可編程控制器的現場集成技術

1 引言
可編程控制器是以微處理器技術為基礎，綜合了計算機技術、自動化技術和通訊技術的一種新型工業控制裝置。其可靠性極高、耐惡劣環境能力強、使用極為方便等特點，與機器人技術、CAD/CAM并列稱為工業生產自動化的三大支柱。它是上世紀60年代發展起來的被國外稱為“先進國家三大支柱”之首的工業自動化理想控制裝置，是近年來發展極為迅速，運用面極廣的工業控制裝置，現已廣泛運用于自動化的各個領域。

2 可編程序邏輯控制器(PLC)
PLC 英文名Programming Logic Controller 即可編程序邏輯控制器，是最早于汽車制造行業應用并發展起來的一項技術，用于代替繼電器完成機器和設備的自動控制，它的最大的特點是可編程，即根據控制邏輯和控制要求的變化可重新編制程序，而不用象繼電器線路一樣需要重新更換原器件和重新接線。今天PLC已集成了許多高級計算功能、通信功能、完成特殊控制功能的功能模塊如位置控制、速度控制、過程控制等，并具有了與計算機系統的集成和連網的能力，PLC自發明以來在工業自動化、交通控制、電力運輸、樓宇自動化等領域得到了廣泛的應用。

3 PLC發展歷史
自1969年世界上第一臺可編程控制器在美國DEC公司誕生以來，PLC走過了30余年的發展歷程?；仡櫰浒l展歷程，可將PLC技術分為3個階段:
(1) 傳統PLC階段。它是PLC的最初階段，也是現代PLC的基礎。其結構如圖1所示，工作原理 如圖2所示。
如圖2所表示的一樣，PLC的工作原理是:首先讀取輸入接點的狀態→然后執行程序→然后根據程序的執行結果刷新輸出接點的狀態→然后再讀取輸入接點的狀態→讀取輸入接點的狀態,如此循環執行。

由PLC的工作原理可以看出:從輸入端的信號狀態發生變化到輸出端的信號變化，中間需要執行程序(用戶程序、系統程序)，程序的執行需要時間，而且這個時間是不可預測的，在某些應用場合這是不允許的，如位置控制、速度控制、需要高速響應的控制，這就使得PLC在這些場合不能使用或需配置昂貴的專用模塊。從圖1可知，PLC系統的核心是微處理器(CPU)，為防止系統程序跑飛，產生誤動作，必須采取一系列硬件和軟件的措施去克服這一問題，同時由于PLC使用的是梯形圖語言，系統本身必須帶有功能強大的編譯器，這樣就使得PLC構成的系統具有較高的價格。而且程序跑飛、編制的程序出現死循環等依然是存在的隱患問題。
(2) OPEN PLC階段。OPEN PLC又稱PC BASE PLC、SOFT PLC，是最近幾年提出的一種概念，它是基于開放式PC 平臺和開放式開發軟件的PLC，它能方便的與其他軟件集成及網絡集成。其組成結構如圖3所示。

OPEN PLC只是在它的開發環境方面提出了一個新的概念，即開放性、標準化，它的運行原理方面與傳統PLC相比具有實時多任務運行機制，但仍然是基于程序執行這樣的基礎。因此它并沒有從根本上解決傳統PLC存在的問題，在其實現的系統中依然存在。
(3) 現場集成階段。也就是HARD PLC階段，它是一個全新的代名詞，也是一個PLC的最新發展動向。它采用現代可編程邏輯器件CPLD/FPGA(Complex Programmable Logic Devices & Field Programming Gate Array)作為硬件平臺，采用EDA(Electronics Design Automation)開發工具配與硬件描述語言HDL(Hardware Description Language)做為開發軟件平臺，象傳統PLC一樣它同樣是可編程的。其組成結構圖如圖4所示。

HARD PLC則拋棄了傳統PLC“程序”的概念，以“硬件線路”來實現控制功能，而編程改變的也只是其芯片內部的硬件連接，而不需運行軟件程序，因此自然沒有程序跑飛、開機復位及自帶語言編譯器等問題，其完成的功能與傳統PLC相同，而系統的造價僅是傳統PLC系統的十分之一，甚至更少。在硬件線路運行時所有的信號是并行運行的，而且信號的路徑是可知的，信號傳輸的時間是可預測的，所以可用于精確控制的需要，如位置控制、速度控制、信號處理、圖像處理、高速機械等。它從根本上解決了傳統PLC存在的不足，代表了傳統PLC的最終發展方向。

4 PLC的發展趨勢
隨著微處理器技術、超大規模集成電路技術和數字通訊技術的進步和發展，可編程序控制器也得到了迅速發展，其功能已遠遠超出了其定義所指的范圍，其概念也日趨模糊，現代可編程控制器的發展趨勢主要有以下幾個方面:
(1) 用高性能器件，盡量縮小與工業控制計算機之間的差距。例如，德國FESTO公司的IPC(Industrial PC)由一系列符合工業標準的模塊組成，它與微機兼容且具有PLC的功能。
(2) 豐富I/O模塊，使PLC在實時性、精度、分辨率、人機對話等性能方面進一步得到改善和提高。
(3) 進一步強化網絡功能，以實現信息管理自動化。例如IPC型控制器具備多種現場總線接口。如FESTO總線、Profibus、AS-I、CAN等，以及各種網絡連接模塊，如Novell等，從而使PLC與PLC、PLC與PC、PLC與現場設備之間建立通訊聯網。
(4) 多種編程語言并存，互補不足。IPC型控制器除了采用梯形圖、指令表編程以外，還可以用IEC1131規定的用于順序控制的標準化語言以及C、Basic等計算機語言進行編程。
(5) 硬件結構集成化、冗余化。隨著專用集成電路(ASIC，Application Specific Integrated Circuits)和表面安裝技術(SMT，Surface-Mout Technology)在PLC硬件設計上的運用，使得PLC產品硬件元件數量更少，集成度更高，體積更小，其可靠性更高。同時，為了進一步提高系統的可靠性，PLC產品還采用了硬件冗余和容錯技術。用戶可以選擇CPU單元、通信單元、電源單元或I/O單元甚至整個系統的冗余配置，使得整個PLC系統的可靠性得以進一步加強。

5 可編程控制器現場集成技術研究的意義
現行的可編程控制器均是由專門的生產廠商設計生產的，用戶選用他們提供的專用控制器時，可能只用到它的部分功能，會造成一定的資源浪費，而且專用控制器價格高，不經濟。而使用現代可編程邏輯器件來實現具有如下優點:
(1) 用戶可以根據需要設計控制器的功能，不會造成太大的資源浪費;而且不用帶自身專用的編譯器，從而大大降低了系統的價格。
(2) 用戶邏輯和接口部分可以做在同一個器件內，因而讓接口和用戶邏輯更緊密地結合;用FPGA/CPLD芯片組成的系統，很自然地避開CPU的程序跑飛、死循環、復位不可靠等缺點，無需采用過多措施就能使系統具有很高的可靠性。
(3) FPGA作為控制器的核心，其靈活的現場可更改性、可再配置能力，對系統的各種改進非常方便，在不更改硬件電路的基礎上可以進一步提高系統的性能，也就是完成硬件的在系統升級;在線編程是FPGA/CPLD突出的特點，它無需改變芯片外部I/O口的連接線，可直接在用戶自己設計的目標系統中或線路板上對FPGA/CPLD器件編程，這就打破了使用一般數字器件和PLC先設計后裝配的慣例，而可以先裝配后編程，用在實際系統后還可以反復編程，從而開創了數字電子系統設計技術的新一頁。此外，還可以通過紅外線編程、超聲波編程或通過電話線、Internet進行在線編程。這些功能在遠控或軍事領域上有特殊的用途。
(4) FPGA的性能價格比很高，用它實現的控制器的價格，幾乎只是和它具有相同輸入/輸出端子市售可編程控制器價格的十分之一;而且其邏輯實現是并行工作的，其速度遠遠大于PLC，這在實時系統中是非常有優勢的。
(5) 它拋棄了傳統PLC“程序”的概念，以“硬件線路”來實現控制功能，在硬件線路運行時所有的信號是并行運行的，而且信號的路徑是可知的，信號傳輸的時間是可預測的，所以可用于精確控制的需要，如位置控制、速度控制、信號處理、圖象處理、高速機械等。
從以上優點我們可以看出，基于FPGA/CPLD的HARD PLC能更經濟、更穩定、更方便地適應用戶的需求，而且其實時性、靈活性遠遠優于傳統的可編程控制器(PLC)。因此，可編程控制器的現場集成技術應用非常廣闊，具有很強的工程實用價值。