淺談PLC的發(fā)展歷史與其在工業(yè)自動(dòng)化中的應(yīng)用

汪雅茹 金曉怡 秦安祺 蔣英光

上海工程技術(shù)大學(xué)，中國(guó)·上海 201620

隨著一系列工業(yè)革命的興起推動(dòng)科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展，現(xiàn)代工業(yè)趨于智能化，自動(dòng)化控制的應(yīng)用越來(lái)越廣泛并趨于成熟，PLC 技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用中起著越來(lái)越重要的作用。

PLC 技術(shù)；工業(yè)自動(dòng)化控制；智能化；應(yīng)用

1 引言

從以中石器時(shí)代為典型形態(tài)的游牧文明、大約12000年前新石器時(shí)代的農(nóng)業(yè)文明，到16世紀(jì)——20世紀(jì)中期以工業(yè)化為主要標(biāo)志的工業(yè)文明，再到今日方興未艾的高科技發(fā)展所形成的社會(huì)生產(chǎn)力極度發(fā)達(dá)的科技文明。[1]從最初疆域的變化，逐漸發(fā)展到宗教、道德倫理、社會(huì)組織意識(shí)的出現(xiàn)，再延續(xù)至科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，以及經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)、政治的變遷，這無(wú)數(shù)個(gè)分支共同推動(dòng)著歷史的進(jìn)步，使世界文明一點(diǎn)一滴演繹，成就了今天絢爛多彩的世界。

2 PLC 的發(fā)展歷史

民族、人口、語(yǔ)言組成歷史發(fā)展的主動(dòng)承擔(dān)者，物質(zhì)生活的逐漸豐富，人們價(jià)值觀的開(kāi)始形成，宗教信仰對(duì)人們的精神寄托起到非常重要的作用，成為窮人的精神支柱、富人的道德準(zhǔn)則?？茖W(xué)精神起源于古希臘文明時(shí)期，緊接著，中世紀(jì)的科技進(jìn)步，隨之而來(lái)一系列的科學(xué)技術(shù)革命，逐漸促進(jìn)人類(lèi)發(fā)展到現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)高度發(fā)達(dá)的全球化時(shí)代。18世紀(jì)中后期，瓦特改良蒸汽機(jī)，從此開(kāi)啟機(jī)器代替人工的工業(yè)浪潮。隨之而來(lái)工業(yè)革命序幕的拉開(kāi)，機(jī)器的普及和發(fā)展，人類(lèi)社會(huì)進(jìn)入“蒸汽時(shí)代”，以至工業(yè)的高速進(jìn)步發(fā)展，蒸汽、水力已經(jīng)不能滿(mǎn)足當(dāng)時(shí)的需要。更廣泛有效的需求推動(dòng)著人類(lèi)智慧的發(fā)掘，新的能源動(dòng)力的開(kāi)發(fā)、內(nèi)燃機(jī)的發(fā)明，以及電的應(yīng)用，使得汽車(chē)、輪船、飛機(jī)等交通工具的功能越來(lái)越多樣化。電氣化伴著第二次工業(yè)革命促使電器得到廣泛使用，西門(mén)子發(fā)明發(fā)電機(jī)，內(nèi)燃機(jī)的出現(xiàn)更是推動(dòng)了世界石油工業(yè)飛速發(fā)展。二十世紀(jì)五十年代開(kāi)始，第三次工業(yè)革命則發(fā)生了更加翻天覆地的變化，航空航天、原子能、計(jì)算機(jī)等等高科技產(chǎn)品技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用讓世界越發(fā)廣闊，裝備歷經(jīng)機(jī)械化、自動(dòng)化，現(xiàn)今工業(yè)已經(jīng)達(dá)到高度數(shù)字化、智能化、甚至最高級(jí)無(wú)人化的階段[2]。

社會(huì)各行各業(yè)的快速進(jìn)步革新要求人類(lèi)的生活更加智能化，從而提高生產(chǎn)生活效率，節(jié)約人們的時(shí)間。智能化技術(shù)是人工智能理論與計(jì)算機(jī)技術(shù)全面融合后的重要產(chǎn)物，它是21世紀(jì)才興起的一項(xiàng)高新技術(shù)，廣泛應(yīng)用于與傳統(tǒng)裝備的結(jié)合升級(jí)轉(zhuǎn)型，既彌補(bǔ)了傳統(tǒng)技術(shù)中的不足，又對(duì)工業(yè)持續(xù)的發(fā)展提供了有力的技術(shù)支撐。一方面，因?yàn)橹悄芑夹g(shù)以信息處理技術(shù)為基礎(chǔ)來(lái)鋪墊，從而降低機(jī)械工程生產(chǎn)的成本，延長(zhǎng)機(jī)械工程生產(chǎn)周期，從而進(jìn)一步從整體上真正優(yōu)化產(chǎn)品質(zhì)量。另一方面，智能化技術(shù)將勞動(dòng)力資源從繁重的工作中解脫出來(lái)，推動(dòng)機(jī)械工程自動(dòng)化發(fā)展的步伐，積極促進(jìn)機(jī)械工程行業(yè)的改革。[3]因?yàn)橹悄芑夹g(shù)不需要?jiǎng)?chuàng)建控制模型，又省略掉了對(duì)象模型設(shè)計(jì)的模塊，再通過(guò)對(duì)魯棒性以及響應(yīng)時(shí)間的精準(zhǔn)調(diào)控，這樣一來(lái)，就從源頭避免了大量的不可控因素，進(jìn)而提升了設(shè)備的性能要求，使整個(gè)系統(tǒng)的工作效率較傳統(tǒng)大幅度提高?？偟膩?lái)說(shuō)，借助其本身的強(qiáng)大分析診斷功能與計(jì)算機(jī)對(duì)系統(tǒng)故障進(jìn)行精準(zhǔn)的預(yù)測(cè)和分析，使智能化技術(shù)應(yīng)用于電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)的故障診斷和電氣設(shè)備的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)中[4]。

3 PLC 在工業(yè)自動(dòng)化中的應(yīng)用

近年來(lái)，隨著電氣自動(dòng)化的迅猛發(fā)展，更加細(xì)化、穩(wěn)定、高效的PLC 技術(shù)使自動(dòng)化管控水平進(jìn)一步提高，同樣，這也使其擁有更多工業(yè)自動(dòng)化控制投入。所以現(xiàn)今階段，PLC技術(shù)的大規(guī)模推廣和使用，切實(shí)改善了眾多系統(tǒng)的統(tǒng)一協(xié)調(diào)和實(shí)際運(yùn)作能力。

Programmable Logic Controller 就是可編程邏輯控制器，微處理器是其發(fā)揮功能的核心，同時(shí)與計(jì)算機(jī)等技術(shù)融合在一起，構(gòu)成一種控制裝置設(shè)施，繼而可以對(duì)程序開(kāi)展預(yù)編譯、存儲(chǔ)等工作，讓系統(tǒng)軟件可以順利發(fā)布連接輸入端與輸出端操作的控制命令，進(jìn)一步合理布置控制系統(tǒng)的具體運(yùn)行[5]。

PLC 是20世紀(jì)70年代以來(lái)，在計(jì)算機(jī)技術(shù)、集成電路基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新型工業(yè)控制設(shè)備，和以往常見(jiàn)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)功能相比較，PLC 技術(shù)又增加了對(duì)圖像和文本信息的采集功能。其可靠性高、功能強(qiáng)、配置靈活、使用方便，第一代僅能邏輯控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)，第二代CPU 采用8 位微處理器，已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)傳送、數(shù)字運(yùn)算、比較的功能，第三代CPU 采用片式Central Processing Unit 或16 位微處理器，開(kāi)始具有通信聯(lián)網(wǎng)能力和自診斷功能，工作速度提高。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，PLC 已經(jīng)發(fā)展到以16 位和32 位微處理器的全面使用，多處理器的多通道處理，遠(yuǎn)程通信網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)處理方便，一系列的優(yōu)點(diǎn)讓它成為工業(yè)自動(dòng)化的支柱之一。

PLC 技術(shù)在工業(yè)自動(dòng)化控制中的具體運(yùn)用已經(jīng)十分廣泛成熟。（1）在自動(dòng)化控制系統(tǒng)裝置的實(shí)際運(yùn)行中，控制變量很難控制，所以充分結(jié)合 PLC 技術(shù)模擬量控制的特性，運(yùn)用組合功能模塊組裝，充分增加控制模塊的靈活性，將變量進(jìn)行合理的控制和預(yù)估，對(duì)變量的控制更精確，這有效提高了系統(tǒng)運(yùn)行的效率，促進(jìn)數(shù)字和模擬的所有有效的轉(zhuǎn)換效果，從而可以確保系統(tǒng)環(huán)境安全穩(wěn)定。（2）PLC 技術(shù)充分優(yōu)化機(jī)電系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)質(zhì)量，對(duì)邏輯開(kāi)關(guān)的變量進(jìn)行調(diào)整，與此同時(shí)，PLC 技術(shù)可以運(yùn)用中間繼電器進(jìn)行控制系統(tǒng)的動(dòng)作，在 PLC 技術(shù)中采用環(huán)節(jié)順序控制公式，使各個(gè)系統(tǒng)的邏輯開(kāi)關(guān)控制發(fā)揮效果，完成開(kāi)放邏輯的建立。（3）在運(yùn)動(dòng)模塊中，PLC 技術(shù)可以將每個(gè)運(yùn)動(dòng)模塊中的運(yùn)行數(shù)據(jù)都反饋到系統(tǒng)裝置的板塊設(shè)置中，脈沖位置的固定也就促進(jìn)實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確的位置，確保了自動(dòng)化系統(tǒng)控制運(yùn)行的準(zhǔn)確性和運(yùn)行效率，從而準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行的直線運(yùn)動(dòng)和圓周運(yùn)動(dòng)。（4）PLC技術(shù)的工作內(nèi)容為反復(fù)循環(huán)，進(jìn)行一定的檢測(cè)，其應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)對(duì)某個(gè)控制區(qū)域進(jìn)行單一調(diào)整，而不影響整個(gè)系統(tǒng)的繼續(xù)運(yùn)行[6-7]。

PLC 技術(shù)已經(jīng)成熟廣泛應(yīng)用于鋼鐵、建材、輕紡、石油、化工、電力、交通運(yùn)輸、環(huán)保以及文化娛樂(lè)設(shè)施各個(gè)領(lǐng)域。通過(guò)開(kāi)關(guān)量的邏輯控制取代傳統(tǒng)的繼電器控制電路，實(shí)現(xiàn)單個(gè)設(shè)備或多機(jī)聯(lián)動(dòng)，以及各種組合機(jī)床、自動(dòng)化流水線最基本的順序、邏輯控制。在工業(yè)生產(chǎn)中，類(lèi)似壓力、液位、溫度、流量、速度等一系列變量會(huì)連續(xù)變化，所以利用轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)模擬量和數(shù)字量之間的控制轉(zhuǎn)換；同時(shí)，也應(yīng)用于各種電機(jī)的單軸和多軸運(yùn)動(dòng)控制方面，機(jī)器人、多功能機(jī)床、電梯的發(fā)展就得益于PLC 技術(shù)發(fā)揮的巨大作用?，F(xiàn)今PLC 可以編制多種多樣的算法程序去實(shí)現(xiàn)過(guò)程控制，在冶金、鍋爐等控制場(chǎng)合實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，從而安全精準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)各個(gè)過(guò)程的有的放矢；智能化、無(wú)人控制數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、運(yùn)算、轉(zhuǎn)換、傳送等分析處理，實(shí)現(xiàn)一個(gè)設(shè)備與其他智能裝置之間的通信傳輸，其所控制的出入點(diǎn)數(shù)幾乎不受控制，聯(lián)網(wǎng)性能優(yōu)越，實(shí)現(xiàn)跨地域大范圍的控制已經(jīng)駕輕就熟。

現(xiàn)如今，基于PLC 全自動(dòng)的各種裝置已經(jīng)隨處可見(jiàn)，全自動(dòng)洗衣機(jī)、煮飯機(jī)、飲水處理器等等，商用大型自動(dòng)咖啡機(jī)在學(xué)校、公司、商場(chǎng)無(wú)處不在，給廣大消費(fèi)者提供了不由分說(shuō)的便利。為具體更深入了解學(xué)習(xí)該類(lèi)設(shè)備的控制原理、機(jī)械結(jié)構(gòu)等等，利用國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目進(jìn)行實(shí)踐學(xué)習(xí)。

PLC 的一般分類(lèi)為：

（1）根據(jù)PLC 的硬件結(jié)構(gòu)，PLC 可分為整體式和模塊化。

（2）根據(jù)PLC 的不同功能，PLC 可分為三類(lèi)：低級(jí)，中級(jí)和高級(jí)。

（3）根據(jù)輸入和輸出點(diǎn)的數(shù)量，PLC 可以分為三種：小型，中型和大型。

（4）按制造商分類(lèi)，有美國(guó)GE 生產(chǎn)的PLC 和德國(guó)西門(mén)子生產(chǎn)的PLC。日本歐姆龍公司的C 系列PLC，日本松下電工公司的FP1 系列PLC，還有日本三菱公司（Mitsubishi Corporation）的PLC，該公司較早來(lái)到中國(guó)。

該項(xiàng)目是基于PLC 的全自動(dòng)咖啡機(jī)的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)，因此PLC 的選擇是該項(xiàng)目的基礎(chǔ)?？紤]到成本和性能，最終的選擇是最終選用選用三菱FX（Ridley J．Mitsubishi FX Programmable Logic Controllers||Special Mcoils:2003）系列小型PLC，具體型號(hào)為FX2N-32MR。FX 系列PLC 的特點(diǎn)是機(jī)器集成，高處理能力，最多365 點(diǎn)的開(kāi)關(guān)控制。三菱FX 系列PLC 控制器在實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中，可以較為容易地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動(dòng)控制功能，并支持信號(hào)采集和智能控制等操作，同時(shí)支持手動(dòng)控制與自動(dòng)控制的自由切換。在其應(yīng)用過(guò)程當(dāng)中，通過(guò)合理設(shè)計(jì)控制方案、主電路和控制程序，可以確?？刂乒δ艿耐暾麑?shí)現(xiàn)；在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，可以確保參數(shù)傳遞和參數(shù)控制的準(zhǔn)確性，從而為系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性提供保障。[8]FX2N-32MR-001 輸入16 點(diǎn)，繼電器輸出16 點(diǎn)，具有以下優(yōu)點(diǎn)：1）系統(tǒng)配置既固定又靈活；2）編程簡(jiǎn)單；3）備有可自由選擇的豐富類(lèi)型；4）穩(wěn)定安全的高性能；5）可實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)算；6）可用于多種特殊用途；7）外部機(jī)器通訊簡(jiǎn)單；8）擁有共同的外部設(shè)備。

該基于PLC 實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的咖啡機(jī)設(shè)計(jì)，通過(guò)梯形圖的編程實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)控制執(zhí)行元件進(jìn)行預(yù)期的動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)咖啡機(jī)的全自動(dòng)控制。通過(guò)可編程邏輯控制器作為主控單元，在特定的控制操作中，光電傳感器、壓力傳感器、超聲波傳感器等多種傳感器用作PLC 輸入信號(hào)使用，并與PLC輸入端子相連接，作為檢測(cè)裝置并將處理完成后的信號(hào)輸入可編程邏輯控制器，控制器經(jīng)過(guò)相對(duì)應(yīng)的程序處理，電磁閥則作為輸出信號(hào)連接到PLC 輸出端子，同時(shí)，電磁閥控制著執(zhí)行元件的運(yùn)動(dòng)，輸出對(duì)應(yīng)的信號(hào)給氣缸、電動(dòng)磁化杯等執(zhí)行元件[9]。