PLC(可編程控制器)是20世紀60年代發展起來的一種新型自動化控制裝置,最早是用于替代傳統的繼電器控制裝置,功能上只有邏輯計算、計時、計數以及順序控制等,而且只能進行開關量控制。其英文原名為“Programmable Logic Controller”,簡稱為PLC,中文稱“可編程邏輯控制器”。后來,隨著技術的進步,其控制功能已經遠遠超出邏輯控制的范疇,其名稱也就改為“Programmable Controller”,簡稱為PC。但PC又容易與個人計算機(Personal Computer)的簡稱PC產生混淆,所以近年來人們又傾向于使用PLC這一簡稱,中文仍然稱“可編程控制器”。
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上世紀60年代,由于美國汽車工業需要進行大規模的技術改造和設備更新,由傳統的繼電器控制裝置來進行控制,不僅體積龐大、故障率高、柔性差、不靈活、耗能,而且調試困難,可靠性也差。1968年美國通用汽車公司提出使用新一代控制器的設想,從用戶的角度考慮,該公司對新一代控制器提了10點要求,為各大公司提供了明確的開發目標。次年,就由美國DEC(數字設備公司)首先研制成功了第一臺可編程邏輯控制器PDP-14。差不多同時,美國MODICON公司也研制出084控制器。它們的問世,引起了全世界的矚目,美國的其他公司和西歐、日本等工業發達國家,也相繼研究開發出類似的產品。
由于PLC吸取微電子技術和計算機技術的最新成果,因此發展十分迅速,從單機自動化到整條生產線的自動化,乃至整個工廠的生產自動化,從柔性制造系統、工業機器人到大型分散型控制系統,PLC均承擔著重要角色。
PLC技術代表了當今電氣程序控制的最先進水平。通過PLC與各種單元自動化裝置(如智能儀表、數字化傳單裝置、智能的液壓和氣動閥組等)以及現場總線、計算機網絡系統,構成了車間和工廠自動化的完整體系。
可編程控制器應用非常廣泛,通過近年來對國內進行的調查,可知其在各個領域應用分布大致如下:
鋼鐵和有色冶金
35%
汽車和機械制造
20%
輕工,食品,包裝,造紙
化工,石油,工藝過程
13%
交通運輸,礦山
7%
能源,電站,泵站,水處理
7%
科研試驗,教學
2%
在PLC發明之前,在工業控制的順序控制領域內,常常采用諸如繼電器、鼓式開關、紙帶閱讀器等機械、電氣式器件作為控制元件,尤其是控制繼電器,在離散制造過程控制領域內,成為“開關控制系統”中最廣泛使用的器件。但是,隨著工業現代化的發展,生產規模越來越大,勞動生產率及產品質量的要求在不斷提高,對于控制系統的可靠性也提出了更高的要求,原有“繼電器控制系統”已不適應需要,究其原因是:動作緩慢;壽命短、可靠性差;體積大、耗電多;設計制造周期長、程序修改費時;不能實現與計算機對話。
到上世紀60年代后期,雖然小型計算機已日趨完善,應用領域也在不斷擴大,但小型計算機用于開關控制系統,又顯然存在著“大馬拉小車”的情況,這是由于小型計算機的特點決定的:編程復雜,要求有較高水平的編程人員和操作人員;需要配套非標準的外部接口,對環境和現場條件的要求過高;功能過剩,機器資源未能充分利用;造價高昂。
需要與可能性,促使人們尋求新的出路,PLC應運而生。它首先應用于美國的汽車工業,這時的PLC用固態(集成)電路來代替繼電器邏輯電路,用存儲器電路中的存儲數位(程序)來代替繼電器系統的布線,以程序來規定邏輯關系;用固態I/O電路來檢測按鈕和限位開關的信號,給出輸出以控制電機和其它執行機構。這時的PLC系統已開始具有如下一些特點:環境適應性較強,可以使用于車間現場;有較高的可靠性和診斷能力,維修容易;基本能適應不同的制造過程所需,柔性度有了較大提高,只要改變系統中的程序即可改變控制“邏輯”,而無需改造或更換控制硬件等。
自1976年以來,微處理器開始引入PLC領域,大大加強了PLC的作用,使PLC由簡單地代替繼電器電路,而發展為先進的控制裝置。當今PLC具有采集與處理大量數據、完成數學運算、與其它智能器件通信的能力,以及具有先進的人-機對話手段(如鍵盤、CRT和語音對話),近年來由于現場總線理念的出現和相關標準的建立,以及產品的迅速發展,PLC成為現場總線的一個重要組成部分,進一步擴大了PLC的應用領域。
由于PLC同時提高了功能和柔性度,使其應用迅速增長,并普及到許多其它離散零件制造工業領域。隨后又擴展到與批量生產和連續生產過程有關的工業領域。隨著CIMS(計算機集成制造系統)的發展,PLC當前還被人們用于工廠通信網絡之中,與其它智能控制器和計算機系統一起成為計算機綜合控制系統中的重要組成部分,特別是單元級和工作站級。
從1969年第一臺PLC問世至今,可編程控制器大約經歷了三個階段:
第一階段:開發的PLC容量較小,I/O點數小于120點。用戶存儲區容量在2KB左右,掃描速度為20~50ms/KB,指令較為簡單,只有邏輯運算、計時、計數等,編程語言采用簡單的語句表語言。使用上,主要用來作開關量控制。
第二階段:PLC的容量有所擴展,I/O點數從512點至1024點,用戶程序存儲區擴展到8KB以上,速度也有提高,掃描速度達到5~6ms/KB,指令功能除了基本的邏輯運算、計時、計數外,還增加了算術運算指令、比較指令,以及模擬量處理指令等,輸入/輸出類型也由純開關量I/O,擴展為帶模擬量的I/O。編程語言除了使用語句表外,還可以使用梯形圖編程語言。
第三階段:進入80年代以來,隨著大規模和超大規模集成電路等微電子技術的迅猛發展,以16位和32位微處理器構成的PLC得到驚人的發展,其功能遠遠超出了上述兩階段的產品。使PLC在概念,設計,性價比以及應用方面都有了新的突破。這一階段的產品向大型和小型兩個方向發展。大型產品的I/O點數,超過4 000點,有些產品達到8 000個I/O點,用戶存儲區容量超過32KB,配置有各種智能模塊(例如溫度控制模塊、軸定位模塊、過程控制模塊等)和通信模塊,掃描速率也大大提高,達到0.47ms/KB,指令功能除了基本的邏輯運算、計時、計數、順序控制外,還有算術浮點運算指令、PID調節功能指令、圖形組態功能指令、網絡和通信指令等。編程語言普遍采用梯形語言,同時也使用語句表和順序功能圖語言(典型的有GRAFCET語言)。為了提高系統的可靠性,設計上考慮了容錯技術和冗余技術等。這一階段的小型產品向超小型化和加強型功能發展,有16點I/O,24點I/O的整體型小型PLC,在小型PLC上配置模擬量I/O、通信口、高速計數,指令上也設置有算術運算、比較指令以及PID調節指令。小型PLC使用的手握式編程器使用大面積液晶顯示器,也可以用梯形圖和GRAFCET語言進行編程。
這一階段PLC的軟件設計也有很大改進,普遍實現了軟件模塊化設計,在PLC產品上提供大量的通用和專用軟件功能模塊,用戶通過簡單的功能調用就可實現復雜的控制任務,給使用帶來極大的方便。使用的編程器越來越完善,專用編程器實際上已經是一臺個人計算機,可以實現離線編程或在線編程及監控,程序打印以及程序固化,實現圖形組態,可以聯網(即掛在PLC網絡上),有些編程器還可以使用高級語言。除了專用編程器外,很多PLC可以使用通用的筆記本電腦實現編程,開發一些專用軟件,充分利用個人計算機的能力,完成各種高級的編程功能,省卻了專用編程器,既便于推廣又節省投資。隨著技術的進步,PLC的功能越來越強,應用范疇越來越廣,與其它工業控制機,如分散型控制系統(DCS)的界限已經不十分明顯,很多以往必須由分散型控制系統來完成的控制,現在用PLC都能實現,因此在應用上“交錯”已經成為普遍現象。