PLC與“三電”系統(tǒng)的差異分析

鎮(zhèn)江船艇學(xué)院 陳 卓

1 PLC概述

作為電子系統(tǒng)進行數(shù)字運算操作，可編程序控制器(PLC)特別為工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計。可編程控制器（PLC）及其相關(guān)外部設(shè)備，都是按照易于與工業(yè)控制系統(tǒng)連成一個整體以及易于擴充其功能的原則而設(shè)計。PLC采用的存儲器可編寫程序，并用于內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)以及算術(shù)運算等指令，通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，有效控制各類型的機械或生產(chǎn)過程。

源于汽車制造業(yè)的PLC的產(chǎn)生：二十世紀(jì)60年代后期，汽車型號的更新速度不斷加快。以前汽車制造生產(chǎn)線使用的繼電器控制系統(tǒng)，盡管具有原理簡單、使用方便、操作直觀、價格更宜等諸多優(yōu)點，但由于它的控制邏輯由元器件的布線方式來決定，缺乏變更控制過程的走活性，不能滿足用戶快速改變控制方式的要求，無法適應(yīng)汽車換代周期迅速縮短的需要。20世紀(jì)40年代產(chǎn)生的電子計算機，在20世紀(jì)60年代已得到迅猛發(fā)展，雖然小型計算機已開始應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的自動控制，但由于原理的復(fù)雜性，還需要專門的程序設(shè)計語言，一般電氣工作人員難以掌握和使用。

美國通用汽車公司(GM)，在1968年，思考將繼電器控制與計算機控制兩者的長處結(jié)合起來，建議制造商，為汽車裝配線提供一種新型通用的程序控制器，而且提出了如下招標(biāo)指標(biāo)：A.采用模塊式結(jié)構(gòu)，便于維護。B.編程簡單明了，并可以現(xiàn)場修改程序。C.各種數(shù)據(jù)能夠直接傳輸于計算機。D.體積比繼電器控制柜小。E.其可靠性比繼電器控制柜高。F.用戶程序的存儲容量至少能擴展到4K。G.輸入可以是AC 115V。H.輸出交流（AC）115 V、2A，可以直接驅(qū)動電磁閥。I.系統(tǒng)擴展時，變更很小。J.價格與繼電器控制柜相比有競爭性。

用計算機代替繼電器控制系統(tǒng)，用程序代替硬接線，輸入、輸出電平可與外部負(fù)載直接連接，結(jié)構(gòu)易于擴展。如果說電氣技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展是PLC出現(xiàn)的物質(zhì)基礎(chǔ)，那么，GM的10項指標(biāo)則是PLC誕生的創(chuàng)新思想。

1969年，美國數(shù)字設(shè)備公司(DEC)按招標(biāo)要求完成了研制工作，并在美國通用汽車公司的自動生產(chǎn)線上試用成功，從而誕生了世界上第一臺PLC。

早期的PLC主要只是執(zhí)行原先由繼電器完成的順序控制、定時等功能，故稱為可編程邏輯控制器(PLC)。但其新穎的構(gòu)思，在控制領(lǐng)域獲得的巨大成功，這項新技術(shù)立即得到迅速推廣，美國、西歐、日本相繼開始引進和研制。從1974起，我國開始仿制美國的第二代PLC，于1977年研制出了第一臺具有實用價值的可編程控制器（PLC）。

第一臺PLC誕生至今，可編程控制器（PLC）大致經(jīng)歷了4次更新?lián)Q代，從以取代繼電器為主的邏輯運算和計時、計數(shù)等功能的簡單PLC，到現(xiàn)在具有邏輯、過程、運動控制以及數(shù)據(jù)處理、聯(lián)網(wǎng)通信等多功能的控制設(shè)備，實現(xiàn)了量到質(zhì)的飛躍。除此之外，可編程控制器（PLC）還力求做到軟件系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化，還可采用高級語言編程，使得編程語言標(biāo)準(zhǔn)化工作得以完成，人們高度評價它，并將PLC視作現(xiàn)代工業(yè)自動化的三大支柱之一。

從其發(fā)展可見，PLC早已不是初創(chuàng)時的邏輯控制器了，它確切的名稱應(yīng)為Programmabl e Control l er（PC）。但鑒于縮寫“PC”在我國業(yè)已成為個人計算機(Personal Computer)的專用名詞，為避免學(xué)術(shù)名詞的混淆，因此在我國仍沿用PLC來表示可編程序控制器。

2 可編程控制器（PLC）與“三電”系統(tǒng)的差異分析

工業(yè)自動化裝置在早期通常有以下三類系統(tǒng)：(1)對開關(guān)量控制的邏輯系統(tǒng)。采用繼電器接觸器控制柜，實現(xiàn)邏輯控制的電控裝置。即所謂的“電控”系統(tǒng)。(2)慢連續(xù)量的過程控制系統(tǒng)。采用電動單元組合儀表，實現(xiàn)過程控制的儀表裝置。即所謂的“電儀”系統(tǒng)。(3)快連續(xù)量的運動控制系統(tǒng)。采用電氣傳動控制柜，實現(xiàn)運動控制的電傳裝置。即所謂的“電傳”系統(tǒng)。

以往在工業(yè)控制現(xiàn)場中，電控、電儀、電傳這三類設(shè)備常常同時存在，但是，各自的控制裝置卻是獨立的，不可兼容。人們期待能用一種控制裝置把“三電”統(tǒng)一，使工業(yè)自動化系統(tǒng)整體協(xié)調(diào)地運行，做到優(yōu)化控制，產(chǎn)品質(zhì)量得到保證，生產(chǎn)效率得以提高，即實現(xiàn)真正意義上的“三電一體”。

計算機技術(shù)的發(fā)展奠定了現(xiàn)代控制裝置的基礎(chǔ)，不管是過程的控制、邏輯的控制還是運動的控制都引入了計算機控制，計算機控制裝置成為“三電一體”的硬件基礎(chǔ)。“三電一體”實現(xiàn)有兩種方式：(1)在控制裝置一級實現(xiàn)三電一體化；(2)在網(wǎng)絡(luò)一級實現(xiàn)三電一體化。在這個基礎(chǔ)上“三電一體”有了實現(xiàn)的可能。DCS系統(tǒng)就是延續(xù)了在網(wǎng)絡(luò)一級實現(xiàn)三電一體化的思想，適合于大型自動控制系統(tǒng)，但是，成本造價非常昂貴。

PLC作為實質(zhì)上的工業(yè)計算機，具有構(gòu)成“三電一體”的先天優(yōu)勢。隨著功能不斷擴展，PLC已從最基本的邏輯控制功能，發(fā)展到今天的過程的控制、運動控制、數(shù)據(jù)的處理、連網(wǎng)通信等功能，已經(jīng)成為名副其實的多功能控制器。

目前，PLC在裝置一級實現(xiàn)了將三電集于一體，適合于各種規(guī)模的自動控制系統(tǒng)，這是它的優(yōu)勢所在。當(dāng)然，可編程控制器（PLC）在裝置一級實現(xiàn)的“三電一體”化還沒有達到令人十分滿意，尤其是對復(fù)雜過程的控制、運動控制方面，其控制性能還有待進一步提高。即使如此，初步實現(xiàn)三電一體的PLC在自動化設(shè)備競爭中已經(jīng)具有很大優(yōu)勢。其原因如下：

(1)PLC運行采用的是循環(huán)掃描工作方式。為了不丟失輸入信號，設(shè)計循環(huán)掃描周期盡可能短，因此，PLC處理器速度、性能要求得較高，并且配置了高性能微處理器。人們在早期，對PLC這些高性能的微處理器的潛能挖掘不夠，并沒有得到充分的利用。后來，針對這個問題，PLC采用實時多任務(wù)的工作方式，實現(xiàn)了對慢連續(xù)變量的過程控制。后期多微處理器結(jié)構(gòu)普遍采用被普遍用于大中型PLC。由此使得PLC不僅數(shù)據(jù)處理速度大幅度提高，而且可以完成非常復(fù)雜的過程控制任務(wù)，特別是PLC配置了多種內(nèi)含CPU的智能模塊，例如PID（比例積分微分）控制模塊、運動控制模塊、高速計數(shù)模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊等，PLC通過并行總線能夠?qū)⑺鼈冞B成有機整體。以上技術(shù)措施為PLC在裝置一級實現(xiàn)三電一體奠定了堅實的基礎(chǔ)。

隨著控制功能、控制規(guī)模、控制復(fù)雜度的提高，將慢連續(xù)變量的過程控制計算機，改成周期循環(huán)掃描，并具有大量開關(guān)控制功能是力所不及的。因此，專門用于過程控制的計算機裝置不容易實現(xiàn)“三電一體”。

(2)PLC在硬、軟件設(shè)計方面采用了多項技術(shù)措施，具有非常高的可靠性。一方面，在硬件上采用了一系列的抗干擾措施，如濾波、隔離、屏蔽、接地等，完善的電磁兼容性設(shè)計被用于模塊機箱，嚴(yán)格篩選相關(guān)元件。軟件方面，采用指令復(fù)執(zhí)、數(shù)字濾波、程序卷回、差錯校驗等一系列軟件抗干擾設(shè)計及故障診斷技術(shù)，在系統(tǒng)級層面進行了冗余配置。此外，可編程控制器（PLC）的高可靠性還得益于其特殊的工作方式，其采用的周期循環(huán)掃描工作方式本身就具有抗干擾能力。在一個循環(huán)掃描周期中，僅有一小段時間進行I/O讀取或輸出處理，由于只有在這小段時間內(nèi)，干擾才可能被引入可編程控制器（PLC）內(nèi)部，而在掃描周期的其余大部分時間段，干擾都被阻擋在可編程控制器（PLC）以外，所以，PLC的這種工作方式具有很強的抗干擾能力。

(3)可編程控制器（PLC）網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過多年的發(fā)展，已成為具有3、4級子網(wǎng)的多級分布式網(wǎng)絡(luò)。強有力的工具軟件開發(fā)應(yīng)用，使得系統(tǒng)具有動態(tài)畫面顯示、工藝流程顯示、趨勢圖生成顯示、各類報表制作等多種功能。在制造業(yè)自動化通信協(xié)議(Manuf act uring Aut omat ion Pr ot ocol，簡稱MAP)規(guī)約的支撐下，PLC網(wǎng)絡(luò)可以方便地與其他網(wǎng)絡(luò)互連，使其成為CIMS系統(tǒng)重要的組成部分，具有很高的性能價格比。

PLC網(wǎng)絡(luò)與集散控制系統(tǒng)（DCS）相比具有更高的性價比，原因在于集散控制系統(tǒng)（DCS）通信網(wǎng)絡(luò)普遍采用1 : 1冗余，包括通信信道、通信接口的1:1冗余，還包括通信系統(tǒng)發(fā)生故障時，進行故障檢測及自動切換到備用子網(wǎng)的裝置。雖然DCS系統(tǒng)性能優(yōu)良，但造價很高，從經(jīng)濟的角度考慮，遠(yuǎn)不如PLC的性價比高。。PLC網(wǎng)絡(luò)僅在關(guān)鍵部位采用冗余結(jié)構(gòu)，并不在網(wǎng)絡(luò)級采用1 : 1冗余，PLC網(wǎng)絡(luò)的這種結(jié)構(gòu)方案使其價格大大低于DCS系統(tǒng)。由于PLC能夠集“三電”于一體，需要通過網(wǎng)絡(luò)交換的數(shù)據(jù)量相對較少，PLC網(wǎng)絡(luò)通信速度要求降低，這使得PLC網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相對簡單。

(4)集散控制系統(tǒng)（DCS）在網(wǎng)絡(luò)級實現(xiàn)的“三電”一體化，對網(wǎng)絡(luò)通信速度要求比較高，需要通過網(wǎng)絡(luò)交換的數(shù)據(jù)量也比較大，所以，集散控制系統(tǒng)（DCS）系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)比較復(fù)雜。PLC網(wǎng)絡(luò)盡管沒有1:1冗余，冗余結(jié)構(gòu)被用于關(guān)鍵部位，保障了系統(tǒng)的可靠性。從系統(tǒng)復(fù)雜度與可靠度關(guān)系的角度來看，簡單通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性比復(fù)雜通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性更高。

正是由于PLC集成了多種控制功能，可以實現(xiàn)邏輯控制、過程控制、運動控制，集“三電”于一身，靈活機動，具有高可靠性。PLC網(wǎng)絡(luò)與DCS系統(tǒng)相比，具有很好的性能價格比，在中小型控制網(wǎng)絡(luò)中具有明顯競爭力，適合于各種規(guī)模的自動化系統(tǒng)，PLC及其網(wǎng)絡(luò)已成為現(xiàn)代工業(yè)自動化的支柱之一。

[1]戴一平等.LC控制技術(shù)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2013,11.

[2]徐文尚等.氣控制技術(shù)與PLC[M].機械工業(yè)出版社,2012,10.