1 引言
随着社会信息化进程步伐的不断加快，工厂自动化系统也日新月异，成为工业自动化发展趋势中的亮点而备受关注。同时以微处理器技术为基础，结合了自动控制技术、计算机技术以及通信技术的plc，由于采用软件控制设备执行过程，并且具有可靠性高、实用性强、简单易学等优点，在工厂自动化系统中占据了重要的角色，被誉为现代工业控制三大支柱之一。特别是超大规模集成电路的迅速发展以及信息、网络时代的到来，扩展了plc的功能，使它具有很强的联网通讯能力，大大扩展了plc在工厂自动化系统的应用范围。
本文首先分析plc的特点，然后结合plc在工厂自动化中的应用情况，探讨了工厂自动化技术的发展趋势。
2 plc的特性
目前在工业自动化领域，可编程控制器（plc）作为自动控制的三大技术支柱之一，已广泛应用于各种自动化系统。由于plc综合了自动化和计算机技术，使它大大超过起初的技术水平。它可以很容易地完成顺序、逻辑、定时、计数、数字运算、数据处理等功能，并通过输入输出接口建立与各类生产机械数字量和模拟量的联系，从而实现生产过程的自动控制。plc具有可靠性高、实用性强、开发简易、维护方便等特点。
2.1可靠性高，抗干扰能力强
工业自动化系统内的基础设备有的集中安装在控制室，有的单独安装在生产现场，大多处在强电电路和强电设备所形成的恶劣电磁环境中，这就使得设备的抗干扰能力、可靠性能显得尤为关键。
plc是专门为工业生产环境而设计的控制装置，在设计和制造过程中采用了多层次抗干扰和精选元件措施。硬件上使用现代大规模集成电路技术，生产制造工艺严格，采用诸如r-c滤波器、稳压、信息保护等措施提高可靠性，并且带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息；软件上采用内置故障恢复软件，进行故障恢复及控制。这些措施可以保证plc的故障接近于零，平均无故障时间轻松可达5-10年，从而极大地提高生产设备的运转率。例如三菱公司生产的f系列plc平均无故障时间高达30万小时。一些使用冗余cpu的plc的平均无故障工作时间则更长。因此，plc一般不需要采取什么特殊措施就可以直接在工业环境使用。
2.2功能丰富，通用性强
plc起源于上世纪60年代末，历经几代发展，时至已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品，可以用于各种规模的工业控制场合。现代plc不仅有顺序、逻辑、计时、计数控制等功能，还具有数字和模拟量的输入输出、功率驱动、通信、人机对话、 自检、记录显示等功能。既可控制一台生产机械、条生产线，又可控制一个生产过程。除了逻辑处理功能以外，现代plc大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来plc的功能单元大量涌现，使plc渗透到了位置控制、温度控制、cnc等各种工业控制中。
plc系统构成灵活，扩展容易。在标准的硬件支持下，plc采用软件编程来满足各种设备的工艺动作要求，因此可不改变plc硬件设备，仅采用修改程序即可满足工艺变动的要求。加上plc通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用plc组成各种控制系统变得非常容易。
2.3开发简易，使用方便
目前，大多数plc仍然采用梯形图编程方式，这考虑到大多数电气技术人员和技术工的读图习惯及编程水平，所以非常容易接受和掌握。梯形图语言的编程元件的符号和表达方式与继电器控制电路原理图相当接近。通过阅读plc的用户手册或短期培训，编程人员很快就能学会使用梯形图编制控制程序。另外，plc还提供了功能图、语句表等编程语言。
2.4安装方便，维护简单
plc用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件以及控制设备外部的接线，使得plc的程序可以在实验室进行模拟调试，减小了现场调试工作量，提高了工作效率，使控制系统设计及建造的周期大为缩短。同时，由于plc的低故障率、较强的监视功能、模块化等优点，使得系统维护也变得容易起来。
3 plc在工厂自动化中的应用
plc自问世以来就与工厂自动化技术的发展密不可分，工厂自动化技术的发展促进了plc的革新，同时又给工厂自动化技术的发展提供了新的思路。
3.1工厂自动化结构
工厂自动化控制系统综合智能决策技术、信息处理技术、高可靠性通信技术、智能检测与处理技术，一般可分为三个层次，如附图所示，即企业资源规划（erp），制造执行系统 （mes ）与过程控制系统（pcs）。企业资源规划层负责制定生产计划，协调安排生产资源；制造执行层负责实施生产管理与质量控制；过程控制层负责实现逻辑、闭环和过程控制等。生产过程借助于mes进行集成与协调控制，通过工厂的信息管理系统（pmis），产品规范管理系统（psms），物流管理系统，设备管理系统，实验室和化验室的信息管理系统，生产定单的管理系统以及详细的生产排程和生产运营记录系统，使得工厂的信息不仅具有很好的计划性，还能使计划得以实施，终实现操作过程自动化，使生产更有序、更经济。
附图 工厂自动化层次结构图
这种集管理与现场控制于一体的自动化系统具有如下优势：
（1）工厂规划管理层和现场设备间的透明性
通过对现场设备的实时监控，工厂的规划管理层能够很容易地获取现场信息，同时结合管理层的有关市场营销、仓储以及财务等方面的状况信息，可以及时作出决策，再通过计算机网络下达到现场控制层。
（2）分散型网络化生产系统
分散型网络化生产系统采用敏捷制造原理，通过工厂自动化系统，规划管理层所提供的广域网接口，可以很方便地将距离甚远的大型工厂的分公司组织在一起，实现异地决策、异地设计和异地生产。这样就可以通过自动化工厂信息集成对企业实现高效益的生产管理。
3.2工厂自动化系统中的plc
linux是一个用c语言和汇编语言写成，plc自问世以来就与工厂自动化技术的发展密不可分，plc技术的每一次跃进就给工厂自动化技术的发展变革带来了新的思路，工厂自动化有了新的发展同样也促使plc技术的变革以适应其需求。传统的plc正是具有以下功能，才得以在工厂自动化领域大展拳脚。
(1)开关量的逻辑控制
开关量的逻辑控制是plc基本、应用广泛的功能。开关量逻辑控制是根据有关输入开关量的当前与历史的状况，产生所要求的开关量输出，使系统能按一定顺序工作，既可用于单台设备的控制，也可用于多机及自动化流水线。在开关量逻辑控制领域，至今还没有其它的控制器能够取代plc。
(2)模拟量的过程控制
在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、流量、液位等称之为模拟量。模拟量过程控制一般是指对连续变化的模拟量的闭环控制。过程控制的目的就是根据有关模拟量的当前与历史的输入状况，产生所要求的模拟量或开关量的输出，使系统能够按照一定的要求进行工作。plc厂家一般都生产配套的a/d和d/a转换模块，使其plc可用于模拟量控制。
(3)运动控制
plc既可用于直线运动控制也可用于圆周运动控制。从控制机构配置来说，早期直接用于开关量i/o模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要 plc厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。
（4）过程控制
过程控制是指对模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，plc能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。pid调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大多数plc都有pid功能模块。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。
（5）数据处理与通信
随着信息技术的发展和市场经济的需要，仅以实现生产过程自动控制为目的的工厂自动化远不能满足要求。工厂企业正在加强企业现代化管理，以提高企业总的经济效益。这就要求工厂自动化在实现生产过程自动化的基础上，进一步实现管理的现代化，从而需要一种既能满足生产过程控制要求，又能集企业管理信息技术为一体的工厂自动化系统。这种需求促使了plc进行变革，现代plc已具有数据处理与信息控制、通信及联网功能，这使得plc在现代工厂自动化系统中的应用范围大大扩展。
1)数据处理与信息控制是指数据的采集、存储、变换、检索、传输等操作。随着技术的发展与进步，现代 plc 已具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些功能可以辅助实现工厂自动化系统监控层以及决策层的数据查询、决策参考等功能，是企业信息化的基础技术。
2)通信及联网：网络通信与远程控制是指对系统的远程部分的行为及其效果实施检测与控制。现代大型工厂自动化系统一般都是采用分散型结构，其决策、设计以及制造可能需要远程实现，plc的以太网通信功能正是满足了这种需求。plc不仅能实现以太网通信，同样可以实现与多种现场总线的通信，这使得plc可以横贯工厂自动化系统的三个层次，实现透明决策。
4 工厂自动化技术的发展趋势
4.1引入无线控制
人类早期的梦想就是在工厂内能够通过遥控设备实施生产。无线通信技术作为有线通信的补充，与传统的应用方式相比，将发挥越来越重要的作用。工厂自动化的具体应用场合主要有自动化生产线和装配线、大型机床、包装机器、食品和饮料包装线、物流运送线等。这些场合中,监控点数量非常大，传感器本身成本不高，但布线与安装成本却很高。在运行过程中，信号线老化会导致信号丢失，查找故障点费时费力。在一些有旋转机构的场合，有线网络的应用受到限制，传统滑环方法在实际应用中效果并不理想。而采用无线通信技术在这些方面则具有明显的优势，因此将成为工厂自动化产品的一个新增长点。
无线plc网络的研究加快了无线控制引入工厂自动的步伐。无线plc网络能够提高系统设计效率和成本控制，使得基于plc的控制系统能采用无线形式与网络联系在一起，构成工业控制网路系统的重要补充成分。
目前，无线控制系统在无线传输技术方面目前已经没有障碍，但难点在于信号传输过程的保真性、安全性以及互扰性。相信在这些问题相继解决以后，无线控制系统广泛推广应用的春天就会来临。
4.2强调安全控制
安全是一个很广泛的问题，不仅涉及到生产过程本身的安全，还包括环境对生产过程的安全，生产过程对环境的安全，生产过程对使用者的安全，生产过程的安全等等。一般来说，当前说工厂自动化系统所提及的安全应该包含两个方面：系统功能安全和系统信息安全。
功能性安全是指能够预防错误运行引起的危险。随着技术进步，生产过程的环境条件变得更加复杂化和多样化，由于操作者误入到危险区域、传感器因故障而导致的工伤事故时有发生；特别是在机器人更多使用在生产过程高危险的工作区域，对单台设备甚至对整个流水线的安全生产控制都是非常必要的。在危险的设备上应用安全控制系统，能够有效减少劳动灾害，确保制造现场的安全性。
信息安全即控制系统的网络安全。之前的自动化孤岛在防范网络攻击方面具有相当可靠的性能。但是如今控制系统的规范化开放性已成主流发展趋势，工厂自动化系统必须能够抵抗来自网络上的攻击。信息安全三大属性为：保密性、完整性、有效性。
工厂自动系统中的信息安全解决方案并不能照搬it领域的信息安全解决方案，这是因为面向以太网或者internet的工厂自动化系统在考虑信息安全的问题时必须兼顾系统性能，不能应因为采取了安全措施而使得系统性能大幅下降。工厂自动化系统的安全问题必须将功能安全与信息安全以及系统性能结合起来考虑。
4.3推进开放性与标准化
开放性与标准化是工厂自动化的一个重要趋势。得益于计算机技术与网络技术的飞速发展，自动化信息孤岛必将被开放的网络所淹没。同样plc也必将向开放性与标准化的方向发展。
工厂自动化系统网络越来越强调开放性，要求用户能够能够在远端通过公共网进行进行工厂生产过程的设计、决策活动。工厂中使用的plc品牌繁多，许多不同品牌间的plc软硬件是不能通用的。一些国际性组织为了推动plc技术的国际化、标准化，不断为plc发展制定新的。现已颁布的plc标准有：对通用逻辑编程作了一般性介绍并讨论了逻辑编程的基本概念、术语和定义的iec1131-1：general inbbbbation（一般信息）；从机械和电气两部分介绍了逻辑编程对硬件设备的要求和测试需要的iec1131-2：e characteristics and test re（设备特性与测试要求）；制定了5种标准语言的iec1131-3：programming language（编程语言）；提供了有关选择、安装、维护的信息资料和用户指导手册的iec1131-4：user guidelines（用户导则）；规定了逻辑控制设备与其他装置的通信联系规范的iec1131-5：mms companion standard（制造信息规范伴随标准）。我国也与1992年成立了plc标准委员会负责制定plc的国家标准。
西门子PLC模块，变频器，触摸屏，交换机
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