摘要：自1969年第一臺PLC誕生之日起，PLC成為了工業(yè)界的掌上明珠。經(jīng)過(guò)近半個(gè)世紀的發(fā)展，PLC已成為工業(yè)自動(dòng)化系統的核心組成部分。在產(chǎn)業(yè)轉型升級的智能化時(shí)代，PLC除滿(mǎn)足控制功能外，還具備數據分析、流程優(yōu)化、網(wǎng)絡(luò )安全防護、故障預測等功能，完成了從經(jīng)典控制到智能控制的轉變。

1　傳統PLC發(fā)展及應用狀況

1.1　國際PLC發(fā)展應用史

PLC，也稱(chēng)為可編程邏輯控制器，是Richard E.Morley于1968年發(fā)明的自動(dòng)化設備。其核心設計思想是使用軟件編程代替硬連線(xiàn)繼電器控制來(lái)建程序控制系統。同年，通用汽車(chē)公司制定了PLC的設計標準。自此PLC廣泛應用于各種工業(yè)領(lǐng)域^[1]。

20世紀70年代是PLC的崛起期。自羅克韋爾自動(dòng)化于1977年首次提出基于8位微處理器的PLC以來(lái)，許多制造商紛紛效仿并生產(chǎn)基于8位微處理器的PLC產(chǎn)品，如Intel8080和Zilog的Z80。

20世紀80年代，隨著(zhù)微電子技術(shù)和微處理器技術(shù)的發(fā)展以及PC的應用，PLC技術(shù)處于成熟階段。Athani設計了基于8位微處理器8085的PLC，它具有手動(dòng)編程器和CRT顯示終端，程序段可以顯示在CRT上。

20世紀90年代，隨著(zhù)PLC國際標準IEC61131的正式頒布，PLC技術(shù)進(jìn)入了第三個(gè)發(fā)展時(shí)期。這時(shí)，在系統結構上從傳統的單機到多處理器的發(fā)展，在控制系統配置上從獨立控制系統到分布式和遠程控制系統的開(kāi)發(fā)；在編程語(yǔ)言中，傾向于多樣化和相互轉化。除自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)以外，還開(kāi)發(fā)了基于PLC的分布式控制系統（DCS）、監控和數據采集系統（SCADA）、靈活多變制造系統（FMS）、安全聯(lián)鎖保護（ESD）系統、運動(dòng)控制系統等，以提高PLC在各方面的應用范圍和水平。

自20世紀90年代末以來(lái)，由于信息技術(shù)的飛速發(fā)展和用戶(hù)對開(kāi)放性的強烈需求，在保留PLC功能的前提下，面向現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，采用開(kāi)放式通信接口。逐步打破每個(gè)PLC產(chǎn)品封閉狀態(tài)，采用相關(guān)的國際工業(yè)標準，使用戶(hù)開(kāi)發(fā)的應用可以移植到不同的PLC產(chǎn)品之間。

綜上所述，自PLC問(wèn)世以來(lái)，它始終表現出強大的生命力和快速的增長(cháng)。目前，全球有200多家PLC制造商，以及數千種各類(lèi)產(chǎn)品。

1.2　國內PLC發(fā)展應用史

在中國，自20世紀70年代以來(lái)，中國開(kāi)始了PLC的研究和應用。1974年，中國首次復制了在美國生產(chǎn)的第二代PLC。1977年，中國采用美國摩托羅拉公司的mc14500集成芯片，成功開(kāi)發(fā)出第一臺在中國具有實(shí)用價(jià)值的PLC。1979年，從美國引進(jìn)MODICON584的PLC首先在電站的輔助設備成功應用。

20世紀80年代初，在積極引進(jìn)國外PLC生產(chǎn)線(xiàn)的同時(shí)，國內開(kāi)發(fā)了一些自己的PLC產(chǎn)品，可靠性得到了極大提高，逐步得到用戶(hù)的認可。

據了解，國內PLC市場(chǎng)總需求較大，而國內PLC占整個(gè)市場(chǎng)份額微乎其微，造成國內PLC落后的原因一是技術(shù)問(wèn)題，缺乏開(kāi)放性；二是缺乏大量資金，沒(méi)有形成規模；三是制造工藝需要加強；四是亟需提升競爭力，形成品牌。因此我們應該集中資金和技術(shù)，開(kāi)發(fā)自主產(chǎn)權的系列產(chǎn)品。特別是要抓住智能制造時(shí)代的機遇，充分利用軟件和硬件性能不斷提升的時(shí)代優(yōu)勢，開(kāi)發(fā)面向大數據的專(zhuān)業(yè)化、高性能、智能的PLC。

2　智能制造時(shí)代，PLC發(fā)展應用的新需求和新基礎

2.1　PLC發(fā)展的新需求

2.1.1　近年來(lái) PLC的市場(chǎng)發(fā)展對PLC提出新要求

根據Frorst＆Sullivan發(fā)布的全球PLC市場(chǎng)報告，PLC市場(chǎng)在多個(gè)領(lǐng)域都在積極發(fā)展。據估計PLC的裝機容量目前為5200萬(wàn)臺，其中微型PLC占相當數量，預計到2019年將達到6500萬(wàn)臺，其中大部分將被更換。在未來(lái)五年內更換現有的PLC將是PLC市場(chǎng)增長(cháng)的重要因素。由于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的迅速普及以及云服務(wù)逐漸進(jìn)入工業(yè)市場(chǎng)，PLC需要直接與MES和ERP等上層管理軟件信息系統連接。PLC系統必須適應硬件和軟件的智能制造需求^[2]。作為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的一部分，PLC作為邊緣計算變得越來(lái)越重要。將PLC部署為靠近設備或流程的第一層計算功能可實(shí)現智能或協(xié)調的事件響應，并有助于減少云的數據處理負擔。在具有數十個(gè)、數百個(gè)甚至數千個(gè)傳感器的系統中，來(lái)自這些傳感器的大部分數據可能沒(méi)有多大價(jià)值，僅報告“正?！惫ぷ鳁l件。PLC可以過(guò)濾、丟棄或更有效地重新組裝數據，以便傳輸到云進(jìn)行存儲和分析。當發(fā)生關(guān)鍵事件時(shí)，PLC可以快速確定正確的響應，向連接的設備發(fā)出適當的指令，并在適合云使用的報告中匯總事件。

2.1.2　面向復雜控制的需求對PLC功能提出新要求

在機器控制領(lǐng)域，需要一些類(lèi)似于過(guò)程控制領(lǐng)域的PID調整、工藝算法，要求PLC具有卓越的算法設計和處理能力；運動(dòng)控制應用更加廣泛，PLC需要滿(mǎn)足電子齒輪，電子凸輪和定位控制的要求，同時(shí)需要開(kāi)發(fā)安全和設備安全要求的產(chǎn)品。為滿(mǎn)足機器人的復雜路徑規劃和矩陣變換，需要將CNC和機器人庫集成到PLC中。

2.1.3　大數據的需求對PLC功能提出新要求

越來(lái)越多的傳感器用于監控環(huán)境、設備的健康狀態(tài)以及生產(chǎn)過(guò)程的各種參數，這些工業(yè)大數據的有效收集迫使PLC采用嵌入式PLC并盡可能地完成日益復雜的現場(chǎng)，大大提高了無(wú)縫連接性，相關(guān)控制參數和設備狀態(tài)可以直接傳輸到上層系統和應用軟件，甚至發(fā)送到云端。

2.2 PLC發(fā)展的新基礎

2.2.1　PLC硬件助力智能制造的要求

SoC芯片在主鐘頻率越來(lái)越高的同時(shí)而功耗卻顯著(zhù)減小，為開(kāi)發(fā)更小體積、更高I/O密度、更多功能的PLC奠定了基礎。多核SoC的發(fā)展，可以進(jìn)行高速的運動(dòng)控制處理、視覺(jué)算法的處理等；而通信技術(shù)的進(jìn)展使得分布式I/O運用越來(lái)越多，泛在的I/O運用也有了起步。

2.2.2　PLC軟件助力智能制造的要求

為解決PLC控制系統的工程設計、編程、操作、管理使用不同的軟件，導致同一對象命名不一致的現象，PLCopenInternational致力于與許多國際標準化組織和基金會(huì )合作，開(kāi)發(fā)IEC61131-3，OPC UA ClientFB，OPC UA ServerFB的信息模型，并建立了一個(gè)開(kāi)放的標準生態(tài)系統。

2.2.3　IT技術(shù)助力智能制造的要求

隨著(zhù)IT技術(shù)的發(fā)展，CPU處理能力、通信速度、存儲和擴展能力，軟件功能塊（OPC），診斷和維護能力以及顯示能力都得到了極大提高，而IT技術(shù)的發(fā)展也帶來(lái)硬件成本不斷下降。

3　智能制造時(shí)代PLC發(fā)展新趨勢

3.1　性能指標不斷增強

隨著(zhù)IT技術(shù)的發(fā)展，PLC的性能指標從速度轉向安全性、穩定可靠性、通訊能力、運動(dòng)控制能力、實(shí)時(shí)通信能力、數據處理能力、流程優(yōu)化能力、故障診斷能力更加綜合的指標。

3.2　網(wǎng)絡(luò )支持能力不斷增強

隨著(zhù)現場(chǎng)設備智能化的提升和控制系統為保障可靠穩定性和可用性的需要，網(wǎng)絡(luò )覆蓋能力直接決定了系統對現場(chǎng)工藝設備的控制水平。因此，PLC將從總線(xiàn)、以太網(wǎng)、實(shí)時(shí)以太網(wǎng)等方面進(jìn)行接口支持能力增強^[3]。以太網(wǎng)更高速度數據傳輸滿(mǎn)足了視頻數據、視覺(jué)識別、圖像處理等工業(yè)數據傳輸的應用。實(shí)時(shí)以太網(wǎng)滿(mǎn)足了對于機器人、CNC、運動(dòng)控制和Safety高速同步控制方面的數據交換能力需求，其數據刷新速度在μs級，同步精度在0.1μs。

3.3　軟件支持能力不斷增強

為完成智能控制，軟件開(kāi)發(fā)平臺必須具備支持復雜算法的高級語(yǔ)言。高端PLC使用RTOS可以改進(jìn)實(shí)時(shí)處理并支持多任務(wù)處理。為了實(shí)現邏輯和運動(dòng)控制的統一編程和安全性，PLCopen對程序接口和自定義庫的支持進(jìn)行標準化^[4]。

3.4　安全技術(shù)不斷增強

“一網(wǎng)到底”整個(gè)網(wǎng)被連通了以后，現場(chǎng)生產(chǎn)工藝設備和上面的管理軟件甚至云端連在一起以后，對信息安全的保障要求更高，因此必須遵循IEC61508標準規范，加強SafetyPLC研究和總線(xiàn)安全研究。

3.5　軟件平臺集成度不斷增強

集成平臺代表的是整體方案提供能力，通過(guò)基礎PLC技術(shù)、HMI技術(shù)、Motion技術(shù)、傳感器技術(shù)、總線(xiàn)技術(shù)的集成，提供包括編程、仿真、測試、維護、診斷等功能全產(chǎn)品生命周期PLC的服務(wù)能力，為客戶(hù)提供價(jià)值。

3.6　行業(yè)標準不斷增強

IEC / PLCopen組織集成了PLCopenLogic、XML、Safety、Motion、Hydraulic、IEC61131-3等標準，可以輕松開(kāi)發(fā)基于這些庫的軟件應用程序。通用標準Unicode可以滿(mǎn)足系統的多語(yǔ)言支持庫，確保PLC產(chǎn)品可以支持世界各地的各種語(yǔ)言，使產(chǎn)品能夠在全球范圍內銷(xiāo)售。為了能夠與上層SCADA和管理層的ERP系統連接，微軟和其他自動(dòng)化制造商聯(lián)合開(kāi)發(fā)了用于不同PLC連接的OPC服務(wù)器，以確保與管理系統的連接^[5]。

3.7　信息處理能力不斷增強

在智能制造系統中，PLC不僅是控制器，還有收集器和中繼器。只有使用面向服務(wù)的體系結構（SOA）的功能，PLC才能完成這些重要的任務(wù)。SOAPLC實(shí)際上將支持信息安全的虛擬專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò )（VPN）的Web服務(wù)放入PLC中。該服務(wù)權執行面向對象的數據通信，包括實(shí)時(shí)數據和歷史數據、警報數據和其他服務(wù)。通過(guò)這些服務(wù)，PLC將相應的大量數據連接到上級服務(wù)和數據層，以便建模和使用信息模型。允許PLC集成OPC UA的服務(wù)器功能和OPCUA的客戶(hù)端功能，確保PLC可以通過(guò)VPN執行安全的數據通信。

3.8　用戶(hù)體驗性能不斷增強

將來(lái)，所有設備都將智能開(kāi)發(fā)、現場(chǎng)設備和現場(chǎng)儀表通過(guò)以太網(wǎng)直接連接到控制系統。監控系統的屏幕將變得非常大，但設備應盡可能小，以提高舒適度，從而提高效率。這需要解決EMC干擾、解決散熱問(wèn)題、解決電路布局問(wèn)題，以及在更小的空間內實(shí)現更強大的控制器。

3.9　專(zhuān)業(yè)品質(zhì)能力不斷增強

為了降低系統的生產(chǎn)和制造成本，PLC產(chǎn)品不斷向模塊化和標準化設計邁進(jìn)。由于硬件的泛化和標準化降低了系統的成本，并且為了尋求差異化的競爭力，高端PLC將更多地關(guān)注軟件功能和行業(yè)應用程序庫的開(kāi)發(fā)，而更細分的市場(chǎng)使得應用程序的差異化成為具有競爭力的武器。

作者簡(jiǎn)介：

王德吉，男，博士后、首席培訓師、研究員、行業(yè)信息與物流技術(shù)學(xué)科帶頭人。從事大數據和人工智能研究與培訓工作。獲省部級（行業(yè)）科技獎勵二等獎6項，三等獎19項，獲中職教一等獎5項，二等獎15項，三等獎30項；發(fā)表論文55篇，其中SCI、EI檢索25篇；發(fā)明專(zhuān)利19項，實(shí)用新型專(zhuān)利21項，著(zhù)作8部，軟件著(zhù)作權12項，國家標準25項，行業(yè)標準1項；主持參與22項省部級項目和3項國家級項目。先后被評為學(xué)院優(yōu)秀黨員、河南煙草感動(dòng)人物提名獎、行業(yè)“十一五”優(yōu)秀教師和第六屆全國煙草行業(yè)勞動(dòng)模范。兼任中科院博導，清華大學(xué)、西安交通大學(xué)研究生導師，國際工程師協(xié)會(huì )委員，美國紐約科學(xué)院院士，國家標準化委員會(huì )委員。

參考文獻：

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[4] 李爽, 楊昌琨. 利用IEC 61131-3和PLCopen的運動(dòng)控制功能塊來(lái)創(chuàng )建獨立于硬件的可再用運動(dòng)控制應用程序[J]. 國內外機電一體化技術(shù), 2004 ( 3 ) : 54 - 58.

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摘自《自動(dòng)化博覽》2019年6月刊