1.1.2 可編程序控制器的發(fā)展歷程與趨勢(shì)

1.可編程序控制器的發(fā)展歷程

從20世紀(jì)20年代起，繼電接觸器控制系統(tǒng)在工業(yè)控制領(lǐng)域中一度占據(jù)主導(dǎo)地位，該系統(tǒng)是通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)將各種繼電器、定時(shí)器、接觸器及其觸點(diǎn)按一定的邏輯關(guān)系連接來(lái)控制各種機(jī)械或過(guò)程。但是，這種繼電接觸器控制系統(tǒng)具有明顯的缺點(diǎn)，即設(shè)備體積大，動(dòng)作速度慢，功能單一，僅能做簡(jiǎn)單的控制；特別是采用硬連線(xiàn)邏輯，接線(xiàn)復(fù)雜，一旦生產(chǎn)工藝或?qū)ο笞儎?dòng)，原有接線(xiàn)和控制盤(pán)（柜）就需要更換，所以這種系統(tǒng)的通用性和靈活性較差，不利于產(chǎn)品的更新?lián)Q代。

20世紀(jì)60年代末期，美國(guó)汽車(chē)制造業(yè)競(jìng)爭(zhēng)激烈。1968年，美國(guó)通用汽車(chē)公司提出了開(kāi)發(fā)新型邏輯順序控制裝置以取代繼電器控制盤(pán)的設(shè)想，為此發(fā)布了10個(gè)招標(biāo)指標(biāo)，其主要內(nèi)容如下：

① 編程簡(jiǎn)單，可在現(xiàn)場(chǎng)修改程序。

② 維護(hù)方便，最好是插件式。

③ 可靠性高于繼電器控制柜。

④ 體積小于繼電器控制柜，能耗較低。

⑤ 可將數(shù)據(jù)直接上傳到管理計(jì)算機(jī)，便于監(jiān)視系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。

⑥ 在成本上可與繼電器控制相競(jìng)爭(zhēng)，即有較高的性能價(jià)格比。

⑦ 輸入開(kāi)關(guān)量可以是交流115V電壓信號(hào)（美國(guó)電網(wǎng)電壓為110V）。

⑧ 輸出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)為交流115V、2 A以上容量，能直接驅(qū)動(dòng)電磁閥線(xiàn)圈。

⑨ 具有靈活的擴(kuò)展能力。在擴(kuò)展時(shí)，只需在原系統(tǒng)上做很小變更即可達(dá)到最大配置。

⑩ 用戶(hù)程序存儲(chǔ)器容量至少在4 KB以上（適應(yīng)當(dāng)時(shí)汽車(chē)裝配過(guò)程的要求）。

以上10項(xiàng)指標(biāo)的核心是采用軟布線(xiàn)，即以編程方式取代繼電器控制的硬接線(xiàn)方式，這樣在每次汽車(chē)改型或改變工藝流程時(shí)無(wú)須改動(dòng)接線(xiàn)，從而降低成本，縮短新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)線(xiàn)的流程控制。

1969年，美國(guó)數(shù)字設(shè)備公司（DEC）研制出世界上第一臺(tái)可編程序控制器（Programmable Logic Controller）PDP-14，在美國(guó)通用汽車(chē)裝配線(xiàn)上試用，這種面向工業(yè)過(guò)程的控制裝置一問(wèn)世即獲得了巨大成功。其后，美國(guó)MODICON公司推出了同名的084控制器；1971年，日本從美國(guó)引進(jìn)了這項(xiàng)新技術(shù)，研制出了其第一臺(tái)PLC——DSC-8。1973年，西歐國(guó)家的第一臺(tái)PLC也研制成功。我國(guó)從1974年開(kāi)始仿制美國(guó)的第二代PLC，1977年研制出第一臺(tái)具有實(shí)用價(jià)值的PLC。

縱觀(guān)PLC控制功能的拓展歷程大致經(jīng)歷了以下四個(gè)階段。

（1）崛起階段（從第一臺(tái)PLC誕生到20世紀(jì)70年代中期）

首先在汽車(chē)工業(yè)獲得大量應(yīng)用，繼而在其他產(chǎn)業(yè)部門(mén)也開(kāi)始應(yīng)用。由于大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)，采用8位微處理器芯片作為中央處理器（CPU），推動(dòng)了可編程序控制器技術(shù)的飛躍。這一階段PLC主要用于邏輯運(yùn)算、定時(shí)與計(jì)數(shù)運(yùn)算，控制功能比較簡(jiǎn)單。因此該階段的產(chǎn)品稱(chēng)為可編程序邏輯控制器。

（2）成熟階段（從20世紀(jì)70年代中期到70年代末期）

由于超大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)，16位微處理器和51單片機(jī)相繼問(wèn)世，使PLC向大規(guī)模、高速度、高性能方向發(fā)展。這一階段PLC的功能擴(kuò)展到數(shù)據(jù)傳送、比較和運(yùn)算，以及模擬量運(yùn)算等。

（3）通信階段（從20世紀(jì)70年代末期到80年代中期）

由于計(jì)算機(jī)通信技術(shù)的發(fā)展，PLC也初步形成了分布式的通信網(wǎng)絡(luò)體系，但是由于制造廠(chǎng)商各自為政，通信系統(tǒng)自成一派，造成了不同廠(chǎng)家產(chǎn)品的互連較為困難。在該階段，由于社會(huì)生產(chǎn)對(duì)PLC的需求大幅增加，其數(shù)學(xué)運(yùn)算功能得到了較大的擴(kuò)充，可靠性也得到了進(jìn)一步提高。

（4）開(kāi)放階段（從20世紀(jì)80年代中期至今）

進(jìn)入21世紀(jì)，開(kāi)放系統(tǒng)的提出使PLC得到較大的發(fā)展。主要表現(xiàn)為通信系統(tǒng)的開(kāi)放，使各制造廠(chǎng)商的PLC可以相互通信，通信協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)化使用戶(hù)得到實(shí)惠。在這一階段，PLC的規(guī)模增大，功能不斷完善，大中型PLC多配CRT屏幕顯示功能，產(chǎn)品的擴(kuò)展也因通信功能的改善而變得簡(jiǎn)便，此外還采用了標(biāo)準(zhǔn)的軟件系統(tǒng)，增加了高級(jí)編程語(yǔ)言等。隨著控制對(duì)象的日益多樣化和復(fù)雜化，采用單一PLC已不能滿(mǎn)足控制要求，逐步被控制功能多樣化的高級(jí)模塊構(gòu)建的PLC系統(tǒng)所取代。

2.PLC應(yīng)用領(lǐng)域與發(fā)展趨勢(shì)

現(xiàn)代PLC應(yīng)用綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，在工業(yè)自動(dòng)化中起著舉足輕重的作用，在國(guó)內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于機(jī)械、冶金、石油、化工、輕工、紡織、電力、電子、食品、交通等行業(yè)。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，80%以上的工業(yè)控制可以使用PLC來(lái)完成。隨著其性能價(jià)格比的不斷提高，應(yīng)用領(lǐng)域已擴(kuò)展到以下幾個(gè)方面。

（1）數(shù)字量邏輯控制

PLC用“與”、“或”、“非”等邏輯指令來(lái)實(shí)現(xiàn)觸點(diǎn)和電路的串、并聯(lián)，代替繼電器進(jìn)行組合邏輯控制、定時(shí)控制與順序邏輯控制等。

（2）運(yùn)動(dòng)控制

PLC使用專(zhuān)用的運(yùn)動(dòng)控制模塊，對(duì)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)或圓周運(yùn)動(dòng)的位置、速度和加速度進(jìn)行控制，可以實(shí)現(xiàn)單軸、雙軸和多軸位置控制，使運(yùn)動(dòng)控制與順序控制功能有機(jī)地結(jié)合在一起。PLC的運(yùn)動(dòng)控制功能廣泛應(yīng)用于各種機(jī)械，如傳送帶移載機(jī)、機(jī)器人、電梯等。

（3）閉環(huán)過(guò)程控制

閉環(huán)過(guò)程控制是指對(duì)溫度、壓力、流量等連續(xù)變化的模擬量的閉環(huán)控制。PLC通過(guò)模擬量輸入/輸出模塊，實(shí)現(xiàn)模/數(shù)（A/D）或數(shù)/模（D/A）轉(zhuǎn)換，并對(duì)模擬量實(shí)行比例-積分-微分（簡(jiǎn)稱(chēng)PID）控制。現(xiàn)代的大中型PLC一般都配有PID閉環(huán)控制功能，可由PID指令或?qū)Ｓ肞ID模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。

（4）數(shù)據(jù)處理

現(xiàn)代PLC具有數(shù)學(xué)運(yùn)算（包括四則運(yùn)算、函數(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算、矩陣運(yùn)算及浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算等）、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)制轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)比較、文件處理等功能，可以完成數(shù)據(jù)的采集、分析和處理。

（5）通信聯(lián)網(wǎng)

PLC的通信包括主機(jī)與遠(yuǎn)程I/O之間的通信、多臺(tái)PLC之間的通信、PLC與其他智能控制設(shè)備（如計(jì)算機(jī)、變頻器、儀表）之間的通信。PLC與其他智能控制設(shè)備一起，可以組成分布式控制系統(tǒng)，從而初顯了小型集散控制系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱(chēng)DCS）的雛形。

2007年中國(guó)PLC市場(chǎng)規(guī)模首次達(dá)到50億人民幣，臺(tái)套數(shù)超過(guò)131萬(wàn)套。相對(duì)于2006年的44.3億元的市場(chǎng)規(guī)模和96萬(wàn)套的數(shù)量，2007年P(guān)LC市場(chǎng)在OEM的帶動(dòng)下延續(xù)了上一年良好的增長(zhǎng)勢(shì)頭，增長(zhǎng)幅度基本與上年持平，銷(xiāo)售額增長(zhǎng)率為12.9%（摘自《2008中國(guó)PLC市場(chǎng)研究報(bào)告》）。

由于PLC應(yīng)用向智能化和網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展，且逐漸成為主流趨勢(shì)，此類(lèi)應(yīng)用人員的需求尤為突出。因此，在2006年9月，國(guó)家勞動(dòng)和社會(huì)保障部公布的第七批新職業(yè)中，可編程序控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)師列為首位。

PLC未來(lái)將向以下兩個(gè)方向發(fā)展。

（1）大型化方向

PLC的CPU從早期的1位，向8位、16位、32位、64位發(fā)展，晶振頻率已可達(dá)到幾百兆赫茲，從單CPU向多CPU的并行處理發(fā)展，提高了處理能力和響應(yīng)速度及模塊化程度。存儲(chǔ)器的容量也成倍增加，從幾千字節(jié)發(fā)展到幾萬(wàn)字節(jié)，直到幾兆字節(jié)、幾十兆字節(jié)等?？傊?，由于硬件性能的提高，使PLC向大型化方向發(fā)展提供了硬件保障。

軟件功能的日益豐富與完善是PLC向大型化方向發(fā)展的重要標(biāo)志。美國(guó)國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）在規(guī)定PLC的編程語(yǔ)言時(shí)，認(rèn)為主要的程序組織語(yǔ)言是順序功能表。功能表的每個(gè)動(dòng)作和轉(zhuǎn)換條件可以運(yùn)用梯形圖編程，這種方法使用方便，容易掌握，深受電工和電氣技術(shù)人員的歡迎，也是PLC得以迅速推廣的重要因素之一。但是，它在處理較復(fù)雜的運(yùn)算、通信和打印報(bào)表等功能時(shí)顯得效率低、靈活性差，尤其用于通信時(shí)顯得笨拙，因此在原梯形圖編程語(yǔ)言基礎(chǔ)上加入了高級(jí)語(yǔ)言，如C語(yǔ)言等。

目前，PLC與監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱(chēng)SCADA）、DCS系統(tǒng)相互滲透，使其在以?xún)x表控制為主導(dǎo)的過(guò)程控制領(lǐng)域占有一席之地。同時(shí)，PLC也在向計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱(chēng)CIMS）、計(jì)算機(jī)集成生產(chǎn)系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱(chēng)CIPS）、機(jī)器人和柔性控制系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱(chēng)FMS）方向發(fā)展，使其成為制造業(yè)不可或缺的控制手段。

（2）小型化方向

為滿(mǎn)足不同的控制需求，各廠(chǎng)家推出了小型化、高性能的整體式PLC產(chǎn)品，在提高系統(tǒng)可靠性的基礎(chǔ)上，產(chǎn)品體積越來(lái)越小，功能卻越來(lái)越強(qiáng)。歐姆龍公司推出的CP1H PLC的體積約為150 mm×90 mm×85 mm，內(nèi)置40個(gè)開(kāi)關(guān)量I/O點(diǎn)，4個(gè)模擬量輸入點(diǎn)以及2個(gè)模擬量輸出點(diǎn)，基本指令的平均執(zhí)行時(shí)間為0.1微秒/條，高級(jí)指令的平均執(zhí)行時(shí)間為0.3微秒/條，可以使用幾百條指令編程。同時(shí)，PLC的制造廠(chǎng)商也開(kāi)發(fā)了多種類(lèi)型的高性能模塊，如模擬量模塊、高速計(jì)數(shù)模塊、通信接口模塊等。當(dāng)輸入、輸出點(diǎn)數(shù)增加時(shí)，可以根據(jù)過(guò)程控制的需求，采用靈活的組合方式進(jìn)行配套，完成所需的控制功能。