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OpenPLC--可编程控制器的发展趋势及PLC的应用领域
日期:2015-10-27 11:02:06人气:  标签:常州plc培训机构 常州plc培训班 常州plc培训学校 常州plc培训点 常州plc培训中心
OpenPLC--可编程控制器的发展趋势及PLC的应用领域
一、PLC的发展历史 

可编程逻辑控制器,又称可编程控制器,有过多种定义。可以看作是一种经过特殊设计的产业计算机,整个的设计原则就是简单与实用。

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、低本钱的PLC,可以替换4到10个继电器,现在获得更大的发展动力; 
高密度的I/O系统,以低本钱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); 
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; 
特殊接口答应某些器件可以直接接到控制器上,如热电偶、热电阻、应力丈量、快速响应脉冲等; 
外部设备改进了操纵员界面技术,系统文档功能成为了PLC的标准功能。
以上这些硬件的改进,导致了PLC的产品系列的丰富和发展,使PLC从最小的只有十个I/O点的微型PLC,到8000点的大型PLC,应有尽有。这些产品系列,用普通的I/O系统和编程外部设备,可以组成局域网,并与办公网络相连。整个PLC的产品系列概念对于用户来说,是一个非常节约本钱的控制系统概念。

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,并且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; 
浮点运算可以进行控制应用中计量、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和处理功能。
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,降低了MTTR,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,首选原因是可靠性高的,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的操纵包括程序的输进和程序更改操纵,大多数PLC采用编程器进行程序输进和更改操纵。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,对现场电气职员来说,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,所以有利于编程职员的编程操纵。功能图表语言以过程流程进展为主线,十分适合设计职员与工艺专业职员设计思想的沟通。功能模块图和结构化文本语言编程方法的应用尚未普及,但由于它们具有功能清楚,易于理解等优点,而且与DCS组态语言同一,正受到广大技术职员的重视。

c) 维修方便:PLC所具有的自诊断功能对维修职员的技术要求较低,当系统发生故障时,通过硬件和软件的自诊断,维修职员可以根占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进输出卡件增加点数,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、编程工作量、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纵得到简化,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成为今天的各行各业的高质量和产量的重要的贡献者。

三、开放式PLC的概念

1.应用中产生的开放性需求

长期以来,制造与生产企业所采用控制系统大多是专用的、封闭的体系结构,其构成系统的硬件是按照各自的标准量身定制的。无论是DCS,PLC还是FCS,固然它们具有结构简单、技术成熟、产品批量大等优点,但相对日新月异的生产要求,也越来越暴露出其固有的缺点。在很多情况下,当用户要想进行功能上的扩展或变化时,都必须求助于系统的提供商,如想把特殊要求融进到控制系统中往时,由于它们的封闭特性那是不可能的。再者,由于采用了专用的控制系统,如制造厂家想转化一种控制系统也将变得极为困难。诸如此类,无形中不仅进步了制造企业的本钱,也成为控制系统升级换代的"瓶颈"。

市场全球化的后果是竞争空前剧烈,从而要求制造商具有较强的市场适应能力,因而市场对适合中小批量加工,具有良好柔性和多功能性的制造系统的需求已逐步超过对大型单一功能的制造系统的需求。这一趋势促成了一个新概念的产生,即模块化、可重构、可扩充的软硬件系统,这就是开放式控制系统。这一系统不仅能够快速、经济地适应新的加工需求,而且为制造厂提供了将其技术与任何第三方的技术或产品进行集成的可能性。

开放式控制系统的概念在80年代就已出现。早在1981年,美国国防部为了减少武备制造对日本控制系统的依靠性,开始了名为“下一代控制器(NGC)”的计划,并成立了“美国国家制造科学中心(NCMS)”,其主要目的是拟订并推进关于新一代开放式控制系统的具体分析与规范。作为NGC的后续工作,美国国防部启动了OASYS项目,其目的是建立并安装8套控制器,并在6种不同场所对其进行测试。其后有很多相关的研究计划在世界各国相继启动,其中影响较大的有美国的OMAC、欧洲的OSACA和日本的OSEC等计划。但由于这些计划的发起者是用户而不是制造商,因此,进程比较缓慢。

2.国际大型PLC制造商的开放路线

2003年,全球自动化行业的控制系统市场大约为每年100亿美元左右,其中99%被传统的不开放系统所占据。据国际权威机构美国自动化市场研究公司ARC(AUTOMATIONRESEARCHCORP)调查预计,在亚洲,基于PC的控制系统、以太网的I/O模块等开放式系统的销售额预计近两年的增幅达到145%,可见在控制系统市场中,开放系统的增长率远远高于传统的控制系统。

资金永远是向高利润的方向活动的,那么,国际的大型PLC制造商当然不会对这么大的市场坐视不理。但是,分析这些PLC的制造商面对开放性的大趋势所采取的策略,却是微妙而饶有趣味的。

首先,国际大型控制系统固然尽对有能力推出自己的开放式控制系统,但是却都迟迟按兵不动。什么原因呢?

几乎所有的制造商都已熟悉到了开放系统必将是自动化系统的未来。无论是SIEMENS,GE,还是ROCKWELL,还是SCHNEIDR,在他们的新产品样本中,都可以看到“开放性”的字样。但是,他们的开放性通常都是在原有的系统上层加上一些接口实现局部的互连和通讯,并非真正意义上的开放。不要说控制器的底层,就是在操纵站这一层,他们在实现与外界通讯方面还存在着重重困难。这种状况的产生并不是由于他们无法开发出全开放的系统,而是出于其产品战略考虑,不愿也不能这样做。以西门子为例,目前,主推的是西门子用了15年时间才开发出来的S7系统,2002年的产业控制产品的销售额约为140亿马克,假如西门子要推广新的开放式系统,必然要争夺现有的S7系统的市场,而新的系统能否为现有的西门子的用户所接受,还是一个未知数,况且目前其它开放式系统的市场总额才几亿美元,尽管这个市场的增长率较高,但西门子尽对不可能为了总共几千万美元且风险极大、竞争能力不强的少量市场而放弃已经现成的数十倍的市场。西门子是这样,GE、AB都是这样。

那么,这些公司对于开放式系统市场是否只能坐视不理、无能为力呢?也不是。目前,各个公司均在考虑用现有的产品组合出形式上的“开放式”系统。如西门子的PCS7和TIA概念,实际上就是用工控机下挂S7的PLC而组成的概念性的系统,宣传口号是“不仅仅是基于PC的PC控制”,典型地表示了其一方面不想在开放式系统领域落后于他人,同时又不想失往老用户的复杂情结。GE-FANUC在2000年底推出了HCS,实际上就是用原来的产品FANUC90-30和90-70加上工控机和软件而组成的概念性的产品,才用了“为用户量身定做(TAILORED)”的概念,口号是“把DCS和PLC的优点结合起来”;也具有同样的心理。类似的还有ROCKWELL-AB的CONTROL-LOGIX,都是将原有的专用系统加上“开放”的标签,半推半就地走上开放式系统市场竞争的舞台。这些控制系统巨头的目的都是相同的,那就是既不错过开放式系统这班航船,又可以将原有的系统尽量多地销售出往。

以上分析可以得出结论,在开放式系统的市场竞争的低级阶段,国外各大控制系统制造商会迎合发展趋势推出自己的开放式系统,但是均会以其目前的产品为基础,在软件平台、通讯方面做些装饰性的工作,而不会真正推出全方位的真正的开放式系统。由于这样做,对他们现有系统的市场所带来的损失是他们不愿承受的。

3.目前开放式系统开发存在的题目

目前国际上已有的开放性控制系统从严格的角度来看,它们还不具备开放性控制系统的本质特征,仍有很多需要改进之处。

首先,开放式控制系统的概念不清楚,没有解决开放控制系统的平台题目。各系统所采用的体系结构和通讯协议并不一致,还是自成体系,相互之间缺乏兼容性和互换性,而且对体系结构的阐述都只限于具体实现层,没有进步到理论的、抽象的层次上来,因而各系统软硬件不具备可移植性和互操纵性。

其次,没有充分利用像Windows、UNIX、OS/2等新型操纵系统。软件开发思想与技术落后,始终处于甚至低于结构化程序设计的水平。没有充分利用面向对象、软件重用等软件工程中的新理论、新技术,而这些正是实现开放性控制系统的关键所在。

此外,产品的升级、更新、修改和维修仍然依靠于生产厂家,没有提供相应的开发工具和环境,用户无法把自己的或任何第三方的思想或产品融进到系统中往。

题目是,目前各大控制系统制造商并非不了解这些题目现状,而是不愿意进行实质的改进来真正满足用户的要求,用户要求开放式系统的目的是为了实现企业内部的信息活动的无缝化和软件、硬件的标准化和通用化,目前各厂家所采取的措施充其量是帮助用户向前迈了一小步,而且用户必须为此付出高昂的用度,如西门子的S7400仅通讯模件所花的用度就占整个系统的1/3以上,开放式系统应有的性能价格比的进步用户无法享受到。这种表面的开放性并不能代表真正的开放性,不少专家已尽不客气地指出了这一点,很多明眼的用户也熟悉到了这个题目。

目前,全力致力于真正开放式系统开发的反而是一些新兴的相对较小的公司,如美国的OPTO22,SOFTPLC,CONTROLSOFT以及英国的TRANSMITTON等等。这些公司没有过往的包袱,所开发的产品的市场目标也不存在抢自己饭碗的题目,所以他们可以没有后顾之忧地宣传。由于他们的产品是充分考虑了开放性的,今后将成为开放性控制系统的新的新气力。但目前,这些公司普遍没有信心对目前的市场领导者所占据的传统控制系统市场进行全面进攻,一般还是在钻一些至公司不愿或忽视做的空缺市场,在国际上没有对现有的市场领导者构成威胁,因此,至公司对这些公司也没有采取什么对策。

值得认真分析的是,经过两年到三年的时间,开放式系统在目前被市场领导者垄断的市场中打开了一个缺口后,如占到了10%或20%左右的份额时,那些目前的市场领导者一定会加以重视,由于即使他们自己不往取代老产品,可能别的新兴公司也要取而代之了。这时,他们一定会全力反扑,纷纷推出自己的新一代开放式产品。这些至公司的转向,可以加速用户对开放性系统的接受进程,更快地推进开放式系统的市场步伐。这时,至公司和小公司在开放性控制系统方面将站在同一个起跑线上,相对公平地从价格、服务、系统集成经验等各方面来进行竞争,控制系统长期被数家巨头所垄断的局面可看在开放式系统普及后被打破。

四、PLC如何能够更加开放

1.PLC在竞争中的兴起

从控制系统的角度看,各类控制系统的相互融合的情况已经出现了。但认真分析就会发现,PLC在这些控制系统中是比较独特的一类。在现代各类控制系统中,PLC是诞生最早的产业控制器,每个新的控制器出来都扬言要取代PLC,从DCS,到工控机,到现场总线,到嵌进式控制系统。这种情况的产生,一方面是由于早期的PLC的不开放造成的,但另一方面,也是由于PLC在产业控制领域所占的比重份额太大引起的。但技术和应用发展的结果是,随着新的技术越来越多,PLC不仅没有逐渐被任何一种新的系统取代,反而在逐渐蚕食其它控制系统的市场。

比如,在流程产业,过往DCS占了尽对的统治地位,但现在,在中小型的产业装置方面,已经有相当大的控制系统被PLC系统所取代。即便在大型系统中,现在各类DCS也面临着高端PLC的威胁。这种现象的原因,一方面是由于PLC的技术不断发展,DCS过往所独占的一些复杂控制功能现在PLC基本上全部具备;第二是由于PLC的操纵的简单性所决定的;第三,也是最重要的一点,就是,PLC的价格和本钱是DCS系统所无法相比的。

在低端设备,比如很多产业设备的控制器,过往是由单片机开发系统所控制的,现在也越来越多地被PLC所取代。从材料本钱上来说,PLC的本钱比单片机要高,但是,由于PLC所具有的编程的灵活性,使得用户在开发新机型的时候,不必为新机型开发一个新的单片机控制器,而只要简单地在一个PLC的软件上进行程序更改即可,这大大降低了用户的开发本钱。因此,越来越多的机械逐步放弃了原来的专用控制器的方式,而改用PLC作为机械设备的主要控制器。

在原来大量采用工控机系统的场合,工控机也越来越多被PLC取代,而工控机则逐渐从实时控制退到只负责操纵站的层面。而且,大家渐渐发现,这种工控机加PLC的结构,提供了最优良的控制性能、最方便的操纵、最低的本钱。因此,逐渐开始在越来越多的地方采用。可以说,工控机的诞生不仅没有削减PLC的份额,却由于工控机的运算功能、图形处理能力和数据存储能力弥补了PLC的不足,而PLC的可靠性则大大弥补了工控机的弱点,因此,工控机的诞生反而大大促进了PLC在更多场合的应用。

同样,在离散制造业,PLC作为一种设备控制和数据采集的方便器件,在企业实施ERP和CIMS系统时,为实时数据的采集、处理和传输提供了无与伦比的方便性。目前,无论是数控、机械还是传动、物流等行业,都把PLC作为控制系统和数据采集系统的首选。

因此,至少从现在来看,PLC在各类控制系统的竞争中逐渐占了上风。但是,随着竞争的白热化,PLC也面临着一个发展瓶颈,那就是各类系统的不开放,或者说假开放。

2.产业以太网——真正开放的现场控制网络

从根本上来说,开放式控制系统要具备:采用从操纵系统到通讯协议都是通用的系统。目前,操纵系统实在只有WINDOWS、UNIX等少数几种,而通讯总线题目,则没有什么疑义。在工控界争论不休的题目,在计算机界早就停息了。事实上,用户们早已作出了选择,那就是:以太网总线,它占了全球所有计算机通讯总线的96%!而其余所有的总线只占了不到4%。因此,产业界所有的总线向以太网的方向靠拢,是不以人们的意志为转移的。

众所周知,以太网最初是为办公自动化设计的,因此没有考虑到产业自动化应用的一些要求。特别是,它采用的CSMA/CD介质访问控制机制,具有通讯延时不确定的缺点,不能满足产业自动化控制的实时通讯需求。因此,在20世纪90年代以前,很少有人将以太网应用于产业自动化领域。

近几年来,随着互联网技术的普及与推广,以太网也得到了飞速发展,特别是以太网通讯速率的进步、以太网交换技术的发展,给解决以太网的非确定性题目带来了新的契机:首先,以太网的通讯速率一再进步,从10Mbps,到100Mbps甚至到10Gbps,在相同通讯量的情况下,通讯速率的进步意味着网络负荷的减轻和碰撞的减少,也就意味着进步确定性;其次,以太网交换机为连接在其端口上的每个网络节点提供了独立的带宽,连接在同一个交换机上的不同的设备不存在资源的争夺,这就相当于每个设备独占一个网段;第三,全双工技术又为每个设备与交换机端口之间提供了发送与接收的专用通道,因此使不同的以太网设备之间的冲突大大降低(半双工交换式)或完全避免(全双工交换式)。因此,以太网成了确定的网络,从而为它应用于产业自动化控制消除了主要的障碍。

与其它现场总线或产业通讯网络相比,以太网具有应用广泛、本钱低廉、通讯速率高、软硬件资源丰富、易于与INTERNET连接、可持续发展潜力大等优点,因此,不仅垄断了工厂综合自动化的信息治理层网络,而且在过程监控层网络也得到了广泛应用,并有直接向下延伸,应用于产业现场设备层网络的趋势。

从通讯网络的角度来看,采用扁平式和树型的网络结构是以太网的主要结构。在这种结构下,假如能够实现数据通讯,实在,要求上下所有的硬件采用同样的操纵系统是不经济的。比如,在上位机,用于显示和数据存储的功能是主要的功能。这时,采用WINDOWS的操纵系统是没有什么题目。而在底层控制端,则只要采用类似RTOS或VXWORKS这样的操纵系统会更好,不仅是价格便宜,而且还能够更可靠地执行实时控制任务。

目前,PLC之所以能够在越来越多的场合取得应用,同前面所提到的PLC的特点是分不开的。这些特点就是:可靠性,易操纵性,和灵活性。这些特点是PLC必须要保存的。这些特点的形成,是由PLC的结构、内部软件和硬件的构成特点决定的,同时也是PLC之所以是PLC是不是其它控制系统的标志。而PLC的缺点,则是在处理大量数据包括图形等方面的运算能力不足的方面。实际上,在产业应用中,需要实时控制而同时又需要处理大量信息的场合固然存在,但并未几见。因此,只要能解决PLC的通讯题目,可以让PLC来担负现场的实时控制任务,而将数据的处理、存储、显示等任务通过通讯网络,传到其它系统中,由计算机系统来完成,这是解决开放式控制系统的根本方式。也是开放式PLC的设计的思想基础。

开放式PLC将最常见也是今后控制系统最常用的通讯接口------以太网和串口内置进了PLC的CPU单元,使PLC在保持传统各种可靠功能的同时,可以低本钱地具备通讯的功能。而且,专门开发了灵活而方便的通讯模块,用这些通讯模块,只要简单地输进各类协议,就可以将这些模块作为一种专用协议的控制模块来使用,而价格十分低廉。同时,更令人惊异的是,在OpenPLC内部,还具有JAVA功能,和WebServer功能,也就是说,即使不用上位机,OpenPLC可以将PLC的状态,包括故障报警信息和事件处理信息通过通讯模块自动传送到互联网上,用户可以通过电子邮件的方式来接收这些信息,也可以通过移动通讯系统,利用手机的短信方式来接收这些信息,甚至可以通过GPRS、CDMA等先进的通讯方式来进行控制信息的跨越时空的通讯。这些通讯,使用户可以最及时地了解到设备的运行状况,可以进行远程诊断和远程监控,对于生产过程控制、制造过程的信息化、生产过程和治理的优化等都有极大的帮助。

同时,在传统的控制功能方面,开放式PLC尽量保存了传统PLC的优点,如模块式结构,多种编程语言,严格的可靠性设计,甚至是与PLC完全相同的生产产业,这样,使得原来的PLC用户在使用开放式PLC的时候并不会产生任何不适应的感觉,除了上面所提到的一些新的功能外,其它的方面,如选型、编程、组态等,完全与传统的PLC一样。

可以预见的是,OpenPLC的出现,必将改变控制系统的格式,尤其是对于现有PLC的制造商来说,将在市场和应用方面产生巨大的冲击。

五、真正开放的PLC——OpenPLC

1.OpenPLC概念的由来

OpenPLC的概念也是在实际的产业应用中产生的。1995年,在中国的马鞍山钢铁公司的动力调度中心,面临一个题目,动力调度中心要监控马钢来自发电厂、水厂、煤气厂和动力厂(负责电力输送)的各类能源和动力信号,但这四个数据来源,包括这些能源与动力的输送的管网所涉及的上百个变电所、增压站和泵站的自身的控制系统是不兼容的,有的还是专用系统,不仅没有协议,连开发人都已经无法找到。除了通讯不兼容外,连这几个系统的控制结构也大相径庭,电厂是类似于DCS的结构,水厂和气厂是PLC结构,动力厂是SCADA结构,对集成职员理解系统也形成了较大的困难。该项目最后固然没有用OpenPLC解决(当时还没有),但该项目的需求导致了OpenPLC的诞生。

针对过程控制和离散制造业普遍存在的,各类控制要求不同的系统的互连的题目,本文作者提出了设计一个新型的开放式控制系统的构想。由于该系统的目的是要尽可能地适用各类不同的应用场合,因此,定名为开放式可编程控制系统,而英文则是OpenProgrammableLogicController,缩写为OpenPLC。该系统从1995年开始构思,到1997年基本明确设计思想,几条主要的设计原则如下:

① OpenPLC应该是一种以PC技术为基础的系统,尤其是在能够发挥出PC特色的场合(如网络,与外界的连接,优化,专家系统,操纵界面,数据监测,文件记录和打印等),工作由以PC为基础的系统来承担;

② 在底层,需要高可靠和实时控制时,由分散控制系统承担,但它不同于现场总线,它不是基于仪表的系统,而是基于系统的系统,仪表还是普通仪表,只是将I/O和控制单元放在了现场,传回中心控制室的是数字信号,而不是模拟的4—20mA信号,要求原来的仪表仍然可用;

③ 在I/O点较集中的场合,可以采用类似于DCS或PLC的机柜或机架,内部模块用总线或网络连接,整个系统应该具有较高的可靠性,同时有较好的兼容性和开放性;

④ 系统应该具有真正的分布性,前端可集中,也可以延续几百米、几公里甚至几千公里(在地球的另一端),为此,系统必须具备与TCP/IP兼容的协议和WEB服务器;

⑤ 规模也可以从小至几十点,大至几千点甚至几十万点。系统I/O规模的增加不应该导致系统的大的改变。

OpenPLC的概念的创始人建立了德维森公司,当时公司很小,没有开发硬件和软件的实力;因此他们采取了OEM的方式,也就是利用国际上其它公司的合适的软件和硬件来实现OpenPLC的系统理念。所幸,这时国际上也开始兴起了开放式系统的浪潮,涌现出了一批热衷于开放式系统的公司(但没有一家是有名气的至公司)。该系同一开始曾经受过日本横河公司的CENTUMCS的概念的启发,也考虑了ROSEMOUNT的DELTA-V的现场总线与PC-BASED的合一的开放概念,也参考过美国OPTO22的SNAPI/O系统的带有以太网接口的I/O模块,但上述系统的昂贵的价格使得OpenPLC不得不寻求更新的价格。终极,对OpenPLC影响最大的,是美国SOFTPLC的概念,OpenPLC的研究小组希看将SOFTPLC的概念成功在更广的领域内应用,为了摆脱SOFTPLC的品牌关联,当时决定以柔性控制系统TCS(Tailored Control System)的名称形成了开放式可编程控制系统的前身系统。

第一套TCS的诞生所采用的是台湾盟立自动化公司生产的FAMA的PLC的硬件,但在通讯方面做了加强。1998年,盟立公司预备打进大陆市场,在广州自动化展览会上,德维森公司发现盟立的硬件结构比较适合实现柔性控制系统的理念,与盟立公司达成了OEM的协议。但在系统构架和市场推广应用方面,OpenPLC对系统进行了重新设计。

TCS的第一个实际应用是马钢第一炼铁厂的高炉监控系统,该套系统实际上是一个过程控制系统,但又加进了过程燃烧优化和专家系统,同时,高炉的所有数据都在第一时间通过LAN和WEBSERVER送到了生产调度和厂长办公室等治理部分,形成了信息化制造系统的雏形。随后,随着TCS在云南个旧化肥厂、攀钢热电厂、邯郸钢铁厂、深圳高科豫电厂、水厂等行业的应用,确立了在连续流程中作为过程控制系统的技术基础。2001年,OpenPLC在广东中山弯管机上实现了与机械的NC技术和运动控制技术的结合,进进了CAM应用领域。

由于TCS的概念的先进性和实用性,中国仪器仪表学会于2000年8月对该系统进行了专家鉴定和评审,会议由中国的原子弹和氢弹元勋、中国政府高技术863计划的倡议人、中国科学院和中国工程院两院院士杨嘉墀主持,系统被以为具有国际先进水平,随后,在2001和2002年,TCS获得广东省和深圳市科学技术进步一等奖。

与此同时,OpenPLC的研究小组以为TCS的概念仍然太过笼统,并且试图用一种系统涵盖所有的应用的想法有些不切实际。因此,重新审阅OpenPLC的概念,以为开始以开放式PLC的概念从PLC的产品向其它控制系统的应用领域延伸是比较好的想法。随后成立的加拿大在线控制有限公司和中国的合控电气(深圳)有限公司继续在OpenPLC这个概念上研发,新一代的OpenPLC产品于2003年底终于重新面世。随后,OpenPLC在数控切割机、注塑机、机车监控系统、污水处理设备的应用,开辟了在机械OEM系统等离散制造业中的应用。

2004年,OpenPLC在加拿大阿尔伯达省的LANDPETROLEUM公司的一个自然气处理厂和自然气田作为SCADA系统得到应用。该系统除了通过无线数字电台将井口的数据传到气处理厂的中心控制室外(这是标准的SCADA系统的功能),另外增加了两个引人注目的功能,一个是将所有的数据通过北美移动公司的网络上连互联网,使油田的业主在300公里外的卡加利总部可以看到一分钟以前的现场数据和流量数据,不仅可以了解气田的实时销售状况,也便于总部的工程师随时了解井口和厂区的状况,对生产情况进行诊断;另一个是在井口的控制器中,结合采油增产工艺对栓塞式增产工艺进行了控制,将增产工艺成功地以软件功能块的方式存储在OpenPLC的井口生产控制器中,达到了增产20%的效果。该套系统的成功使用,标志着OpenPLC作为E-PRODUCTION的基础系统得到了实践的验证。同年,OpenPLC在美国通用汽车的别克轿车的大灯开关的寿命测试仪上进行投进使用,该项目由美国EMERSON公司在深圳的工厂招标采用,考虑到世界第一台PLC就是通用汽车使用的,这一台OpenPLC在通用汽车的开关生产线的测试设备上使用,也具有特殊的意义。

2.OpenPLC的技术上风

① 传统系统的不开放带来的不便

目前,市场上的PLC产品基本上由十几家公司占据,这些公司大部分是著名的跨国公司,包括SIEMENS、ROCKWELL、GE、三菱、SCHNEIDER、ABB、KOYO等等。目前,几乎所有的系统都是由原厂家开发的不兼容系统,当初都是由其各自独立按自己的标准开发出来的,互相之间不能互连。固然最近各厂家都开发了通讯模件,但都价格昂贵,而且与外界的通讯由于各种原因都未做到完全通畅。很多制造业用户特别是大型企业为了避免过分依靠一家系统提供商而形成的贸易和技术风险,通常会同时采用几家不同的控制系统。而传统系统的不开放和不兼容令企业难以充分利用自动化技术,对企业内部的系统集成、系统升级和治理带来了极大的困难。如何将控制系统互连以及与ERP和MES系统相连,形成由生产过程的最低层生产现场到治理决策职员的无缝的双向信息流,是很多企业自动化和信息职员以及领导层关心的题目,而对于这个题目,传统的封闭式的控制系统是无法解决的。

此外,各厂家的PLC系统在硬件结构、控制指令、通讯标准都不能共用,这样,一旦用户购买了某一种专用系统,就被迫继续采用,由于当他们由于某些原因想改换PLC时,工程师不得不学习另外的新的编程语言。这是为什么要指定IEC61131-3,为所有的可编程控制器订立编程语言标准的原因。专用系统的开发、设计、生产、工程、维护都需要专门进行,造成其生产本钱以及售价都居高不下。

今天制造企业对自动化系统的维护升级等技术支持的要求很高,同时要求系统供给商了解工厂的制造工艺,并需要一个专业的技术支持,对制造专用系统的公司来说,在一个区域性市场要保持一支经过良好练习的维护队伍本钱很高,这个原因导致了控制系统的技术服务难以令人满足,即使有服务,其备件和人工费也都很昂贵。由于系统是专用的,用户对这种状况没有其它选择。大家知道,设备所造成的停产代价是非常之大的,而且现代工厂需要对生产过程不断进行调节,因此制造企业迫切需要一个高灵活性的、兼容能力强、低本钱、可靠并具有强大的通讯能力的系统和良好的技术支援服务,传统的PLC公司在解决这方面的题目上尚未做到令人满足。

② OpenPLC的开放性给用户的好处

OpenPLC就是因应这种需求而产生的一种开放式的控制系统平台,其优点在于具有开放性和通用性的特点,它并非专为某一个或两个行业所设计的,而是可以适合许很多多不同的行业,并应用在不同的场合。而且,由于它所具有的开放性特点,还可以和目前的传统控制系统混合使用,并不断地升级和延伸,因此受到市场的欢迎。

OpenPLC的自动化平台也是最彻底的开放式方案,国际上的各大竞争对手固然也推出了开放式系统的概念,但通常都是在原有的系统上层加上一些接口,实现局部的互连和通讯,并非真正意义上的开放;而OpenPLC把PC兼容的技术引进到现场控制器内部,系统采用WINTEL芯片和软件结构,通讯采用全球通用的Ethernet协议TCP/IP作为网络协议和现场控制总线协议,并且内部可以内置Web-Server因此具有很大的竞争上风。用户还可以通过互联网或公司内部的Intranet网络来访问任何现场数据并实行控制,反过来,供给商也可以通过Internet对用户的系统进行远程诊断,从而实现全天候的低本钱的24小时的技术支持服务。

OpenPLC的特点是开放性,是将电子、通讯、计算机、网络等信息技术(IT)方面的国际最新技术成果在自动控制系统领域的应用。目前,全球的IT业都有一个标准化的趋势,也就是任何一家公司只要按照标准来设计产品,都可以和世界上任何一家至公司的产品兼容或竞争。所以有关的技术目前在国际各种媒体包括互联网上可以方便地得到,这就使OpenPLC的制造商和系统集成商可以借助国际上所有的IT行业的最新成果,包括INTEL、MICROSOFT、IBM等国际众多巨型公司的技术和气力来和传统控制系统的专业公司抗衡,相当于是借助了全球IT行业的技术气力来进行产品的开发。同时,这些技术固然是通讯、电脑、网络、软件等行业的通用技术,但也并不是可以直接用在自动化行业的,必须对之进行加工、改造,尤其是在抗干扰和可靠性方面以及如何适应产业控制的具体情况等方面进行大量细致的工作。

另外,通过采用通用的产品与技术标准,使OpenPLC的制造商可以低本钱地利用标准器件和现有技术,如大量的通用软件如通讯软件、网络软件、图形软件、数据库软件使开发本钱大大降低,研发周期大大缩短,所用的元器件也由于是与主流技术兼容的产品而可以低本钱方便地得到。使OpenPLC可以做到在价格比传统控制系统的价格低三到五成的情况下仍然能够保证较高的边际利润。OpenPLC由于其所具有的开放性和灵活的通讯特点,可以构成足以令人眼花缭乱的各种各样的控制系统,但是,OpenPLC的基本单元是十分简单的。除了前述的开放性特点之外,OpenPLC还有一个最为重要的特点,那就是简单。简单就是美,OpenPLC所有的解决方案,从设计到应用,从软件到硬件,从集成到组态,处处都体现出“简单”的特点。

六、结束语

PLC的未来发展不仅取决于产品本身的发展,还取决于PLC与其它控制系统和工厂治理设备的集成情况。PLC通过网络,被集成到计算机集成制造(CIM)系统中,把他们的功能和资源与数控技术、机器人技术、CAD/CAM技术、个人计算机系统、治理信息系统以及分层软件系统结合起来,在工厂的未来发展中,将占据重要的地位。

新的PLC的技术进展包括:更好的操纵员界面,图形用户界面(GUI),人机界面;也包括与设备、硬件和软件的接口;并支持人工智能,比如逻辑I/O系统等。

软件进展将采用广泛使用的通讯标准提供不同设备的连接,新的PLC指令将立足于增加PLC的智能性,基于知识的学习型的指令也将逐步被引进,以增加系统的能力。

用户对于柔性制造系统的需求将决定未来的控制哲学。可以肯定的是,未来的工厂自动化中,PLC将肯定占据重要的地位,控制策略将被智能地分布开来,而不是集中,超级PLC将在需要复杂运算、网络通讯和对小型PLC和机器控制器的监控的应用中获得使用。

所有上述的发展,都取决于一个因素:PLC的开放性。只有开放了,PLC才能与其它控制系统集成;只有开放了,PLC才能与CIM、机器人、CAD/CAM、个人计算机、MIS结合,在工厂的未来发展中占有重要地位;只有开放了,PLC才可能发展更好的人机界面,才能与其它设备具备更灵活的接口;只有开放了,PLC才能适应更多的通讯标准;只有开放了,才能采用更多、更复杂的控制策略。

PLC应用领域目前,PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业,使用情况大致可归纳为如下几类。请点击打开查看参考:PLC应用领域.docPLC的特点及应用领域作为通用工业控制计算机,30年来,可编程控制器从无到有,实现了工业控制领域接线逻辑到存储逻辑的飞跃;其功能从弱到强,实现了逻辑控制到数字控制的进步;其应用领域从小到大,实现了单体设备简单控制到胜任运动控制、过程控制、及集散控制等各种任务的跨越。今天的可编程控制器正在成为工业控制领域的主流控制设备,在世界各地发挥着越来越大的作用。1.可编程控制器的定义可编程控制器,简称PLC(ProgrammablelogicController),是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。在1987年国际电工委员会(InternationalElectricalCommittee)颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义:"PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。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作的指令,并能通过数字式或模拟式的输入和输出,控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体,易于扩展其功能的原则而设计。"2.PLC的特点2.1可靠性高,抗干扰能力强高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术,采用严格的生产工艺制造,内部电路采取了先进的抗干扰技术,具有很高的可靠性。例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。从PLC的机外电路来说,使用PLC构成控制系统,和同等规模的继电接触器系统相比,电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一,故障也就大大降低。此外,PLC带有硬件故障自我检测功能,出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中,应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序,使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样,整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。2.2配套齐全,功能完善,适用性强PLC发展到今天,已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外,现代PLC大多具有完善的数据运算能力,可用于各种数字控制领域。近年来PLC的功能单元大量涌现,使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展,使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。2.3易学易用,深受工程技术人员欢迎PLC作为通用工业控制计算机,是面向工矿企业的工控设备。它接口容易,编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近,只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。2.4系统的设计、建造工作量小,维护方便,容易改造PLC用存储逻辑代替接线逻辑,大大减少了控制设备外部的接线,使控制系统设计及建造的周期大为缩短,同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。2.5体积小,重量轻,能耗低以超小型PLC为例,新近出产的品种底部尺寸小于100mm,重量小于150g,功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部,是实现机电一体化的理想控制设备。3.PLC的应用领域目前,PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业,使用情况大致可归纳为如下几类。3.1开关量的逻辑控制这是PLC最基本、最广泛的应用领域,它取代传统的继电器电路,实现逻辑控制、顺序控制,既可用于单台设备的控制,也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。3.2模拟量控制在工业生产过程当中,有许多连续变化的量,如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量,必须实现模拟量(Analog)和数字量(Digital)之间的A/D转换及D/A转换。PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块,使可编程控制器用于模拟量控制。3.3运动控制PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说,早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构,现在一般使用专用的运动控制模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能,广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。3.4过程控制过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机,PLC能编制各种各样的控制算法程序,完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型PLC都有PID模块,目前许多小型PLC也具有此功能模块。PID处理一般是运行专用的PID子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。3.5数据处理现代PLC具有数学运算(含矩阵运算、函数运算、逻辑运算)、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能,可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较,完成一定的控制操作,也可以利用通信功能传送到别的智能装置,或将它们打印制表。数据处理一般用于大型控制系统,如无人控制的柔性制造系统;也可用于过程控制系统,如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。3.6通信及联网PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。随着计算机控制的发展,工厂自动化网络发展得很快,各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能,纷纷推出各自的网络系统。新近生产的PLC都具有通信接口,通信非常方便。4.PLC的国内外状况世界上公认的第一台PLC是1969年美国数字设备公司(DEC)研制的。限于当时的元器件条件及计算机发展水平,早期的PLC主要由分立元件和中小规模集成电路组成,可以完成简单的逻辑控制及定时、计数功能。20世纪70年代初出现了微处理器。人们很快将其引入可编程控制器,使PLC增加了运算、数据传送及处理等功能,完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。为了方便熟悉继电器、接触器系统的工程技术人员使用,可编程控制器采用和继电器电路图类似的梯形图作为主要编程语言,并将参加运算及处理的计算机存储元件都以继电器命名。此时的PLC为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。20世纪70年代中末期,可编程控制器进入实用化发展阶段,计算机技术已全面引入可编程控制器中,使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。20世纪80年代初,可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多,产量日益上升。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。20世纪末期,可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。从控制规模上来说,这个时期发展了大型机和超小型机;从控制能力上来说,诞生了各种各样的特殊功能单元,用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合;从产品的配套能力来说,生产了各种人机界面单元、通信单元,使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。目前,可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展。我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。最初是在引进设备中大量使用了可编程控制器。接下来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了PLC的应用。目前,我国自己已可以生产中小型可编程控制器。上海东屋电气有限公司生产的CF系列、杭州机床电器厂生产的DKK及D系列、大连组合机床研究所生产的S系列、苏州电子计算机厂生产的YZ系列等多种产品已具备了一定的规模并在工业产品中获得了应用。此外,无锡华光公司、上海乡岛公司等中外合资企业也是我国比较著名的PLC生产厂家。可以预期,随着我国现代化进程的深入,PLC在我国将有更广阔的应用天地。5.PLC未来展望21世纪,PLC会有更大的发展。从技术上看,计算机技术的新成果会更多地应用于可编程控制器的设计和制造上,会有运算速度更快、存储容量更大、智能更强的品种出现;从产品规模上看,会进一步向超小型及超大型方向发展;从产品的配套性上看,产品的品种会更丰富、规格更齐全,完美的人机界面、完备的通信设备会更好地适应各种工业控制场合的需求;从市场上看,各国各自生产多品种产品的情况会随着国际竞争的加剧而打破,会出现少数几个品牌垄断国际市场的局面,会出现国际通用的编程语言;从网络的发展情况来看,可编程控制器和其它工业控制计算机组网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展方向。目前的计算机集散控制系统DCS(DistributedControlSystem)中已有大量的可编程控制器应用。伴随着计算机网络的发展,可编程控制器作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分,将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用。1PLC基础知识1.1 PLC的发展历程  在工业生产过程中,大量的开关量顺序控制,它按照逻辑条件进行顺序动作,并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制,及大量离散量的数据采集。传统上,这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。1968年美国GM(通用汽车)公司提出取代继电气控制装置的要求,第二年,美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置,首次采用程序化的手段应用于电气控制,这就是第一代可编程序控制器,称ProgrammableController(PC)。  个人计算机(简称PC)发展起来后,为了方便,也为了反映可编程控制器的功能特点,可编程序控制器定名为ProgrammableLogicController(PLC)。  上世纪80年代至90年代中期,是PLC发展最快的时期,年增长率一直保持为30~40%。在这时期,PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高,PLC逐渐进入过程控制领域,在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。  PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位,在可预见的将来,是无法取代的。1.2 PLC的构成  从结构上分,PLC分为固定式和组合式(模块式)两种。固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等,这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架,这些模块可以按照一定规则组合配置。1.3 CPU的构成CPU是PLC的核心,起神经中枢的作用,每套PLC至少有一个CPU,它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据,用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据,并存入规定的寄存器中,同时,诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后,从用户程序存贮器中逐条读取指令,经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号,去指挥有关的控制电路。  CPU主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成,CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。内存主要用于存储程序及数据,是PLC不可缺少的组成单元。在使用者看来,不必要详细分析CPU的内部电路,但对各部分的工作机制还是应有足够的理解。CPU的控制器控制CPU工作,由它读取指令、解释指令及执行指令。但工作节奏由震荡信号控制。运算器用于进行数字或逻辑运算,在控制器指挥下工作。寄存器参与运算,并存储运算的中间结果,它也是在控制器指挥下工作。  CPU速度和内存容量是PLC的重要参数,它们决定着PLC的工作速度,IO数量及软件容量等,因此限制着控制规模。1.4 I/O模块  PLC与电气回路的接口,是通过输入输出部分(I/O)完成的。I/O模块集成了PLC的I/O电路,其输入暂存器反映输入信号状态,输出点反映输出锁存器状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统,输出模块相反。I/O分为开关量输入(DI),开关量输出(DO),模拟量输入(AI),模拟量输出(AO)等模块。  常用的I/O分类如下:  开关量:按电压水平分,有220VAC、110VAC、24VDC,按隔离方式分,有继电器隔离和晶体管隔离。模拟量:按信号类型分,有电流型(4-20mA,0-20mA)、电压型(0-10V,0-5V,-10-10V)等,按精度分,有12bit,14bit,16bit等。  除了上述通用IO外,还有特殊IO模块,如热电阻、热电偶、脉冲等模块。  按I/O点数确定模块规格及数量,I/O模块可多可少,但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力,即受最大的底板或机架槽数限制。1.5 电源模块  PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。同时,有的还为输入电路提供24V的工作电源。电源输入类型有:交流电源(220VAC或110VAC),直流电源(常用的为24VDC)。1.6底板或机架大多数模块式PLC使用底板或机架,其作用是:电气上,实现各模块间的联系,使CPU能访问底板上的所有模块,机械上,实现各模块间的连接,使各模块构成一个整体。1.7PLC系统的其它设备1.7.1编程设备:编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件,用于编程、对系统作一些设定、监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况,但它不直接参与现场控制运行。小编程器PLC一般有手持型编程器,目前一般由计算机(运行编程软件)充当编程器。也就是我们系统的上位机。1.7.2 人机界面:最简单的人机界面是指示灯和按钮,目前液晶屏(或触摸屏)式的一体式操作员终端应用越来越广泛,由计算机(运行组态软件)充当人机界面非常普及。1.8 PLC的通信联网  依靠先进的工业网络技术可以迅速有效地收集、传送生产和管理数据。因此,网络在自动化系统集成工程中的重要性越来越显著,甚至有人提出"网络就是控制器"的观点说法。PLC具有通信联网的功能,它使PLC与PLC之间、PLC与上位计算机以及其他智能设备之间能够交换信息,形成一个统一的整体,实现分散集中控制。多数PLC具有RS-232接口,还有一些内置有支持各自通信协议的接口。PLC的通信现在主要采用通过多点接口(MPI)的数据通讯、PROFIBUS或工业以太网进行联网。2PLC控制系统的设计基本原则2.1最大限度的满足被控对象的控制要求。2.2在满足控制要求的前提下,力求使控制系统简单、经济、使用和维护方便。2.3保证控制系统安全可靠。2.4考虑到生产的发展和工艺的改进在选择PLC容量时应适当留有余量。3PLC软件系统及常用编程语言3.1 PLC软件系统由系统程序和用户程序两部分组成。系统程序包括监控程序、编译程序、诊断程序等,主要用于管理全机、将程序语言翻译成机器语言,诊断机器故障。系统软件由PLC厂家提供并已固化在EPROM中,不能直接存取和干预。用户程序是用户根据现场控制要求,用PLC的程序语言编制的应用程序(也就是逻辑控制)用来实现各种控制。STEP7是用于SIMATIC可编程逻辑控制器组态和编程的标准软件包,也就是用户程序,我们就是使用STEP7来进行硬件组态和逻辑程序编制,以及逻辑程序执行结果的在线监视。3.2 PLC提供的编程语言3.2.1 标准语言梯形图语言也是我们最常用的一种语言,它有以下特点3.2.1.1 它是一种图形语言,沿用传统控制图中的继电器触点、线圈、串联等术语和一些图形符号构成,左右的竖线称为左右母线。3.2.1.2 梯形图中接点(触点)只有常开和常闭,接点可以是PLC输入点接的开关也可以是PLC内部继电器的接点或内部寄存器、计数器等的状态。3.2.1.3 梯形图中的接点可以任意串、并联,但线圈只能并联不能串联。3.2.1.4 内部继电器、计数器、寄存器等均不能直接控制外部负载,只能做中间结果供CPU内部使用。3.2.1.5 PLC是按循环扫描事件,沿梯形图先后顺序执行,在同一扫描周期中的结果留在输出状态暂存器中所以输出点的值在用户程序中可以当做条件使用。3.2.2 语句表语言,类似于汇编语言。3.2.3 逻辑功能图语言,沿用半导体逻辑框图来表达,一般一个运算框表示一个功能左边画输入、右边画输出。4 STEP7程序的使用4.1 创建一个项目结构,项目就象一个文件夹,所有数据都以分层的结构存在于其中,任何时候你都可以使用。在创建一个项目之后,所有其他任务都在这个项目下执行。4.2 组态一个站,组态一个站就是指定你要使用的可编程控制器,例如S7300、S7400等。4.3 组态硬件,组态硬件就是在组态表中指定你的控制方案所要使用的模板以及在用户程序中以什么样的地址来访问这些模板,地址一般不用修改由程序自动生成。模板的特性也可以用参数进行赋值。4.4 组态网络和通讯连接,通讯的基础是预先组态网络,也就是要创建一个满足你的控制方案的子网,设置网络特性、设置网络连接特性以及任何联网的站所需要的连接。网络地址也是程序自动生成如果没有更改经验一定不要修改。4.5 定义符号,可以在符号表中定义局部或共享符号,在你的用户程序中用这些更具描述性的符号名替代绝对地址。符号的命名一般用字母编写不超过8个字节,最好不要使用很长的汉字进行描述,否则对程序的执行有很大的影响。4.6 创建程序,用梯形图编程语言创建一个与模板相连结或与模板无关的程序并存储。创建程序是我们控制工程的重要工作之一,一般可以采用线形编程(基于一个块内,OB1)、分布编程(编写功能块FB,OB1组织调用)、结构化编程(编写通用块)。我们最常采用的是结构化编程和分布编程配合使用,很少采用线形编程。4.7 下载程序到可编程控制器,完成所有的组态、参数赋值和编程任务之后,可以下载整个用户程序到可编程控制器。在下载程序时可编程控制器必须在允许下载的工作模式下(STOP或RUN-P),RUN-P模式表示,这个程序将一次下载一个块,如果重写一个旧的CPU程序就可能出现冲突,所以一般在下载前将CPU切换到STOP模式。5 WINCC程序的使用5.1 简介,WINCC是在生产和过程自动化中解决可视化和控制任务的工业技术中性系统。具有控制自动化过程的强大功能,是基于个人计算机的操作监视系统,它很容易结合标准的和用户的程序建立人机界面精确的满足生产实际要求。WINCC有两个版本RC版(具有组态和开发环境)、RT版(只有运行环境),我们一般使用的是RC版。5.2 WINCC简单使用步骤5.2.1 变量管理,首先确定通讯方式安装驱动程序,然后定义内部变量和外部变量,外部变量是受你买的WINCC软件授权限制的最大授权64K字节,内部变量没有限制。5.2.2 画面生成,进入图形编辑器,图形编辑器是一种用于创建过程画面的面向矢量的作图程序。也可以使用包含在对象和样式库中的众多的图形对象来创建复杂的过程画面。可以通过动作编程将动态添加到单个图形对象上。5.2.3 报警记录设置,报警记录提供了显示和操作选项来获取和归档结果。可以任意地选择消息块、消息级别、消息类型、消息显示以及报表。为了在运行中显示消息,可以使用包含在图形编辑器中的对象库中的报警控件。5.2.4 变量记录,变量记录是用来从运行过程中采集数据并准备将它们显示和归档。5.2.5 报表组态,报表组态是通过报表编辑器来实现的。是为消息、操作、归档内容和当前或已归档的数据定时器或事件控制文档的集成的报表系统,可以自由选择用户报表的形式。5.2.6 全局脚本的应用,全局脚本就是C语言函数和动作的通称,根据不同的类型脚本被用于给对象组态动作并通过系统内部C语言编译器来处理。全局脚本动作用于过程执行的运行中。一个触发可以开始这些动作的执行。5.2.7 用户管理器设置,用户管理器用于分配和控制用户的单个组态和运行系统编辑器的访问权限。每建立一个用户,就设置了WINCC功能的访问权利并独立的分配给此用户。至多可分配999个不同的授权。5.2.8 交叉表索引,交叉索引用于为对象寻找和显示所有使用处,例如变量、画面和函数等。使用"链接"功能可以改变变量名称而不会导致组态不一致。|||PLC的应用领域  目前,PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业,使用情况大致可归纳为如下几类。(1)开关量的逻辑控制  这是PLC最基本、最广泛的应用领域,它取代传统的继电器电路,实现逻辑控制、顺序控制,既可用于单台设备的控制,也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。(2)模拟量控制  在工业生产过程当中,有许多连续变化的量,如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量,必须实现模拟量(Analog)和数字量(Digital)之间的A/D转换及D/A转换。PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块,使可编程控制器用于模拟量控制。(3)运动控制  PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说,早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构,现在一般使用专用的运动控制模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能,广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。(4)过程控制  过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机,PLC能编制各种各样的控制算法程序,完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型PLC都有PID模块,目前许多小型PLC也具有此功能模块。PID处理一般是运行专用的PID子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。(5)数据处理  现代PLC具有数学运算(含矩阵运算、函数运算、逻辑运算)、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能,可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较,完成一定的控制操作,也可以利用通信功能传送到别的智能装置,或将它们打印制表。数据处理一般用于大型控制系统,如无人控制的柔性制造系统;也可用于过程控制系统,如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。(6)通信及联网  PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。随着计算机控制的发展,工厂自动化网络发展得很快,各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能,纷纷推出各自的网络系统。新近生产的PLC都具有通信接口,通信非常方便。  PLC的应用领域仍在扩展,在日本,PLC的应用范围已从传统的产业设备和机械的自动控制,扩展到以下应用领域:中小型过程控制系统、远程维护服务系统、节能监视控制系统,以及与生活关连的机器、与环境关连的机器,而且均有急速的上升趋势。值得注意的是,随着PLC、DCS相互渗透,二者的界线日趋模糊的时候,PLC从传统的应用于离散的制造业向应用到连续的流程工业扩展。|||PLC的应用领域目前,PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业,使用情况大致可归纳为如下几类。3.1开关量的逻辑控制这是PLC最基本、最广泛的应用领域,它取代传统的继电器电路,实现逻辑控制、顺序控制,既可用于单台设备的控制,也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。3.2模拟量控制在工业生产过程当中,有许多连续变化的量,如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量,必须实现模拟量(Analog)和数字量(Digital)之间的A/D转换及D/A转换。PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块,使可编程控制器用于模拟量控制。3.3运动控制PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说,早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构,现在一般使用专用的运动控制模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能,广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。3.4过程控制过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机,PLC能编制各种各样的控制算法程序,完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型PLC都有PID模块,目前许多小型PLC也具有此功能模块。PID处理一般是运行专用的PID子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。3.5数据处理现代PLC具有数学运算(含矩阵运算、函数运算、逻辑运算)、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能,可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较,完成一定的控制操作,也可以利用通信功能传送到别的智能装置,或将它们打印制表。数据处理一般用于大型控制系统,如无人控制的柔性制造系统;也可用于过程控制系统,如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。3.6通信及联网PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。随着计算机控制的发展,工厂自动化网络发展得很快,各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能,纷纷推出各自的网络系统。新近生产的PLC都具有通信接口,通信非常方便。4.PLC的国内外状况世界上公认的第一台PLC是1969年美国数字设备公司(DEC)研制的。限于当时的元器件条件及计算机发展水平,早期的PLC主要由分立元件和中小规模集成电路组成,可以完成简单的逻辑控制及定时、计数功能。20世纪70年代初出现了微处理器。人们很快将其引入可编程控制器,使PLC增加了运算、数据传送及处理等功能,完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。为了方便熟悉继电器、接触器系统的工程技术人员使用,可编程控制器采用和继电器电路图类似的梯形图作为主要编程语言,并将参加运算及处理的计算机存储元件都以继电器命名。此时的PLC为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。20世纪70年代中末期,可编程控制器进入实用化发展阶段,计算机技术已全面引入可编程控制器中,使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。20世纪80年代初,可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多,产量日益上升。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。20世纪末期,可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。从控制规模上来说,这个时期发展了大型机和超小型机;从控制能力上来说,诞生了各种各样的特殊功能单元,用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合;从产品的配套能力来说,生产了各种人机界面单元、通信单元,使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。目前,可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展。我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。最初是在引进设备中大量使用了可编程控制器。接下来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了PLC的应用。目前,我国自己已可以生产中小型可编程控制器。上海东屋电气有限公司生产的CF系列、杭州机床电器厂生产的DKK及D系列、大连组合机床研究所生产的S系列、苏州电子计算机厂生产的YZ系列等多种产品已具备了一定的规模并在工业产品中获得了应用。此外,无锡华光公司、上海乡岛公司等中外合资企业也是我国比较著名的PLC生产厂家。可以预期,随着我国现代化进程的深入,PLC在我国将有更广阔的应用天地。5.PLC未来展望21世纪,PLC会有更大的发展。从技术上看,计算机技术的新成果会更多地应用于可编程控制器的设计和制造上,会有运算速度更快、存储容量更大、智能更强的品种出现;从产品规模上看,会进一步向超小型及超大型方向发展;从产品的配套性上看,产品的品种会更丰富、规格更齐全,完美的人机界面、完备的通信设备会更好地适应各种工业控制场合的需求;从市场上看,各国各自生产多品种产品的情况会随着国际竞争的加剧而打破,会出现少数几个品牌垄断国际市场的局面,会出现国际通用的编程语言;从网络的发展情况来看,可编程控制器和其它工业控制计算机组网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展方向。目前的计算机集散控制系统DCS(DistributedControlSystem)中已有大量的可编程控制器应用。伴随着计算机网络的发展,可编程控制器作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分,将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用。|||PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业|||PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业.|||PLC在很多模块控制中特别是自动化中应用广泛。|||1.应用:在当今的工业界,只要涉及控制的地方,都离不开PLC这个大脑,简单的讲,可大概分为两个领域:其一为单机控制为主的一切设备自动化领域,比如:包装机械、印刷机械、纺织机械、注塑机械、自动焊接设备、隧道盾构设备、水处理设备、切割、多轴磨床、冶金行业的辊压、连铸机械....太多了,这些设备的所有动作,加工都需要靠依据工艺设定在PLC内的程序来指导执行和完成,就如人的大脑;其二为过程控制为主的流程自动化行业,比如污水处理、自来水处理、楼宇控制、火电主控、辅控、水电主控、辅控、冶金行业、太阳能、水泥、石油、石化、铁路交通...也太多了。这些行业所有设备的连续生产运行,总存在许多的监控点和大量的实时参数,而要监视、控制、和采集这些流程参数和相关的工艺设备,也必须依靠PLC这个大脑来完成,当然传统叫法也有DCS,尽管设计之初的理念不一样,但现技术路线已逐渐融合。2.这么说,或许更直观些:只要是涉及工业控制的任何地方,都会采用PLC来控制!它涉及到我们生活的方方面面,包括我们从超市买的任何商品,我们用的数码产品,开的车,看的书等其从生产——包装——传送——仓储——运输等等环节都需要用PLC控制的自动化设备来完成,这个例子够明确了吧?
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