1.1 可編程控制器的產(chǎn)生與發(fā)展

可編程控制器PC（Programmable Controller）是由美國電氣制造商協(xié)會（NEMA）命名的，但由于近年來PC又可表示為個人計算機（Personal Computer），為了加以區(qū)別，人們常把可編程控制器稱為可編程邏輯控制器PLC（Programmable Logic Controller）。它是以微處理器為基礎(chǔ)，在傳統(tǒng)的繼電器控制技術(shù)基礎(chǔ)上，綜合了計算機技術(shù)、半導(dǎo)體集成技術(shù)、自動控制技術(shù)、數(shù)字技術(shù)和通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)而發(fā)展起來的新型控制器，用做數(shù)字控制的專用計算機。由用戶編寫程序進行邏輯控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運算等，再通過數(shù)字量和模擬量的輸入/輸出（I/O）來控制各種生產(chǎn)過程。

1.1.1 PLC的產(chǎn)生及定義

20世紀60年代以前，用以對工業(yè)生產(chǎn)進行自動控制的裝置是繼電器—接觸器控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)存在一些缺陷。例如，系統(tǒng)的能耗較多，噪聲大；通用性、靈活性差，工藝流程的更新需要大量的人力、物力；因系統(tǒng)通過各種硬件接線的邏輯控制來實現(xiàn)系統(tǒng)的運行，導(dǎo)致機械觸點較多，系統(tǒng)運行的可靠性較差；不具備現(xiàn)代工業(yè)控制所需的數(shù)據(jù)通信、網(wǎng)絡(luò)控制等功能。到了20世紀60年代以后，美國汽車制造業(yè)為適應(yīng)市場需求不斷更新汽車型號，要求及時改變相應(yīng)的加工生產(chǎn)線。而汽車生產(chǎn)流水線基本上都采用傳統(tǒng)的繼電器—接觸器控制，所以整個系統(tǒng)就必須重新設(shè)計和配置。汽車生產(chǎn)流水線的更換越來越頻繁，原有的繼電器—接觸器控制系統(tǒng)就經(jīng)常需要重新設(shè)計安裝，這不但造成極大的浪費，而且新系統(tǒng)的接線也非常費時，從而延長了汽車的設(shè)計生產(chǎn)周期。在這種情況下，采用傳統(tǒng)的繼電器—接觸器控制就有許多不足。

1968年，美國GM（General Motors）公司首次公開招標，要求制造商為其裝配線提供一種新型的通用程序控制器，并提出了著名的十項招標指標，即著名的“GM十條”。

（1）編程簡單，可在現(xiàn)場修改程序。

（2）系統(tǒng)的維護方便，采用插件式結(jié)構(gòu)。

（3）體積小于繼電器控制柜。

（4）可靠性高于繼電器控制柜。

（5）成本較低，在市場上可以與繼電器控制柜競爭。

（6）可將數(shù)據(jù)直接送入計算機。

（7）可直接用交流115V輸入（注：美國電網(wǎng)電壓是110V）。

（8）輸出采用交流115V，可以直接驅(qū)動電磁閥、交流接觸器等。

（9）通用性強，擴展方便。

（10）程序可以存儲，存儲器容量可以擴展到4KB。

如果說電子技術(shù)和電氣控制技術(shù)是可編程邏輯控制器出現(xiàn)的物質(zhì)基礎(chǔ)，“GM十條”就是可編程邏輯控制器出現(xiàn)的技術(shù)要求基礎(chǔ)，也是當(dāng)今PLC最基本的功能。

1969年，美國數(shù)字設(shè)備公司（DEC）根據(jù)這十項技術(shù)指標的要求研制出了第一臺可編程邏輯控制器—PDP—14，并成功地應(yīng)用在GM公司的生產(chǎn)線上。第一臺PLC采用計算機的初級語言編寫應(yīng)用程序，其CPU采用中、小規(guī)模集成電路組成，以邏輯運算為主，它實質(zhì)上是一臺專用的邏輯控制計算機。1971年，日本引進了這項技術(shù)，并開始生產(chǎn)自己的PLC。1973年，歐洲一些國家也生產(chǎn)出自己的PLC。1974年，我國開始了PLC技術(shù)的研究，并在1977年研制出第一臺具有實用價值的PLC。

在這一時期，PLC主要用于順序控制。隨著半導(dǎo)體技術(shù)，尤其是微型計算機技術(shù)的發(fā)展，到了20世紀70年代中期，PLC廣泛采用微處理器作為中央處理器，并且在外圍的輸入/輸出（I/O）電路中逐漸使用了大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路，這時的PLC已經(jīng)不僅僅具有邏輯判斷功能，還同時具有數(shù)據(jù)處理、PID（Proportion Integral Differential）調(diào)節(jié)和通信聯(lián)網(wǎng)功能。

1987年2月，國際電工委員會（IEC）頒布的可編程控制器標準草案中對PLC做了如下的定義：“可編程控制器是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計。它采用了可編程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲程序、執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)與算術(shù)運算操作等指令，并通過數(shù)字式和模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程?？删幊炭刂破骷捌溆嘘P(guān)外圍設(shè)備，都應(yīng)按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一個整體，易于擴充其功能的原則設(shè)計”。

1.1.2 PLC的發(fā)展

1.PLC的發(fā)展歷程

PLC產(chǎn)生至今，歷經(jīng)50載，其發(fā)展大體經(jīng)歷了4個主要階段。

（1）1970—1980年，PLC結(jié)構(gòu)定型階段。在這一階段，由于PLC剛誕生，各種類型的順序控制器不斷出現(xiàn)（如邏輯電路型、1位機型、通用計算機型、單板機型等），但都被迅速淘汰。最終以微處理器為核心的現(xiàn)有PLC結(jié)構(gòu)形式取得了市場認可，得以迅速發(fā)展、推廣。本階段為PLC原理、結(jié)構(gòu)、軟件、硬件趨向統(tǒng)一與成熟的階段，PLC的應(yīng)用領(lǐng)域也開始由最初的小范圍邏輯控制、有選擇使用，逐步開始向機床、生產(chǎn)線領(lǐng)域拓展。

（2）1980—1990年，PLC普及與系列化階段。在這一階段，PLC的生產(chǎn)規(guī)模日益擴大，價格不斷下降，PLC被迅速普及。各PLC生產(chǎn)廠家產(chǎn)品的規(guī)模、品種開始系列化，并且形成了固定I/O端子型、基本單元加擴展模塊型、模塊化結(jié)構(gòu)型這三種延續(xù)至今的基本結(jié)構(gòu)模式。PLC的應(yīng)用范圍開始向順序控制的全部領(lǐng)域拓展。

在本階段，三菱公司以最早的F系列PLC產(chǎn)品為主，包括了小、中、大型各規(guī)格的產(chǎn)品。

（3）1990—2000年，PLC高性能與小型化階段。在這一階段，隨著工業(yè)電氣自動化程度的提高和微電子技術(shù)的進步，PLC的功能日益增強，PLC由單CPU轉(zhuǎn)向多CPU，16位和32位微處理器被大量應(yīng)用于PLC中，使其運算速度、圖像顯示和數(shù)據(jù)處理功能都大大增強。許多公司在加強各種特殊控制功能模塊研制的同時，還加強了軟件技術(shù)的開發(fā)，PLC的體積被大幅度縮小，出現(xiàn)了各種類型的小型化、微型化PLC。PLC的應(yīng)用范圍由單一的順序控制向現(xiàn)場控制拓展。

在本階段，三菱公司的PLC產(chǎn)品開始從F系列向FX系列過渡，而后陸續(xù)推出了Q/K型小、中、大型系列產(chǎn)品。

（4）2000至今，PLC功能開發(fā)與網(wǎng)絡(luò)化階段。在本階段，為了適應(yīng)信息技術(shù)的發(fā)展與工廠自動化的需要，PLC的各種功能不斷開發(fā)與完善。一方面，PLC在繼續(xù)提高CPU運算速度、位數(shù)的同時，開發(fā)了適用于過程控制、運動控制的特殊功能與模塊，使PLC的應(yīng)用范圍開始涉及工業(yè)自動化的全部領(lǐng)域。同時隨著通信聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，新通信協(xié)議的不斷產(chǎn)生，PLC的網(wǎng)絡(luò)與通信功能得到迅速發(fā)展，PLC不僅可以連接傳統(tǒng)的編程與通用輸入/輸出設(shè)備，還可以通過各種總線構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，為工廠自動化奠定了基礎(chǔ)。PLC已經(jīng)真正成為具有邏輯控制、過程控制、運動控制、數(shù)據(jù)處理和聯(lián)網(wǎng)通信等功能的多功能控制器。

在本階段，三菱公司的PLC產(chǎn)品仍然以Q/K系列為主要產(chǎn)品，只是其性能在不斷完善與進一步提高，并陸續(xù)有新的CPU模塊推出。

2.PLC的發(fā)展趨勢

從世界上第一臺PLC誕生至今，PLC技術(shù)得到了迅猛的發(fā)展。PLC的應(yīng)用領(lǐng)域從最初單一的邏輯控制發(fā)展到包括模擬量控制、數(shù)字控制及機器人控制等在內(nèi)的各種工業(yè)控制場合，成為工業(yè)控制領(lǐng)域中占主導(dǎo)地位的基礎(chǔ)自動化設(shè)備。PLC的發(fā)展趨勢主要表現(xiàn)為以下四個方面。

（1）向微型化、網(wǎng)絡(luò)化、開放性方向發(fā)展。微型化、網(wǎng)絡(luò)化、開放性是PLC未來發(fā)展的主要方向。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，新型器件的性能與功能的提高，PLC的結(jié)構(gòu)將更緊湊、更小巧，其功能更強，安裝和操作使用更方便。隨著PLC控制組態(tài)軟件的進一步完善和發(fā)展，PLC組態(tài)軟件和PC-based控制系統(tǒng)的逐步增長，金字塔結(jié)構(gòu)的多級網(wǎng)絡(luò)工業(yè)控制技術(shù)的成熟，要求計算機與PLC之間，以及各種PLC之間增強聯(lián)網(wǎng)和通信能力，越來越多的PLC將具有以太網(wǎng)（Ethernet）接口，使得PLC在網(wǎng)絡(luò)化、開放性方面將得到長足的發(fā)展。

（2）向系列化、標準化、模塊化方向發(fā)展。每個生產(chǎn)PLC的公司幾乎都有自己的系列化產(chǎn)品，同一系列的產(chǎn)品指令及使用向上兼容，以滿足新機型的推廣和使用。為了推動技術(shù)標準化的進程，一些國際性組織，如國際電工協(xié)會（IEC），不斷為PLC的發(fā)展制定一些新的標準，如編程語言的標準化、網(wǎng)絡(luò)通信功能標準化等。PLC的編程語言主要有梯形圖、功能塊圖和語句表等，但隨著復(fù)雜的大規(guī)模的控制系統(tǒng)增加，這些語言難以滿足控制要求。面向順序控制的功能指令和面向過程控制系統(tǒng)的流程圖語言，與計算機兼容的高級語言（如BASIC、C語言及匯編語言），還有專用的高級語言等相繼出現(xiàn)，然而由于各個生產(chǎn)廠家的PLC表達方式各不相同，不同品牌的PLC互不兼容，因此編程語言的標準化方面還有待進一步完善，以使其具有良好的兼容性。由于目前各PLC生產(chǎn)公司的總線、擴展接口及通信功能均是各自獨立制定的，其通信協(xié)議往往是專用的，還沒有一個適合所有公司產(chǎn)品的統(tǒng)一標準。在通信接口上，雖然大多數(shù)產(chǎn)品采用了標準化接口，但在通信功能上卻是非標準化的。近年來，許多PLC生產(chǎn)廠家都在努力使自己的產(chǎn)品與制造自動化協(xié)議（MAP）兼容，這將使不同機型的PLC之間、PLC與計算機之間能方便地進行通信與聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)資源共享。因此，需要制定統(tǒng)一的、規(guī)范化的總線和標準化的PLC擴展接口。模塊式結(jié)構(gòu)使系統(tǒng)的構(gòu)成更加靈活、方便，有助于主機通過通信設(shè)備向模塊發(fā)布命令和測試狀態(tài)，提升PLC的功能，簡化控制系統(tǒng)設(shè)計。一般的PLC可分為主模塊、擴展模塊、I/O模塊及各種高性能模塊等，每種模塊的體積都較小，相互連接方便，使用更簡單，通用性更強。功能明確化，專用化的復(fù)雜功能由專門模塊來完成，如一些廠家開發(fā)專用智能PID控制群、智能模擬量I/O模塊、智能位置控制模塊、語音處理模塊、專用數(shù)控模塊、智能通信與計算模塊等。這些模塊本身帶有CPU，能獨立工作，無論在速度、精度、適應(yīng)性、可靠性等各方面都對PLC做了極好的補充，有助于克服PLC掃描算法的局限，完成許多PLC本身無法完成的功能?？傊?，系列化、標準化、模塊化是PLC今后發(fā)展的必然趨勢。

（3）向高速度、大容量、高性能方面發(fā)展。大型PLC采用多微處理器系統(tǒng)。例如，有的采用了32位微處理器，可同時進行多任務(wù)操作，處理速度提高，存儲容量大大增加。PLC的功能進一步加強，以適應(yīng)各種控制需要，使計算、處理功能進一步完善，特別是增強了過程控制和數(shù)據(jù)處理的功能。另外，PLC可以代替計算機進行管理、監(jiān)控。智能I/O組件也將進一步發(fā)展，用來完成各種專門的任務(wù)（如位置控制、PID調(diào)節(jié)、遠程通信等）。因此，高速度、大容量、高性能是PLC未來發(fā)展的重要方面。

（4）向自診斷、容錯性、高可靠性方面發(fā)展。根據(jù)分析，在可編程控制器的故障中， CPU板占5%，I/O接口單元占15%，傳感器占45%，執(zhí)行器占30%，接線占5%。除了前兩項共20%的故障可由CPU本身的硬件、軟件檢測以外，其他的80%都不能通過自診斷查出。因此，各廠家都在開發(fā)專門用于檢測外部故障的專用智能模塊。國外一些主要的PLC生產(chǎn)廠家在其生產(chǎn)的PLC中增加了容錯功能，如自動切換I/O雙機表決（當(dāng)輸出狀態(tài)與PLC的邏輯狀態(tài)相比較出錯時，會自動斷開該輸出）和I/O三重表決（對I/O的狀態(tài)進行軟硬件表決，取兩個相同的），以大幅度提高PLC控制系統(tǒng)的可靠性。