PLC控制系統發展前景研究

內蒙古科技大學工程訓練中心　王雪燃

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PLC控制系統發展前景研究

內蒙古科技大學工程訓練中心王雪燃

【摘要】可編程序控制器(Programmable Logic Controller，PLC)是一種普遍應用在工業領域中的技術。文章簡述了PLC技術的產生背景與發展現狀，闡明PLC技術的功能及其在工業應用中的優點現已成為自動化領域的技術支柱，并介紹了PLC系統的發展前景。

【關鍵詞】PLC；工業自動化控制；發展前景

Keyword：PLC；Industrial Automation and Control；Development Trend

0　引言

可編程序控制器(Programmable Logic Controller，PLC)從其產生到現在，已經實現了從接線邏輯到存儲邏輯的飛躍，其功能也由弱到強，從而實現了從邏輯控制到數字控制的進步[1]。隨著計算機技術的高速發展，PLC在模擬量的處理數字運算人機接口和網絡等各方面的能力都已大幅度提高以成為工業控制領域的主流控制設備，并且應用的越來越廣泛在各行各業發揮著越來越大的作用。PLC是以微處理器為核心，綜合運用微機技術、自動化技術、通信技術于一體的通用工業控制裝置。常用的有日系歐姆龍等，國產的有臺達、永宏等。歐系的主要有施耐德、西門子等[2]。

從1968年至今，PLC的發展共經歷了四個階段：第一階段PLC大部分用單位機開發，功能也僅有邏輯控制；在第二階段，PLC產品中的微處理器換成了8位，產品也隨之開始量產；第三階段，隨著大規模高集成微處理器及位片式CPU的使用，PLC在處理速度上也隨之大大提高，從而向功能更多以及互聯網通信的方向發展；第四階段，通過使用16位或32位的高級CPU，并且將多個處理器配置在一臺PLC中，以此進行多通道數據處理。成為了名符其實的多功能控制器。隨著PLC的功能從單一化轉向多元化,特別是互聯網通信技術的支持，使PLC與設備之間的遠程連接和通信功能成為PLC控制系統中的重要特點之一[3]。

1　PLC控制系統

1.1PLC的構造

PLC控制系統主要有兩個基本要點，分別是輸入輸出信息的交換以及物理可靠性的實現[4]。輸入輸出信息的交換主要依靠程序來實現，程序存儲在PLC的內存。程序有兩種，一種是廠家在PLC出廠時所提供的內置程序；第二種是用戶自己開發的應用程序[5]。

內置程序主要有2個好處[6]：第一，為用戶提供了程序運行平臺；第二，通過處理程序運行時信號與信息的轉換，保證用戶程序的可靠性。物理可靠性的實現是依賴輸入（Input）電路和輸出（Output）電路來進行的。PLC的輸入電路第一步要對輸入的信號進行預處理，將信號進行濾波處理，過濾掉高頻的信號干擾。第二步是依靠光耦元件建立連接，在PLC內部與計算機電路進行光隔離。輸出電路需要對輸出的功率進行倍增，目的是使其可以帶動包括接觸器、繼電器等其他的工業控制元器件。

從PLC的構成角度看，它是數字運算操作的控制裝置，在計算機技術、自動化控制技術等方面有著重要應用[7]。它的主要構成有：電源、存儲器、中央處理單元（CPU）、接口電路等。電源是在交流電壓基礎上波動10%~15%左右，能夠采用適當的措施將PLC連接到交流電源上。存儲器的作用是存儲系統軟件，用戶程序存儲器則是存放應用軟件的。中央處理器是在整個系統的核心，起到協調系統各部件的作用。接口電路連接PLC系統和外部設備。

1.2PLC的運行原理

PLC的控制方式主要開關量的邏輯控制、模擬量控制、運動控制、過程控制等四種控制方式[8]。從PLC的功能層面來看，可以有效的實現開關量的邏輯控制，同時系統運行中可以結合現場的控制檢測信號，作為是否進行操作的條件，這樣就可以實現對設備的控制。此外，系統的計數功能以及限時控制功能也得到較好的發揮。在PLC系統中的計時指令作用下，時間的設定可以結合運行的情況發生而變化。對于計時控制，系統能對不同速度的計數器實施控制，實現了對系統的計數控制功能[9]。

從PLC的運作原理來看，它是通過對邏輯信號的順序掃描完成，此過程中主要是通過對輸入采樣，而后再執行操作，最后是輸出刷新。PLC實現控制的過程一般有以下幾個步驟[10]：

（1）輸入信號刷新；

（2）運行用戶程序；

（3）輸出信號刷新。

系統不斷反復循環步驟1至步驟3運行，在系統運行期間，會同時作公共處理，包括時間監控、外部服務及通信控制處理等。具體的工作原理就是信號采樣過程中，PLC需要讀取每個接口的實時狀態，然后把數據存儲在輸出區，并保證數據在本周期不發生變化，下一周期中才會對數據進行更新。如果是輸入信號，頻率上就會比掃描周期大，這樣才可以檢測到信號。而在執行程序過程中，PLC需要按照從上到下的方式進行掃描，然后進行控制線路的邏輯運算，根據邏輯運算結果對輸出線圈在系統中對應儲存狀態進行刷新。最后就是在輸出信號刷新中，需要CPU在上一階段程序執行成功后，對各模塊所對應的狀態及數據進行刷新，使輸出電路輸出到外部設備，一個控制周期結束。

2　PLC的應用前景

2.1人機界面更加友好

PLC制造商利用收購或與軟件公司合作的方式，通過發展自身軟件產業，大大提高了其軟件水平。大多數PLC廠商擁有與之相對應的開發平臺，通過結合軟件和硬件提高了系統的性能。同時，從用戶的開發和降低運維成本等角度，使更易形成人機友好的控制系統。目前，廣泛被應用的是PLC+網絡+IPC+CRT的模式。

2.2網絡通訊能力提升

PLC廠家在原來CPU物理層提供RS232/422/485接口的基礎上，增加了通訊接口并提供完整的網絡通訊功能。由于近年來通訊技術的快速發展，用戶要求較高的開放性，同時現場總線技術和以太網通訊技術也隨之快速發展。例如羅克韋爾A-B公司主推的三層網絡結構體系即EtherNet，ControlNet，DeviceNet，西門子公司在Profibus-DP及Profibus-FMS網絡等。

2.3開放性和操作性的發展

在PLC發展過程中，各大制造商為了擴大市場，均制定自己的標準。這導致兼容性很差，給用戶使用帶來很多不便，同時增加了運維成本。由此可以看出，PLC的開放性是發展的趨勢。這也形成了個大廠商之間長時期妥協與競爭，并且還在繼續。雖然PLC上各種開發工具仍不兼容，但基于這些標準的系統可以使用戶在開發過程中方便地適應不同廠商的產品。由OPC基金會提出的OPC（OLE for Process Control）標準，增強了軟硬件的互操作性。通過OPC，測試的產品的一致性，可以方便的實現無縫隙數據的交換。目前，大多數PLC軟件以及相當一部分、儀表執行機構等都支持OPC功能。OPC與現場總線技術的結合，也是未來自動化控制系統技術的發展趨勢。為使PLC更具開放性，并且可以執行多任務，可以在一個PLC中同時集成幾個CPU模塊，每個CPU模塊都執行某一特定計算任務。

2.4工業以太網對PLC發展的影響

與工業領域網絡相比，以太網因其成本非常低等特點，得到了廣泛的應用。因此，人們致力于將以太網引進自動化控制領域。目前的難題主要有：（1）硬件上如何適應惡劣環境。（2）如何提高原件之間的通訊可靠性。工控領域引入以太網還存在爭論，但以太網在工控系統中的應用，卻日益增多。適應這一趨勢的各PLC制造廠商相繼推出適應以太網的產品。PLC不僅在工業方面的作用逐漸增大，而且在生活上，利用PLC傳輸電力，使其作為通信載體，從而使得PLC具有極大的便捷性。例如，只要在有電源的房間就可享受5.5~55Mbps的高速網絡接入。并且，支持多客戶端同時接入，滿足同時瀏覽網頁、撥打電話和觀看視頻。另外，可以利用PLC將房屋內的電話、電視、音響、冰箱等家電連接起來，從而通過集中控制，實現智能家庭。目前，PLC主要是作為一種接入技術提供寬帶網絡的解決方案，適用于居民小區學校酒店寫字樓等領域，真正的做到快捷便利。

3　結束語

PLC的優點包括結構緊湊、數據可靠性高、系統功

能強、運行速度快、產品價格低等。在工業自動化領域中，PLC發揮著不可替代的作用。PLC的發展也將推動整個自動化工業領域的發展。通過對PLC相關的功能以及其原理的分析，可以從一定程度上提高對這一技術的認識，而將PLC在自動化控制系統中的應用上可以將控制水平得到有效提升。為了能夠使現代化的工業設計工作得到不斷的完善，就要將基礎工作得到完善，加強對PLC的理論研究。今后PLC的發展方向是從高效性、高速度、高可靠性、分布式、網絡化的方面。工業中主要以以太網作為系統的通信網絡，發展的新方向，而PLC的通信網絡也正隨著互聯網的發展而更加開放化、標準化，這必將推動PLC的發展。從目前來看，PLC的通信網絡的發展趨勢主要有兩個方面：一方面是支持企業級的互聯網服務，從而實現互聯網的接入和遠程監控；另一方面，現場總線也是當前的發展方向，開發更完善的網絡產品，提高網絡組態技術和網絡管理技術，促使工業控制系統的更加集成化。

參考文獻

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[4]王迪.PLC在工業自動化控制的有效運用[J].科技風,2015(07).

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[10]周永坤.淺析PLC的應用及前景[J].科技資訊,2005(25): 70-71.

Research on Development Prospects of PLC Control System

Wang Xueran
（Engineering Training Center，Inner Mongolia University of Science and Technology，Inner Mongolia，Baotou 014010）

Abstract：PLC（Programmable logic controller）is a widely used technique in the industrial field.We firstly outlines the background and current development of PLC technology to clarify the function of PLC technology.Secondly，we introduce its advantages in industrial applications has become a pillar of the field of automation technology. Finally，we introduce the development prospects of the PLC system.