摘要：自1969年第一臺PLC誕生之日起，PLC成為了工業(yè)界的掌上明珠。經(jīng)過近半個世紀的發(fā)展，PLC已成為工業(yè)自動化系統(tǒng)的核心組成部分。在產(chǎn)業(yè)轉型升級的智能化時代，PLC除滿足控制功能外，還具備數(shù)據(jù)分析、流程優(yōu)化、網(wǎng)絡安全防護、故障預測等功能，完成了從經(jīng)典控制到智能控制的轉變。

1　傳統(tǒng)PLC發(fā)展及應用狀況

1.1　國際PLC發(fā)展應用史

PLC，也稱為可編程邏輯控制器，是Richard E.Morley于1968年發(fā)明的自動化設備。其核心設計思想是使用軟件編程代替硬連線繼電器控制來建程序控制系統(tǒng)。同年，通用汽車公司制定了PLC的設計標準。自此PLC廣泛應用于各種工業(yè)領域^[1]。

20世紀70年代是PLC的崛起期。自羅克韋爾自動化于1977年首次提出基于8位微處理器的PLC以來，許多制造商紛紛效仿并生產(chǎn)基于8位微處理器的PLC產(chǎn)品，如Intel8080和Zilog的Z80。

20世紀80年代，隨著微電子技術和微處理器技術的發(fā)展以及PC的應用，PLC技術處于成熟階段。Athani設計了基于8位微處理器8085的PLC，它具有手動編程器和CRT顯示終端，程序段可以顯示在CRT上。

20世紀90年代，隨著PLC國際標準IEC61131的正式頒布，PLC技術進入了第三個發(fā)展時期。這時，在系統(tǒng)結構上從傳統(tǒng)的單機到多處理器的發(fā)展，在控制系統(tǒng)配置上從獨立控制系統(tǒng)到分布式和遠程控制系統(tǒng)的開發(fā)；在編程語言中，傾向于多樣化和相互轉化。除自動化生產(chǎn)線以外，還開發(fā)了基于PLC的分布式控制系統(tǒng)（DCS）、監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（SCADA）、靈活多變制造系統(tǒng)（FMS）、安全聯(lián)鎖保護（ESD）系統(tǒng)、運動控制系統(tǒng)等，以提高PLC在各方面的應用范圍和水平。

自20世紀90年代末以來，由于信息技術的飛速發(fā)展和用戶對開放性的強烈需求，在保留PLC功能的前提下，面向現(xiàn)場總線網(wǎng)絡，采用開放式通信接口。逐步打破每個PLC產(chǎn)品封閉狀態(tài)，采用相關的國際工業(yè)標準，使用戶開發(fā)的應用可以移植到不同的PLC產(chǎn)品之間。

綜上所述，自PLC問世以來，它始終表現(xiàn)出強大的生命力和快速的增長。目前，全球有200多家PLC制造商，以及數(shù)千種各類產(chǎn)品。

1.2　國內PLC發(fā)展應用史

在中國，自20世紀70年代以來，中國開始了PLC的研究和應用。1974年，中國首次復制了在美國生產(chǎn)的第二代PLC。1977年，中國采用美國摩托羅拉公司的mc14500集成芯片，成功開發(fā)出第一臺在中國具有實用價值的PLC。1979年，從美國引進MODICON584的PLC首先在電站的輔助設備成功應用。

20世紀80年代初，在積極引進國外PLC生產(chǎn)線的同時，國內開發(fā)了一些自己的PLC產(chǎn)品，可靠性得到了極大提高，逐步得到用戶的認可。

據(jù)了解，國內PLC市場總需求較大，而國內PLC占整個市場份額微乎其微，造成國內PLC落后的原因一是技術問題，缺乏開放性；二是缺乏大量資金，沒有形成規(guī)模；三是制造工藝需要加強；四是亟需提升競爭力，形成品牌。因此我們應該集中資金和技術，開發(fā)自主產(chǎn)權的系列產(chǎn)品。特別是要抓住智能制造時代的機遇，充分利用軟件和硬件性能不斷提升的時代優(yōu)勢，開發(fā)面向大數(shù)據(jù)的專業(yè)化、高性能、智能的PLC。

2　智能制造時代，PLC發(fā)展應用的新需求和新基礎

2.1　PLC發(fā)展的新需求

2.1.1　近年來 PLC的市場發(fā)展對PLC提出新要求

根據(jù)Frorst＆Sullivan發(fā)布的全球PLC市場報告，PLC市場在多個領域都在積極發(fā)展。據(jù)估計PLC的裝機容量目前為5200萬臺，其中微型PLC占相當數(shù)量，預計到2019年將達到6500萬臺，其中大部分將被更換。在未來五年內更換現(xiàn)有的PLC將是PLC市場增長的重要因素。由于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的迅速普及以及云服務逐漸進入工業(yè)市場，PLC需要直接與MES和ERP等上層管理軟件信息系統(tǒng)連接。PLC系統(tǒng)必須適應硬件和軟件的智能制造需求^[2]。作為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的一部分，PLC作為邊緣計算變得越來越重要。將PLC部署為靠近設備或流程的第一層計算功能可實現(xiàn)智能或協(xié)調的事件響應，并有助于減少云的數(shù)據(jù)處理負擔。在具有數(shù)十個、數(shù)百個甚至數(shù)千個傳感器的系統(tǒng)中，來自這些傳感器的大部分數(shù)據(jù)可能沒有多大價值，僅報告“正常”工作條件。PLC可以過濾、丟棄或更有效地重新組裝數(shù)據(jù)，以便傳輸?shù)皆七M行存儲和分析。當發(fā)生關鍵事件時，PLC可以快速確定正確的響應，向連接的設備發(fā)出適當?shù)闹噶睿⒃谶m合云使用的報告中匯總事件。

2.1.2　面向復雜控制的需求對PLC功能提出新要求

在機器控制領域，需要一些類似于過程控制領域的PID調整、工藝算法，要求PLC具有卓越的算法設計和處理能力；運動控制應用更加廣泛，PLC需要滿足電子齒輪，電子凸輪和定位控制的要求，同時需要開發(fā)安全和設備安全要求的產(chǎn)品。為滿足機器人的復雜路徑規(guī)劃和矩陣變換，需要將CNC和機器人庫集成到PLC中。

2.1.3　大數(shù)據(jù)的需求對PLC功能提出新要求

越來越多的傳感器用于監(jiān)控環(huán)境、設備的健康狀態(tài)以及生產(chǎn)過程的各種參數(shù)，這些工業(yè)大數(shù)據(jù)的有效收集迫使PLC采用嵌入式PLC并盡可能地完成日益復雜的現(xiàn)場，大大提高了無縫連接性，相關控制參數(shù)和設備狀態(tài)可以直接傳輸?shù)缴蠈酉到y(tǒng)和應用軟件，甚至發(fā)送到云端。

2.2 PLC發(fā)展的新基礎

2.2.1　PLC硬件助力智能制造的要求

SoC芯片在主鐘頻率越來越高的同時而功耗卻顯著減小，為開發(fā)更小體積、更高I/O密度、更多功能的PLC奠定了基礎。多核SoC的發(fā)展，可以進行高速的運動控制處理、視覺算法的處理等；而通信技術的進展使得分布式I/O運用越來越多，泛在的I/O運用也有了起步。

2.2.2　PLC軟件助力智能制造的要求

為解決PLC控制系統(tǒng)的工程設計、編程、操作、管理使用不同的軟件，導致同一對象命名不一致的現(xiàn)象，PLCopenInternational致力于與許多國際標準化組織和基金會合作，開發(fā)IEC61131-3，OPC UA ClientFB，OPC UA ServerFB的信息模型，并建立了一個開放的標準生態(tài)系統(tǒng)。

2.2.3　IT技術助力智能制造的要求

隨著IT技術的發(fā)展，CPU處理能力、通信速度、存儲和擴展能力，軟件功能塊（OPC），診斷和維護能力以及顯示能力都得到了極大提高，而IT技術的發(fā)展也帶來硬件成本不斷下降。

3　智能制造時代PLC發(fā)展新趨勢

3.1　性能指標不斷增強

隨著IT技術的發(fā)展，PLC的性能指標從速度轉向安全性、穩(wěn)定可靠性、通訊能力、運動控制能力、實時通信能力、數(shù)據(jù)處理能力、流程優(yōu)化能力、故障診斷能力更加綜合的指標。

3.2　網(wǎng)絡支持能力不斷增強

隨著現(xiàn)場設備智能化的提升和控制系統(tǒng)為保障可靠穩(wěn)定性和可用性的需要，網(wǎng)絡覆蓋能力直接決定了系統(tǒng)對現(xiàn)場工藝設備的控制水平。因此，PLC將從總線、以太網(wǎng)、實時以太網(wǎng)等方面進行接口支持能力增強^[3]。以太網(wǎng)更高速度數(shù)據(jù)傳輸滿足了視頻數(shù)據(jù)、視覺識別、圖像處理等工業(yè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽谩崟r以太網(wǎng)滿足了對于機器人、CNC、運動控制和Safety高速同步控制方面的數(shù)據(jù)交換能力需求，其數(shù)據(jù)刷新速度在μs級，同步精度在0.1μs。

3.3　軟件支持能力不斷增強

為完成智能控制，軟件開發(fā)平臺必須具備支持復雜算法的高級語言。高端PLC使用RTOS可以改進實時處理并支持多任務處理。為了實現(xiàn)邏輯和運動控制的統(tǒng)一編程和安全性，PLCopen對程序接口和自定義庫的支持進行標準化^[4]。

3.4　安全技術不斷增強

“一網(wǎng)到底”整個網(wǎng)被連通了以后，現(xiàn)場生產(chǎn)工藝設備和上面的管理軟件甚至云端連在一起以后，對信息安全的保障要求更高，因此必須遵循IEC61508標準規(guī)范，加強SafetyPLC研究和總線安全研究。

3.5　軟件平臺集成度不斷增強

集成平臺代表的是整體方案提供能力，通過基礎PLC技術、HMI技術、Motion技術、傳感器技術、總線技術的集成，提供包括編程、仿真、測試、維護、診斷等功能全產(chǎn)品生命周期PLC的服務能力，為客戶提供價值。

3.6　行業(yè)標準不斷增強

IEC / PLCopen組織集成了PLCopenLogic、XML、Safety、Motion、Hydraulic、IEC61131-3等標準，可以輕松開發(fā)基于這些庫的軟件應用程序。通用標準Unicode可以滿足系統(tǒng)的多語言支持庫，確保PLC產(chǎn)品可以支持世界各地的各種語言，使產(chǎn)品能夠在全球范圍內銷售。為了能夠與上層SCADA和管理層的ERP系統(tǒng)連接，微軟和其他自動化制造商聯(lián)合開發(fā)了用于不同PLC連接的OPC服務器，以確保與管理系統(tǒng)的連接^[5]。

3.7　信息處理能力不斷增強

在智能制造系統(tǒng)中，PLC不僅是控制器，還有收集器和中繼器。只有使用面向服務的體系結構（SOA）的功能，PLC才能完成這些重要的任務。SOAPLC實際上將支持信息安全的虛擬專用網(wǎng)絡（VPN）的Web服務放入PLC中。該服務權執(zhí)行面向對象的數(shù)據(jù)通信，包括實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)、警報數(shù)據(jù)和其他服務。通過這些服務，PLC將相應的大量數(shù)據(jù)連接到上級服務和數(shù)據(jù)層，以便建模和使用信息模型。允許PLC集成OPC UA的服務器功能和OPCUA的客戶端功能，確保PLC可以通過VPN執(zhí)行安全的數(shù)據(jù)通信。

3.8　用戶體驗性能不斷增強

將來，所有設備都將智能開發(fā)、現(xiàn)場設備和現(xiàn)場儀表通過以太網(wǎng)直接連接到控制系統(tǒng)。監(jiān)控系統(tǒng)的屏幕將變得非常大，但設備應盡可能小，以提高舒適度，從而提高效率。這需要解決EMC干擾、解決散熱問題、解決電路布局問題，以及在更小的空間內實現(xiàn)更強大的控制器。

3.9　專業(yè)品質能力不斷增強

為了降低系統(tǒng)的生產(chǎn)和制造成本，PLC產(chǎn)品不斷向模塊化和標準化設計邁進。由于硬件的泛化和標準化降低了系統(tǒng)的成本，并且為了尋求差異化的競爭力，高端PLC將更多地關注軟件功能和行業(yè)應用程序庫的開發(fā)，而更細分的市場使得應用程序的差異化成為具有競爭力的武器。

作者簡介：

王德吉，男，博士后、首席培訓師、研究員、行業(yè)信息與物流技術學科帶頭人。從事大數(shù)據(jù)和人工智能研究與培訓工作。獲省部級（行業(yè)）科技獎勵二等獎6項，三等獎19項，獲中職教一等獎5項，二等獎15項，三等獎30項；發(fā)表論文55篇，其中SCI、EI檢索25篇；發(fā)明專利19項，實用新型專利21項，著作8部，軟件著作權12項，國家標準25項，行業(yè)標準1項；主持參與22項省部級項目和3項國家級項目。先后被評為學院優(yōu)秀黨員、河南煙草感動人物提名獎、行業(yè)“十一五”優(yōu)秀教師和第六屆全國煙草行業(yè)勞動模范。兼任中科院博導，清華大學、西安交通大學研究生導師，國際工程師協(xié)會委員，美國紐約科學院院士，國家標準化委員會委員。

參考文獻：

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[4] 李爽, 楊昌琨. 利用IEC 61131-3和PLCopen的運動控制功能塊來創(chuàng)建獨立于硬件的可再用運動控制應用程序[J]. 國內外機電一體化技術, 2004 ( 3 ) : 54 - 58.

[5] Hoske M T. Broaden expertise; apply proven technologies more quickly: Jerry Yen, of General Motors Powertrain and OMAC Users Group, addresses PLC, PC-based, and wireless controls; the Web; legacy integration; business of manufacturing; and interoperability via stand[J]. Journal of Medical Genetics, 1999, 36 ( 5 ) : 412.

摘自《自動化博覽》2019年6月刊