可編程控制器 PLC的發(fā)展趨勢綜述

鎮(zhèn)江船艇學(xué)院　陳　卓

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可編程控制器 PLC的發(fā)展趨勢綜述

鎮(zhèn)江船艇學(xué)院陳卓

【摘要】隨著自動控制綜合技術(shù)的發(fā)展，PLC正在廣泛深入地應(yīng)用于工業(yè)控制的各個領(lǐng)域。本文對分別從大型網(wǎng)絡(luò)化綜合化以及速度快、功能強(qiáng)的小型化兩個方面對新一代PLC的發(fā)展趨勢進(jìn)行了綜述。

【關(guān)鍵詞】PLC；大型網(wǎng)絡(luò)化；綜合化；速度快；功能強(qiáng)

目前，計算機(jī)綜合技術(shù)不斷發(fā)展，工業(yè)自動化領(lǐng)域范圍不斷延伸，PLC結(jié)構(gòu)和功能也隨之不斷地完善，從而，實現(xiàn)控制和管理功能的結(jié)合，并以不同生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品構(gòu)成開放型的控制系統(tǒng)。從出現(xiàn)至今，PLC走的是專業(yè)化道路，帶來了諸多制約因素。目前，人們正致力于尋求開放型的硬件或軟件平臺，新一代PLC以下主要有兩種發(fā)展趨勢。

1　向大型網(wǎng)絡(luò)化、綜合化方向發(fā)展

實現(xiàn)信息管理和工業(yè)生產(chǎn)相結(jié)合的綜合自動化是PLC技術(shù)發(fā)展的趨勢?，F(xiàn)代工業(yè)自動化已不再局限于某些生產(chǎn)過程的自動化，采用32位微處理器的多CPU并行工作和大容量存儲器的超大型PLC可實現(xiàn)超萬點的I/O控制，大中型PLC具有如下功能:函數(shù)運(yùn)算、浮點運(yùn)算、數(shù)據(jù)處理、文字處理、隊列、陣運(yùn)算、PID運(yùn)算、超前補(bǔ)償、滯后補(bǔ)償、多段斜坡曲線生成、處方、配方、批處理、故障搜索、自診斷等。強(qiáng)化通信能力和網(wǎng)絡(luò)化功能是大型PLC發(fā)展的一個重要方面。主要表現(xiàn)在：向下將多個PLC與遠(yuǎn)程I/O站點相連，向上與工控機(jī)或管理計算機(jī)相連構(gòu)成整個工廠的自動化控制系統(tǒng)。

2　向速度快、功能強(qiáng)的小型化方向發(fā)展

當(dāng)前小型化PLC在工業(yè)控制領(lǐng)域具有不可替代的地位，隨著應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，體積小、速度快、功能強(qiáng)、價格低的PLC廣泛應(yīng)用到工控領(lǐng)域的各個層面。小型PLC將由整體化結(jié)構(gòu)向模塊化結(jié)構(gòu)發(fā)展，系統(tǒng)配置的靈活性得以增強(qiáng)。小型化發(fā)展具體表現(xiàn)在：結(jié)構(gòu)上的更新、物理尺寸的縮小、運(yùn)算速度的提高、網(wǎng)絡(luò)功能的加強(qiáng)、價格成本的降低。小型PLC的功能得到進(jìn)一步強(qiáng)化，可直接安裝在機(jī)器內(nèi)部，適用于回路或設(shè)備的單機(jī)控制，不僅能夠完成開關(guān)量的I/O控制，還可以實現(xiàn)高速計數(shù)、高速脈沖輸出、PWM波輸出、中斷控制、PID控制、網(wǎng)絡(luò)通信等功能，更利于機(jī)電一體化的形成。

現(xiàn)代PLC在模塊功能、運(yùn)算速度、結(jié)構(gòu)規(guī)模以及網(wǎng)絡(luò)通信等方面都有了跨越式發(fā)展，它與計算機(jī)、通信、網(wǎng)絡(luò)、半導(dǎo)體集成、控制、顯示等技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)。PLC已經(jīng)融入了IPC和DCS的特點。面對激烈的技術(shù)市場競爭，PLC面臨其他控制新技術(shù)和新設(shè)備所帶來的沖擊，PLC必須不斷融入新技術(shù)、新方法，結(jié)合自身的特點，推陳出新，功能更加完善。PLC技術(shù)的不斷進(jìn)步，加之在在網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)方面出現(xiàn)新的突破，新一代PLC將能夠更好地滿足各種工業(yè)自動化控制的需要，其技術(shù)的發(fā)展趨勢有如下特點：

2.1網(wǎng)絡(luò)化

PLC相互之間以及PLC與計算機(jī)之間的通信是PLC的網(wǎng)絡(luò)通信所包含的內(nèi)容。人們在不斷制訂與完善通用的通信標(biāo)準(zhǔn)，以加強(qiáng)PLC的連網(wǎng)通信能力。PLC典型的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為設(shè)備控制、過程控制和信息管理3個層次，工業(yè)自動化使用最多、應(yīng)用范圍最廣泛的自動化控制網(wǎng)絡(luò)便是PLC及其網(wǎng)絡(luò)。

人們把現(xiàn)場總線引入設(shè)備控制層后，工業(yè)生產(chǎn)過程現(xiàn)場的檢測儀表、變頻器等現(xiàn)場設(shè)備可直接與PLC相連;過程控制層配置工具軟件，人機(jī)界面功能更加友好、方便：具有工藝流程、動態(tài)畫面、趨勢圖生成等顯示功能和各類報表制作等多種功能，還可使PLC實現(xiàn)跨地區(qū)的監(jiān)控、編程、診斷、管理，實現(xiàn)工廠的整體自動化控制；信息管理層使控制與信息管理融為一體。在制造業(yè)自動化通信協(xié)議規(guī)約的推動下，PLC網(wǎng)絡(luò)中的以太網(wǎng)通信將會越來越重要。

2.2模塊多樣化和智能化

各廠家擁有多樣的系列化PLC產(chǎn)品，形成了應(yīng)用靈活，使用簡便、通用性和兼容性更強(qiáng)的用戶的系統(tǒng)配置。智能的輸入/輸出模塊不依賴主機(jī)，通常也具有中央處理單元、存儲器、輸入/輸出單元以及與外部設(shè)備的接口，內(nèi)部總線將它們連接起來。智能輸入/輸出模塊在自身系統(tǒng)程序的管理下，進(jìn)行現(xiàn)場信號的檢測、處理和控制，并通過外部設(shè)備接口與PLC主機(jī)的輸入/輸出擴(kuò)展接口連接，從而實現(xiàn)與主機(jī)的通信。智能輸入/輸出模塊既可以處理快速變化的現(xiàn)場信號，還可使PLC主機(jī)能夠執(zhí)行更多的應(yīng)用程序。

適應(yīng)各種特殊功能需要的各種智能模塊，如智能PID模塊、高速計數(shù)模塊、溫度檢測模塊、位置檢測模塊、運(yùn)動控制模塊、遠(yuǎn)程I/O模塊、通信和人機(jī)接口模塊等，其CPU與PLC的CPU并行工作，占用主機(jī)的CPU時間很少，可以提高PLC的掃描速度和完成特殊的控制要求。智能模塊的出現(xiàn)，擴(kuò)展了PLC功能，擴(kuò)大了PLC應(yīng)用范圍，從而使得系統(tǒng)的設(shè)計更加靈活方便。

2.3高性能和高可靠性

如果PLC具有更大的存儲容量、更高的運(yùn)行速度和實時通信能力，必然可以提高PLC的處理能力、增強(qiáng)控制功能和范圍。高速度包括運(yùn)算速度、交換數(shù)據(jù)、編程設(shè)備服務(wù)處理高以及外部設(shè)備響應(yīng)等方面的高速化，運(yùn)行速度和存儲容量是PLC非常重要的性能指標(biāo)。

自診斷技術(shù)、冗余技術(shù)、容錯技術(shù)在PLC中得到廣泛應(yīng)用，在PLC控制系統(tǒng)發(fā)生的故障中，外部故障發(fā)生率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于內(nèi)部故障的發(fā)生率。PLC內(nèi)部故障通過PLC本身的軟、硬件能夠?qū)崿F(xiàn)檢測與處理，檢測外部故障的專用智能模塊將進(jìn)一步提高控制系統(tǒng)的可靠性，具有容錯和冗余性能的PLC技術(shù)將得以發(fā)展。

2.4編程朝著多樣化、高級化方向發(fā)展

硬件結(jié)構(gòu)的不斷發(fā)展和功能的不斷提高，PLC編程語言，除了梯形圖、語句表外，還出現(xiàn)了面向順序控制的步進(jìn)編程語言、面向過程控制的流程圖語言以及與微機(jī)兼容的高級語言等，將滿足適應(yīng)各種控制要求。另外，功能更強(qiáng)、通用的的組態(tài)軟件將不斷改善開發(fā)環(huán)境，提高開發(fā)效率。PLC技術(shù)進(jìn)步的發(fā)展趨勢也將是多種編程語言的并存、互補(bǔ)與發(fā)展。

2.5集成化

所謂軟件集成，就是將PLC的編程、操作界面、程序調(diào)試、故障診斷和處理、通信等集成為一體。監(jiān)控軟件集成，系統(tǒng)將實現(xiàn)直接從生產(chǎn)中獲得大量實時數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)加以分析后傳送到管理層；此外，它還能將過程優(yōu)化數(shù)據(jù)和生產(chǎn)過程的參數(shù)迅速地反饋到控制層。

現(xiàn)在，系統(tǒng)的軟、硬件只需通過模塊化、系列化組合，便可在集成化的控制平臺上“私人定制”的客戶需要的控制系統(tǒng)，包括PLC控制系統(tǒng)、伺服控制系統(tǒng)、DCS系統(tǒng)以及SCADA系統(tǒng)等，系統(tǒng)維護(hù)更加方便。將來，PLC技術(shù)將會集成更多的系統(tǒng)功能，逐漸降低用戶的使用難度，縮短開發(fā)周期以及降低開發(fā)成本，以滿足工業(yè)用戶的需求。在一個集成自動化系統(tǒng)中，設(shè)備間能夠最大程度上實現(xiàn)資源的利用與共享。

2.6開放性與兼容性

信息相互交流的即時性、流通性對于工業(yè)控制系統(tǒng)而言，要求越來越高，系統(tǒng)整體性能更為重要，人們更加注重PLC和周邊設(shè)備的配合，用戶對開放性要求強(qiáng)烈。系統(tǒng)不開放和不兼容會令用戶難以充分利用自動化技術(shù)，給系統(tǒng)集成、系統(tǒng)升級和信息管理帶來困難和附加成本。PLC的品質(zhì)既要看其內(nèi)在技術(shù)是否先進(jìn)，還需考察其符合國際標(biāo)準(zhǔn)化的程度和水平。標(biāo)準(zhǔn)化既可保證產(chǎn)品質(zhì)量，也將保證各廠家產(chǎn)品之間的兼容性、開放性。編程軟件統(tǒng)一、系統(tǒng)集成接口統(tǒng)一、網(wǎng)絡(luò)和通信協(xié)議統(tǒng)一是PLC的開放性主要體現(xiàn)。目前，總線技術(shù)和以太網(wǎng)技術(shù)的協(xié)議是公開的，它為支持各種協(xié)議的PLC開放，提供了很好的條件。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織提出的開放系統(tǒng)互連參考模型O鈕，通信協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)化使各制造廠商的產(chǎn)品相互通信，促進(jìn)PLC在開放功能上有較大發(fā)展。PLC的開放性涉及通信協(xié)議、可靠性、技術(shù)保密性、廠家商業(yè)利益等眾多問題，PLC的完全開放還有很長的路要走。PLC的開放性會使其更好地與其他控制系統(tǒng)集成，這是PLC未來的主要發(fā)展方向之一。

系統(tǒng)開放可使第三方軟件在符合開放系統(tǒng)互連標(biāo)準(zhǔn)的PLC上得到移植;采用標(biāo)準(zhǔn)化的軟件可大大縮短系統(tǒng)開發(fā)時間，提高系統(tǒng)的可靠性。軟件的發(fā)展也表現(xiàn)在通信軟件的應(yīng)用上，近年推出的PLC都具有開放系統(tǒng)互連和通信的功能。標(biāo)準(zhǔn)編程方法將會使軟件更容易操作和學(xué)習(xí)，軟件開發(fā)工具和支持軟件也相應(yīng)地得到更廣泛的應(yīng)用。維護(hù)軟件功能的增強(qiáng)，降低了維護(hù)人員的技能要求，減少了培訓(xùn)費(fèi)用。面向?qū)ο蟮目丶蚈PC技術(shù)等高新技術(shù)被廣泛應(yīng)用于軟件產(chǎn)品中。PLC已經(jīng)開始采用標(biāo)準(zhǔn)化的軟件系統(tǒng)，高級語言編程也正逐步形成，為進(jìn)一步的軟件開放打下了基礎(chǔ)。

2.7集成安全技術(shù)應(yīng)用

集成安全基本原理是能夠感知非正常工作狀態(tài)并采取動作。安全集成系統(tǒng)與PLC標(biāo)準(zhǔn)控制系統(tǒng)共存，它們共享一個數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，安全集成系統(tǒng)的邏輯在PLC和智能驅(qū)動器硬件上運(yùn)行。安全控制系統(tǒng)包括安全輸入設(shè)備，例如急停按鈕、安全門限位開關(guān)或連鎖開關(guān)、安全光柵或光幕、雙手控制按鈕;安全控制電氣元件，例如安全繼電器、安全PLC、安全總線;安全輸出控制，例如主回路中的接觸器、繼電器、閥等。

PLC控制系統(tǒng)的安全性也越來越得到重視，安全PLC控制系統(tǒng)就是專門為條件苛刻的任務(wù)或安全應(yīng)用而設(shè)計的。安全PLC控制系統(tǒng)在其失效時不會對人員或過程安全帶來危險。安全技術(shù)集成到伺服驅(qū)動系統(tǒng)中，便可以提供最短反應(yīng)時間，設(shè)定的安全相關(guān)數(shù)據(jù)在兩個獨(dú)立微處理器的通道中被傳輸和處理。如果發(fā)現(xiàn)某個通道中有監(jiān)視參數(shù)存在誤差時，驅(qū)動系統(tǒng)就會進(jìn)入安全模式。PLC控制系統(tǒng)的安全技術(shù)要求系統(tǒng)具有自診斷能力，可以監(jiān)測硬件狀態(tài)、程序執(zhí)行狀態(tài)和操作系統(tǒng)狀態(tài)，保護(hù)安全PLC不受來自外界的干擾。

在PLC安全技術(shù)方面，各廠商在不斷研發(fā)和推出安全PLC產(chǎn)品，例如，在標(biāo)準(zhǔn)I/O組中加上內(nèi)嵌安全功能的I/O模塊，通過編程組態(tài)來實現(xiàn)安全控制，從而構(gòu)成了全集成的安全系統(tǒng)。這種基于Ethernet Powerlink的安全系統(tǒng)是一種集成的模塊化的安全技術(shù)，成為可靠、高效的生產(chǎn)過程的安全保障。

由于安全集成系統(tǒng)與控制系統(tǒng)共享一條數(shù)據(jù)總線或者一些硬件，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸和處理速度可以大幅度提高，同時還節(jié)省了大量布線、安裝、試運(yùn)行及維護(hù)成本。羅克韋爾推出了模塊式與分布式的安全PLC，西門子的安全PLC也已應(yīng)用于汽車制造系統(tǒng)中?？梢灶A(yù)見，安全PLC技術(shù)將會廣泛應(yīng)用于汽車、機(jī)床、機(jī)械、船舶、石化、電廠等領(lǐng)域。

2.8軟PLC的發(fā)展

傳統(tǒng)PLC有些弱點使它的發(fā)展受到限制：(1)PLC的軟、硬體系結(jié)構(gòu)封閉、不開放，專用總線、通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、各模塊不通用；(2)編程語言雖多，但其組態(tài)、尋址、語言結(jié)構(gòu)都不一致；(3)各品牌的PLC通用性和兼容性差；(4)各品牌產(chǎn)品的編程方法差別很大，技術(shù)專有性較強(qiáng)，用戶使用某種品牌PLC時，不但要重新了解其硬件結(jié)構(gòu)，還必須重新學(xué)習(xí)編程方法及其他規(guī)定。

隨著工業(yè)控制系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，控制結(jié)構(gòu)日趨分散化和復(fù)雜化，需要PLC具有更多的用戶接口、更強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)通信能力、更好的靈活性。近年來，隨著IEC61131- 3標(biāo)準(zhǔn)的推廣，使得PLC呈現(xiàn)出PC化和軟件化趨勢。相對于傳統(tǒng)PLC，軟PLC技術(shù)以其開放性、靈活性和低成本占有很大優(yōu)勢。

軟PLC按照IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)，打破以往各個PLC廠家互不兼容的局限性，可充分利用工業(yè)控制計算機(jī)(IPC)或嵌入式計算機(jī)(EPC)的硬、軟件資源，用軟件來實現(xiàn)傳統(tǒng)PLC的功能，使系統(tǒng)從封閉走向開放。軟PLC技術(shù)提供PLC的相同功能，卻具備了PC的各種優(yōu)點。

軟PLC具有高速數(shù)據(jù)處理能力和強(qiáng)大網(wǎng)絡(luò)功能，可以簡化自動化系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，把控制、數(shù)據(jù)采集、通信、人機(jī)界面及特定應(yīng)用，集成到一個統(tǒng)一開放系統(tǒng)平臺上，采用開放的總線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，滿足未來控制系統(tǒng)開放性和柔性的要求。

基于PC的軟PLC系統(tǒng)簡化了系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和設(shè)備設(shè)計，簡化了復(fù)雜的通信接口，提高了系統(tǒng)的通信效率，降低了硬件投資，易于調(diào)試和維護(hù)。通過OPC技術(shù)能夠方便地與第三方控制產(chǎn)品建立通信，便于與其他控制產(chǎn)品集成。

目前，軟PLC技術(shù)還處于發(fā)展初期，成熟完善的產(chǎn)品不多。軟PLC技術(shù)也存在著一些問題，主要是以PC為基礎(chǔ)的控制引擎的實時性問題及設(shè)備的可靠性問題。隨著技術(shù)的發(fā)展，相信軟PLC會逐漸走向成熟。

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