可編程控制器 PLC的發展趨勢綜述

鎮江船艇學院　陳　卓

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可編程控制器 PLC的發展趨勢綜述

鎮江船艇學院陳卓

【摘要】隨著自動控制綜合技術的發展，PLC正在廣泛深入地應用于工業控制的各個領域。本文對分別從大型網絡化綜合化以及速度快、功能強的小型化兩個方面對新一代PLC的發展趨勢進行了綜述。

【關鍵詞】PLC；大型網絡化；綜合化；速度快；功能強

目前，計算機綜合技術不斷發展，工業自動化領域范圍不斷延伸，PLC結構和功能也隨之不斷地完善，從而，實現控制和管理功能的結合，并以不同生產廠家的產品構成開放型的控制系統。從出現至今，PLC走的是專業化道路，帶來了諸多制約因素。目前，人們正致力于尋求開放型的硬件或軟件平臺，新一代PLC以下主要有兩種發展趨勢。

1　向大型網絡化、綜合化方向發展

實現信息管理和工業生產相結合的綜合自動化是PLC技術發展的趨勢。現代工業自動化已不再局限于某些生產過程的自動化，采用32位微處理器的多CPU并行工作和大容量存儲器的超大型PLC可實現超萬點的I/O控制，大中型PLC具有如下功能:函數運算、浮點運算、數據處理、文字處理、隊列、陣運算、PID運算、超前補償、滯后補償、多段斜坡曲線生成、處方、配方、批處理、故障搜索、自診斷等。強化通信能力和網絡化功能是大型PLC發展的一個重要方面。主要表現在：向下將多個PLC與遠程I/O站點相連，向上與工控機或管理計算機相連構成整個工廠的自動化控制系統。

2　向速度快、功能強的小型化方向發展

當前小型化PLC在工業控制領域具有不可替代的地位，隨著應用范圍的擴大，體積小、速度快、功能強、價格低的PLC廣泛應用到工控領域的各個層面。小型PLC將由整體化結構向模塊化結構發展，系統配置的靈活性得以增強。小型化發展具體表現在：結構上的更新、物理尺寸的縮小、運算速度的提高、網絡功能的加強、價格成本的降低。小型PLC的功能得到進一步強化，可直接安裝在機器內部，適用于回路或設備的單機控制，不僅能夠完成開關量的I/O控制，還可以實現高速計數、高速脈沖輸出、PWM波輸出、中斷控制、PID控制、網絡通信等功能，更利于機電一體化的形成。

現代PLC在模塊功能、運算速度、結構規模以及網絡通信等方面都有了跨越式發展，它與計算機、通信、網絡、半導體集成、控制、顯示等技術的發展密切相關。PLC已經融入了IPC和DCS的特點。面對激烈的技術市場競爭，PLC面臨其他控制新技術和新設備所帶來的沖擊，PLC必須不斷融入新技術、新方法，結合自身的特點，推陳出新，功能更加完善。PLC技術的不斷進步，加之在在網絡通信技術方面出現新的突破，新一代PLC將能夠更好地滿足各種工業自動化控制的需要，其技術的發展趨勢有如下特點：

2.1網絡化

PLC相互之間以及PLC與計算機之間的通信是PLC的網絡通信所包含的內容。人們在不斷制訂與完善通用的通信標準，以加強PLC的連網通信能力。PLC典型的網絡拓撲結構為設備控制、過程控制和信息管理3個層次，工業自動化使用最多、應用范圍最廣泛的自動化控制網絡便是PLC及其網絡。

人們把現場總線引入設備控制層后，工業生產過程現場的檢測儀表、變頻器等現場設備可直接與PLC相連;過程控制層配置工具軟件，人機界面功能更加友好、方便：具有工藝流程、動態畫面、趨勢圖生成等顯示功能和各類報表制作等多種功能，還可使PLC實現跨地區的監控、編程、診斷、管理，實現工廠的整體自動化控制；信息管理層使控制與信息管理融為一體。在制造業自動化通信協議規約的推動下，PLC網絡中的以太網通信將會越來越重要。

2.2模塊多樣化和智能化

各廠家擁有多樣的系列化PLC產品，形成了應用靈活，使用簡便、通用性和兼容性更強的用戶的系統配置。智能的輸入/輸出模塊不依賴主機，通常也具有中央處理單元、存儲器、輸入/輸出單元以及與外部設備的接口，內部總線將它們連接起來。智能輸入/輸出模塊在自身系統程序的管理下，進行現場信號的檢測、處理和控制，并通過外部設備接口與PLC主機的輸入/輸出擴展接口連接，從而實現與主機的通信。智能輸入/輸出模塊既可以處理快速變化的現場信號，還可使PLC主機能夠執行更多的應用程序。

適應各種特殊功能需要的各種智能模塊，如智能PID模塊、高速計數模塊、溫度檢測模塊、位置檢測模塊、運動控制模塊、遠程I/O模塊、通信和人機接口模塊等，其CPU與PLC的CPU并行工作，占用主機的CPU時間很少，可以提高PLC的掃描速度和完成特殊的控制要求。智能模塊的出現，擴展了PLC功能，擴大了PLC應用范圍，從而使得系統的設計更加靈活方便。

2.3高性能和高可靠性

如果PLC具有更大的存儲容量、更高的運行速度和實時通信能力，必然可以提高PLC的處理能力、增強控制功能和范圍。高速度包括運算速度、交換數據、編程設備服務處理高以及外部設備響應等方面的高速化，運行速度和存儲容量是PLC非常重要的性能指標。

自診斷技術、冗余技術、容錯技術在PLC中得到廣泛應用，在PLC控制系統發生的故障中，外部故障發生率遠遠大于內部故障的發生率。PLC內部故障通過PLC本身的軟、硬件能夠實現檢測與處理，檢測外部故障的專用智能模塊將進一步提高控制系統的可靠性，具有容錯和冗余性能的PLC技術將得以發展。

2.4編程朝著多樣化、高級化方向發展

硬件結構的不斷發展和功能的不斷提高，PLC編程語言，除了梯形圖、語句表外，還出現了面向順序控制的步進編程語言、面向過程控制的流程圖語言以及與微機兼容的高級語言等，將滿足適應各種控制要求。另外，功能更強、通用的的組態軟件將不斷改善開發環境，提高開發效率。PLC技術進步的發展趨勢也將是多種編程語言的并存、互補與發展。

2.5集成化

所謂軟件集成，就是將PLC的編程、操作界面、程序調試、故障診斷和處理、通信等集成為一體。監控軟件集成，系統將實現直接從生產中獲得大量實時數據，并將數據加以分析后傳送到管理層；此外，它還能將過程優化數據和生產過程的參數迅速地反饋到控制層。

現在，系統的軟、硬件只需通過模塊化、系列化組合，便可在集成化的控制平臺上“私人定制”的客戶需要的控制系統，包括PLC控制系統、伺服控制系統、DCS系統以及SCADA系統等，系統維護更加方便。將來，PLC技術將會集成更多的系統功能，逐漸降低用戶的使用難度，縮短開發周期以及降低開發成本，以滿足工業用戶的需求。在一個集成自動化系統中，設備間能夠最大程度上實現資源的利用與共享。

2.6開放性與兼容性

信息相互交流的即時性、流通性對于工業控制系統而言，要求越來越高，系統整體性能更為重要，人們更加注重PLC和周邊設備的配合，用戶對開放性要求強烈。系統不開放和不兼容會令用戶難以充分利用自動化技術，給系統集成、系統升級和信息管理帶來困難和附加成本。PLC的品質既要看其內在技術是否先進，還需考察其符合國際標準化的程度和水平。標準化既可保證產品質量，也將保證各廠家產品之間的兼容性、開放性。編程軟件統一、系統集成接口統一、網絡和通信協議統一是PLC的開放性主要體現。目前，總線技術和以太網技術的協議是公開的，它為支持各種協議的PLC開放，提供了很好的條件。國際標準化組織提出的開放系統互連參考模型O鈕，通信協議的標準化使各制造廠商的產品相互通信，促進PLC在開放功能上有較大發展。PLC的開放性涉及通信協議、可靠性、技術保密性、廠家商業利益等眾多問題，PLC的完全開放還有很長的路要走。PLC的開放性會使其更好地與其他控制系統集成，這是PLC未來的主要發展方向之一。

系統開放可使第三方軟件在符合開放系統互連標準的PLC上得到移植;采用標準化的軟件可大大縮短系統開發時間，提高系統的可靠性。軟件的發展也表現在通信軟件的應用上，近年推出的PLC都具有開放系統互連和通信的功能。標準編程方法將會使軟件更容易操作和學習，軟件開發工具和支持軟件也相應地得到更廣泛的應用。維護軟件功能的增強，降低了維護人員的技能要求，減少了培訓費用。面向對象的控件和OPC技術等高新技術被廣泛應用于軟件產品中。PLC已經開始采用標準化的軟件系統，高級語言編程也正逐步形成，為進一步的軟件開放打下了基礎。

2.7集成安全技術應用

集成安全基本原理是能夠感知非正常工作狀態并采取動作。安全集成系統與PLC標準控制系統共存，它們共享一個數據網絡，安全集成系統的邏輯在PLC和智能驅動器硬件上運行。安全控制系統包括安全輸入設備，例如急停按鈕、安全門限位開關或連鎖開關、安全光柵或光幕、雙手控制按鈕;安全控制電氣元件，例如安全繼電器、安全PLC、安全總線;安全輸出控制，例如主回路中的接觸器、繼電器、閥等。

PLC控制系統的安全性也越來越得到重視，安全PLC控制系統就是專門為條件苛刻的任務或安全應用而設計的。安全PLC控制系統在其失效時不會對人員或過程安全帶來危險。安全技術集成到伺服驅動系統中，便可以提供最短反應時間，設定的安全相關數據在兩個獨立微處理器的通道中被傳輸和處理。如果發現某個通道中有監視參數存在誤差時，驅動系統就會進入安全模式。PLC控制系統的安全技術要求系統具有自診斷能力，可以監測硬件狀態、程序執行狀態和操作系統狀態，保護安全PLC不受來自外界的干擾。

在PLC安全技術方面，各廠商在不斷研發和推出安全PLC產品，例如，在標準I/O組中加上內嵌安全功能的I/O模塊，通過編程組態來實現安全控制，從而構成了全集成的安全系統。這種基于Ethernet Powerlink的安全系統是一種集成的模塊化的安全技術，成為可靠、高效的生產過程的安全保障。

由于安全集成系統與控制系統共享一條數據總線或者一些硬件，系統的數據傳輸和處理速度可以大幅度提高，同時還節省了大量布線、安裝、試運行及維護成本。羅克韋爾推出了模塊式與分布式的安全PLC，西門子的安全PLC也已應用于汽車制造系統中。可以預見，安全PLC技術將會廣泛應用于汽車、機床、機械、船舶、石化、電廠等領域。

2.8軟PLC的發展

傳統PLC有些弱點使它的發展受到限制：(1)PLC的軟、硬體系結構封閉、不開放，專用總線、通信網絡協議、各模塊不通用；(2)編程語言雖多，但其組態、尋址、語言結構都不一致；(3)各品牌的PLC通用性和兼容性差；(4)各品牌產品的編程方法差別很大，技術專有性較強，用戶使用某種品牌PLC時，不但要重新了解其硬件結構，還必須重新學習編程方法及其他規定。

隨著工業控制系統規模的不斷擴大，控制結構日趨分散化和復雜化，需要PLC具有更多的用戶接口、更強大的網絡通信能力、更好的靈活性。近年來，隨著IEC61131- 3標準的推廣，使得PLC呈現出PC化和軟件化趨勢。相對于傳統PLC，軟PLC技術以其開放性、靈活性和低成本占有很大優勢。

軟PLC按照IEC61131-3標準，打破以往各個PLC廠家互不兼容的局限性，可充分利用工業控制計算機(IPC)或嵌入式計算機(EPC)的硬、軟件資源，用軟件來實現傳統PLC的功能，使系統從封閉走向開放。軟PLC技術提供PLC的相同功能，卻具備了PC的各種優點。

軟PLC具有高速數據處理能力和強大網絡功能，可以簡化自動化系統的體系結構，把控制、數據采集、通信、人機界面及特定應用，集成到一個統一開放系統平臺上，采用開放的總線網絡協議標準，滿足未來控制系統開放性和柔性的要求。

基于PC的軟PLC系統簡化了系統的網絡結構和設備設計，簡化了復雜的通信接口，提高了系統的通信效率，降低了硬件投資，易于調試和維護。通過OPC技術能夠方便地與第三方控制產品建立通信，便于與其他控制產品集成。

目前，軟PLC技術還處于發展初期，成熟完善的產品不多。軟PLC技術也存在著一些問題，主要是以PC為基礎的控制引擎的實時性問題及設備的可靠性問題。隨著技術的發展，相信軟PLC會逐漸走向成熟。

參考文獻

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