PLC與“三電”系統的差異分析

鎮江船艇學院 陳 卓

1 PLC概述

作為電子系統進行數字運算操作，可編程序控制器(PLC)特別為工業環境下應用而設計。可編程控制器（PLC）及其相關外部設備，都是按照易于與工業控制系統連成一個整體以及易于擴充其功能的原則而設計。PLC采用的存儲器可編寫程序，并用于內部存儲執行邏輯運算、順序控制、定時、計數以及算術運算等指令，通過數字式或模擬式的輸入和輸出，有效控制各類型的機械或生產過程。

源于汽車制造業的PLC的產生：二十世紀60年代后期，汽車型號的更新速度不斷加快。以前汽車制造生產線使用的繼電器控制系統，盡管具有原理簡單、使用方便、操作直觀、價格更宜等諸多優點，但由于它的控制邏輯由元器件的布線方式來決定，缺乏變更控制過程的走活性，不能滿足用戶快速改變控制方式的要求，無法適應汽車換代周期迅速縮短的需要。20世紀40年代產生的電子計算機，在20世紀60年代已得到迅猛發展，雖然小型計算機已開始應用于工業生產的自動控制，但由于原理的復雜性，還需要專門的程序設計語言，一般電氣工作人員難以掌握和使用。

美國通用汽車公司(GM)，在1968年，思考將繼電器控制與計算機控制兩者的長處結合起來，建議制造商，為汽車裝配線提供一種新型通用的程序控制器，而且提出了如下招標指標：A.采用模塊式結構，便于維護。B.編程簡單明了，并可以現場修改程序。C.各種數據能夠直接傳輸于計算機。D.體積比繼電器控制柜小。E.其可靠性比繼電器控制柜高。F.用戶程序的存儲容量至少能擴展到4K。G.輸入可以是AC 115V。H.輸出交流（AC）115 V、2A，可以直接驅動電磁閥。I.系統擴展時，變更很小。J.價格與繼電器控制柜相比有競爭性。

用計算機代替繼電器控制系統，用程序代替硬接線，輸入、輸出電平可與外部負載直接連接，結構易于擴展。如果說電氣技術和計算機技術的發展是PLC出現的物質基礎，那么，GM的10項指標則是PLC誕生的創新思想。

1969年，美國數字設備公司(DEC)按招標要求完成了研制工作，并在美國通用汽車公司的自動生產線上試用成功，從而誕生了世界上第一臺PLC。

早期的PLC主要只是執行原先由繼電器完成的順序控制、定時等功能，故稱為可編程邏輯控制器(PLC)。但其新穎的構思，在控制領域獲得的巨大成功，這項新技術立即得到迅速推廣，美國、西歐、日本相繼開始引進和研制。從1974起，我國開始仿制美國的第二代PLC，于1977年研制出了第一臺具有實用價值的可編程控制器（PLC）。

第一臺PLC誕生至今，可編程控制器（PLC）大致經歷了4次更新換代，從以取代繼電器為主的邏輯運算和計時、計數等功能的簡單PLC，到現在具有邏輯、過程、運動控制以及數據處理、聯網通信等多功能的控制設備，實現了量到質的飛躍。除此之外，可編程控制器（PLC）還力求做到軟件系統標準化，還可采用高級語言編程，使得編程語言標準化工作得以完成，人們高度評價它，并將PLC視作現代工業自動化的三大支柱之一。

從其發展可見，PLC早已不是初創時的邏輯控制器了，它確切的名稱應為Programmabl e Control l er（PC）。但鑒于縮寫“PC”在我國業已成為個人計算機(Personal Computer)的專用名詞，為避免學術名詞的混淆，因此在我國仍沿用PLC來表示可編程序控制器。

2 可編程控制器（PLC）與“三電”系統的差異分析

工業自動化裝置在早期通常有以下三類系統：(1)對開關量控制的邏輯系統。采用繼電器接觸器控制柜，實現邏輯控制的電控裝置。即所謂的“電控”系統。(2)慢連續量的過程控制系統。采用電動單元組合儀表，實現過程控制的儀表裝置。即所謂的“電儀”系統。(3)快連續量的運動控制系統。采用電氣傳動控制柜，實現運動控制的電傳裝置。即所謂的“電傳”系統。

以往在工業控制現場中，電控、電儀、電傳這三類設備常常同時存在，但是，各自的控制裝置卻是獨立的，不可兼容。人們期待能用一種控制裝置把“三電”統一，使工業自動化系統整體協調地運行，做到優化控制，產品質量得到保證，生產效率得以提高，即實現真正意義上的“三電一體”。

計算機技術的發展奠定了現代控制裝置的基礎，不管是過程的控制、邏輯的控制還是運動的控制都引入了計算機控制，計算機控制裝置成為“三電一體”的硬件基礎。“三電一體”實現有兩種方式：(1)在控制裝置一級實現三電一體化；(2)在網絡一級實現三電一體化。在這個基礎上“三電一體”有了實現的可能。DCS系統就是延續了在網絡一級實現三電一體化的思想，適合于大型自動控制系統，但是，成本造價非常昂貴。

PLC作為實質上的工業計算機，具有構成“三電一體”的先天優勢。隨著功能不斷擴展，PLC已從最基本的邏輯控制功能，發展到今天的過程的控制、運動控制、數據的處理、連網通信等功能，已經成為名副其實的多功能控制器。

目前，PLC在裝置一級實現了將三電集于一體，適合于各種規模的自動控制系統，這是它的優勢所在。當然，可編程控制器（PLC）在裝置一級實現的“三電一體”化還沒有達到令人十分滿意，尤其是對復雜過程的控制、運動控制方面，其控制性能還有待進一步提高。即使如此，初步實現三電一體的PLC在自動化設備競爭中已經具有很大優勢。其原因如下：

(1)PLC運行采用的是循環掃描工作方式。為了不丟失輸入信號，設計循環掃描周期盡可能短，因此，PLC處理器速度、性能要求得較高，并且配置了高性能微處理器。人們在早期，對PLC這些高性能的微處理器的潛能挖掘不夠，并沒有得到充分的利用。后來，針對這個問題，PLC采用實時多任務的工作方式，實現了對慢連續變量的過程控制。后期多微處理器結構普遍采用被普遍用于大中型PLC。由此使得PLC不僅數據處理速度大幅度提高，而且可以完成非常復雜的過程控制任務，特別是PLC配置了多種內含CPU的智能模塊，例如PID（比例積分微分）控制模塊、運動控制模塊、高速計數模塊、網絡通信模塊等，PLC通過并行總線能夠將它們連成有機整體。以上技術措施為PLC在裝置一級實現三電一體奠定了堅實的基礎。

隨著控制功能、控制規模、控制復雜度的提高，將慢連續變量的過程控制計算機，改成周期循環掃描，并具有大量開關控制功能是力所不及的。因此，專門用于過程控制的計算機裝置不容易實現“三電一體”。

(2)PLC在硬、軟件設計方面采用了多項技術措施，具有非常高的可靠性。一方面，在硬件上采用了一系列的抗干擾措施，如濾波、隔離、屏蔽、接地等，完善的電磁兼容性設計被用于模塊機箱，嚴格篩選相關元件。軟件方面，采用指令復執、數字濾波、程序卷回、差錯校驗等一系列軟件抗干擾設計及故障診斷技術，在系統級層面進行了冗余配置。此外，可編程控制器（PLC）的高可靠性還得益于其特殊的工作方式，其采用的周期循環掃描工作方式本身就具有抗干擾能力。在一個循環掃描周期中，僅有一小段時間進行I/O讀取或輸出處理，由于只有在這小段時間內，干擾才可能被引入可編程控制器（PLC）內部，而在掃描周期的其余大部分時間段，干擾都被阻擋在可編程控制器（PLC）以外，所以，PLC的這種工作方式具有很強的抗干擾能力。

(3)可編程控制器（PLC）網絡經過多年的發展，已成為具有3、4級子網的多級分布式網絡。強有力的工具軟件開發應用，使得系統具有動態畫面顯示、工藝流程顯示、趨勢圖生成顯示、各類報表制作等多種功能。在制造業自動化通信協議(Manuf act uring Aut omat ion Pr ot ocol，簡稱MAP)規約的支撐下，PLC網絡可以方便地與其他網絡互連，使其成為CIMS系統重要的組成部分，具有很高的性能價格比。

PLC網絡與集散控制系統（DCS）相比具有更高的性價比，原因在于集散控制系統（DCS）通信網絡普遍采用1 : 1冗余，包括通信信道、通信接口的1:1冗余，還包括通信系統發生故障時，進行故障檢測及自動切換到備用子網的裝置。雖然DCS系統性能優良，但造價很高，從經濟的角度考慮，遠不如PLC的性價比高。。PLC網絡僅在關鍵部位采用冗余結構，并不在網絡級采用1 : 1冗余，PLC網絡的這種結構方案使其價格大大低于DCS系統。由于PLC能夠集“三電”于一體，需要通過網絡交換的數據量相對較少，PLC網絡通信速度要求降低，這使得PLC網絡結構相對簡單。

(4)集散控制系統（DCS）在網絡級實現的“三電”一體化，對網絡通信速度要求比較高，需要通過網絡交換的數據量也比較大，所以，集散控制系統（DCS）系統的通信網絡比較復雜。PLC網絡盡管沒有1:1冗余，冗余結構被用于關鍵部位，保障了系統的可靠性。從系統復雜度與可靠度關系的角度來看，簡單通信網絡的可靠性比復雜通信網絡的可靠性更高。

正是由于PLC集成了多種控制功能，可以實現邏輯控制、過程控制、運動控制，集“三電”于一身，靈活機動，具有高可靠性。PLC網絡與DCS系統相比，具有很好的性能價格比，在中小型控制網絡中具有明顯競爭力，適合于各種規模的自動化系統，PLC及其網絡已成為現代工業自動化的支柱之一。

[1]戴一平等.LC控制技術[M].北京:清華大學出版社,2013,11.

[2]徐文尚等.氣控制技術與PLC[M].機械工業出版社,2012,10.