工業(yè)自動化的“大腦”
——PLC技術(shù)及其發(fā)展研究

蔣賓辰

（武漢市武昌區(qū)第十四中學，武漢 430061）

1 PLC簡介

1.1 PLC概況

可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）是一種應用廣泛的工業(yè)自動控制設備，具有可編程和邏輯控制兩大特點：一方面，其功能可以隨著其軟件編程的不同而改變；另一方面，其通過邏輯量的改變從而達到控制的目的?？删幊踢壿嬁刂破髯钤绫婚_發(fā)出來是為了替代工業(yè)中老舊的繼電器，在20世紀80年代之前，繼電器是工業(yè)控制的主要設備，但是其效率低下且體積很大，并且使用起來較為繁瑣。國際電工委員在1982年正式起草了PLC的標準，到此標準的第3版正式對PLC作出了規(guī)定：可編程邏輯控制器是一種采用可以編制程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程，專門為工業(yè)環(huán)境應用而設計的數(shù)字運算操作電子設備。PLC可以看作是微型計算機的改進版本，其專門為工業(yè)應用而設計，是一種集電子信息技術(shù)、計算機技術(shù)、軟件技術(shù)、自動控制技術(shù)于一體的高級控制設備，廣泛應用于制造業(yè)、電子信息產(chǎn)業(yè)、工礦、石油、交通運輸?shù)刃袠I(yè)?，F(xiàn)在生產(chǎn)PLC的廠商通常都有自己的一套標準。

1.2 PLC的發(fā)展

工業(yè)控制的歷史最早可以追溯到20世紀初，那個時期的工業(yè)強國üü德國在自己的軍工廠中率先使用了工業(yè)控制設備，用來控制一些設備的持續(xù)運轉(zhuǎn)，后來逐漸形成了繼電器的雛形。繼電器經(jīng)過近50年的發(fā)展，雖然變得越來越先進，但是其自身的原理和結(jié)構(gòu)所導致的體積大、能耗高、壽命短、運行效率低的不足限制了其進一步發(fā)展，科學家們試圖尋找出一種更加通用也更加優(yōu)秀的工業(yè)控制設備。

直到1968年，美國GM公司為了在汽車生產(chǎn)制造工廠中統(tǒng)一工業(yè)控制設備，在不同車型生產(chǎn)時避免繼電器需要頻繁更換的缺點，研制出一種基于邏輯控制的數(shù)字電路設備，這也是PLC的雛形。1969年，美國的數(shù)字設備公司（DEC）在研制出了第一臺可編程控制器（PDP-14），其后，美國的MODICON公司也推出了084控制器。早在1971年，日本研究者就開發(fā)出DSC-8型LC控制器，在同一時間西歐各國各種可以實際應用的PLC也研制成功。我國在1974年開始研制可編程控制器，現(xiàn)在已經(jīng)可以研發(fā)制造工業(yè)用90%以上的PLC設備。

進入21世紀以來，各個國家高度重視高端制造業(yè)的發(fā)展，我國連續(xù)頒布了《中國制造2025計劃》和《工業(yè)4.0計劃》等政策，極大刺激了工業(yè)控制領域的創(chuàng)新，PLC作為工業(yè)控制中的核心技術(shù)也在高速發(fā)展之中。隨著工業(yè)自動化的不斷普及，市場對PLC的需求越來越大，對PLC控制技術(shù)的穩(wěn)定性、精確性和智能化要求更嚴苛，同時PLC設備也在不斷更新?lián)Q代之中?？梢灶A見，在未來的發(fā)展中，PLC憑借其高效率和低成本，仍將是最為重要的工業(yè)控制設備之一。

2 PLC的結(jié)構(gòu)

PLC從本質(zhì)上是一種計算機，與傳統(tǒng)微型計算機不同的是，其根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)的特性，去除了一些不必要的功能，保留了計算機常用的計算、儲存、處理等運算功能。類似于一般計算機，其結(jié)構(gòu)也可分為硬件和軟件兩部分。

2.1 PLC的硬件結(jié)構(gòu)

PLC的硬件系統(tǒng)由本體部分、輸入輸出設備及外部設備組成。

圖1 PLC的硬件結(jié)構(gòu)

2.1.1 本體部分

PLC的本體部分是其核心部分，類似于微機結(jié)構(gòu)，其包括微處理器、儲存器、輸入輸出單元、I/O擴展設備等。

（1）微處理器單元（CPU）。CPU是PLC的核心部分，是整個控制器的大腦，也是進行運算和處理的部分。PLC的CPU通常針對工業(yè)應用作出了特定的優(yōu)化，去除了一些不必要的功能，使其在工業(yè)控制中的效率更加優(yōu)秀。常見的CPU的具體作用有：接受、存儲用戶程序；按掃描方式接受來自輸入單元的數(shù)據(jù)和各狀態(tài)信息，并存入相應的數(shù)據(jù)存儲區(qū)；執(zhí)行監(jiān)控程序和用戶程序，完成數(shù)據(jù)和信息的邏輯處理，產(chǎn)生相應的內(nèi)部控制信號，完成用戶指令規(guī)定的各種操作；響應外部設備的請求。

（2）存儲器。存儲器是PLC存放系統(tǒng)程序、用戶程序和運行數(shù)據(jù)的單元。它包括只讀存儲器（ROM）和隨機存取存儲器（RAM）。

（3）輸入輸出單元。工業(yè)設備和生產(chǎn)過程的檢測與控制產(chǎn)生的若干數(shù)據(jù)和變量一般通過輸入輸出單元輸送到制定的位置，其中比較典型的是I/O接口。外界輸入量通過輸入（input）接口傳輸?shù)絇LC的內(nèi)部，通過一定的運算和處理之后，產(chǎn)生的輸出信號按照一定的規(guī)范通過輸出（output）接口輸送到外部，實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)過程的控制。

（4）電源單元。它的作用是將外接電源變換為PLC的電源一般采用開關電源，也根據(jù)工業(yè)作業(yè)環(huán)境做了一定的調(diào)整，形成了輸入電壓范圍大、體積小、質(zhì)量輕、效率高、抗干擾性能好的特點。

2.1.2 外接設備

（1）編程器。可編程邏輯控制器中 可編程 的功能主要依靠編程器實現(xiàn)的，PLC生產(chǎn)廠家在設備出廠時一般都配有相應的軟件包，供用戶根據(jù)自身需求隨時調(diào)用。

（2）顯示器。功能多樣的PLC裝置一般將顯示輸出輸送到顯示器，對工業(yè)控制過程中的各種變化過程和數(shù)據(jù)進行顯示，讓操作者可以很直觀地掌握現(xiàn)場控制情況。

（3）打印機。PLC也可以配接打印機等外部設備，還可以配置其他外部設備，例如，存儲器卡、盒式磁帶機或磁盤驅(qū)動器，用于存儲用戶程序和數(shù)據(jù)；配置EPROM寫入器，用于將程序?qū)懭氲紼PROM中。

2.2 PLC軟件

PLC除了硬件系統(tǒng)外，還需要軟件系統(tǒng)的支持，它們相輔相成，缺一不可，共同構(gòu)成PLC。類似于我們常用電腦、手機中的操作系統(tǒng)和應用軟件，PLC的軟件系統(tǒng)由系統(tǒng)軟件和用戶軟件組成，系統(tǒng)程序是用戶程序運行的基礎，而用戶程序則是執(zhí)行控制的部分。

（1）系統(tǒng)軟件。系統(tǒng)軟件類似于我們平常使用的操作系統(tǒng)（operation system，OS），是直接基于PLC硬件的軟件，負責安排、部署、指揮PLC中CPU、內(nèi)存等部件的工作流程，是PLC運轉(zhuǎn)的基礎。

（2）用戶軟件。用戶軟件是用戶進行一系列控制操作的軟件，類似于常用的應用軟件（application，APP），一般由用戶或者用戶委托生產(chǎn)制造商編制，一般包括模擬量運算模塊、數(shù)字量運算模塊、開關量運算模塊、邏輯量運算模塊、用戶操作站等。

3 PLC的應用及未來發(fā)展趨勢

3.1 PLC的主要應用

PLC是來完成順序控制功能的自動化設備，控制的方式主要是采用電子信息技術(shù)。其主要應用如下：

（1）開關量控制。這是PLC最基本最廣泛的應用領域，用來取代繼電器制系統(tǒng)，實現(xiàn)邏輯控制和順序控制。它既可用于單機控制或多機控制，又可用于自動化生產(chǎn)線的控制。PLC可根據(jù)操作按鈕、限位開關及其他現(xiàn)場給出的指令信號或檢測信號，控制機械運動部件進行相應的動作。

（2）限時控制。定時器也是PLC中所必備的一個模塊，一般可實現(xiàn)0.1～999.9s及0.01～99.99s的定時控制，也可按一定方式進行定時時間的擴展。PLC的限時控精度高，定時時間設定方便、靈活。同時，高端的PLC還提供了高精度的時鐘脈沖，用于精準的實時控制。

（3）計數(shù)控制。計數(shù)在工業(yè)控制中應用廣泛，最常見的便是記錄重復性運動的次數(shù)，當其到達某個值之后停止運作。PLC中實現(xiàn)計數(shù)功能依靠計數(shù)器模塊，一般分為普通計數(shù)器、高速計數(shù)器、可逆計數(shù)器等。

（4）數(shù)據(jù)處理。大部分PLC都具有數(shù)據(jù)處理功能，如加、減、乘、除、乘方、開方等算數(shù)運算，邏輯運算如與、或、異或、求反等邏輯運算，以及數(shù)據(jù)的移位、比較、傳遞和轉(zhuǎn)換等操作，這些基本運算功能相互組合便可實現(xiàn)絕大多數(shù)的復雜運算，一般完成更為復雜的功能。

3.2 PLC的未來發(fā)展

PLC自從20世紀被引入到工業(yè)中以來，從最初功能單一、體積龐大的形象發(fā)展到現(xiàn)在，集成度越來越高、功能也越來越強大，工業(yè)生產(chǎn)和工業(yè)設備中的各種自動控制環(huán)節(jié)都離不開PLC這一重要設備。在未來，PLC也將朝著標準化、小型化、模塊化、低成本和高功能等方向持續(xù)發(fā)展。隨著各種新型器件的不斷出現(xiàn)，主要部件的質(zhì)量和成本都會得到有效優(yōu)化，在功能性上PLC的各種功能將被進一步加強，除了傳統(tǒng)功能之外的計算、處理功能也會向微型計算機靠攏，使PLC在合理的范圍內(nèi)可以代替計算機進行智能管理、智能決策、智能交互等功能。隨著人工智能、機器學習等技術(shù)的不斷發(fā)展，PLC也將吸收其他領域越來越多的先進成果，成為服務于我國現(xiàn)代工業(yè)化建設的重要裝備。

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