可编程控制器PLC的发展趋势
时间：2024-01-11 阅读：396
一、PLC的发展历史
1968年，通用汽车公司的液压部分为了消除既复杂又昂贵的继电器控制系统，确立了第一个可编程控制器的招标指标。该设计规格需要固态系统和电脑技术，并要求能够在产业环境中生存，也能够方便地编程，并且可以重复使用。该控制系统将大大减少机器的停机时间，并为未来提供了可扩展性。该招标由DEC公司中标，这套系统于1969年研制出来，这是第一台可编程控制器，型号为PDP-14，应用取得成功。其后，美国的MODICON公司也推出了同名的084控制器，1971年日本推出了DSC-80控制器，1973年西欧国家的各种可编程控制器也研制成功。这些早期的控制器满足了最初的要求，并且打开了新的控制技术的发展的大门。
PLC的发展也是与计算机技术、控制技术、数字技术、通讯网络技术等高新技术的发展息息相关，正是这些高新技术的发展推动了可编程控制器的发展。
从控制功能来看，可编程控制器的发展大致经历了4个阶段：
1．低级阶段：从第一台PLC问世到20世纪70年代中期
由于第一代PLC是为了取代继电器的，因此，主要功能是逻辑运算和计时、计数功能。CPU由中小规模数字集成电路构成。主要产品有：MODICON公司的084，AB公司的PDQ-IL，DEC公司的PDP-14，日立公司的SCY-022等。第一阶段就采用了梯形图语言作为编程方式，尽管有些枯燥，但却形成了工厂的编程标准。
2．扩展阶段：从20世纪70年代中期到70年代末期
这一阶段PLC产品的控制功能得到很大扩展。扩展的功能包括数据的传送、数据的比较和运算、模拟量的运算等功能。这一阶段的产品有MODICON的184，284，384，西门子公司的SIMATICS3系列，富士电机公司的SC系列产品。
3．通讯阶段：20世纪70年代末期到80年代中期
这一阶段产品与计算机通讯的发展有关，形成了分布式通讯网络。但是，由于各制造商各自为政，通讯系统也是各有各的规范。由于在很短的时间内，PLC就已经从汽车行业迅速扩展到其它行业，作为继电器的替换品进进了食品、饮料、金属加工、制造和造纸等多个行业。其次，产品功能也得到很大的发展。同时，可靠性进一步进步。这一阶段的产品有西门子公司的SIMATICS6系列，GOULD公司的M84，884等，富士电机的MICRO和TI公司的TI530等。
4．开放阶段：从20世纪80年代中期开始
由于国际标准化组织提出了开放系统互连的参考模型OSI，使PLC在开放功能上有较大发展。主要表现为通讯系统的开放，使各制造厂商的产品可以通讯，通讯协议开始标准化，使用户得益。此外，PLC开始采用标准化软件系统，增加高级语言编程，并完成了编程语言的标准化工作。这一阶段的产品有西门子公司的S7系列，AB公司的PLC-5，SLC500，德维森的V80和PPC11，加拿大ONLINECONTROL公司与合控电气公司所开发的OPENPLC等。
二、PLC的特点
1．PLC的硬件和软件进展
PLC的技术从诞生之日起，就不停地发展。PLC的定义也经过多次变动。1987年，国际电工委员会IEC(InternationalElectricalCommittee)颁布了可编程序控制器最新的定义：
可编程控制器是一种能够直接应用于专门为在产业环境下应用而设计的数字运算操纵的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操纵的指令，并能通过数字式或模拟式的输进和输出，控制各类的机械或生产过程。可编程控制器及其有关的外围设备都应按照易于与产业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。
可见，PLC的定义实际是根据PLC的硬件和软件技术进展而发展的。这些发展不仅改进了PLC的设计，也改变了控制系统的设计理念。这些改变，包括硬件和软件的。
以下列出了PLC的硬件进展：
采用新的、先进的微处理器和电子技术达到快速的扫描时间；
小型的、低成本的PLC，可以替换4到10个继电器，可以获得更大的发展动力；
高密度的I/O系统，以低成本提供了节省空间的接口；
基于微处理器的智能I/O接口，扩展了分布式控制能力。典型的接口如：PID、网络、CAN总线、现场总线、ASCII通讯、定位、主机通讯模块和语言模块（如BASIC，PASCAL）等；
包括输进输出模块和端子的结构设计改进，使端子更加集成；
特殊接口允许某些器件可以直接接到控制器上，如热电偶、热电阻、应力张量、快速响应脉冲等；
外部设备改进了人机界面技术，系统文档功能成为了PLC的标准功能。
与硬件的发展相似，PLC的软件也取得了巨大的进展，大大强化了PLC的功能：
PLC引进了面向对象的编程工具，并且根据国际电工委员会的IEC61131-3的标准形成了多种语言；
小型PLC也提供了强大的编程指令，因此延伸了应用领域；
高级语言，如BASIC，C在某些控制器模块中已经可以实现，在与外部通讯和处理数据时提供了更大的编程灵活性；
梯形图逻辑中可以实现高级的功能块指令，可以使用户用简单的编程方法实现复杂的软件功能；
诊断和错误检测功能，从简单的系统控制器的故障诊断，扩大到对所控制的机器和设备的过程和设备进行诊断；
浮点运算可以完成应用中计量、平衡和统计等所牵涉的复杂计算；
数据处理指令得到简化和改进，可以进行涉及大量数据存储、跟踪和存取的复杂控制和数据采集及处理功能。
尽管PLC比原来复杂了很多，但是，他们依然保持了令人吃惊的简单性，对操纵员来说，今天的高功能的PLC与三十年前一样那么轻易操纵。
2．PLC的特点
PLC发展如此迅速的原因，在于它具有一些其它控制系统，包括DCS和通用计算机在内，所不及的一些特点。下面对这些特点做一个介绍：
① 可靠性
可靠性包括产品的有效性和可维修性。可编程控制器的可靠性高，表现在下列几个方面：
a) 可编程控制器不需要大量的活动部件和电子元件，接线大大减少，与此同时，系统的维修简单，维修时间缩短，因此可靠性得到进步；
b) 可编程控制器采用一系列可靠性设计方法进行设计，例如冗余设计，掉电保护，故障诊断，报警和运行信息显示和信息保护及恢复等，进步了MTBF（全称是Mean Time Between Failure，即平均工作时间。就是从新的产品在规定的工作环境条件下开始工作到出现第一个故障的时间的平均值。MTBF越长表示可靠性越高正确工作能力越强 ），降低了MTTR（源自于IEC61508中的平均维护时间mean time to repair，目的是为了清楚界定术语中的时间的概念，MTTR是随机变量恢复时间得期望值。它包括确认失效发生所必需的时间，以及维护所需要的时间。MTTR也必须包含获得配件的时间，维修团队的响应时间，记录所有任务的时间，还有将设备重新投入使用的时间），使可靠性得到进步；
c) 可编程控制器有较强的易操纵性，它具有编程简单，操纵方便，编程的出错率大大降低，而为产业恶劣操纵环境设计的硬件使可靠性大大进步；
d) 可编程控制器的硬件设计方面，采用了一系列进步可靠性的措施。例如，采用可靠性高的产业级元件，采用先进的电子加工工艺（SMT）制造，对干扰采用屏蔽、隔离和滤波等；存储器内容的保护，采用看门狗和自诊断措施，便于维修的设计等。
一份用户选用PLC原因的调查报告指出：在各种选用PLC的原因中，原因是可靠性高的，占93%，其次，才是性能和维修方面的原因。
② 易操纵性
PLC的易操纵性表现在下列三个方面：
a) 操纵方便：对PLC的操纵包括程序的录入和程序更改操作，大多数PLC采用编程器进行程序录入和更改操作。现在的PLC的编程器大部分可以用电脑直接进行，更改程序也可根据所需地址编号、继电器编号或接点号等直接进行搜索或按顺序寻找，然后可以在线或离线更改；
b) 编程方面：PLC有多种程序设计语言可以使用，对现场电气技术人员来说，由于梯形图与电气原理图相似，因此很轻易理解和把握。采用语句表语言编程时，由于编程语句是功能的缩写，便于记忆，并且与梯形图有逐一对应的关系，所以有利于编程人员的编程操作。功能图表语言以过程流程进展为主线，十分适合程序设计人员与工艺技术人员设计思想的沟通。功能模块图和结构化文本语言编程方法的应用具有功能清楚，易于理解等优点，而且与DCS组态语言同一，正受到广大技术人员的重视。
c) 维修方便：PLC所具有的自诊断功能对维修技术要求较低，当系统发生故障时，通过硬件和软件的自诊断，维修人员可以根据有关故障代码的显示和故障信号灯的提示等信息，或通过编程器和HMI屏幕的设定，直接找到故障所在的部位，为迅速排除故障和修复节省了时间，降低了MTTR。
为便于维修工作的开展，有些PLC制造商提供维修用的专用仪表或设备，提供故障维修树等维修用资料；有些厂商还提供维修用的智能卡或插件板，使维修工作变得十分方便。此外，PLC的面板和结构设计也考虑了维修的方便性。例如，对需要维修的部件设置在便于维修的位置，信号灯设置在易于观察的位置，接线端子采用便于接线和更换的类型等，这些设计使维修工作能方便地进行，大大缩短了维修时间。采用标准化元件和标准化工艺生产流水作业，使维修用备品备件简化等，也使维修工作变得方便。
③ 灵活性
PLC的灵活性主要表现在以下3个方面：
a) 编程的灵活性：PLC采用的标准编程语言有梯形图、指令表、功能图表、功能模块图和结构化文本编程语言等。使用者只要把握其中一种编程语言就可进行编程，编程方法的多样性使编程方便。由于PLC内部采用软连接，因此，在生产工艺流程更改或者生产设备更换后，可不必改变PLC的硬设备，通过程序的编制与更改就能适应生产的需要。这种编程的灵活性是继电器顺序控制系统和数字电路控制系统所不能相比的。正是由于编程的柔性特点，使PLC成为产业控制领域的重要控制设备，在柔性制造系统FMS，计算机集成制造系统（CIMS）和计算机流程产业系统（CIPS）中，PLC正成为主要的控制设备，得到广泛的应用；
b) 扩展的灵活性：PLC的扩展灵活性是它的一个重要特点。它可以根据应用的规模不断扩展，即进行容量的扩展、功能的扩展、应用和控制范围的扩展。它不仅可以通过增加输入输出卡件增加点数，通过扩展单元扩大容量和功能，也可以通过多台PLC的通讯来扩大容量和功能，甚至可以与其它的控制系统如DCS或其它上位机的通讯来扩展其功能，并与外部的设备进行数据交换。这种扩展的灵活性大大方便了用户；
c) 操纵的灵活性：操纵的灵活性指设计工作量、编程工作、和安装施工的工作量的减少。操纵变得十分方便和灵活，监视和控制变得很轻易。在继电器顺序控制系统中所需的一些操作得到简化，不同生产过程可采用相同的控制台和控制屏等。
④ 机电一体化
为了使产业生产的过程控制更平稳，更可靠，向优质、高产、低耗要效益，对过程控制设备和装置提出了机电一体化，即仪表、电子、计算机综合的要求，而PLC正是这一要求的产物，它是专门为产业过程而设计的控制设备，具有体积小、功能强，抗干扰性好等优点，它将机械与电气部件有机地结合在一个设备内，把仪表、电子和计算机的功能综合集成在一起，因此，它已经成为当今数控技术、产业机器人、离散制造和过程流程等领域的主要控制设备，成为产业自动化三大支柱（PLC，机器人，CAD/CAM）之一。
可编程控制器现在已经成为了一个不可代替的控制系统，它们可以与其它系统通讯，提供产品报表，生产调度，诊断自身和设备的故障，这些技术上的改进，让PLC成为今天各行各业的高质量和产量的重要贡献者。