談PLC的應用與發(fā)展

作為通用工業(yè)控制計算機，30年來(lái)，可編程控制器從無(wú)到有，實(shí)現了工業(yè)控制領(lǐng)域接線(xiàn)邏輯到存儲邏輯的飛躍；其功能從弱到強，實(shí)現了邏輯控制到數字控制的進(jìn)步；其應用領(lǐng)域從小到大，實(shí)現了單體設備簡(jiǎn)單控制到勝任運動(dòng)控制、過(guò)程控制、及集散控制等各種任務(wù)的跨越。今天的可編程控制器正在成為工業(yè)控制領(lǐng)域的主流控制設備，在世界各地發(fā)揮著(zhù)越來(lái)越大的作用。

    1. 可編程控制器的定義

    可編程控制器，簡(jiǎn)稱(chēng)PLC（Programmable logic Controller）,是指以計算機技術(shù)為基礎的新型工業(yè)控制裝置。在1987年國際電工委員會(huì )（International Electrical Committee）頒布的PLC標準草案中對PLC做了如下定義：
 
    “PLC是一種專(zhuān)門(mén)為在工業(yè)環(huán)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(lái)在其內部存儲執行邏輯運算、順序運算、計時(shí)、計數和算術(shù)運算等操作的指令，并能通過(guò)數字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類(lèi)型的機械或生產(chǎn)過(guò)程。PLC及其有關(guān)的外圍設備都應該按易于與工業(yè)控制系統形成一個(gè)整體，易于擴展其功能的原則而設計�！�

    2. PLC的特點(diǎn)

    2.1可靠性高，抗干擾能力強
   
    高可靠性是電氣控制設備的關(guān)鍵性能。PLC由于采用現代大規模集成電路技術(shù)，采用嚴格的生產(chǎn)工藝制造，內部電路采取了先進(jìn)的抗干擾技術(shù)，具有很高的可靠性。例如三菱公司生產(chǎn)的F系列PLC平均無(wú)故障時(shí)間高達30萬(wàn)小時(shí)。一些使用冗余CPU的PLC的平均無(wú)故障工作時(shí)間則更長(cháng)。從PLC的機外電路來(lái)說(shuō)，使用PLC構成控制系統，和同等規模的繼電接觸器系統相比，電氣接線(xiàn)及開(kāi)關(guān)接點(diǎn)已減少到數百甚至數千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC帶有硬件故障自我檢測功能，出現故障時(shí)可及時(shí)發(fā)出警報信息。在應用軟件中，應用者還可以編入外圍器件的故障自診斷程序，使系統中除PLC以外的電路及設備也獲得故障自診斷保護。這樣，整個(gè)系統具有極高的可靠性也就不奇怪了。

    2.2配套齊全，功能完善，適用性強
   
    PLC發(fā)展到今天，已經(jīng)形成了大、中、小各種規模的系列化產(chǎn)品�？梢杂糜诟鞣N規模的工業(yè)控制場(chǎng)合。除了邏輯處理功能以外，現代PLC大多具有完善的數據運算能力，可用于各種數字控制領(lǐng)域。近年來(lái)PLC的功能單元大量涌現，使PLC滲透到了位置控制、溫度控制、CNC等各種工業(yè)控制中。加上PLC通信能力的增強及人機界面技術(shù)的發(fā)展，使用PLC組成各種控制系統變得非常容易。

    2.3易學(xué)易用，深受工程技術(shù)人員歡迎
   
    PLC作為通用工業(yè)控制計算機，是面向工礦企業(yè)的工控設備。它接口容易，編程語(yǔ)言易于為工程技術(shù)人員接受。梯形圖語(yǔ)言的圖形符號與表達方式和繼電器電路圖相當接近，只用PLC的少量開(kāi)關(guān)量邏輯控制指令就可以方便地實(shí)現繼電器電路的功能。為不熟悉電子電路、不懂計算機原理和匯編語(yǔ)言的人使用計算機從事工業(yè)控制打開(kāi)了方便之門(mén)。

    2.4系統的設計、建造工作量小，維護方便，容易改造
   
    PLC用存儲邏輯代替接線(xiàn)邏輯，大大減少了控制設備外部的接線(xiàn)，使控制系統設計及建造的周期大為縮短，同時(shí)維護也變得容易起來(lái)。更重要的是使同一設備經(jīng)過(guò)改變程序改變生產(chǎn)過(guò)程成為可能。這很適合多品種、小批量的生產(chǎn)場(chǎng)合。

    2.5體積小，重量輕，能耗低

    以超小型PLC為例，新近出產(chǎn)的品種底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗僅數瓦。由于體積小很容易裝入機械內部，是實(shí)現機電一體化的理想控制設備。

3. PLC的應用領(lǐng)域

    目前，PLC在國內外已廣泛應用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械制造、汽車(chē)、輕紡、交通運輸、環(huán)保及文化娛樂(lè )等各個(gè)行業(yè)，使用情況大致可歸納為如下幾類(lèi)。

    3.1開(kāi)關(guān)量的邏輯控制
   
    這是PLC最基本、最廣泛的應用領(lǐng)域，它取代傳統的繼電器電路，實(shí)現邏輯控制、順序控制，既可用于單臺設備的控制，也可用于多機群控及自動(dòng)化流水線(xiàn)。如注塑機、印刷機、訂書(shū)機械、組合機床、磨床、包裝生產(chǎn)線(xiàn)、電鍍流水線(xiàn)等。

    3.2模擬量控制
   
    在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程當中，有許多連續變化的量，如溫度、壓力、流量、液位和速度等都是模擬量。為了使可編程控制器處理模擬量，必須實(shí)現模擬量（Analog）和數字量（Digital）之間的A/D轉換及D/A轉換。PLC廠(chǎng)家都生產(chǎn)配套的A/D和D/A轉換模塊，使可編程控制器用于模擬量控制。

    3.3運動(dòng)控制
   
    PLC可以用于圓周運動(dòng)或直線(xiàn)運動(dòng)的控制。從控制機構配置來(lái)說(shuō)，早期直接用于開(kāi)關(guān)量I/O模塊連接位置傳感器和執行機構，現在一般使用專(zhuān)用的運動(dòng)控制模塊。如可驅動(dòng)步進(jìn)電機或伺服電機的單軸或多軸位置控制模塊。世界上各主要PLC廠(chǎng)家的產(chǎn)品幾乎都有運動(dòng)控制功能，廣泛用于各種機械、機床、機器人、電梯等場(chǎng)合。

    3.4過(guò)程控制

    過(guò)程控制是指對溫度、壓力、流量等模擬量的閉環(huán)控制。作為工業(yè)控制計算機，PLC能編制各種各樣的控制算法程序，完成閉環(huán)控制。PID調節是一般閉環(huán)控制系統中用得較多的調節方法。大中型PLC都有PID模塊，目前許多小型PLC也具有此功能模塊。PID處理一般是運行專(zhuān)用的PID子程序。過(guò)程控制在冶金、化工、熱處理、鍋爐控制等場(chǎng)合有非常廣泛的應用。

    3.5數據處理

    現代PLC具有數學(xué)運算（含矩陣運算、函數運算、邏輯運算）、數據傳送、數據轉換、排序、查表、位操作等功能，可以完成數據的采集、分析及處理。這些數據可以與存儲在存儲器中的參考值比較，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能傳送到別的智能裝置，或將它們打印制表。數據處理一般用于大型控制系統，如無(wú)人控制的柔性制造系統；也可用于過(guò)程控制系統，如造紙、冶金、食品工業(yè)中的一些大型控制系統。
   
    3.6通信及聯(lián)網(wǎng)
   
    PLC通信含PLC間的通信及PLC與其它智能設備間的通信。隨著(zhù)計算機控制的發(fā)展，工廠(chǎng)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò )發(fā)展得很快，各PLC廠(chǎng)商都十分重視PLC的通信功能，紛紛推出各自的網(wǎng)絡(luò )系統。新近生產(chǎn)的PLC都具有通信接口，通信非常方便。

    4. PLC的國內外狀況

    世界上公認的第一臺PLC是1969年美國數字設備公司（DEC）研制的。限于當時(shí)的元器件條件及計算機發(fā)展水平，早期的PLC主要由分立元件和中小規模集成電路組成，可以完成簡(jiǎn)單的邏輯控制及定時(shí)、計數功能。20世紀70年代初出現了微處理器。人們很快將其引入可編程控制器，使PLC增加了運算、數據傳送及處理等功能，完成了真正具有計算機特征的工業(yè)控制裝置。為了方便熟悉繼電器、接觸器系統的工程技術(shù)人員使用，可編程控制器采用和繼電器電路圖類(lèi)似的梯形圖作為主要編程語(yǔ)言，并將參加運算及處理的計算機存儲元件都以繼電器命名。此時(shí)的PLC為微機技術(shù)和繼電器常規控制概念相結合的產(chǎn)物。

    20世紀70年代中末期，可編程控制器進(jìn)入實(shí)用化發(fā)展階段，計算機技術(shù)已全面引入可編程控制器中，使其功能發(fā)生了飛躍。更高的運算速度、超小型體積、更可靠的工業(yè)抗干擾設計、模擬量運算、PID功能及極高的性?xún)r(jià)比奠定了它在現代工業(yè)中的地位。20世紀80年代初，可編程控制器在先進(jìn)工業(yè)國家中已獲得廣泛應用。這個(gè)時(shí)期可編程控制器發(fā)展的特點(diǎn)是大規模、高速度、高性能、產(chǎn)品系列化。這個(gè)階段的另一個(gè)特點(diǎn)是世界上生產(chǎn)可編程控制器的國家日益增多，產(chǎn)量日益上升。這標志著(zhù)可編程控制器已步入成熟階段。

20世紀末期，可編程控制器的發(fā)展特點(diǎn)是更加適應于現代工業(yè)的需要。從控制規模上來(lái)說(shuō)，這個(gè)時(shí)期發(fā)展了大型機和超小型機；從控制能力上來(lái)說(shuō)，誕生了各種各樣的特殊功能單元，用于壓力、溫度、轉速、位移等各式各樣的控制場(chǎng)合；從產(chǎn)品的配套能力來(lái)說(shuō)，生產(chǎn)了各種人機界面單元、通信單元，使應用可編程控制器的工業(yè)控制設備的配套更加容易。目前，可編程控制器在機械制造、石油化工、冶金鋼鐵、汽車(chē)、輕工業(yè)等領(lǐng)域的應用都得到了長(cháng)足的發(fā)展。

    我國可編程控制器的引進(jìn)、應用、研制、生產(chǎn)是伴隨著(zhù)改革開(kāi)放開(kāi)始的。最初是在引進(jìn)設備中大量使用了可編程控制器。接下來(lái)在各種企業(yè)的生產(chǎn)設備及產(chǎn)品中不斷擴大了PLC的應用。目前，我國自己已可以生產(chǎn)中小型可編程控制器。上海東屋電氣有限公司生產(chǎn)的CF系列、杭州機床電器廠(chǎng)生產(chǎn)的DKK及D系列、大連組合機床研究所生產(chǎn)的S系列、蘇州電子計算機廠(chǎng)生產(chǎn)的YZ系列等多種產(chǎn)品已具備了一定的規模并在工業(yè)產(chǎn)品中獲得了應用。此外，無(wú)錫華光公司、上海鄉島公司等中外合資企業(yè)也是我國比較著(zhù)名的PLC生產(chǎn)廠(chǎng)家�？梢灶A期，隨著(zhù)我國現代化進(jìn)程的深入，PLC在我國將有更廣闊的應用天地。

    5. PLC未來(lái)展望

    21世紀，PLC會(huì )有更大的發(fā)展。從技術(shù)上看，計算機技術(shù)的新成果會(huì )更多地應用于可編程控制器的設計和制造上，會(huì )有運算速度更快、存儲容量更大、智能更強的品種出現；從產(chǎn)品規模上看，會(huì )進(jìn)一步向超小型及超大型方向發(fā)展；從產(chǎn)品的配套性上看，產(chǎn)品的品種會(huì )更豐富、規格更齊全，完美的人機界面、完備的通信設備會(huì )更好地適應各種工業(yè)控制場(chǎng)合的需求；從市場(chǎng)上看，各國各自生產(chǎn)多品種產(chǎn)品的情況會(huì )隨著(zhù)國際競爭的加劇而打破，會(huì )出現少數幾個(gè)品牌壟斷國際市場(chǎng)的局面，會(huì )出現國際通用的編程語(yǔ)言；從網(wǎng)絡(luò )的發(fā)展情況來(lái)看，可編程控制器和其它工業(yè)控制計算機組網(wǎng)構成大型的控制系統是可編程控制器技術(shù)的發(fā)展方向。目前的計算機集散控制系統DCS（Distributed Control System）中已有大量的可編程控制器應用。伴隨著(zhù)計算機網(wǎng)絡(luò )的發(fā)展，可編程控制器作為自動(dòng)化控制網(wǎng)絡(luò )和國際通用網(wǎng)絡(luò )的重要組成部分，將在工業(yè)及工業(yè)以外的眾多領(lǐng)域發(fā)揮越來(lái)越大的作用。

    參考文獻
    [1]  爾桂花. 新編《信息、控制與系統》系列教材.北京：清華大學(xué)出版社，2002.10
    [2]  田瑞庭.可編程控制器應用技術(shù).北京：機械工業(yè)出版社，1994
    [3]  張萬(wàn)忠.可編程控制器應用技術(shù).北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2001.12
    [4]  于慶廣.可編程控制器原理及系統設計.北京：清華大學(xué)出版社.2004