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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(jì)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(zhuǎn)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(luò)安全防護、故障預(yù)測等功能，完成了從經(jīng)典控制到智能控制的轉(zhuǎn)變。

1　傳統(tǒng)PLC發(fā)展及應(yīng)用狀況

1.1　國際PLC發(fā)展應(yīng)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(shè)備。其核心設(shè)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(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。自此PLC廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)領(lǐng)域^[1]。

20世紀(jì)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(jì)80年代，隨著微電子技術(shù)和微處理器技術(shù)的發(fā)展以及PC的應(yīng)用，PLC技術(shù)處于成熟階段。Athani設(shè)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(jì)90年代，隨著PLC國際標(biāo)準(zhǔn)IEC61131的正式頒布，PLC技術(shù)進入了第三個發(fā)展時期。這時，在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(yuǎn)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(zhuǎn)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(yīng)用范圍和水平。

自20世紀(jì)90年代末以來，由于信息技術(shù)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(luò)，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(guān)的國際工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，使用戶開發(fā)的應(yīng)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(nèi)PLC發(fā)展應(yīng)用史

在中國，自20世紀(jì)70年代以來，中國開始了PLC的研究和應(yīng)用。1974年，中國首次復(fù)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(shè)備成功應(yīng)用。

20世紀(jì)80年代初，在積極引進國外PLC生產(chǎn)線的同時，國內(nèi)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(rèn)可。

據(jù)了解，國內(nèi)PLC市場總需求較大，而國內(nèi)PLC占整個市場份額微乎其微，造成國內(nèi)PLC落后的原因一是技術(shù)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(yīng)該集中資金和技術(shù)，開發(fā)自主產(chǎn)權(quán)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(yīng)用的新需求和新基礎(chǔ)

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(lǐng)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(dāng)數(shù)量，預(yù)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(nèi)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(wù)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(yīng)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(shè)備或流程的第一層計算功能可實現(xiàn)智能或協(xié)調(diào)的事件響應(yīng)，并有助于減少云的數(shù)據(jù)處理負(fù)擔(dān)。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?jǐn)?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(dāng)發(fā)生關(guān)鍵事件時，PLC可以快速確定正確的響應(yīng)，向連接的設(shè)備發(fā)出適當(dāng)?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(fù)雜控制的需求對PLC功能提出新要求

在機器控制領(lǐng)域，需要一些類似于過程控制領(lǐng)域的PID調(diào)整、工藝算法，要求PLC具有卓越的算法設(shè)計和處理能力；運動控制應(yīng)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(shè)備安全要求的產(chǎn)品。為滿足機器人的復(fù)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(shè)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(fù)雜的現(xiàn)場，大大提高了無縫連接性，相關(guān)控制參數(shù)和設(shè)備狀態(tài)可以直接傳輸?shù)缴蠈酉到y(tǒng)和應(yīng)用軟件，甚至發(fā)送到云端。

2.2 PLC發(fā)展的新基礎(chǔ)

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(chǔ)。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(shù)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(shè)計、編程、操作、管理使用不同的軟件，導(dǎo)致同一對象命名不一致的現(xiàn)象，PLCopenInternational致力于與許多國際標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)生態(tài)系統(tǒng)。

2.2.3　IT技術(shù)助力智能制造的要求

隨著IT技術(shù)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(shù)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(biāo)不斷增強

隨著IT技術(shù)的發(fā)展，PLC的性能指標(biāo)從速度轉(zhuǎn)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(biāo)。

3.2　網(wǎng)絡(luò)支持能力不斷增強

隨著現(xiàn)場設(shè)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(luò)覆蓋能力直接決定了系統(tǒng)對現(xiàn)場工藝設(shè)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?yīng)用。實時以太網(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(fù)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(wù)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(biāo)準(zhǔn)化^[4]。

3.4　安全技術(shù)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(shè)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(biāo)準(zhǔn)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(chǔ)PLC技術(shù)、HMI技術(shù)、Motion技術(shù)、傳感器技術(shù)、總線技術(shù)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(wù)能力，為客戶提供價值。

3.6　行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)不斷增強

IEC / PLCopen組織集成了PLCopenLogic、XML、Safety、Motion、Hydraulic、IEC61131-3等標(biāo)準(zhǔn)，可以輕松開發(fā)基于這些庫的軟件應(yīng)用程序。通用標(biāo)準(zhǔn)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(nèi)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(wù)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(wù)的體系結(jié)構(gòu)（SOA）的功能，PLC才能完成這些重要的任務(wù)。SOAPLC實際上將支持信息安全的虛擬專用網(wǎng)絡(luò)（VPN）的Web服務(wù)放入PLC中。該服務(wù)權(quán)執(zhí)行面向?qū)ο蟮臄?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(wù)。通過這些服務(wù)，PLC將相應(yīng)的大量數(shù)據(jù)連接到上級服務(wù)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(wù)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(shè)備都將智能開發(fā)、現(xiàn)場設(shè)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(shè)備應(yīng)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(nèi)實現(xiàn)更強大的控制器。

3.9　專業(yè)品質(zhì)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(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計邁進。由于硬件的泛化和標(biāo)準(zhǔn)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(guān)注軟件功能和行業(yè)應(yīng)用程序庫的開發(fā)，而更細(xì)分的市場使得應(yīng)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(xùn)師、研究員、行業(yè)信息與物流技術(shù)學(xué)科帶頭人。從事大數(shù)據(jù)和人工智能研究與培訓(xùn)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(quán)12項，國家標(biāo)準(zhǔn)25項，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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(xué)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(dǎo)，清華大學(xué)、西安交通大學(xué)研究生導(dǎo)師，國際工程師協(xié)會委員，美國紐約科學(xué)院院士，國家標(biāo)準(zhǔn)化委員會委員。

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摘自《自動化博覽》2019年6月刊