PLC及其網(wǎng)絡(luò)是現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化的支柱
 

PLC及其網(wǎng)絡(luò)被*為現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化三大支柱（PLC、機(jī)器人、CAD/CAM）之一。從近年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)看，在世界范圍內(nèi)，PLC產(chǎn)品的產(chǎn)量、銷售、用量高居各種工業(yè)控制裝置，而且市場(chǎng)需求量一直在按每年15%的比率上升。形成這一局面有其深刻的原因。

一、PLC及三電于一體

工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)通常分成三類：一類是控制開關(guān)量的邏輯裝置，一類是控制慢連續(xù)量的過程控制系統(tǒng)，一類是控制快連續(xù)量的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。在傳統(tǒng)上對(duì)于這三種控制系統(tǒng)用不同的控制裝置。邏輯控制用電控制（電氣控制裝置即繼電器接觸器控制柜），過程控制用儀表裝置（電動(dòng)單元組合儀表），運(yùn)動(dòng)控制用電傳裝置（電氣傳動(dòng)控制裝置）。所謂三電就是指的是電控、電儀、電傳。

在一家工廠、一個(gè)車間、一個(gè)工段，甚至在一臺(tái)設(shè)備上，這三種設(shè)備常常并存在一起，單設(shè)備各不相干。這主要是因?yàn)檫@三種控制裝置相差太遠(yuǎn)，無(wú)法兼容。長(zhǎng)久以來(lái)，人們一直希望能把他們用一種控制裝置統(tǒng)一起來(lái)，協(xié)調(diào)地進(jìn)行控制。 這對(duì)于提高生產(chǎn)效率，保證產(chǎn)品質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化控制無(wú)疑是很有意義的。把三電合成于一體就叫做三電一體。

從現(xiàn)代控制裝置來(lái)看，無(wú)論是邏輯控制、過程控制還是運(yùn)動(dòng)控制都使用的是計(jì)算機(jī)開發(fā)的控制裝置，計(jì)算機(jī)成為三電一體的物質(zhì)基礎(chǔ)。

有兩種實(shí)現(xiàn)三電一體化的思路：一種思路是在網(wǎng)絡(luò)一級(jí)實(shí)現(xiàn)三電一體化，邏輯控制裝置、過程控制裝置、運(yùn)動(dòng)控制裝置盡管各不相同，但如果它們都可以連入同一網(wǎng)絡(luò)，則網(wǎng)絡(luò)就成了三電同一的載體，在網(wǎng)絡(luò)一級(jí)實(shí)現(xiàn)了三電一體化。另一種思路是在控制裝置一級(jí)實(shí)現(xiàn)三電一體化，控制裝置即有邏輯控制功能，又有過程控制功能，還有運(yùn)動(dòng)控制功能。DCS（distrabuted control system）系統(tǒng)沿著前一種思路發(fā)展三電一體化，他花費(fèi)較大，適合于大型自動(dòng)控制系。PLC則沿著后一種思路發(fā)展三電一體化，他靈活機(jī)動(dòng)，三電一體集成度較高，適合于各種規(guī)模自動(dòng)控制系統(tǒng)。

研制開發(fā)PLC的最初動(dòng)因是為了取代繼電器，構(gòu)成新型的控制開關(guān)量的裝置，因此，從一開始，邏輯控制就是PLC的強(qiáng)項(xiàng)。隨著PLC的換代，PLC中處理器處理速度的不斷增加，PLC的功能也在不斷增多，現(xiàn)在發(fā)展成具有邏輯控制功能，過程控制功能、運(yùn)動(dòng)控制功能、數(shù)據(jù)處理功能、聯(lián)網(wǎng)通信功能的名副其實(shí)的多功能控制器。在PLC從邏輯控制功能向多功能的發(fā)展過程中，制造商們?cè)l(fā)生過爭(zhēng)論，出現(xiàn)過一個(gè)短暫的停頓時(shí)期。曾經(jīng)懷疑在PLC上增加對(duì)連續(xù)量的控制功能是否有意義，與同一時(shí)期興起的用于控制的可編程調(diào)節(jié)器、工業(yè)PC、DCS系統(tǒng)相比較，是否具有競(jìng)爭(zhēng)力，是否有市場(chǎng)。停頓是嶄短的，大家很快意識(shí)到，在PLC上增加的控制功能的生命力并不在于其配置的控制算法的復(fù)雜程度，而在于多種功能的集成。PLC的主要優(yōu)勢(shì)在于它把三電集于一體，在裝置一級(jí)實(shí)現(xiàn)了三電一體化。

為什么PLC有能力在裝置一級(jí)集三電于一體，而專門用于過程控制的計(jì)算機(jī)控制裝置實(shí)現(xiàn)三電一體卻比較困難呢？其中有三個(gè)原因。一是PLC是以控制開關(guān)量起家的，他采用循環(huán)掃描方式，通過串行處理使其在邏輯上等小于并行處理的繼電器邏輯控制系統(tǒng)，為了不丟失輸入信號(hào)，要求循環(huán)掃描周期越短越好，這就使得在PLC中配置的處理器性能好，速度快。這些高性能的微處理器本身有很大的潛能，早期PLC只利用速度快這一條，其他潛能并沒有得到充分得利用。后來(lái)發(fā)現(xiàn)處理好不同性質(zhì)的實(shí)時(shí)多任務(wù)的調(diào)度，在PLC中加入針對(duì)慢連續(xù)量的過程控制并不困難。反過來(lái)，針對(duì)慢連續(xù)量的過程控制計(jì)算機(jī)，改成周期循環(huán)掃描并加入大量開關(guān)控制卻是力不能及的。第二個(gè)是大中型PLC中普遍采用了多微處理機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行多道處理。例如西門子的S5-155U，S5-153U內(nèi)最多配置4個(gè)CPU加一個(gè)協(xié)處理器德州儀器公司的T1565可編程控制器最多可裝入8臺(tái)MC68000的處理器，這使得PLC不僅速度快，而且可以獨(dú)立各自處理不同問題，也可分解協(xié)調(diào)，共同處理非常復(fù)雜的問題。第三個(gè)是PLC配置著大量?jī)?nèi)含CPU的智能模板，有些用于PID控制，有些用運(yùn)動(dòng)控制，有些用于高速記數(shù)，有些用于聯(lián)網(wǎng)通信，他們采用模塊結(jié)構(gòu)，通過背板并行總線連成有機(jī)的整體，所有這一切為PLC在裝置一級(jí)實(shí)現(xiàn)三電一體奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。當(dāng)然從目前看，PLC在裝置一級(jí)的三電一體化并不是很完善的，復(fù)雜過程控制還欠缺一些，運(yùn)動(dòng)控制能力也還不全面，這些都有待于進(jìn)一步開發(fā)。盡管如此，在裝置一級(jí)實(shí)現(xiàn)三電一體化本身，使得PLC在競(jìng)中居于強(qiáng)有力的地位。

二、PLC網(wǎng)絡(luò)的性能價(jià)格比高

PLC網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過多年的發(fā)展，已成為具有3~4級(jí)子網(wǎng)的多級(jí)分布式網(wǎng)絡(luò)。加上強(qiáng)有力的工具軟件，使他成為具有工藝流程顯示、動(dòng)態(tài)畫面顯示、趨勢(shì)圖生成顯示、各種報(bào)表制作的多功能的系統(tǒng)，在MAP規(guī)約的帶動(dòng)下，可以方便地與其他網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。所有這一切是PLC網(wǎng)絡(luò)成為CIMS系統(tǒng)非常重要的組成部分之一。

若把PLC網(wǎng)絡(luò)與其他工業(yè)局域網(wǎng)比較，從功能上看，PLC網(wǎng)絡(luò)并沒有什么特別之處，他的特別之出在于：PLC網(wǎng)絡(luò)具有較高的價(jià)格比。

我們知道DCS系統(tǒng)具有優(yōu)良的通信子網(wǎng)。但是為了取得網(wǎng)絡(luò)的高可靠性，DCS系統(tǒng)普遍對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)采用1∶1冗余措施，這包括通信信道的1∶1冗余、通信接口的1∶1冗余，還包括通信系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，對(duì)故障檢測(cè)及自動(dòng)切換到備用子網(wǎng)的裝置。諸如此類，導(dǎo)致盡管DCS系統(tǒng)性能優(yōu)良，單價(jià)格也非常昂貴，性能價(jià)格并不很高。

PLC網(wǎng)絡(luò)則不同，一般在網(wǎng)絡(luò)級(jí)它不搞1∶1網(wǎng)絡(luò)冗余，僅在關(guān)鍵部位選用冗余結(jié)構(gòu)的PLC。這樣一種處理方案，在價(jià)格上將大大低于DCS系統(tǒng)是不言而喻的。在可靠性上是否一定低于DCS系統(tǒng)呢？其實(shí)也不一定。由于PLC集三電于一體，使其本身具有很強(qiáng)的自治性，它對(duì)PLC網(wǎng)絡(luò)的通信速度要求比較低，需要通過網(wǎng)絡(luò)交換的數(shù)據(jù)量相對(duì)比較少，這使得PLC網(wǎng)絡(luò)變的比較簡(jiǎn)單。而DCS系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)一級(jí)實(shí)現(xiàn)三電一體化，他對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信速度的要求比較高，需要通過網(wǎng)絡(luò)交換的數(shù)據(jù)量比較大，這使得DCS系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)比較復(fù)雜。簡(jiǎn)單通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性總比復(fù)雜通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性容易保證。從這個(gè)角度看，PLC網(wǎng)絡(luò)盡管沒有1∶1冗余，可靠性也未必低。更何況PLC本身具有良好的自治性，在關(guān)鍵場(chǎng)合又選用PLC冗余結(jié)構(gòu)，這樣即使PLC網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障，仍可維持生產(chǎn)進(jìn)行。

正是由于PLC網(wǎng)絡(luò)具有較高的性能價(jià)格比這一特點(diǎn)，使他倍受用戶歡迎，在中小企業(yè)的自動(dòng)化系統(tǒng)中向DCS提出了嚴(yán)格挑戰(zhàn)。

三、PLC的高可靠性

大家都知道，PLC是一種具有很高可靠性的控制裝置，他與可編程序調(diào)節(jié)器DCS系統(tǒng)同被列為"不損壞儀表"。這當(dāng)然是由于在硬件上他們都采用了諸如隔離、濾波、屏蔽、接地等一系列抗干擾措施，在模板機(jī)箱進(jìn)行了完善的電磁兼容性設(shè)計(jì)，對(duì)元件進(jìn)行了盡心的挑選；而且更重要的是他們采用了諸如數(shù)字濾波、指令復(fù)執(zhí)、程序卷回、差錯(cuò)校驗(yàn)等一系列軟件抗干擾措施及故障診斷技術(shù)，以及在系統(tǒng)一級(jí)的冗余配置等。

對(duì)于PLC系統(tǒng)來(lái)說，他的高可靠性還得益于其特殊的工作方式。PLC采用周期循環(huán)掃描方式工作，對(duì)于輸出集中進(jìn)行。這種工作方式本身就具有抗干擾能力。在一個(gè)循環(huán)掃描周期T中，僅只有一小段時(shí)間集中進(jìn)行I/O，也只有一小段集中進(jìn)行I/O時(shí)間中的干擾才會(huì)被引入PLC內(nèi)部，在掃描周期的其余大部分時(shí)間，干擾都被阻擋在PLC之外。因此PLC的這種工作方式就具有抗干擾能力。

通常，為了防止開關(guān)量丟失，要求把掃描周期控制在100~200ms之內(nèi)，這個(gè)時(shí)間比PLC所帶的執(zhí)行器的電機(jī)時(shí)間常數(shù)小得多。這樣一來(lái)，即使在每個(gè)掃描周期，干擾侵入，并造成輸出值錯(cuò)誤，擔(dān)當(dāng)他還沒來(lái)得及使執(zhí)行器發(fā)生錯(cuò)誤的動(dòng)作，下一個(gè)掃描周期正確的輸出就會(huì)將其糾正。上面這些原因使PLC的可靠性顯的更高。

正是由于PLC具有多功能，集三電于一體，PLC網(wǎng)絡(luò)具有優(yōu)良的性能價(jià)格比和PLC具有高可靠性等等，使得PLC在工廠中倍受歡迎，用量高居，成為現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化的支柱。