PLC的发展历程-电气控制与PLC应用技术

随着微处理器、计算机和数字通信技术的飞速发展，计算机控制已扩展到了几乎所有的控制领域。现代社会要求制造业对市场需求做出迅速的反应，生产出小批量、多品种、多规格、低成本和高质量的产品。为了满足这一要求，生产设备的控制系统必须具有极高的灵活性和可靠性，可编程序控制器正是顺应这一要求出现的。

3．1．1　PLC的产生

在PLC诞生之前，继电器控制系统已广泛应用于工业生产的各个领域，起着不可替代的作用。随着生产规模的逐步扩大，继电器控制系统已越来越难以适应现代工业生产的要求。继电器控制系统通常是针对某一固定的动作顺序或生产工艺而设计，其控制功能也局限于逻辑控制、定时、计数等一些简单的控制，一旦动作顺序或生产工艺发生变化，就必须重新进行设计、布线、装配和调试，造成时间和资金的严重浪费。继电器控制系统体积大、耗电多、可靠性差、寿命短、运行速度慢、适应性差。为了改变这一现状，1968年美国最大的汽车制造商通用汽车公司（GM）为了适应汽车型号不断更新的需求，并能在竞争激烈的汽车工业中占有优势，提出要研制一种新型的工业控制装置来取代继电器控制装置，为此，拟定了10项公开招标的技术要求，即：

①编程方便，现场可修改程序；

②维修方便，采用插件式结构；

③可靠性高于继电控制盘；

④体积小于继电控制盘；

⑤数据可直接送入管理计算机；

⑥成本可与继电控制盘竞争；

⑦可直接用115V交流输入；

⑧输出可为115V，2A以上，可直接驱动电磁阀、接触器等；

⑨系统扩展时，原系统变更很少；

⑩用户程序存储器容量大于4kB。

根据招标的技术要求，美国的数字设备公司（DEC）于1969年研制出了第一台可编程控制器，并在通用汽车公司自动装配线上试用成功。这种新型的工控装置，以其体积小、可变性好、可靠性高、使用寿命长、简单易懂、操作维护方便等一系列优点，很快就在美国的许多行业里得到推广应用，也受到了世界上许多国家的高度重视。1971年，日本从美国引进了这项新技术，很快研制出了他们的第1台PLC。1973年，西欧国家也研制出他们的第1台PLC。我国从1974年开始研制，到1977年开始应用于工控领域。如今，PLC已经大量应用在进口和国产设备中，各行各业也涌现了大批应用PLC改造设备的成果，并且已经实现了PLC的国产化，现在生产的设备越来越多地采用PLC作为控制装置。因此，了解PLC的工作原理，具备设计、调试和维修PLC控制系统的能力，已经成为现代工业对电气工作人员和工科学生的基本要求。

3．1．2　PLC的定义

早期的可编程逻辑控制器虽然采用了计算机的设计思想，但实际上只能完成顺序控制，仅有逻辑运算等简单功能，所以人们将它称为可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller），简称为PLC。

20世纪70年代后期，随着微电子技术和计算机技术的迅速发展，可编程逻辑控制器具有了更多的计算机功能，不仅用于逻辑控制场合，用来代替继电控制盘，而且还可以用于定位，过程控制、PID控制等所有控制领域。为此，美国电气制造协会将可编程序逻辑控制器正式命名为可编程序控制器（Programmable Controller），简称PC。但由于PC容易和个人计算机PC （Personal Computer）混淆，通常人们仍习惯地用PLC作为可编程序控制器的简称。

1985年，国际电工委员会（IEC）对PLC作出如下定义：可编程序控制器是一种数字运算操作电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式或模拟式输入和输出控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关的外围设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。

由该定义可知：PLC是一种由“事先存储的程序”来确定控制功能的工控类计算机。

PLC是按照成熟而有效的继电器控制概念和设计思想，利用不断发展的新技术、新电子器件，逐步形成了具有特色的各种系列产品，是一种数字运算操作的专用电子计算机。它是将逻辑运算，顺序控制，时序和计数以及算术运算等控制程序，以指令的形式存放到存储器中，然后根据存储的控制内容，经过模拟、数字等输入输出部件，对生产设备和生产过程进行控制的装置。

3．1．3　发展趋势(www.xing528.com)

作为工业自动化的主流控制产品，PLC自诞生至今已近半个世纪。伴随相关技术的发展，PLC在性能、功能、易用性和产品形态等方面已历经五代变革。技术更新的背后是需求的驱动，增效、安全、开放、整合、信息化和智能化将成为当下的工业需求趋势。在此背景下，下一代PLC的发展趋势成为用户和PLC业界共同关注的课题。

（1）在外观上，PLC将会越来越小型化、模块化、集成化

外形、体积缩小，意味着便于安装维护，系统集成时占用柜体空间就越少。体积小并不意味着用户对功能的要求在降低，相反，用户对于功能的要求越来越多，这就意味着产品的集成度要求更高。下一代PLC应集成更多的操作与维护功能，如内置CPU显示屏，可快速访问各种文本信息和详细的诊断信息，以提高设备的可用性，同时也便于全面了解工厂的所有信息；集成短接片，方便用户更为灵活便捷地建立电位组；集成DIN导轨，能够快速便捷地安装自动断路器、继电器之类的其他组件；具有灵活的电缆存放方式，凭借预先设计的电缆定位槽装置，即使存放粗型电缆，也可以轻松地关闭模块前盖板；集成屏蔽夹，对模拟量信号进行适当屏蔽，可确保高质量地识别信号并有效防止外部电磁干扰。

在结构上，用户充分认可PLC模块化带来的灵活扩展性。为满足自动化应用的各种需求，各种带CPU和存储器的智能I／O模块既能扩展PLC功能，又能灵活使用，延伸了PLC的应用范围。对于模块化的设置，用户要求模块间的连接要可靠牢固，具有一定程度的抗振动能力。接线方式最好是用可插拔的端子，换模块时无需借助任何工具即可实现快速安装；设置预接线位置，通过带有定位功能转向布线系统，无论是初次布线还是重新连接，快速便捷；插拔端子的接线最好是用螺丝刀进行而非焊接式；采用标准前端连接器，这样不仅极大简化了电缆的接线操作，同时还节省了更多的接线时间。在模块化设计及产品的可靠性方面，西门子PLC始终走在前列。S7-300是模块化中型PLC系统，各模块之间可进行广泛组合构成不同要求的系统。

（2）在性能上，速度会更快，工作更可靠，功能更丰富、更智能

随着计算机技术的快速发展并进入自动化领域，“32位处理器，纳秒级的处理速度，数万I／O点”，用户相信这些第五代PLC已经具备的特点，将以“更快”的方式体现在下一代PLC中，从而让未来的PLC拥有PC一样的运算能力和数据处理能力。

PLC以可靠性高、抗干扰能力强而著称，但现代工业对可靠性要求越来越高，用户仍然希望下一代PLC的故障检测与处理能力更强。据统计，在PLC控制系统的故障中，CPU和I／O仅占20%，而输入输出设备、线路故障占80%。前者可通过PLC软件本身的软硬件实现检测、处理，而外围故障须加强研制、发展用于检测外部故障的专用智能模块，进一步提高系统的可靠性。

据统计，基于PLC的运动控制器占据了通用运动控制器的半壁江山。这些产品是通过在PLC平台上添加驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块，在为各种机械设备提供逻辑控制的同时，提供运动控制功能。未来，用户建议下一代PLC能够将运动控制功能直接集成到PLC中，而无需使用其他模块，建议运动控制的功能越来越强，能够连接各种模拟量驱动，支持转速轴和定位轴等。

多种自动化技术的深入应用，已经为各种控制融合创造了条件。为适合更多设备的应用，下一代PLC将具有更高的硬件软件的集成度。比如，PLC实现与CIM、机器人、CAD／CAM、个人计算机、MIS结合，使PLC在工厂自动化未来发展中占有更加重要地位。

此外，用户要求新一代产品具备更好的向上兼容性，便于系统的无缝升级，从而在最大程度上确保投资回报和投资安全性。

如今PLC应用领域早已超越了开关量、逻辑控制和离散量监控，已发展成为具有逻辑控制功能、过程控制功能、运动控制功能、数据处理功能、联网通信功能的多功能控制器，具有越来越强的模拟处理能力，以及其他过去只有计算机才能具有的高级处理能力，如浮点数运算、PID调节、温度控制、精确定位、步进驱动、报表统计等。从这种意义上说，未来的PLC将从“控制器”晋升为新一代多功能控制平台。罗克韦尔的LOGIX平台、欧姆龙的NJ平台都是这种趋势的代表。

（3）在通信方面向开放化、网络化和无线化发展

为适应信息化发展趋势，如今PLC网络系统已经不再是自成体系的封闭系统，而是迅速向开放式系统发展。各大品牌PLC除了形成自己各具特色的PLC网络系统，完成设备控制任务之外，还可以与上位计算机管理系统联网，实现信息交流，成为整个信息管理系统的一部分。另一方面，现场总线技术得到广泛的应用，PLC与其他安装在现场的智能化设备，比如智能化仪表、传感器、智能型驱动执行机构等，通过传输介质连接，并按照同一通信规约互相传输信息，由此构成一个现场工业控制网络。该网络与单纯的PLC远程网络相比，配置更灵活，扩容更方便，造价更低，性能价格也更好，更具有开放意义。

随着多种控制设备协同工作的迫切需求，人们对PLC的Ethernet扩展功能以及进一步兼容Web技术提出了更高的要求。通过集成Web Server，用户无需亲临现场即可通过Internet浏览器随时查看CPU状态；过程变量以图形化方式进行显示，简化了信息的采集操作。基于此要求，用户认为S7-1200为代表的新一代小型PLC，以太网接口已成标配，工业网络已经不再是初期的奢侈品，而是现代工业控制系统的基础，这代表着以PLC为代表的控制系统正在从基于控制的网络发展成为基于网络的控制。

甚而有用户认为，“铜退光进”、“铜退无线进”的网络通信时代应引发新一代PLC硬件上的革命，那就是输入输出部分应该与PLC分离，直接留在现场底层，通过光纤或无线与PLC以一种新标准的工业信号连接，这样的PLC将回归它的“可编程逻辑过程控制”本质功能。未来，PLC与智能手机的互联，甚至配置WIFI，更会带来工业现场的无线化变革。

（4）编程软件将更简单，逐渐趋向平台化

用户对于编程软件反映最多的问题是没有统一的标准。一位工程师诉苦说：“踏入工控行业，天天和各种工控产品打交道，电脑上安装了很多的软件，很不方便，更加烦恼的是每次重新安装系统的时候，都要把所有的软件重新安装一次，浪费很多的时间。”在实际工作中，有工程师反映前几天用PLC的编程软件写一个程序，过几天又要用上位机组态软件开发SCADA系统，到了现场还要使用驱动软件设置和调试驱动设备。这样不但需要安装和学习不同软件平台，还要在不同软件平台之间配置复杂的通讯，重复输入相关数据并进行传送数据，这样既直接影响到工作效率的提升也容易出现人为的错误。因此，希望自动化厂商推出的软件平台可以兼容其相关的自动化和驱动产品，以减少复杂应用的问题。

在软件完善与改进方面，软件视图、增加帮助提示及软件操作太过繁琐都是用户面临的问题。工程师在调试设备的时候通常使用笔记本电脑，但是笔记本电脑的屏幕太小，从而影响图像显示，为用户浏览程序带来不便。在软件视图优化上，用户希望厂商能够提供全面的视图大小调整方式，并可以灵活地自定义界面上的布局。除此之外，软件上添加帮助提示功能，对用户使用不熟悉的功能进行指导，能够帮助工程师们提高编程的效率。工程师们认为，目前西门子在这方面做得比较到位，尤其是对于一些不熟悉西门子的用户来说，使用帮助提示功能能够提高编程的效率。

简易编程、软件互通，呼唤的是软件的一体化和平台化。有用户甚至表示，“PLC的软件在等待一个类似于微软视窗那样的突破，才能说开创一个全新的PLC时代”。在硬件主导市场的自动化领域，已经可以看到跨硬件的一体化设计软件，这是软件平台化的开端。随着软件价值在自动化系统中的提升，未来真正的自动化平台化软件或可预期。

纵观PLC发展变化的需求驱动因素和用户期望，下一代PLC的发展方向已初具轮廓：性能越来越强，功能越来越多，PLC将能适应更为复杂的控制任务；网络通信成为标配，PLC控制系统将逐步融入全厂自动化乃至企业管理信息化系统之中；设计软件趋向更为简单，平台化软件趋势可期；安装、调试、维护、诊断更为便捷，PLC的使用趋于简单化，而应用趋于智能化。因此，下一代PLC的变革不止体现在传统的功能和性能上，更体现在产品平台理念、企业级系统融合和全生命周期的价值之中。唯其此，新一代PLC方能够更加满足各种工业自动化控制应用的需要，成为百年不衰的工业控制平台。