可編程控制器的發展趨勢

可編程邏輯控制器，又稱可編程控制器，有過多種定義。可以看作是一種經過特殊設計的工業計算機，整個的設計原則就是簡單與實用。

1968年，通用汽車公司的液壓部門為了消除既復雜又昂貴的繼電器控制系統，確立了第一個可編程控制器的招標指標。該設計規格需要固態系統和電腦技術，并要求能夠在工業環境中生存，也能夠方便地編程，并且可以重復使用。該控制系統將大大減少機器的停機時間，并為未來提供了可擴展性。該招標由DEC公司中標，這套系統于1969年研制出來，這是第一臺可編程控制器，型號為PDP-14，應用取得成功。其后，美國的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年西歐國家的各種可編程控制器也研制成功。這些早期的控制器滿足了最初的要求，并且打開了新的控制技術的發展的大門。

PLC的發展也是與計算機技術、控制技術、數字技術、通信網絡技術等高新技術的發展息息相關，正是這些高新技術的發展推動了可編程控制器的發展。

從控制功能來看，可編程控制器的發展大致經歷了4個階段：

1．初級階段：從第一臺PLC問世到20世紀70年代中期

由于第一代PLC是為了取代繼電器的，因此，主要功能是邏輯運算和計時、計數功能。CPU由中小規模數字集成電路構成。主要產品有：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。第一階段就采用了梯形圖語言作為編程方式，盡管有些枯燥，但卻形成了工廠的編程標準。

2．擴展階段：從20世紀70年代中期到70年代末期

這一階段PLC產品的控制功能得到很大擴展。擴展的功能包括數據的傳送、數據的比較和運算、模擬量的運算等功能。這一階段的產品有MODICON的184，284，384，西門子公司的SIMATICS3系列，富士電機公司的SC系列產品。

3．通信階段：20世紀70年代末期到80年代中期

這一階段產品與計算機通信的發展有關，形成了分布式通信網絡。但是，由于各制造商各自為政，通信系統也是各有各的規范。由于在很短的時間內，PLC就已經從汽車行業迅速擴展到其它行業，作為繼電器的替代品進入了食品、飲料、金屬加工、制造和造紙等多個行業。其次，產品功能也得到很大的發展。同時，可靠性進一步提高。這一階段的產品有西門子公司的SIMATICS6系列，GOULD公司的M84，884等，富士電機的MICRO和TI公司的TI530等。

4．開放階段：從20世紀80年代中期開始

由于國際標準化組織提出了開放系統互連的參考模型OSI，使PLC在開放功能上有較大發展。主要表現為通信系統的開放，使各制造廠商的產品可以通信，通信協議開始標準化，使用戶得益。此外，PLC開始采用標準化軟件系統，增加高級語言編程，并完成了編程語言的標準化工作。這一階段的產品有西門子公司的S7系列，AB公司的PLC-5，SLC500，德維森的V80和PPC11，加拿大ONLINECONTROL公司與合控電氣公司所開發的OPENPLC等。

二、PLC的特點

1．PLC的硬件和軟件進展

PLC的技術從誕生之日起，就不停地發展。PLC的定義也經過多次變動。1987年，國際電工委員會IEC(InternationalElectricalCommittee)頒布了可編程序控制器最新的定義：

可編程控制器是一種能夠直接應用于專門為在工業環境下應用而設計的數字運算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內部存儲執行邏輯運算、順序運算、計時、計數和算術運算等操作的指令，并能通過數字式或模擬式的輸入和輸出，控制各類的機械或生產過程。可編程控制器及其有關的外圍設備都應按照易于與工業控制系統形成一個整體，易于擴展其功能的原則而設計。

可見，PLC的定義實際是根據PLC的硬件和軟件技術進展而發展的。這些發展不僅改進了PLC的設計，也改變了控制系統的設計理念。這些改變，包括硬件和軟件的。

以下列出了PLC的硬件進展：

• 采用新的、先進的微處理器和電子技術達到快速的掃描時間；
• 小型的、低成本的PLC，可以替代4到10個繼電器，現在獲得更大的發展動力；
• 高密度的I/O系統，以低成本提供了節省空間的接口；
• 基于微處理器的智能I/O接口，擴展了分布式控制能力。典型的接口如：PID，網絡，CAN總線，現場總線，ASCII通信，定位，主機通訊模塊，和語言模塊（如BASIC，PASCAL）；
• 包括輸入輸出模塊和端子的結構設計改進，使端子更加集成；
• 特殊接口允許某些器件可以直接接到控制器上，如熱電偶、熱電阻、應力測量、快速響應脈沖等；
• 外部設備改進了操作員界面技術，系統文檔功能成為了PLC的標準功能。

以上這些硬件的改進，導致了PLC的產品系列的豐富和發展，使PLC從最小的只有十個I/O點的微型PLC，到8000點的大型PLC，應有盡有。這些產品系列，用普通的I/O系統和編程外部設備，可以組成局域網，并與辦公網絡相連。整個PLC的產品系列概念對于用戶來說，是一個非常節約成本的控制系統概念。

與硬件的發展相似，PLC的軟件也取得了巨大的進展，大大強化了PLC的功能：

• PLC引入了面向對象的編程工具，并且根據國際電工委員會的IEC61131-3的標準形成了多種語言；
• 小型PLC也提供了強大的編程指令，并且因此延伸了應用領域；
• 高級語言，如BASIC，C在某些控制器模塊中已經可以實現，在與外部通訊和處理數據時提供了更大的編程靈活性；
• 梯形圖邏輯中可以實現高級的功能塊指令，可以使用戶用簡單的編程方法實現復雜的軟件功能；
• 診斷和錯誤檢測功能，從簡單的系統控制器的故障診斷，擴大到對所控制的機器和設備的過程和設備進行診斷；
• 浮點運算可以進行控制應用中計量、平衡和統計等所牽涉的復雜計算；
• 數據處理指令得到簡化和改進，可以進行涉及大量數據存儲、跟蹤和存取的復雜控制和數據采集和處理功能。

盡管PLC比原來復雜了很多，但是，他們依然保持了令人吃驚的簡單性，對操作員來說，今天的高功能的PLC與三十年前一樣那么容易操作。

2．PLC的特點

PLC發展如此迅速的原因，在于它具有一些其它控制系統，包括DCS和通用計算機在內，所不及的一些特點。下面對這些特點做一個介紹：

① 可靠性

可靠性包括產品的有效性和可維修性。可編程控制器的可靠性高，表現在下列幾個方面：

a) 可編程控制器不需要大量的活動部件和電子元件，接線大大減少，與此同時，系統的維修簡單，維修時間縮短，因此可靠性得到提高；

b) 可編程控制器采用一系列可靠性設計方法進行設計，例如冗余設計，掉電保護，故障診斷，報警和運行信息顯示和信息保護及恢復等，提高了MTBF，降低了MTTR，使可靠性得到提高；

c) 可編程控制器有較強的易操作性，它具有編程簡單，操作方便，編程的出錯率大大降低，而為工業惡劣操作環境設計的硬件使可靠性大大提高；

d) 可編程控制器的硬件設計方面，采用了一系列提高可靠性的措施。例如，采用可靠性高的工業級元件，采用先進的電子加工工藝（SMT）制造，對干擾采用屏蔽、隔離和濾波等；存儲器內容的保護，采用看門狗和自診斷措施，便于維修的設計等。

一份用戶選用PLC原因的調查報告指出：在各種選用PLC的原因中，首選原因是可靠性高的，占93%，其次，才是性能和維修方面的原因。

② 易操作性

PLC的易操作性表現在下列三個方面：

a) 操作方便：對PLC的操作包括程序的輸入和程序更改操作，大多數PLC采用編程器進行程序輸入和更改操作。現在的PLC的編程器大部分可以用電腦直接進行，更改程序也可根據所需地址編號、繼電器編號或接點號等直接進行搜索或按順序尋找，然后可以在線或離線更改；

b) 編程方面：PLC有多種程序設計語言可以使用，對現場電氣人員來說，由于梯形圖與電氣原理圖相似，因此，很容易理解和掌握。采用語句表語言編程時，由于編程語句是功能的縮寫，便于記憶，并且與梯形圖有一一對應的關系，所以有利于編程人員的編程操作。功能圖表語言以過程流程進展為主線，十分適合設計人員與工藝專業人員設計思想的溝通。功能模塊圖和結構化文本語言編程方法的應用尚未普及，但由于它們具有功能清晰，易于理解等優點，而且與DCS組態語言統一，正受到廣大技術人員的重視。

c) 維修方便：PLC所具有的自診斷功能對維修人員的技術要求較低，當系統發生故障時，通過硬件和軟件的自診斷，維修人員可以根據有關故障代碼的顯示和故障信號燈的提示等信息，或通過編程器和HMI屏幕的設定，直接找到故障所在的部位，為迅速排除故障和修復節省了時間，降低了MTTR。

為便于維修工作的開展，有些PLC制造商提供維修用的專用儀表或設備，提供故障維修樹等維修用資料；有些廠商還提供維修用的智能卡或插件板，使維修工作變得十分方便。此外，PLC的面板和結構設計也考慮了維修的方便性。例如，對需要維修的部件設置在便于維修的位置，信號燈設置在易于觀察的位置，接線端子采用便于接線和更換的類型等，這些設計使維修工作能方便地進行，大大縮短了維修時間。采用標準化元件和標準化工藝生產流水作業，使維修用備品備件簡化等，也使維修工作變得方便。

③ 靈活性

PLC的靈活性主要表現在以下3個方面：

a) 編程的靈活性：PLC采用的標準編程語言有梯形圖、指令表、功能圖表、功能模塊圖和結構化文本編程語言等。使用者只要掌握其中一種編程語言就可進行編程，編程方法的多樣性使編程方便。由于PLC內部采用軟連接，因此，在生產工藝流程更改或者生產設備更換后，可不必改變PLC的硬設備，通過程序的編制與更改就能適應生產的需要。這種編程的靈活性是繼電器順序控制系統和數字電路控制系統所不能比擬的。正是由于編程的柔性特點，使PLC成為工業控制領域的重要控制設備，在柔性制造系統FMS，計算機集成制造系統（CIMS）和計算機流程工業系統（CIPS）中，PLC正成為主