西门子丹东PLC模块总代理商

 从20世纪20年代起，继电接触器控制系统在工业控制领域中一度占据主导地位，该系统是通过导线将各种继电器、定时器、接触器及其触点按一定的逻辑关系连接来控制各种机械或过程。但是，这种继电接触器控制系统具有明显的缺点，即设备体积大，动作速度馒．功能单一，仅能做简单的控制；特别是采用硬连线逻辑，接线复杂，一旦生产工艺或对象变动，原有接线和控制盘（柜）就需要更换，所以这种系统的通用性和灵活性较差，不利于产品的更新换代。

    20世纪60年代末期，美国汽车制造业竞争激烈。1968年，美国通用汽车公司提出了开发新型逻辑顺序控制装置以取代继电器控制盘的设想，为此发布了10个招标指标，其主要内容如下：

    ①编程简单，可在现场修改程序。

    ②维护方便，好是插件式。

    ⑧可靠性高于继电器控制柜。

    ④体积小于继电器控制柜，能耗较低。

    ⑤可将数据直接上传到管理计算机，便于监视系统运行状态。

    ⑥在成本上可与继电器控制相竞争，即有较高的性能价格比。

    ⑦输入开关量可以是交流115 V电压信号（美国电网电压为110 V）。

    ⑧输出的驱动信号为交流115 V、2A以上容量，能直接驱动电磁阀线圈。

    ⑨具有灵活的扩展能力。在扩展时，只需在原系统上做很小变更即可达到大配置。

    ⑩用户程序存储器容量至少在4 KB以上（适应当时汽车装配过程的要求）。

    以上10项指标的核心是采用软布线，即以编程方式取代继电器控制的硬接线方式，这样在每次汽车改型或改变工艺流程时无须改动接线，从而降低成本，缩短新产品开发周期，实现大规模生产线的流程控制。

    1969年，美国数字设备公司(DEC)研制出世界上台可编程序控制器(ProgrammableLogic Controller) PDP-14，在美国通用汽车装配线上试用，这种面向工业过程的控制装置一问世即获得了巨大成功。其后，美国MODICON公司推出了同名的084控制器；1971年，日本从美国引进了这项新技术，研制出了其台PLC-DSC-8。1973年，西欧国家的台PLC也研制成功。我国从1974年开始仿制美国的第二代PLC，1977年研制出台具有实用价值的PLC。

    纵观PLC控制功能的拓展历程大致经历了以下四个阶段。

    (1)崛起阶段（从台PLC诞生到20世纪70年代中期）

    首先在汽车工业获得大量应用，继而在其他产业部门也开始应用。由于大规模集成电路的出现，采用8位微处理器芯片作为中央处理器(CPU)，推动了可编程序控制器技术的飞跃。这一阶段PLC主要用于逻辑运算、定时与计数运算，控制功能比较简单。因此该阶段的产品称为可编程序逻辑控制器。

    (2)成熟阶段（从20世纪70年代中期到70年代末期）

由于超大规模集成电路的出现，16位微处理器和51单片机相继问世，使PLC向大规模、高速度、高性能方向发展。这一阶段PLC的功能扩展到数据传送、比较和运算，以及模拟量运算等。

 (3)通信阶段（从20世纪70年代末期到80年代中期）

 由于计算机通信技术的发展，PLC也初步形成了分布式的通信网络体系，但是由于制造厂商各自为政，通信系统自成一派，造成了不同厂家产品的互连较为困难。在该阶段，由于社会生产对PLC的需求大幅增加，其数学运算功能得到了较大的扩充，可靠性也得到了进一步提高。

 (4)开放阶段（从20世纪80年代中期至今）

 进入21世纪，开放系统的提出使PLC得到较大的发展。主要表现为通信系统的开放，使各制造厂商的PLC可以相互通信，通信协议的标准化使用户得到实惠。在这一阶段，PLC的规模增大，功能不断完善，大中型PLC多配CRT屏幕显示功能，产品的扩展也因通信功能的改善而变得简便，此外还采用了标准的软件系统，增加了编程语言等。随着控制对象的日益多样化和复杂化，采用单一PLC已不能满足控制要求，逐步被控制功能多样化的模块构建的PLC系统所取代。

现代PLC应用综合了计算机技术、自动控制技术和网络通信技术，在工业自动化中起着举足轻重的作用，在国内外已广泛应用于机械、冶金、石油、化工、轻工、纺织、电力、电子、食品、交通等行业。统计数据显示，80%以上的工业控制可以使用PLC来完成。随着其性能价格比的不断提高，应用领域已扩展到以下几个方面。

    (1)数字量逻辑控制

    PLC用“与”、“或”、“非”等逻辑指令来实现触点和电路的串、并联，代替继电器进行组合逻辑控制、定时控制与顺序逻辑控制等。

    (2)运动控制

    PLC使用专用的运动控制模块，对直线运动或圆周运动的位置、速度和加速度进行控制，可以实现单轴、双轴和多轴位置控制，使运动控制与顺序控制功能有机地结合在一起。PLC的运动控制功能广泛应用于各种机械，如传送带移载机、机器人、电梯等。

    (3)闭环过程控制

    闭环过程控制是指对温度、压力、流量等连续变化的模拟量的闭环控制。PLC通过模拟量输入／输出模块，实现模／数(A/D)或数／模(D/A)转换，并对模拟量实行比例一积分一微分（简称PID）控制。现代的大中型PLC -般都配有PID闭环控制功能，可由PID指令或专用PID模块来实现。

    (4)数据处理

    现代PLC具有数学运算（包括四则运算、函数运算、逻辑运算、矩阵运算及浮点数运算等）、数据传送、数制转换、数据比较、文件处理等功能，可以完成数据的采集、分析和处理。

    (5)通信联网

    PLC的通信包括主机与远程I/O之间的通信、多台PLC之间的通信、PLC与其他智能控制设备（如计算机、变频器、仪表）之间的通信。PLC与其他智能控制设备一起，可以组成分布式控制系统，从而初显了小型集散控制系统（简称DCS）的雏形。

    2007年中国PLC市场规模达到50亿人民币，台套数超过131万套。相对于2006年的44.3亿元的市场规模和96万套的数量，2007年PLC市场在OEM的带动下延续了上一年良好的增长势头，增长幅度基本与上年持平，销售额增长率为12.9%（摘自《2008中国PLC市场研究报告》）。

    由于PLC应用向智能化和网络化发展，且逐渐成为主流趋势，此类应用人员的需求尤为突出。因此，在2006年9月，国家劳动和社会保障部公布的第七批新职业中，可编程序控制系统设计师列为首位。

    PLC未来将向以下两个方向发展。

    (1)大型化方向

    PLC的CPU从早期的1位，向8位、16位、32位、64位发展，晶振频率已可达到几百兆赫兹，从单CPU向多CPU的并行处理发展，提高了处理能力和响应速度及模块化程度。存储器的容量也成倍增加，从几千字节发展到几万字节，直到几兆字节、几+兆字节等。由于硬件性能的提高，使PLC向大型化方向发展提供了硬件保障。

    软件功能的日益丰富与完善是PLC向大型化方向发展的重要标志。美国国际电工委员会(IEC)在规定PLC的编程语言时，认为主要的程序组织语言是顺序功能表。功能表的每个动作和转换条件可以运用梯形图编程，这种方法使用方便，容易掌握，深受电工和电气技术人员的欢迎，也是PLC得以迅速推广的重要因素之一。但是，它在处理较复杂的运算、通信和打印报表等功能时显得效率低、灵活性差，尤其用于通信时显得笨拙，因此在原梯形图编程语言基础上加入了语言，如C语言等。

    目前，PLC与监控数据采集系统（简称SCADA）、DCS系统相互渗透，使其在以仪表控制为主导的过程控制领域占有一席之地。同时，PLC也在向计算机集成制造系统(简称CIMS)、计算机集成生产系统（简称CIPS）、机器人和柔性控制系统（简称FMS）方向发展，使其成为制造业ue的控制手段。

    (2)小型化方向

    为满足不同的控制需求，各厂家推出了小型化、高性能的整体式PLC产品，在提高系统可靠性的基础上，产品体积越来越小，功能却越来越强。欧姆龙公司推出的CPIH PLC的体积约为150mm×90mm×85mm，内置40个开关量I/O点，4个模拟量输入点以及2个模拟量输出点，基本指令的平均执行时间为0.1微秒／条，指令的平均执行时间为0.3微秒／条，可以使用几百条指令编程。同时，PLC的制造厂商也开发了多种类型的高性能模块，如模拟量模块、高速计数模块、通信接口模块等。当输入、输出点数增加时，可以根据过程控制的需求，采用灵活的组合方式进行配套，完成所需的控制功能。

PLC之所以越来越受到自动控制界人士的重视，是由于它具有令通用计算机望尘莫及的特点。

    1．应用简便

    (1)应用灵活、安装简便

    标准的积木式硬件结构与模块化的软件设计，使PLC不仅适应大小不同、功能复杂的控制要求，而且适应工艺流程变化较多的场合。它的安装和现场接线简便，可按积木方式扩充和缩小其系统规模，组合成灵活的控制系统。由于其控制功能是通过软件实现的，因此，设计人员可以在未购置硬件设备前进行“软布线”工作，从而缩短了整个设计、生产、调试周期，研制经费相对减少了。

    从硬件连接方面来看，PLC对现场环境要求不高，无论是接线、配置都极其方便，只用螺钉旋具即可进行全部接线工作，无须自行设计和制造专用接口电路，一般在编程并模拟调试后，即可投入现场，很快就能安装调试成功并投产。

    (2)编程简化

    PLC采用电气操作人员习惯的梯形图形式编程，直观易懂。因此，不仅程序开发速度快，而且程序的可读性强，软件维护方便。为了简化编程工作，PLC将编程工作主要集中于设计思想本身而不是如何实现设计思想，新设计的PLC还针对具体问题设计了像步进顺控指令、流程图指令等指令系统，可以大大加快系统开发速度。

    (3)操作方便，维修容易

    工程师编好的程序十分清晰直观，只要写好操作说明书，操作人员经短期培训就可以使用。另外，PLC具有完善的监视和诊断功能，对其内部工作状态、通信状态、I/O点状态和异常状态等均有明显的提示，使维修人员能及时、准确地判断故障点，迅速替换故障模块或插件，恢复生产。

    2．可靠性高

    PLC的可靠性高，主要是因为它在硬件及软件两方面都采取了严格的措施。

在硬件设计方面，首先是选用优质器件，然后是设计合理的系统结构，简化安装，使它易于抗振动冲击。对印制电路板的设计、加工及焊接都采取了极为严格的工艺措施，而且在电路、结构及工艺上采取了一些独特的方式。例如，在输入／输出电路中采用了光电隔离措施，做到电浮空；各个I/O端口除采用常规模拟器滤波以外，还加上了数字滤波；内部采用了电磁屏蔽措施，防止辐射干扰；采用了较先进的电源电路，以防止由电源回路串入的干扰信号；采用了较合理的电路形式，支持模块在线插拔，调试时不会影响PLC的正常运行。

    在软件设计方面也采取了很多特殊措施，设置了监视定时器WDT。系统运行时对WDT定时刷新，一旦程序出现了死循环，使之能立即跳出，重新启动并发出报警信号。为了避免由于程序出错而导致的错误运行，每次扫描都对程序进行检查和校验，一旦程序出错立即发出报警信号并停止运行。对程序及动态数据进行掉电保护，随时对CPU等内部电路进行检测，一旦出错，立即报警。软件系统中还设计了针对用户程序的查错报错程序，错误的程序和参数不能运行。上述有效措施，保证了PLC的高可靠性。所以它的平均无故障时间(MTBF)为4万～5万小时，某些品牌的产品更高达十几万小时以上。

    3．抗电磁干扰性能好，环境适应性强

    PLC是按直接应用于工业环境而设计的，产品可以在相当宽的环境温度(0~55℃或0～60℃)、湿度（相对湿度<90%）下，以及规定的机械振动、冲击下，在额定的电源电压与频率变化、电源瞬时中断、电源电压降低等因素作用下，均能正常工作。因此，可直接安装在工业现场，不必采取另外的特殊措施。另外，由于其结构精巧，所以耐热、防潮、抗振等性能也很好。

    4．功能完善

    PLC的基本功能包括逻辑运算、定时、计数、数制换算、数值计算，步进控制等。其扩展功能还有A/D转换、D/A转换、PID闭环回路控制、高速计数、通信联网、中断控制及特殊功能函数运算等，可以通过上位机进行显示、报警、记录、人机对话，使控制水平大大提高。

    5．成熟的工控网络体系，通信便捷，易于远程实时监控

    随着计算机网络通信技术的成熟发展，以及工业控制实际的需要，近年来工控网络通信技术得到了大量应用，如石油、化工过程自动化控制，铸造自动生产线的控制，卷烟生产自动线的控制，轿车生产自动线的控制，污水处理厂的控制，以及高速公路隧道的监控等。特别是近年来，PLC网络通信技术得到了飞速的发展。现在，世界上各大PLC厂家都在积极开发网络通信技术，包括具有网络通信功能的新型可编程序控制器，网络通信协议和新型网络。

    对于PLC网络及工业控制局域网而言，目前基本形成了设备层网络、控制层网络和信息层网络的三层网络体系结构。以欧姆龙公司的PLC通信网络为例，图1-1是由DeviceNet网络、Controller bbbb网络和Ethernet网络所组成的一个典型的三层工控网络的拓扑结构图。

    (1)设备层网络

    设备层网络是针对自动化系统底层设备的操作和管理网络。它负责对底层设备的控制，信息采集和传送。目前，设备层网络主要有Profibus现场总线、CAN总线和DeviceNet网络等。

    图1-1中的DeviceNet网络是一种串行通信网络，它是20世纪90年代中期才发展起来的一种基于CAN（控制区域网）技术的开放型、符合全球工业标准的低成本、高性能的通信网络，初由美国ROCKWELL公司开发应用。目前，DeviceNet网络技术属于ODVA（开放DeviceNet厂商协会）所有。

DeviceNet网络是用于现场设备（拖动装置、开关、I/O和人机界面等）与PLC之间的通信网络。它采用生产者／客户( Producer/Consumer)通信模式，支持多种网络拓扑结构，允许在线组态和带电插拔。

    图1-1 三层工控网络的拓扑结构图

    DeviceNet网络作为设备层网络，它可以通过控制层网络Controller bbbb和信息层网络Ethernet与Internet网络互联，构成微软公司的基于Internet的分布式制造网络体系结构(DNA)，实现异地监控和诊断功能。

    (2)控制层网络

    控制层网络处于三层网络的中间层，它主要负责对处在中间层的各个控制器进行数据的传送与控制。具有代表性的控制层网络主要有日本欧姆龙公司开发的Controller bbbb网络和美国ROCKWELL公司开发的ControlNet网络等。

    Controller bbbb网络是欧姆龙公司将SYSMAC bbbb网络改进后推出的一种FA（工厂‘自动化）网络。这种网络可以实现PLC与PLC之间或者PLC与计算机之间的大容量、灵活高效的数据链接功能。Controller bbbb网络也称控制器网络，通信速率高，距离长，既有线缆系统又有光缆系统。使用Controller bbbb支持软件，该网络可以对每一节点分别设定数据链接区域，能向每一节点自由地分配链接区域。每一节点发送区域的尺寸是任意的。更为特别的是，Controller bbbb网络也可以只接收其他节点的发送区域的一部分数据。

    Controller bbbb网络采用令牌环的通信方式，所以它的数据传输速率非常快，可以达到2 Mbps;当通信电缆采用双绞线时，大传输距离为1 km，而采用光纤电缆时，大传输距离为30 km（带中继器）。另外，Controller bbbb网络具有灵活的网络连接功能，既可以配置成单级系统，又可以配置成多级系统。目前，Controller bbbb网络在污水处理厂的自动控制、高速公路隧道监控等系统中都得到了实际应用。

    (3)信息层网络

    信息层网络主要用于对多层网络的信息进行操作与处理。该层网络主要关注报文传输的高速性以及高容量的数据是否能共享。

    目前，信息层网络一般都使用以太网( Ethernet)技术，这是一个开放的、全球公认的用于信息层互联的标准。Ethernet是FA（工厂自动化）领域用于信息层上的网络，它的通信速率高，可达到100 Mbps，以太网单元使PLC可以作为工厂局域网的一个节点，在网络上的任何一台计算机都可以实现对它的控制。Ethernet支持FINS协议，使用FINS命令可进行FINS通信、TCP/IP和UDP/IP的Socket（接驳）服务和FTP服务。