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PLC未来发展趋势―――开放的多功能一体化控制器

作者：杨晨作者单位：西安英赛特电子科技有限公司 2011年12月31日

    一、前言
    在工业自动化控制领域主要分为PLC，工控机和嵌入式控制，而PLC自1968年诞生以后以惊人的速度成为了这一领域的主导者，为各种各样的自动化控制设备提供了非常可靠的控制应用。其主要原因，在于它能够为自动化控制应用提供安全可靠和比较完善的解决方案，适合于当前工业企业对自动化的需要。另一方面，PLC还必须依靠其他新技术来面对市场份额逐渐缩小所带来的冲击，尤其是工业PC所带来的冲击。PLC需要解决的问题依然是新技术的采用、系统开放性和价格。
    PLC技术发展的最终趋势仍然是人们所争论的焦点之一。大多数人认为，PLC将会继续失去市场份额；更有甚者认为，在工业PC面前，PLC将会一步一步走向死亡；但也有一部分人相信，一些特殊工业应用领域仍将为PLC提供一定的市场份额。

    二、PLC市场份额将会继续扩大
    就我个人来看，PLC市场份额不但不会减少，反而将会增加。许多年前开始，就有人预言，PLC将要被PC-BASED控制系统取代。但是，PLC的销售每年都在以一个十分稳定的增长率在上升，目前的PLC已经与十年前的PLC有着很大的区别，十年后的PLC与当前的PLC也将有着很大的不同。但是，有两个方面是不变的：首先，PLC会提供稳定的控制响应，第二，高度的可靠性。PLC有着其它控制产品，如工控机，DCS，单片机等控制产品，所无法替代的特性。
    1，可靠性

    可靠性包括产品的有效性和可维修性。可编程控制器的可靠性高，表现在下列几个方面：
    a)可编程控制器不需要大量的活动部件和电子元件，接线大大减少，与此同时，系统的维修简单，维修时间缩短，因此可靠性得到提高；

    b)扩展的灵活性：PLC的扩展灵活性是它的一个重要特点。它可以根据应用的规模故障诊断，报警和运行信息显示和信息保护及恢复等，
    c)可编程控制器有较强的易操作性，它具有编程简单，操作方便，编程的出错率大大降低，而为工业恶劣操作环境设计的硬件使可靠性大大提高；
    d)可编程控制器的硬件设计方面，采用了一系列提高可靠性的措施。例如，采用可靠性高的工业级元件，采用先进的电子加工工艺（SMT）制造，对干扰采用屏蔽、隔离和滤波等；存储器内容的保护，采用看门狗和自诊断措施，便于维修的设计等。
    2，易操作性
    a)操作方便：对PLC的操作包括程序的输入和程序更改操作，大多数PLC采用编程器进行程序输入和更改操作。现在的PLC的编程器大部分可以用电脑直接进行，更改程序也可根据所需地址编号、继电器编号或接点号等直接进行搜索或按顺序寻找，然后可以在线或离线更改；
    b)编程方面：PLC有多种程序设计语言可以使用，梯形图与电气原理图相似；编程语句是功能的缩写，便于记忆；功能图表语言以过程流程进展为主线，十分适合设计人员与工艺专业人员设计思想的沟通。功能模块图和结构化文本语言，功能清晰，易于理解等优点。
    c)维修方便：PLC所具有的自诊断功能对维修人员的技术要求较低，当系统发生故障时，通过硬件和软件的自诊断，维修人员可以根据有关故障代码的显示和故障信号灯的提示等信息，或通过编程器和HMI屏幕的设定，直接找到故障所在的部位，为迅速排除故障和修复节省了时间，降低了MTTR。
    3，灵活性
    a)编程的灵活性：PLC采用的标准编程语言有梯形图、指令表、功能图表、功能模块图和结构化文本编程语言等。使用者只要掌握其中一种编程语言就可进行编程，编程方法的多样性使编程方便。
    其实PLC自诞生以来也是在不断发展改进创新的。不断扩展，即进行容量不断扩展，即进行容量的扩展、功能的扩展、应用和控制范围的扩展。它不仅可以通过增加输入输出卡件增加点数，通过扩展单元扩大容量和功能，也可以通过多台PLC的通信来扩大容量和功能，
    c)操作的灵活性：操作的灵活性指设计工作量、编程工作量、和安装施工的工作量的减少。操作变得十分方便和灵活，监视和控制变得很容易。在继电器顺序控制系统中所需的一些操作得到简化，不同生产过程可采用相同的控制台和控制屏等。
    4，机电一体化
    为了使工业生产的过程控制更平稳，更可靠，向优质、高产、低耗要效益，对过程控制设备和装置提出了机电一体化，即仪表、电子、计算机综合的要求，而PLC正是这一要求的产物，它是专门为工业过程而设计的控制设备，具有体积小、功能强，抗干扰性好等优点，它将机械与电气部件有机地结合在一个设备内，把仪表、电子和计算机的功能综合集成在一起，因此，它已经成为当今数控技术、工业机器人、离散制造和过程流程等领域的主要控制设备，成为工业自动化三大支柱（PLC，机器人，CAD/CAM）之一。
    可编程控制器现在已经成为了一个不可代替的控制系统，它们可以与其它系统通讯，提供产品报表，生产调度，诊断自身和设备的故障，这些技术上的改进，让PLC成为今天的各行各业的高质量和产量的重要的贡献者。
    由以上特点不难看出，PLC在工业控制领域，不仅不会逐渐推出，而且会不断扩大他的市场份额。表面上看工控机的出现给PLC带来了一定程度的冲击，但如果我们仔细分析一下可以看到，工控机在某种程度上其实帮助了PLC的发展，因为PLC的可靠性高，易操作，但对与操作员站的一些功能，如曲线处理，数据记录等功能，远不及工控机，而工控机的致命缺陷是可靠性差。所以目前来看工控机与PLC结合的控制系统更为完美。工控机的出现推动了PLC的发展。
    三、PLC发展的方向
    的扩展、功能的扩展、应用和控制范围的扩展。它不仅可以通过增加输入输出卡件增加点数，通过扩展单元扩大容量和功能，也可以通过多台PLC的通信来扩大容量和功能，
    c)操作的灵活性：操作的灵活性指设计工作量、编程工作量、和安装施工的工作量的减少。操作变得十分方便和灵活，监视和控制变得很容易。在继电器顺序控制系统中所需的一些操作得到简化，不同生产过程可采用相同的控制台和控制屏等。
    4，机电一体化
    为了使工业生产的过程控制更平稳，更可靠，向优质、高产、低耗要效益，对过程控制设备和装置提出了机电一体化，即仪表、电子、计算机综合的要求，而PLC正是这一要求的产物，它是专门为工业过程而设计的控制设备，具有体积小、功能强，抗干扰性好等优点，它将机械与电气部件有机地结合在一个设备内，把仪表、电子和计算机的功能综合集成在一起，因此，它已经成为当今数控技术、工业机器人、离散制造和过程流程等领域的主要控制设备，成为工业自动化三大支柱（PLC，机器人，CAD/CAM）之一。
    可编程控制器现在已经成为了一个不可代替的控制系统，它们可以与其它系统通讯，提供产品报表，生产调度，诊断自身和设备的故障，这些技术上的改进，让PLC成为今天的各行各业的高质量和产量的重要的贡献者。
    由以上特点不难看出，PLC在工业控制领域，不仅不会逐渐推出，而且会不断扩大他的市场份额。表面上看工控机的出现给PLC带来了一定程度的冲击，但如果我们仔细分析一下可以看到，工控机在某种程度上其实帮助了PLC的发展，因为PLC的可靠性高，易操作，但对与操作员站的一些功能，如曲线处理，数据记录等功能，远不及工控机，而工控机的致命缺陷是可靠性差。所以目前来看工控机与PLC结合的控制系统更为完美。工控机的出现推动了PLC的发展。
    三、PLC发展的方向
    采用新的、先进的微处理器和电子技术达到快速的扫描时间；小型的、低成本的PLC，可以替代4到10个继电器，获得更大的发展动力；高密度的I/O系统，以低成本提供了节省空间的接口；
    基于微处理器的智能I/O接口，扩展了分布式控制能力。典型的接口如：PID，网络，CAN总线，现场总线，ASCII通信，定位，主机通讯模块，和支持高级语言编程的模块（如BASIC，PASCAL）；
    包括输入输出模块和端子的结构设计改进，使端子更加集成；
    特殊接口允许某些器件可以直接接到控制器上，如热电偶、热电阻、应力测量、快速响应脉冲等；并且由于工控机，DCS等控制系统的出现，将迫使PLC向着功能更多，开放性兼容性更强的方向不断发展。

    四、整合多种功能，更加开放的一体化PLC

    1，更多的高级功能，更简单快捷的使用
    传统PLC简单的逻辑控制功能已渐渐不能满足目前工控领域的要求，许多新的控制系统不再是简单的逻辑控制而已，增加了许多新的功能要求，如大量数据处理，存储，图形处理，现地显示等。

    除了要求功能的强大，许多工程开发人员，以及最终用户，还希望控制系统的结构更为简单，开发使用过程更为快捷，对其他控制系统兼容性，开放性更强。

    对于这些需求，美国HORNER公司（GE公司重要合作伙伴）于20世纪80年代初，最早提出了“All in one”的一体化控制理念，并一直致力于这一理念产品的研发，推出了世界上最早的一体化控制器――OCS （Operator Control Station）。传统的控制系统，本地的显示和PLC一般是分开的，分别用不同的软件进行编辑，之间通过串口通讯连接，这样开发人员需要许多时间和精力用在软件的培训和程序的开发上，并且串口通讯的可靠性也比较差，易于受到干扰。而OCS控制器不是单纯的PLC，也不是单纯的人机显示界面，它将PLC，HMI，I/O和强大的网络功能完美的结合到了一体。人机界面和PLC控制程序的编程用同一套由HORNER开发的工业编程软件CsCAPE完成（支持5种编程语言，标配为梯形图）完成，使用户使用起来更加方便快捷。
    OCS不仅仅是PLC，HMI，I/O和网络的简单整合，并且增加了许多工控机或组态软件的功能。如浮点运算，高级数学运算，图形曲线（时间曲线，X－Y曲线），历史数据本地记录（大容量移动存储卡，2G，HORNER最早采用MicroSD存储），视频输入输出，专家系统，操作界面，数据监测，文件记录和打印等。
    2，更强的通讯功能，更好的开放性
    近几年来，随着互联网技术的普及与推广，以太网也得到了飞速发展，特别是以太网通讯速率的提高、以太网交换技术的发展，给解决以太网的非确定性问题带来了新的契机：首先，以太网的通信速率一再提高，从10Mbps，到100Mbps甚至到10Gbps，；其次，以太网交换机为连接在其端口上的每个网络节点提供了独立的带宽，连接在同一个交换机上的不同的设备不存在资源的争夺，这就相当于每个设备独占一个网段；第三，全双工技术又为每个设备与交换机端口之间提供了发送与接收的专用通道，因此使不同的以太网设备之间的冲突大大降低（半双工交换式）或完全避免（全双工交换式）。因此，以太网成了确定的网络，从而为它应用于工业自动化控制消除了主要的障碍。
    与其它现场总线或工业通信网络相比，以太网具有应用广泛、成本低廉、通信速率高、软硬件资源丰富、易于与INTERNET连接、可持续发展潜力大等优点，不仅垄断了工厂综合自动化的信息管理层网络，而且在过程监控层网络也得到了广泛应用，并有直接向下延伸，应用于工业现场设备层网络的趋势。
    基于以太网和Internet的不断发展，控制产品要想有更好的开放性，是离不开Ethernet的，因此HORNER的大部分OCS产品都内置了标准100Mbit以太网，并且具有WebServer和FTP server功能，也就是说，即使不用上位机，也可以将OCS的状态，包括故障报警信息和事件处理信息通过通讯模块自动传送到互联网上，用户可以通过电子邮件的方式来接收这些信息，也可以通过移动通信系统，利用手机的短信方式来接收这些信息，甚至可以通过GPRS、CDMA等先进的通讯方式来进行控制信息的跨越时空的通信。这些通讯，使用户可以最及时地了解到设备的运行状况，可以进行远程诊断和远程监控，对于生产过程控制、制造过程的信息化、生产过程和管理的优化等都有极大的帮助。此外，OCS强大的串口通讯功能，支持多种协议乃至自由编程通讯，也为它和其他设备或控制系统连接提供了更好的选择。
    OCS具有开放性和通用性的特点，它并非专为某一个或两个行业所设计的，而是可以适合许许多多不同的行业，并应用在不同的场合。而且，由于它所具有的开放性特点，还可以和目前的传统控制系统混合使用，并不断地升级和延伸，因此受到市场的欢迎。
    它在分散控制，离散点数据采集上广泛应用，在包装机，注塑机等成套设备上的应用更为突出。
    五、结束语
    PLC的未来发展除了产品本身的发展，更大程度上取决于用户和市场的发展，任何产品存在的根本在于用户和市场的需求。PLC以它的高可靠性和易操作性，主导了工控行业数十年，我相信它将继续存在且壮大下去。
    HORNER公司的OCS便是PLC不断发展创新的产物，它仍然保持并延续了PLC的高可靠，高稳定性的特点。
    OCS这种多功能的开放的一体化的控制理念，将逐渐成为PLC一个新的发展方向，它使许多原来需要在工控机上实现的功能，得以在PLC这个稳定可靠的平台上实现；PLC与HMI的结合使用户使用上更加方便快捷。
    HORNER的“一体化”这一新颖控制理念的提出，为全球工控行业带来了一股新鲜的力量，必将引起PLC一次新的发展。


    西安英赛特电子科技有限公司
    技术总监;杨晨
    手机;18991341303

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