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    王兆義：上海大學(xué)

1  發(fā)展回顧

　　上世紀60年代末PLC產(chǎn)生于美國馬薩諸塞州，MODICON084是世界上第一種投入生產(chǎn)的PLC。PLC崛起于70年代，首先在汽車流水線上大量應(yīng)用。80年代PLC走向成熟，全面采用微電子處理器技術(shù)，得到大量推廣應(yīng)用，年銷售始終以高于20%的增長率上升，奠定了其在工業(yè)控制中不可動搖的地位。90年代，隨著工控編程語言IEC 61131-3的正式頒布，PLC開始了它的第三個發(fā)展時期，在技術(shù)上取得新的突破。PLC在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上，從傳統(tǒng)的單機向多CPU和分布式及遠程控制系統(tǒng)發(fā)展；在編程語言上，圖形化和文本化語言的多樣性，創(chuàng)造了更具表達控制要求、通信能力和文字處理的編程環(huán)境；從應(yīng)用角度看，除了繼續(xù)發(fā)展機械加工自動生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)外，更發(fā)展了以PLC為基礎(chǔ)的DCS系統(tǒng)、監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（SCADA）、柔性制造系統(tǒng)（FMS）、安全連鎖保護系統(tǒng)（ESD）等，全方位地提高了PLC的應(yīng)用范圍和水平。

2  21世紀PLC技術(shù)發(fā)展的幾個特點

2.1  適應(yīng)市場需要，加強PLC通信聯(lián)網(wǎng)的信息處理能力

　　在信息時代的今天，幾乎所有PLC制造商都注意到了加強PLC通信聯(lián)網(wǎng)的信息處理能力這一點。小型PLC都有通信接口，中、大型PLC都有專門的通信模塊。隨著計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，PLC的通信聯(lián)網(wǎng)能使其與PC和其它智能控制設(shè)備很方便地交換信息，實現(xiàn)分散控制和集中管理。也就是說，用戶需要PLC與PC更好地融合，通過PLC在軟技術(shù)上協(xié)助改善被控過程的生產(chǎn)性能，在PLC這一級就可以加強信息處理能力。例如，CONTEC與日本三菱電機公司（以下簡稱為三菱電機）合作，推出專門插在小Q系列PLC的機架上的PC機模塊，該模塊實際上就是一臺可在工廠現(xiàn)場環(huán)境下正常運行，而且可通過PLC的內(nèi)部總線與PLC的CPU模塊交換數(shù)據(jù)的PC機。其處理芯片采用IntelCeleron400M主頻、系統(tǒng)內(nèi)存128MB、Cache 128K、支持外掛顯示器，該模塊內(nèi)裝WindowsNT 4.0或Windows 2000。支持的軟件有：三菱綜合F4軟件，包括PLC編程軟件GT、FA數(shù)據(jù)處理軟件MX、人機界面畫面設(shè)計軟件GT、運動控制設(shè)計編程軟件MT等。

　　最近，國外一些中、大型PLC制造商推出了一個機架上可以插多個CPU模塊的結(jié)構(gòu)，將PC機模塊與PLC的CPU模塊、過程控制CPU模塊或運動控制模塊同時插在一個機架上。實際上就是將原來PLC要通過工廠自動化（FA）用PC機與管理計算機通信的三層結(jié)構(gòu)改為PLC系統(tǒng)可直接與生產(chǎn)管理用的計算機的兩層結(jié)構(gòu)。這樣生產(chǎn)管理更加快捷方便。

　　小型PLC之間通信“傻瓜化”。為了盡量減少PLC用戶在通信編程方面的工作量，PLC制造商做了大量工作，使設(shè)備之間的通信自動地周期性的進行，而不需要用戶為通信編程，用戶的工作只是在組成系統(tǒng)時作一些硬件或軟件上初始化設(shè)置。如歐姆龍公司的兩臺CPM1A之間一對一連接通信只需用三根導(dǎo)線將它們的RS-232C通信接口連在一起后將通信有關(guān)的參數(shù)寫入5個指定的數(shù)據(jù)存儲器中，即可方便地實現(xiàn)兩臺PLC之間的通信。

2.2  PLC向開放性發(fā)展

　　早期的PLC缺點之一是它的軟、硬件體系結(jié)構(gòu)是封閉而不是開放的，如專用總線、通信網(wǎng)絡(luò)及協(xié)議、I/O模塊更互不通用，甚至連機架、電源模板亦各不相同，編程語言之一的梯形圖名稱雖一致，但組態(tài)、尋址、語言結(jié)構(gòu)均不一致，因此，幾乎各個公司的PLC均互不兼容。目前，PLC在開放性方面已有實質(zhì)性突破。十多年前PLC被攻破的一個重要方面就是它的專有性，現(xiàn)在情況有了極大改觀，不少大型PLC廠商在PLC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上采用了各種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，如IEC 61131-3、IEEE 802.3以太網(wǎng)、TCP/IP、UDP/IP等。例如，AEG Schneider集團已開發(fā)以PLC機為基礎(chǔ)，在Windows平臺下，符合IEC 61131-3國際標(biāo)準(zhǔn)的全新一代開放體系結(jié)構(gòu)的PLC實現(xiàn)高度分散控制，開放度高。

　　高度分散控制是一種全新的工業(yè)控制結(jié)構(gòu)，不但控制功能分散化，而且網(wǎng)絡(luò)也分散化，所謂高度分散化控制，就是控制算法常駐在該控制功能的節(jié)點上，而不是常駐在PLC上或PC上，凡掛在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點上的設(shè)備，均處于同等的位置，將“智能”擴展到控制系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)，從傳感器、變送器到I/O模塊，乃至執(zhí)行器，無處不采用微處理芯片，因而產(chǎn)生了智能分散系統(tǒng)（SDS）。

　　為了使PLC更具開放性和執(zhí)行多任務(wù)，在一個PLC系統(tǒng)中同時裝幾個CPU模塊，每個CPU模塊都執(zhí)行某一種任務(wù)。例如三菱電機公司的小Q系列PLC可以在一個機架上插4個CPU模塊，富士電機的MICREX-ST系列最多可在一個機架上插6個CPU模塊，這些CPU模塊可以進行專門的邏輯控制、順序控制、運動控制和過程控制。這些都是在Windows環(huán)境下執(zhí)行PC機任務(wù)的模塊，組成混合式的控制系統(tǒng)。

　　近幾年，眾多PLC廠商都開發(fā)了自己的模塊型I/O或端子型I/O，而通信總線都符合IEC 61131-3標(biāo)準(zhǔn)，這極大的增強了PLC的開放性。

　　創(chuàng)建開放的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境后，推出了能掛100M的高速以太網(wǎng)的WEB服務(wù)器模塊，三菱電機公司小Q系列的QJ71WS96，橫河電機FA-M3系列的F3WBM1-0T-S0；模塊內(nèi)的軟件捆綁了目前常用的TCP/IP、UDP/IP等傳輸層和網(wǎng)絡(luò)層規(guī)約，以及HTTP、FTP、SMTP、POP3等應(yīng)用層規(guī)約，使PLC可直接進入因特網(wǎng)，成為不折不扣的WEB的PLC。

2.3  PLC的體積小型化，運算速度高速化

　　PLC小型化的好處是節(jié)省空間、降低成本、安裝靈活。目前一些大型PLC，其外形尺寸比他們前一代的同類產(chǎn)品的安裝空間要小50%左右。

　　近幾年，很多PLC廠商推出了超小型PLC，用于單機自動化或組成分布式控制系統(tǒng)。西門子公司的超小型PLC稱通用邏輯模塊LOGO！，它采用整體式結(jié)構(gòu)，集成了控制功能、實時時鐘和操作顯示單元，可用面板上的小型液晶顯示屏和6個鍵來編程。LOGO！超小型PLC使用功能模塊圖FBD編程語言，有在PC上運行的Windows 98/NT編程軟件。三菱電機的超小型PLC叫簡單應(yīng)用控制器，簡稱α并有AL-PCS/win-C型VLS軟件，是強有力且界面友好的編程工具。松下電工的超小型PLC叫可選模式控制器。德國金鐘―默勒公司（MOELLER）的超小型PLC稱控制繼電器，簡稱easy。

　　運算速度高速化是PLC技術(shù)發(fā)展的重要特點，在硬件上，PLC的CPU模塊采用32位的RISC芯片，使PLC的運算速度大為提高，一條基本指令的運算速度達到數(shù)十個納秒（ns）。三菱電機公司的ANA系列PLC最早使用32位的CPU模塊，當(dāng)今它的Q02H系列PLC的CPU模塊也用了32位的RISC芯片，基本指令的執(zhí)行時間為34ns；富士電機MICREX-SX系列PLC的CPU模塊由于采用了32位RISC芯片后，其一條基本指令的運算時間為20ns。

　　PLC主機運算速度大大提高，與外設(shè)的數(shù)據(jù)交換速度也呈高速化。大家知道，PLC的CPU模塊通過系統(tǒng)總線與裝插在基板上的各種I/O模塊、特殊功能模塊、通信模塊等交換數(shù)據(jù)，基板上裝的模塊越多，PLC的CPU模塊與那些模塊之間的數(shù)據(jù)交換的時間就會增加，在一定程度上會使PLC的掃描時間加長，為此，不少PLC廠商采用新技術(shù)，增加PLC系統(tǒng)的帶寬，使一次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量增多；在系統(tǒng)總線數(shù)據(jù)存取方式上，采用連續(xù)成組傳送技術(shù)實現(xiàn)連續(xù)數(shù)據(jù)的高速批量傳送，大大縮短了存取每個字所需的時間；通過向系統(tǒng)總線相連接的模塊實現(xiàn)全局傳送，即針對多個模塊同時傳送同一數(shù)據(jù)的技術(shù)，有效地活用系統(tǒng)總線。

　　當(dāng)前，不少PLC廠商采用了多CPU芯片并行處理方式，用專門CPU處理編程及監(jiān)控服務(wù)，大大減輕對執(zhí)行控制程序的CPU芯片的影響，只讓執(zhí)行控制程序的CPU進行順控和邏輯運算。另外，為提高服務(wù)處理速度，縮短操作時間，采用高速的串行通信（最大波特率為115Kbps），并將UCB口（最大波特率為12Mbps）引入PLC的CPU模塊，從而實現(xiàn)與編程工具及監(jiān)控設(shè)備之間通信的高速化，并允許許多人同時使用這兩個通信端口同時進行編程和調(diào)試程序。

2.4  軟PLC出現(xiàn)

　　所謂軟PLC，實際就是在PC機的平臺上，在Windows操作環(huán)境下，用軟件來實現(xiàn)PLC的功能，也就是說，軟PLC是一種基于PC機開發(fā)結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)，它具有硬PLC的功能、可靠性、速度、故障查找等方面的特點，利用軟件技術(shù)可以將標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)PC轉(zhuǎn)換全功能的PLC過程控制器。軟PLC綜合了計算機和PLC的開關(guān)量控制、模擬量控制、數(shù)學(xué)運算、數(shù)值處理、網(wǎng)絡(luò)通信等功能，通過一個多任務(wù)控制內(nèi)核，提供強大的指令集、快速而準(zhǔn)確的掃描周期，可靠的操作和可連接各種I/O系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)的開放式結(jié)構(gòu)。軟PLC具有硬PLC的功能，同時又提供了PC機環(huán)境的各種優(yōu)點。GE Fanuc公司推出了一種外形類似筆記本電腦的PC以Windows為操作系統(tǒng)，可實現(xiàn)PLC的CPU模塊的功能，通過以太網(wǎng)和I/O模塊、通信模塊用于工廠的現(xiàn)場控制。在美國底特律汽車城，大多數(shù)汽車裝配自動生產(chǎn)線、熱處理工藝生產(chǎn)線等都已由傳統(tǒng)PLC控制改為軟件PLC控制，可以說，高性能價格比的軟PLC將成為今后高檔PLC的發(fā)展方向。

2.5  PLC編程語言趨于標(biāo)準(zhǔn)化

　　IEC61131是可編程控制器的國際標(biāo)準(zhǔn)，共有8個部分，從1992年開始陸續(xù)頒布實行。IEC61131-3是PLC編程語言的標(biāo)準(zhǔn)，于1993年頒布實施。IEC61131-8于2001年頒布實施，與IEC61131-3被稱為PLC語言的實現(xiàn)導(dǎo)則。

　　IEC61131-3 PLC編程語言國際標(biāo)準(zhǔn)是將現(xiàn)代軟件概念和現(xiàn)代軟件工程的機制與傳統(tǒng)的PLC編程語言成功的結(jié)合，使它在工業(yè)控制領(lǐng)域的影響遠遠超出PLC的界限，已成為DCS、PC控制、運動控制以及SCADA的編程系統(tǒng)事實上的標(biāo)準(zhǔn)。IEC61131-3規(guī)定了二大類編程語言：文本化編程語言和圖形化編程語言。前者包括指令語句表語言（IL）和結(jié)構(gòu)化文本化語言（ST），后者包括梯形圖語言（LD）和功能塊圖語言（FBD）。而順序功能圖（SFC）可以在梯形圖語言中使用，也可以在指令語句表語言中使用。

　　IEC61131-3允許在同一個PLC中使用多種編程語言，也允許程序開發(fā)人員對一個特定的任務(wù)選擇最合適的編程語言，還允許在同一個控制程序中其不同的軟件模塊用不同的編程語言編制，這一規(guī)定既解決了PLC發(fā)展歷史形成編程語言多樣化的現(xiàn)狀，又為PLC的軟件技術(shù)進一步發(fā)展提供了足夠的空間。

　　歐美PLC廠商的PLC大都支持IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)，特別是西門子公司的PLC。我國在1995年就采用IEC61131-3作為PLC的國家標(biāo)準(zhǔn)。日本雖然工業(yè)發(fā)達，技術(shù)還是相對封閉，但IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)成為PLC的公認世界主流標(biāo)準(zhǔn)后，日本的PLC生產(chǎn)商開始在新一代PLC軟件平臺中廣泛采用。三菱電機的PLC編程軟件包GX Ver.8開發(fā)系統(tǒng)就支持梯形圖語言（LD）、指令語句表語言（IL）、順序功能圖編程語言（SFC）、結(jié)構(gòu)化文本語言（ST）。三菱電機的PX開發(fā)系統(tǒng)支持功能塊圖FBD，供PLC用于過程控制。歐姆龍公司的編程軟件包GX除了支持LD、IL外，近期即將推出支持功能塊FBD和結(jié)構(gòu)化文本語言ST的編程軟件包。富士電機的及橫河電機的PLC編程軟件包也都支持IEC61131-3。

3  PLC的國產(chǎn)化

　　國內(nèi)開始研制PLC產(chǎn)品是上世紀70年代中期，當(dāng)時上海、北京、西安、廣州和長春等地的不少科研單位、大專院校和工廠，總計20多家單位都在研制和生產(chǎn)PLC（絕大多數(shù)都是小型PLC）。特別值得一提的是國家科委和原機械工業(yè)部在儀器儀表重點課題攻關(guān)專項中組織了“六五”、“七五”、“八五”的可編程序控制器子項攻關(guān)，由部屬北京機械工業(yè)自動化研究所負責(zé)，先后研制開發(fā)了MPC-10、MPC-20、MPC-85型PLC。這幾種型號的PLC I/O點數(shù)為256～512，并可擴展到1024點，開創(chuàng)了國內(nèi)研制大型PLC的先河，先后在注塑機、恒溫室、鍋爐控制、汽車壓力機生產(chǎn)線上獲得了應(yīng)用。這些項目有自動開發(fā)的操作系統(tǒng)、工業(yè)控制編程語言并具有與上位機、HMI連網(wǎng)和通信等功能。當(dāng)時國內(nèi)研制開發(fā)的PLC產(chǎn)品由于缺乏資金、后續(xù)研制力量不足及生產(chǎn)技術(shù)相對落后等原因，沒有形成批量工業(yè)化生產(chǎn)，因而被國外產(chǎn)品淘汰而紛紛消失。可喜的是在90年代，由于PLC應(yīng)用不斷深入，國內(nèi)又掀起研制PLC的高潮，雖然仍是小型PLC，批量亦不大，但其功能、質(zhì)量和可靠性比70年代的產(chǎn)品有明顯的提高。其代表產(chǎn)品如：南京冠德科技有限公司（原江蘇嘉華實業(yè)有限公司PLC工廠）的JH200系列PLC，I/O為12～120點，具有高速計數(shù)器和模擬量功能；杭州新箭電子有限公司的D系列PLC，D20P的I/O點數(shù)為20點，D100的I/O點可從40～120點；蘭州全志電子有限公司的RD系列小型PLC很有特點，RD100型PLC的I/O點9/4點，2點模擬量輸入，而RD200型PLC的I/O為20～40點，擴展的功能有編碼盤測速、熱電偶測溫和模擬量I/O，RD200型PLC最多可32臺連網(wǎng)，并能與上位PC機進行實時通信。

　　為了盡快提升我國PLC的技術(shù)水平，引進PLC的先進生產(chǎn)技術(shù)，中外合資或外商獨資企業(yè)在國內(nèi)開始批量生產(chǎn)PLC。西門子公司首先在大連開辦PLC生產(chǎn)企業(yè)；歐姆龍公司在上海生產(chǎn)的PLC遠銷海內(nèi)外；中日合資后又成獨資的江蘇無錫光洋電子有限公司的PLC已有小、中、大系列產(chǎn)品。中外合資、引進技術(shù)，使國產(chǎn)PLC上了一個新的臺階。
特別是近幾年，國產(chǎn)PLC有了更新的產(chǎn)品。北京和利時系統(tǒng)工程股份有限公司推出的FOPLC有小型、中型、大型。該公司推出的HOLIiAS-LEC G3新一代高性能的小型PLC有14點（8/6）、24點（14/10）、40點（24/16）三個規(guī)格，基本指令的執(zhí)行時間為0.6微秒。程序存儲器的容量為52K。為方便用戶選用，該公司開發(fā)了19種、35個不同規(guī)格的I/O擴展模塊，G3型PLC可最多擴展7個模塊，I/O最大可到264點。G3系列PLC有符合IEC61131-3的5種編程語言，編程軟件具有超強的計算功能，如其他小型PLC所不具備的64位浮點數(shù)運算、優(yōu)化的PID可同時處理有十幾個模擬量的多個閉環(huán)回路。G3系列PLC具有極強的通信功能，有集于CPU模塊的標(biāo)準(zhǔn)Modbus協(xié)議、專有協(xié)議和自由協(xié)議的通信接口。通過該接口可方便的掛到Profibus等總線上去。該公司的FOPLC中型機，開關(guān)量I/O為256點；內(nèi)置TCP/IP通信接口，很容易接入管理網(wǎng)；配有Profibus-DP現(xiàn)場總線的主站、從站和遠程I/O都通過ISO9001嚴格的質(zhì)量保證體系認真。FO PLC編程語言符合IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)。

　　深圳德維森公司開發(fā)的基于PC的軟PLC TOMC系列，其特點是符合IEC61131-3國際標(biāo)準(zhǔn)的編程語言，允許梯形圖、順序功能圖和功能塊圖混合編程；用戶可開發(fā)基于內(nèi)置PC資源的C語言和定義功能塊，通過以太網(wǎng)、TCP/IP與上位機聯(lián)網(wǎng)。TOMC1軟PLC可連接最多32個本地I/O模塊，最多15個遠程站，每個遠程站可帶32個I/O點。

　　在90%的國內(nèi)PLC市場由國外PLC產(chǎn)品占領(lǐng)的今天，國產(chǎn)PLC能脫穎而出，并具有和國外同類產(chǎn)品進行競爭的能力，相信不久的將來，國產(chǎn)PLC將占市場更大份額。

4 結(jié)語

　　PLC的應(yīng)用領(lǐng)域目前不斷擴大，并延伸到過程控制、批處理、運動和傳動控制、無線電遙控以至實現(xiàn)全廠的綜合自動化。PLC的技術(shù)發(fā)展除了小型化、超高速，大容量存儲器，多CPU，多任務(wù)并行運行外，PLC的開放性更大，通信聯(lián)網(wǎng)能力更強，集成化軟件更優(yōu)。標(biāo)準(zhǔn)化的IEC61131-3 PLC編程語言已被眾多PLC廠商所接受，其推廣速度越來越快。軟PLC的應(yīng)用范圍將更廣。

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