)插在一個(gè)機架上。實(shí)際上就是將原來(lái)PLC要通過(guò)工廠(chǎng)自動(dòng)化（FA）用PC機與管理計算機通信的三層結構改為PLC系統可直接與生產(chǎn)管理用的計算機的兩層結構。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(hù)在通信編程方面的工作量，PLC制造商做了大量工作，使設備之間的通信自動(dòng)地周期性的進(jìn)行，而不需要用戶(hù)為通信編程，用戶(hù)的工作只是在組成系統時(shí)作一些硬件或軟件上初始化設置。如歐姆龍公司的兩臺CPM1A之間一對一連接通信只需用三根導線(xiàn)將它們的RS-232C通信接口連在一起后將通信有關(guān)的參數寫(xiě)入5個(gè)指定的數據存儲器中，即可方便地實(shí)現兩臺PLC之間的通信。

    2.2  PLC向開(kāi)放性發(fā)展

    早期的PLC缺點(diǎn)之一是它的軟、硬件體系結構是封閉而不是開(kāi)放的，如專(zhuān)用總線(xiàn)、通信網(wǎng)絡(luò )及協(xié)議、I/O模塊更互不通用，甚至連機架、電源模板亦各不相同，編程語(yǔ)言之一的梯形圖名稱(chēng)雖一致，但組態(tài)、尋址、語(yǔ)言結構均不一致，因此，幾乎各個(gè)公司的PLC均互不兼容。目前，PLC在開(kāi)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(zhuān)有性，現在情況有了極大改觀(guān)，不少大型PLC廠(chǎng)商在PLC系統結構上采用了各種工業(yè)標準，如IEC 61131-3、IEEE 802.3以太網(wǎng)、TCP/IP、UDP/IP等。例如，AEG Schneider集團已開(kāi)發(fā)以PLC機為基礎，在Windows平臺下，符合IEC 61131-3國際標準的全新一代開(kāi)放體系結構的PLC實(shí)現高度分散控制，開(kāi)放度高。

    高度分散控制是一種全新的工業(yè)控制結構，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點(diǎn)上，而不是常駐在PLC上或PC上，凡掛在網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)上的設備，均處于同等的位置，將“智能”擴展到控制系統的各個(gè)環(huán)節，從傳感器、變送器到I/O模塊，乃至執行器，無(wú)處不采用微處理芯片，因而產(chǎn)生了智能分散系統（SDS）。

    為了使PLC更具開(kāi)放性和執行多任務(wù)，在一個(gè)PLC系統中同時(shí)裝幾個(gè)CPU模塊，每個(gè)CPU模塊都執行某一種任務(wù)。例如三菱電機公司的小Q系列PLC可以在一個(gè)機架上插4個(gè)CPU模塊，富士電機的MICREX-ST系列最多可在一個(gè)機架上插6個(gè)CPU模塊，這些CPU模塊可以進(jìn)行專(zhuān)門(mén)的邏輯控制、順序控制、運動(dòng)控制和過(guò)程控制。這些都是在Windows環(huán)境下執行PC機任務(wù)的模塊，組成混合式的控制系統。

    近幾年，眾多PLC廠(chǎng)商都開(kāi)發(fā)了自己的模塊型I/O或端子型I/O，而通信總線(xiàn)都符合IEC 61131-3標準，這極大的增強了PLC的開(kāi)放性。

    創(chuàng )建開(kāi)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，三菱電機公司小Q系列的QJ71WS96，橫河電機FA-M3系列的F3WBM1-0T-S0；模塊內的軟件捆綁了目前常用的TCP/IP、UDP/IP等傳輸層和網(wǎng)絡(luò )層規約，以及HTTP、FTP、SMTP、POP3等應用層規約，使PLC可直接進(jìn)入因特網(wǎng)，成為不折不扣的WEB的PLC。

    2.3  PLC的體積小型化，運算速度高速化

    PLC小型化的好處是節省空間、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(lèi)產(chǎn)品的安裝空間要小50%左右。

    近幾年，很多PLC廠(chǎng)商推出了超小型PLC，用于單機自動(dòng)化或組成分布式控制系統。西門(mén)子公司的超小型PLC稱(chēng)通用邏輯模塊LOGO！，它采用整體式結構，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(lái)編程。LOGO！超小型PLC使用功能模塊圖FBD編程語(yǔ)言，有在PC上運行的Windows 98/NT編程軟件。三菱電機的超小型PLC叫簡(jiǎn)單應用控制器，簡(jiǎn)稱(chēng)α并有AL-PCS/win-C型VLS軟件，是強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(chēng)控制繼電器，簡(jiǎn)稱(chēng)easy。

    運算速度高速化是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的運算速度大為提高，一條基本指令的運算速度達到數十個(gè)納秒（ns）。三菱電機公司的ANA系列PLC最早使用32位的CPU模塊，當今它的Q02H系列PLC的CPU模塊也用了32位的RISC芯片，基本指令的執行時(shí)間為34ns；富士電機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算時(shí)間為20ns。

    PLC主機運算速度大大提高，與外設的數據交換速度也呈高速化。大家知道，PLC的CPU模塊通過(guò)系統總線(xiàn)與裝插在基板上的各種I/O模塊、特殊功能模塊、通信模塊等交換數據，基板上裝的模塊越多，PLC的CPU模塊與那些模塊之間的數據交換的時(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(cháng)，為此，不少PLC廠(chǎng)商采用新技術(shù)，增加PLC系統的帶寬，使一次傳輸的數據量增多；在系統總線(xiàn)數據存取方式上，采用連續成組傳送技術(shù)實(shí)現連續數據的高速批量傳送，大大縮短了存取每個(gè)字所需的時(shí)間；通過(guò)向系統總線(xiàn)相連接的模塊實(shí)現全局傳送，即針對多個(gè)模塊同時(shí)傳送同一數據的技術(shù)，有效地活用系統總線(xiàn)。

    當前，不少PLC廠(chǎng)商采用了多CPU芯片并行處理方式，用專(zhuān)門(mén)CPU處理編程及監控服務(wù)，大大減輕對執行控制程序的CPU芯片的影響，只讓執行控制程序的CPU進(jìn)行順控和邏輯運算。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)現與編程工具及監控設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)行編程和調試程序。

    2.4  軟PLC出現

    所謂軟PLC，實(shí)際就是在PC機的平臺上，在Windows操作環(huán)境下，用軟件來(lái)實(shí)現PLC的功能，也就是說(shuō)，軟PLC是一種基于PC機開(kāi)發(fā)結構的控制系統，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)可以將標準的工業(yè)PC轉換全功能的PLC過(guò)程控制器。軟PLC綜合了計算機和PLC的開(kāi)關(guān)量控制、模擬量控制、數學(xué)運算、數值處理、網(wǎng)絡(luò )通信等功能，通過(guò)一個(gè)多任務(wù)控制內核，提供強大的指令集、快速而準確的掃描周期，可靠的操作和可連接各種I/O系統及網(wǎng)絡(luò )的開(kāi)放式結構。軟PLC具有硬PLC的功能，同時(shí)又提供了PC機環(huán)境的各種優(yōu)點(diǎn)。GE Fanuc公司推出了一種外形類(lèi)似筆記本電腦的PC以Windows為操作系統，可實(shí)現PLC的CPU模塊的功能，通過(guò)以太網(wǎng)和I/O模塊、通信模塊用于工廠(chǎng)的現場(chǎng)控制。在美國底特律汽車(chē)城，大多數汽車(chē)裝配自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)、熱處理工藝生產(chǎn)線(xiàn)等都已由傳統PLC控制改為軟件PLC控制，可以說(shuō)，高性能價(jià)格比的軟PLC將成為今后高檔PLC的發(fā)展方向。

    2.5  PLC編程語(yǔ)言趨于標準化

    IEC61131是可編程控制器的國際標準，共有8個(gè)部分，從1992年開(kāi)始陸續頒布實(shí)行。IEC61131-3是PLC編程語(yǔ)言的標準，于1993年頒布實(shí)施。IEC61131-8于2001年頒布實(shí)施，與IEC61131-3被稱(chēng)為PLC語(yǔ)言的實(shí)現導則。

    IEC61131-3 PLC編程語(yǔ)言國際標準是將現代軟件概念和現代軟件工程的機制與傳統的PLC編程語(yǔ)言成功的結合，使它在工業(yè)控制領(lǐng)域的影響遠遠超出PLC的界限，已成為DCS、PC控制、運動(dòng)控制以及SCADA的編程系統事實(shí)上的標準。IEC61131-3規定了二大類(lèi)編程語(yǔ)言：文本化編程語(yǔ)言和圖形化編程語(yǔ)言。前者包括指令語(yǔ)句表語(yǔ)言（IL）和結構化文本化語(yǔ)言（ST），后者包括梯形圖語(yǔ)言（LD）和功能塊圖語(yǔ)言（FBD）。而順序功能圖（SFC）可以在梯形圖語(yǔ)言中使用，也可以在指令語(yǔ)句表語(yǔ)言中使用。

    IEC61131-3允許在同一個(gè)PLC中使用多種編程語(yǔ)言，也允許程序開(kāi)發(fā)人員對一個(gè)特定的任務(wù)選擇最合適的編程語(yǔ)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(yǔ)言編制，這一規定既解決了PLC發(fā)展歷史形成編程語(yǔ)言多樣化的現狀，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(chǎng)商的PLC大都支持IEC61131-3標準，特別是西門(mén)子公司的PLC。我國在1995年就采用IEC61131-3作為PLC的國家標準。日本雖然工業(yè)發(fā)達，技術(shù)還是相對封閉，但IEC61131-3標準成為PLC的公認世界主流標準后，日本的PLC生產(chǎn)商開(kāi)始在新一代PLC軟件平臺中廣泛采用。三菱電機的PLC編程軟件包GX Ver.8開(kāi)發(fā)系統就支持梯形圖語(yǔ)言（LD）、指令語(yǔ)句表語(yǔ)言（IL）、順序功能圖編程語(yǔ)言（SFC）、結構化文本語(yǔ)言（ST）。三菱電機的PX開(kāi)發(fā)系統支持功能塊圖FBD，供PLC用于過(guò)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和結構化文本語(yǔ)言ST的編程軟件包。富士電機的及橫河電機的PLC編程軟件包也都支持IEC61131-3。

3  PLC的國產(chǎn)化

    國內開(kāi)始研制PLC產(chǎn)品是上世紀70年代中期，當時(shí)上海、北京、西安、廣州和長(cháng)春等地的不少科研單位、大專(zhuān)院校和工廠(chǎng)，總計20多家單位都在研制和生產(chǎn)PLC（絕大多數都是小型PLC）。特別值得一提的是國家科委和原機械工業(yè)部在儀器儀表重點(diǎn)課題攻關(guān)專(zhuān)項中組織了“六五”、“七五”、“八五”的可編程序控制器子項攻關(guān)，由部屬北京機械工業(yè)自動(dòng)化研究所負責，先后研制開(kāi)發(fā)了MPC-10、MPC-20、MPC-85型PLC。這幾種型號的PLC I/O點(diǎn)數為256～512，并可擴展到1024點(diǎn)，開(kāi)創(chuàng )了國內研制大型PLC的先河，先后在注塑機、恒溫室、鍋爐控制、汽車(chē)壓力機生產(chǎn)線(xiàn)上獲得了應用。這些項目有自動(dòng)開(kāi)發(fā)的操作系統、工業(yè)控制編程語(yǔ)言并具有與上位機、HMI連網(wǎng)和通信等功能。當時(shí)國內研制開(kāi)發(fā)的PLC產(chǎn)品由于缺乏資金、后續研制力量不足及生產(chǎn)技術(shù)相對落后等原因，沒(méi)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?？上驳氖窃?0年代，由于PLC應用不斷深入，國內又掀起研制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(chǎng)）的JH200系列PLC，I/O為12～120點(diǎn)，具有高速計數器和模擬量功能；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)，擴展的功能有編碼盤(pán)測速、熱電偶測溫和模擬量I/O，RD200型PLC最多可32臺連網(wǎng)，并能與上位PC機進(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)，中外合資或外商獨資企業(yè)在國內開(kāi)始批量生產(chǎn)PLC。西門(mén)子公司首先在大連開(kāi)辦PLC生產(chǎn)企業(yè)；歐姆龍公司在上海生產(chǎn)的PLC遠銷(xiāo)海內外；中日合資后又成獨資的江蘇無(wú)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-LEC G3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)規格，基本指令的執行時(shí)間為0.6微秒。程序存儲器的容量為52K。為方便用戶(hù)選用，該公司開(kāi)發(fā)了19種、35個(gè)不同規格的I/O擴展模塊，G3型PLC可最多擴展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(yǔ)言，編程軟件具有超強的計算功能，如其他小型PLC所不具備的64位浮點(diǎn)數運算、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具有極強的通信功能，有集于CPU模塊的標準Modbus協(xié)議、專(zhuān)有協(xié)議和自由協(xié)議的通信接口。通過(guò)該接口可方便的掛到Profibus等總線(xiàn)上去。該公司的FOPLC中型機，開(kāi)關(guān)量I/O為256點(diǎn)；內置TCP/IP通信接口，很容易接入管理網(wǎng)；配有Profibus-DP現場(chǎng)總線(xiàn)的主站、從站和遠程I/O都通過(guò)ISO9001嚴格的質(zhì)量保證體系認真。FO PLC編程語(yǔ)言符合IEC61131-3標準。

    深圳德維森公司開(kāi)發(fā)的基于PC的軟PLC TOMC系列，其特點(diǎn)是符合IEC61131-3國際標準的編程語(yǔ)言，允許梯形圖、順序功能圖和功能塊圖混合編程；用戶(hù)可開(kāi)發(fā)基于內置PC資源的C語(yǔ)言和定義功能塊，通過(guò)以太網(wǎng)、TCP/IP與上位機聯(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)遠程站，每個(gè)遠程站可帶32個(gè)I/O點(diǎn)。

    在90%的國內PLC市場(chǎng)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(lèi)產(chǎn)品進(jìn)行競爭的能力，相信不久的將來(lái)，國產(chǎn)PLC將占市場(chǎng)更大份額。

4  結語(yǔ)

    PLC的應用領(lǐng)域目前不斷擴大，并延伸到過(guò)程控制、批處理、運動(dòng)和傳動(dòng)控制、無(wú)線(xiàn)電遙控以至實(shí)現全廠(chǎng)的綜合自動(dòng)化。PLC的技術(shù)發(fā)展除了小型化、超高速，大容量存儲器，多CPU，多任務(wù)并行運行外，PLC的開(kāi)放性更大，通信聯(lián)網(wǎng)能力更強，集成化軟件更優(yōu)。標準化的IEC61131-3 PLC編程語(yǔ)言已被眾多PLC廠(chǎng)商所接受，其推廣速度越來(lái)越快。軟PLC的應用范圍將更廣。

作者信息：

    王兆義，陳治川，王生學(xué)    上海大學(xué) 

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