PLC的发明和发展过程

    PLC（可编程序控制器）是20世纪60年代发展起来的一种新型自动化控制装置。它最早是用于替代传统的继电器控制装置，只有逻辑运算、计时、计数以及顺序控制等功能，而且只能进行开关量控制。因此，其英文原名为Programmable Logic Controller，简称PLC，中文名为“可编程序逻辑控制器”。随着技术的进步，其控制功能已经远远超出逻辑控制的范畴，其名称相应改为Programmable Controller，简称PC。但PC又容易与个人计算机(Person-al Computer)的简称PC产生混淆，所以近年来人们又倾向于使用PLC这一简称，中文名称仍然为“可编程序控制器”。    20世纪60年代，由于美国汽车工业需要进行大规模的技术改造和设备更新，由传统的继电器控制装置进行控制，不仅体积庞大、故障率高、柔性差而不灵活、耗能，而且调试困难，可靠性也差。1968年由美国通用汽车公司提出使用新一代控制器的设想。从用户的角度考虑，该公司对新一代控制器提了10点要求，从而为各大公司提供了明确的开发目标。次年，美国DEC（数字设备公司）首先研制成功第一台可编程序逻辑控制器PDP-14。差不多同时，美国MODICON公司也研制出084控制器。它们的问世，引起了全世界的瞩目，美国的其他公司和西欧、日本等，也相继研究开发出类似的产品。    由于PLC不断吸取微电子技术和计算机技术的最新成果，因此发展十分迅速，从单机自动化到整条生产线的自动化，乃至整个工厂的生产自动化，从柔性制造系统、工业机器人到大型分散型控制系统，PLC均担当着重要角色。    PLC技术代表了当今电气程序控制的最先进水平。通过PLC与各种单元自动化装置（例如智能仪表、数字化传动装置、智能的液压和气动阀组等）以及现场总线、计算机网络系统，构成了车间和工厂自动化的完整体系。    PLC应用非常广泛。通过近年来对国内进行的调查，得出其在各个领域应用分布大致如下：    ·钢铁和有色冶金    35%    ·汽车和机械制造    20%    ·轻工、食品、包装、造纸    16%    ·化工、石油、工艺过程    13%    ·交通运输、矿山    7%    ·能源、电站、泵站、水处理    7%    ·科研试验、教学    2%    PLC发明之前，在工业控制的顺序控制领域内，常采用诸如继电器、鼓式开关、纸带阅读器等机械，电气元器件作为控制元件，尤其是控制继电器，在离散制造过程控制领域内，成为“开关控制系统”中最广泛使用的元件。但是，随着工业现代化的发展，生产规模越来越大，劳动生产率及产品质量的要求在不断提高，对于控制系统的可靠性也提出了更高的要求，原有“继电器控制系统”已不适应应用需要，究其原因如下：    ·动作缓慢；    ·寿命短、可靠性差；    ·体积大、耗电多；    ·设计制造周期长、程序修改费时；    ·不能实现人一机对话。    到了20世纪60年代后期，虽然小型计算机已日趋完善，应用领域也在不断扩大，但将小型计算机用于开关控制系统，又显然存在着“大马拉小车”的状态，这是由于小型计算机具有以下特点：    ·编程复杂，要求有较高水平的编程人员和操作人员；    ·需要配套非标准的外部接口，对环境和现场条件的要求过高；    ·功能过剩，机器资源未能充分利用；    ·造价高昂。    基于这种需要与可能，促使人们寻求新的出路，PLC应运而生。它首先应用于美国汽车工业领域，其中PLC部分采用固态（集成）电路来代替继电器逻辑电路，用存储器电路中的存储数位（程序）来代替继电器系统的布线，以程序来规定逻辑关系；用固态I/O电路来检测按钮和限位开关的信号，并给出输出以控制电机和其他执行机构。这一阶段的PLC系统已开始具有如下一些特点：    ·环境适应性较强，可以使用于车间现场；    ·有较高的可靠性和诊断能力，维修容易；    ·基本能适应不同的制造过程所需，柔性度有了较大提高，只要改变系统中的程序即可改变控制“逻辑”，而无需改造或更换控制硬件等。    自1976年以来，开始将微处理器引入PLC领域，从而大大加强了PLC的作用，使PLC由简单地代替继电器电路，而发展为先进的控制装置。当今PLC具有采集与处理大量数据、完成数学运算、与其他智能器件通信的能力，并具有先进的人一机对话手段（如操作员面板、SCADA上位计算机监控和数据采集系统），近年来由于现场总线理念的出现和相关标准的建立，以及产品的迅速发展，PLC成为现场总线的一个重要组成部分，这进一步扩大了PLC的应用领域。    由于PLC同时提高了功能和柔性度，使其应用迅速增长，并普及到许多其他离散部件制造工业领域。随后又扩展到批量生产和连续生产过程相关工业领域。随着计算机集成制造系统的发展，PLC当前还被人们用于工厂通信网络之中，与其他智能控制器和计算机系统一起，成为计算机综合控制系统中的重要组成部分，特别在单元级和工作站级系统中占有重要地位。    从1969年第一台PLC问世至今，大约经历f3个阶段：    第一阶段：所开发的PLC容量较小，I/O点数小于120点。用户存储区容量在2KB左右，扫描速度为20~ 50ms/KB，指令较为简单，只有逻辑运算、定时、计数等功能，编程语言采用简单的语句表语言，使用上主要用作开关量控制。    第二阶段：PLC的容量有所扩展，I/O点数达到512点~1024点，用户程序存储区扩展到8KB以上，速度也有提高，扫描速度达到5~6ms/KB，指令功能除了基本的逻辑运算、定时和计数外，还增加了算术运算指令、比较指令及模拟量处理指令等，输入/输出类型也由纯开关量I/O，扩展为带模拟量的I/O；编程语言除了使用语句表外，还可以使用梯形图编程语言。    第三阶段：进入20世纪80年代以来，随着大规模和超大规模集成电路等微电子技术的迅猛发展，以16位和32位微处理器构成的PLC得到了惊人的发展，其功能远远超出了上述两个阶段的产品。使PLC在概念，设计，性能/价格比以及应用方面都有了新的突破。这一阶段的产品向大型和小型两个方向发展。大型产品的I/O点数超出4000点，有些产品超过8000点，用户存储区容量达到兆级( MB)、千兆级(GB)，并配置有各种智能模块（例如温度控制模块，轴定位模块，过程控制模块等）和通信模块，扫描速度也大大提高，达到0. 47ms/KB或更高，指令功能除了基本的逻辑运算、定时、计数、顺序控制外，还有算术浮点运算指令、PID调节功能指令、图形组态功能指令、网络和通信指令等；编程语言普遍采用梯形图语言，同时也使用语句表和顺序功能图语言（典型的有GRAFCET语言）。为了提高系统的可靠性，设计上考虑了容错技术和冗余技术等。这一阶段的小型产品向超小型化和加强型功能发展，有16点I/O和24点I/O的整体型小型PLC，在小型PLC上配置模拟量I/O，通信口，高速计数，指令上也设置有算术运算、比较指令以及PID调节指令。小型PLC使用的手握式编程器使用大面积液晶显示器，也可以用梯形图和GRAFCET语言进行编程。    这一阶段PLC的软件设计也有很大改进，普遍实现了软件模块化设计，在PLC产品上提供大量的通用和专用软件功能模块，用户通过简单的功能调用就可实现复杂的控制任务，给使用带来极大的方便。使用的编程器越来越完善，专用编程器实际上已经是一台个人计算机，可以实现离线编程或在线编程及监控、程序打印以及程序固化，实现图形组态，可以联网（即挂在PLC网络上）。有些编程器还可以使用高级语言。除了专用编程器外，很多PLC可以使用通用的笔记本电脑实现编程，开发一些专用软件，充分利用个人计算机的能力，完成各种高级编程功能，从而省去了专用编程器，这样既便于推广又节省投资。随着技术的进步，PLC的功能越来越强，应用范围越来越广，与其他工业控制机，例如集散控制系统(DCS)的界限已经不十分明显，很多以往必须由集散控制系统来完成的控制，现在用PLC都能实现，因此在应用上“交错”已经成为普遍现象。