PLC及其網(wǎng)絡是現(xiàn)代工業(yè)自動化的支柱
 

PLC及其網(wǎng)絡被*為現(xiàn)代工業(yè)自動化三大支柱（PLC、機器人、CAD/CAM）之一。從近年的統(tǒng)計數(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)量的運動控制系統(tǒng)。在傳統(tǒng)上對于這三種控制系統(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（電動單元組合儀表），運動控制用電傳裝置（電氣傳動控制裝置）。所謂三電就是指的是電控、電儀、電傳。

在一家工廠、一個車間、一個工段，甚至在一臺設備上，這三種設備常常并存在一起，單設備各不相干。這主要是因為這三種控制裝置相差太遠，無法兼容。長久以來，人們一直希望能把他們用一種控制裝置統(tǒng)一起來，協(xié)調(diào)地進行控制。 這對于提高生產(chǎn)效率，保證產(chǎn)品質(zhì)量，實現(xiàn)優(yōu)化控制無疑是很有意義的。把三電合成于一體就叫做三電一體。

從現(xiàn)代控制裝置來看，無論是邏輯控制、過程控制還是運動控制都使用的是計算機開發(fā)的控制裝置，計算機成為三電一體的物質(zhì)基礎(chǔ)。

有兩種實現(xiàn)三電一體化的思路：一種思路是在網(wǎng)絡一級實現(xiàn)三電一體化，邏輯控制裝置、過程控制裝置、運動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，則網(wǎng)絡就成了三電同一的載體，在網(wǎng)絡一級實現(xiàn)了三電一體化。另一種思路是在控制裝置一級實現(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，還有運動控制功能。DCS（distrabuted control system）系統(tǒng)沿著前一種思路發(fā)展三電一體化，他花費較大，適合于大型自動控制系。PLC則沿著后一種思路發(fā)展三電一體化，他靈活機動，三電一體集成度較高，適合于各種規(guī)模自動控制系統(tǒng)。

研制開發(fā)PLC的最初動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的強項。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、運動控制功能、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，制造商們曾發(fā)生過爭論，出現(xiàn)過一個短暫的停頓時期。曾經(jīng)懷疑在PLC上增加對連續(xù)量的控制功能是否有意義，與同一時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，是否具有競爭力，是否有市場。停頓是嶄短的，大家很快意識到，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雜程度，而在于多種功能的集成。PLC的主要優(yōu)勢在于它把三電集于一體，在裝置一級實現(xiàn)了三電一體化。

為什么PLC有能力在裝置一級集三電于一體，而專門用于過程控制的計算機控制裝置實現(xiàn)三電一體卻比較困難呢？其中有三個原因。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，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。后來發(fā)現(xiàn)處理好不同性質(zhì)的實時多任務的調(diào)度，在PLC中加入針對慢連續(xù)量的過程控制并不困難。反過來，針對慢連續(xù)量的過程控制計算機，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。第二個是大中型PLC中普遍采用了多微處理機結(jié)構(gòu)進行多道處理。例如西門子的S5-155U，S5-153U內(nèi)最多配置4個CPU加一個協(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MC68000的處理器，這使得PLC不僅速度快，而且可以獨立各自處理不同問題，也可分解協(xié)調(diào)，共同處理非常復雜的問題。第三個是PLC配置著大量內(nèi)含CPU的智能模板，有些用于PID控制，有些用運動控制，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的整體，所有這一切為PLC在裝置一級實現(xiàn)三電一體奠定了堅實的基礎(chǔ)。當然從目前看，PLC在裝置一級的三電一體化并不是很完善的，復雜過程控制還欠缺一些，運動控制能力也還不全面，這些都有待于進一步開發(fā)。盡管如此，在裝置一級實現(xiàn)三電一體化本身，使得PLC在競中居于強有力的地位。

二、PLC網(wǎng)絡的性能價格比高

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

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

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)絡的高可靠性，DCS系統(tǒng)普遍對通信網(wǎng)絡采用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，對故障檢測及自動切換到備用子網(wǎng)的裝置。諸如此類，導致盡管DCS系統(tǒng)性能優(yōu)良，單價格也非常昂貴，性能價格并不很高。

PLC網(wǎng)絡則不同，一般在網(wǎng)絡級它不搞1∶1網(wǎng)絡冗余，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？其實也不一定。由于PLC集三電于一體，使其本身具有很強的自治性，它對PLC網(wǎng)絡的通信速度要求比較低，需要通過網(wǎng)絡交換的數(shù)據(jù)量相對比較少，這使得PLC網(wǎng)絡變的比較簡單。而DCS系統(tǒng)在網(wǎng)絡一級實現(xiàn)三電一體化，他對網(wǎng)絡通信速度的要求比較高，需要通過網(wǎng)絡交換的數(shù)據(jù)量比較大，這使得DCS系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡比較復雜。簡單通信網(wǎng)絡的可靠性總比復雜通信網(wǎng)絡的可靠性容易保證。從這個角度看，PLC網(wǎng)絡盡管沒有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)鍵場合又選用PLC冗余結(jié)構(gòu)，這樣即使PLC網(wǎng)絡發(fā)生故障，仍可維持生產(chǎn)進行。

正是由于PLC網(wǎng)絡具有較高的性能價格比這一特點，使他倍受用戶歡迎，在中小企業(yè)的自動化系統(tǒng)中向DCS提出了嚴格挑戰(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，在模板機箱進行了完善的電磁兼容性設計，對元件進行了盡心的挑選；而且更重要的是他們采用了諸如數(shù)字濾波、指令復執(zhí)、程序卷回、差錯校驗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)一級的冗余配置等。

對于PLC系統(tǒng)來說，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，對于輸出集中進行。這種工作方式本身就具有抗干擾能力。在一個循環(huán)掃描周期T中，僅只有一小段時間集中進行I/O，也只有一小段集中進行I/O時間中的干擾才會被引入PLC內(nèi)部，在掃描周期的其余大部分時間，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)，這個時間比PLC所帶的執(zhí)行器的電機時間常數(shù)小得多。這樣一來，即使在每個掃描周期，干擾侵入，并造成輸出值錯誤，擔當他還沒來得及使執(zhí)行器發(fā)生錯誤的動作，下一個掃描周期正確的輸出就會將其糾正。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)絡具有優(yōu)良的性能價格比和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)自動化的支柱。