PLC控制系統(tǒng)發(fā)展前景研究

內(nèi)蒙古科技大學(xué)工程訓(xùn)練中心　王雪燃

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PLC控制系統(tǒng)發(fā)展前景研究

內(nèi)蒙古科技大學(xué)工程訓(xùn)練中心王雪燃

【摘要】可編程序控制器(Programmable Logic Controller，PLC)是一種普遍應(yīng)用在工業(yè)領(lǐng)域中的技術(shù)。文章簡(jiǎn)述了PLC技術(shù)的產(chǎn)生背景與發(fā)展現(xiàn)狀，闡明PLC技術(shù)的功能及其在工業(yè)應(yīng)用中的優(yōu)點(diǎn)現(xiàn)已成為自動(dòng)化領(lǐng)域的技術(shù)支柱，并介紹了PLC系統(tǒng)的發(fā)展前景。

【關(guān)鍵詞】PLC；工業(yè)自動(dòng)化控制；發(fā)展前景

Keyword：PLC；Industrial Automation and Control；Development Trend

0　引言

可編程序控制器(Programmable Logic Controller，PLC)從其產(chǎn)生到現(xiàn)在，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了從接線邏輯到存儲(chǔ)邏輯的飛躍，其功能也由弱到強(qiáng)，從而實(shí)現(xiàn)了從邏輯控制到數(shù)字控制的進(jìn)步[1]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，PLC在模擬量的處理數(shù)字運(yùn)算人機(jī)接口和網(wǎng)絡(luò)等各方面的能力都已大幅度提高以成為工業(yè)控制領(lǐng)域的主流控制設(shè)備，并且應(yīng)用的越來越廣泛在各行各業(yè)發(fā)揮著越來越大的作用。PLC是以微處理器為核心，綜合運(yùn)用微機(jī)技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、通信技術(shù)于一體的通用工業(yè)控制裝置。常用的有日系歐姆龍等，國產(chǎn)的有臺(tái)達(dá)、永宏等。歐系的主要有施耐德、西門子等[2]。

從1968年至今，PLC的發(fā)展共經(jīng)歷了四個(gè)階段：第一階段PLC大部分用單位機(jī)開發(fā)，功能也僅有邏輯控制；在第二階段，PLC產(chǎn)品中的微處理器換成了8位，產(chǎn)品也隨之開始量產(chǎn)；第三階段，隨著大規(guī)模高集成微處理器及位片式CPU的使用，PLC在處理速度上也隨之大大提高，從而向功能更多以及互聯(lián)網(wǎng)通信的方向發(fā)展；第四階段，通過使用16位或32位的高級(jí)CPU，并且將多個(gè)處理器配置在一臺(tái)PLC中，以此進(jìn)行多通道數(shù)據(jù)處理。成為了名符其實(shí)的多功能控制器。隨著PLC的功能從單一化轉(zhuǎn)向多元化,特別是互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)的支持，使PLC與設(shè)備之間的遠(yuǎn)程連接和通信功能成為PLC控制系統(tǒng)中的重要特點(diǎn)之一[3]。

1　PLC控制系統(tǒng)

1.1PLC的構(gòu)造

PLC控制系統(tǒng)主要有兩個(gè)基本要點(diǎn)，分別是輸入輸出信息的交換以及物理可靠性的實(shí)現(xiàn)[4]。輸入輸出信息的交換主要依靠程序來實(shí)現(xiàn)，程序存儲(chǔ)在PLC的內(nèi)存。程序有兩種，一種是廠家在PLC出廠時(shí)所提供的內(nèi)置程序；第二種是用戶自己開發(fā)的應(yīng)用程序[5]。

內(nèi)置程序主要有2個(gè)好處[6]：第一，為用戶提供了程序運(yùn)行平臺(tái)；第二，通過處理程序運(yùn)行時(shí)信號(hào)與信息的轉(zhuǎn)換，保證用戶程序的可靠性。物理可靠性的實(shí)現(xiàn)是依賴輸入（Input）電路和輸出（Output）電路來進(jìn)行的。PLC的輸入電路第一步要對(duì)輸入的信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，將信號(hào)進(jìn)行濾波處理，過濾掉高頻的信號(hào)干擾。第二步是依靠光耦元件建立連接，在PLC內(nèi)部與計(jì)算機(jī)電路進(jìn)行光隔離。輸出電路需要對(duì)輸出的功率進(jìn)行倍增，目的是使其可以帶動(dòng)包括接觸器、繼電器等其他的工業(yè)控制元器件。

從PLC的構(gòu)成角度看，它是數(shù)字運(yùn)算操作的控制裝置，在計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)化控制技術(shù)等方面有著重要應(yīng)用[7]。它的主要構(gòu)成有：電源、存儲(chǔ)器、中央處理單元（CPU）、接口電路等。電源是在交流電壓基礎(chǔ)上波動(dòng)10%~15%左右，能夠采用適當(dāng)?shù)拇胧LC連接到交流電源上。存儲(chǔ)器的作用是存儲(chǔ)系統(tǒng)軟件，用戶程序存儲(chǔ)器則是存放應(yīng)用軟件的。中央處理器是在整個(gè)系統(tǒng)的核心，起到協(xié)調(diào)系統(tǒng)各部件的作用。接口電路連接PLC系統(tǒng)和外部設(shè)備。

1.2PLC的運(yùn)行原理

PLC的控制方式主要開關(guān)量的邏輯控制、模擬量控制、運(yùn)動(dòng)控制、過程控制等四種控制方式[8]。從PLC的功能層面來看，可以有效的實(shí)現(xiàn)開關(guān)量的邏輯控制，同時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行中可以結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的控制檢測(cè)信號(hào)，作為是否進(jìn)行操作的條件，這樣就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的控制。此外，系統(tǒng)的計(jì)數(shù)功能以及限時(shí)控制功能也得到較好的發(fā)揮。在PLC系統(tǒng)中的計(jì)時(shí)指令作用下，時(shí)間的設(shè)定可以結(jié)合運(yùn)行的情況發(fā)生而變化。對(duì)于計(jì)時(shí)控制，系統(tǒng)能對(duì)不同速度的計(jì)數(shù)器實(shí)施控制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)系統(tǒng)的計(jì)數(shù)控制功能[9]。

從PLC的運(yùn)作原理來看，它是通過對(duì)邏輯信號(hào)的順序掃描完成，此過程中主要是通過對(duì)輸入采樣，而后再執(zhí)行操作，最后是輸出刷新。PLC實(shí)現(xiàn)控制的過程一般有以下幾個(gè)步驟[10]：

（1）輸入信號(hào)刷新；

（2）運(yùn)行用戶程序；

（3）輸出信號(hào)刷新。

系統(tǒng)不斷反復(fù)循環(huán)步驟1至步驟3運(yùn)行，在系統(tǒng)運(yùn)行期間，會(huì)同時(shí)作公共處理，包括時(shí)間監(jiān)控、外部服務(wù)及通信控制處理等。具體的工作原理就是信號(hào)采樣過程中，PLC需要讀取每個(gè)接口的實(shí)時(shí)狀態(tài)，然后把數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在輸出區(qū)，并保證數(shù)據(jù)在本周期不發(fā)生變化，下一周期中才會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行更新。如果是輸入信號(hào)，頻率上就會(huì)比掃描周期大，這樣才可以檢測(cè)到信號(hào)。而在執(zhí)行程序過程中，PLC需要按照從上到下的方式進(jìn)行掃描，然后進(jìn)行控制線路的邏輯運(yùn)算，根據(jù)邏輯運(yùn)算結(jié)果對(duì)輸出線圈在系統(tǒng)中對(duì)應(yīng)儲(chǔ)存狀態(tài)進(jìn)行刷新。最后就是在輸出信號(hào)刷新中，需要CPU在上一階段程序執(zhí)行成功后，對(duì)各模塊所對(duì)應(yīng)的狀態(tài)及數(shù)據(jù)進(jìn)行刷新，使輸出電路輸出到外部設(shè)備，一個(gè)控制周期結(jié)束。

2　PLC的應(yīng)用前景

2.1人機(jī)界面更加友好

PLC制造商利用收購或與軟件公司合作的方式，通過發(fā)展自身軟件產(chǎn)業(yè)，大大提高了其軟件水平。大多數(shù)PLC廠商擁有與之相對(duì)應(yīng)的開發(fā)平臺(tái)，通過結(jié)合軟件和硬件提高了系統(tǒng)的性能。同時(shí)，從用戶的開發(fā)和降低運(yùn)維成本等角度，使更易形成人機(jī)友好的控制系統(tǒng)。目前，廣泛被應(yīng)用的是PLC+網(wǎng)絡(luò)+IPC+CRT的模式。

2.2網(wǎng)絡(luò)通訊能力提升

PLC廠家在原來CPU物理層提供RS232/422/485接口的基礎(chǔ)上，增加了通訊接口并提供完整的網(wǎng)絡(luò)通訊功能。由于近年來通訊技術(shù)的快速發(fā)展，用戶要求較高的開放性，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)和以太網(wǎng)通訊技術(shù)也隨之快速發(fā)展。例如羅克韋爾A-B公司主推的三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)體系即EtherNet，ControlNet，DeviceNet，西門子公司在Profibus-DP及Profibus-FMS網(wǎng)絡(luò)等。

2.3開放性和操作性的發(fā)展

在PLC發(fā)展過程中，各大制造商為了擴(kuò)大市場(chǎng)，均制定自己的標(biāo)準(zhǔn)。這導(dǎo)致兼容性很差，給用戶使用帶來很多不便，同時(shí)增加了運(yùn)維成本。由此可以看出，PLC的開放性是發(fā)展的趨勢(shì)。這也形成了個(gè)大廠商之間長(zhǎng)時(shí)期妥協(xié)與競(jìng)爭(zhēng)，并且還在繼續(xù)。雖然PLC上各種開發(fā)工具仍不兼容，但基于這些標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)可以使用戶在開發(fā)過程中方便地適應(yīng)不同廠商的產(chǎn)品。由OPC基金會(huì)提出的OPC（OLE for Process Control）標(biāo)準(zhǔn)，增強(qiáng)了軟硬件的互操作性。通過OPC，測(cè)試的產(chǎn)品的一致性，可以方便的實(shí)現(xiàn)無縫隙數(shù)據(jù)的交換。目前，大多數(shù)PLC軟件以及相當(dāng)一部分、儀表執(zhí)行機(jī)構(gòu)等都支持OPC功能。OPC與現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的結(jié)合，也是未來自動(dòng)化控制系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。為使PLC更具開放性，并且可以執(zhí)行多任務(wù)，可以在一個(gè)PLC中同時(shí)集成幾個(gè)CPU模塊，每個(gè)CPU模塊都執(zhí)行某一特定計(jì)算任務(wù)。

2.4工業(yè)以太網(wǎng)對(duì)PLC發(fā)展的影響

與工業(yè)領(lǐng)域網(wǎng)絡(luò)相比，以太網(wǎng)因其成本非常低等特點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用。因此，人們致力于將以太網(wǎng)引進(jìn)自動(dòng)化控制領(lǐng)域。目前的難題主要有：（1）硬件上如何適應(yīng)惡劣環(huán)境。（2）如何提高原件之間的通訊可靠性。工控領(lǐng)域引入以太網(wǎng)還存在爭(zhēng)論，但以太網(wǎng)在工控系統(tǒng)中的應(yīng)用，卻日益增多。適應(yīng)這一趨勢(shì)的各PLC制造廠商相繼推出適應(yīng)以太網(wǎng)的產(chǎn)品。PLC不僅在工業(yè)方面的作用逐漸增大，而且在生活上，利用PLC傳輸電力，使其作為通信載體，從而使得PLC具有極大的便捷性。例如，只要在有電源的房間就可享受5.5~55Mbps的高速網(wǎng)絡(luò)接入。并且，支持多客戶端同時(shí)接入，滿足同時(shí)瀏覽網(wǎng)頁、撥打電話和觀看視頻。另外，可以利用PLC將房屋內(nèi)的電話、電視、音響、冰箱等家電連接起來，從而通過集中控制，實(shí)現(xiàn)智能家庭。目前，PLC主要是作為一種接入技術(shù)提供寬帶網(wǎng)絡(luò)的解決方案，適用于居民小區(qū)學(xué)校酒店寫字樓等領(lǐng)域，真正的做到快捷便利。

3　結(jié)束語

PLC的優(yōu)點(diǎn)包括結(jié)構(gòu)緊湊、數(shù)據(jù)可靠性高、系統(tǒng)功

能強(qiáng)、運(yùn)行速度快、產(chǎn)品價(jià)格低等。在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中，PLC發(fā)揮著不可替代的作用。PLC的發(fā)展也將推動(dòng)整個(gè)自動(dòng)化工業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展。通過對(duì)PLC相關(guān)的功能以及其原理的分析，可以從一定程度上提高對(duì)這一技術(shù)的認(rèn)識(shí)，而將PLC在自動(dòng)化控制系統(tǒng)中的應(yīng)用上可以將控制水平得到有效提升。為了能夠使現(xiàn)代化的工業(yè)設(shè)計(jì)工作得到不斷的完善，就要將基礎(chǔ)工作得到完善，加強(qiáng)對(duì)PLC的理論研究。今后PLC的發(fā)展方向是從高效性、高速度、高可靠性、分布式、網(wǎng)絡(luò)化的方面。工業(yè)中主要以以太網(wǎng)作為系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)，發(fā)展的新方向，而PLC的通信網(wǎng)絡(luò)也正隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展而更加開放化、標(biāo)準(zhǔn)化，這必將推動(dòng)PLC的發(fā)展。從目前來看，PLC的通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢(shì)主要有兩個(gè)方面：一方面是支持企業(yè)級(jí)的互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)，從而實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)的接入和遠(yuǎn)程監(jiān)控；另一方面，現(xiàn)場(chǎng)總線也是當(dāng)前的發(fā)展方向，開發(fā)更完善的網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品，提高網(wǎng)絡(luò)組態(tài)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)，促使工業(yè)控制系統(tǒng)的更加集成化。

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Research on Development Prospects of PLC Control System

Wang Xueran
（Engineering Training Center，Inner Mongolia University of Science and Technology，Inner Mongolia，Baotou 014010）

Abstract：PLC（Programmable logic controller）is a widely used technique in the industrial field.We firstly outlines the background and current development of PLC technology to clarify the function of PLC technology.Secondly，we introduce its advantages in industrial applications has become a pillar of the field of automation technology. Finally，we introduce the development prospects of the PLC system.