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可編程控制器PLC的發(fā)展趨勢

時間:2024/1/11閱讀:1003
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一、PLC的發(fā)展歷史 


可編程邏輯控制器,又稱可編程控制器,有過多種定義??梢钥醋魇且环N經過特殊設計的產業(yè)計算機,整個的設計原則就是簡單與實用。

1968年,通用汽車公司的液壓部分為了消除既復雜又昂貴的繼電器控制系統(tǒng),確立了第一個可編程控制器的招標指標。該設計規(guī)格需要固態(tài)系統(tǒng)和電腦技術,并要求能夠在產業(yè)環(huán)境中生存,也能夠方便地編程,并且可以重復使用。該控制系統(tǒng)將大大減少機器的停機時間,并為未來提供了可擴展性。該招標由DEC公司中標,這套系統(tǒng)于1969年研制出來,這是第一臺可編程控制器,型號為PDP-14,應用取得成功。其后,美國的MODICON公司也推出了同名的084控制器,1971年日本推出了DSC-80控制器,1973年西歐國家的各種可編程控制器也研制成功。這些早期的控制器滿足了最初的要求,并且打開了新的控制技術的發(fā)展的大門。

PLC的發(fā)展也是與計算機技術、控制技術、數字技術、通訊網絡技術等高新技術的發(fā)展息息相關,正是這些高新技術的發(fā)展推動了可編程控制器的發(fā)展。

從控制功能來看,可編程控制器的發(fā)展大致經歷了4個階段:

1.低級階段:從第一臺PLC問世到20世紀70年代中期

由于第一代PLC是為了取代繼電器的,因此,主要功能是邏輯運算和計時、計數功能。CPU由中小規(guī)模數字集成電路構成。主要產品有:MODICON公司的084,AB公司的PDQ-IL,DEC公司的PDP-14,日立公司的SCY-022等。第一階段就采用了梯形圖語言作為編程方式,盡管有些枯燥,但卻形成了工廠的編程標準。

2.擴展階段:從20世紀70年代中期到70年代末期

這一階段PLC產品的控制功能得到很大擴展。擴展的功能包括數據的傳送、數據的比較和運算、模擬量的運算等功能。這一階段的產品有MODICON的184,284,384,西門子公司的SIMATICS3系列,富士電機公司的SC系列產品。

3.通訊階段:20世紀70年代末期到80年代中期

這一階段產品與計算機通訊的發(fā)展有關,形成了分布式通訊網絡。但是,由于各制造商各自為政,通訊系統(tǒng)也是各有各的規(guī)范。由于在很短的時間內,PLC就已經從汽車行業(yè)迅速擴展到其它行業(yè),作為繼電器的替換品進進了食品、飲料、金屬加工、制造和造紙等多個行業(yè)。其次,產品功能也得到很大的發(fā)展。同時,可靠性進一步進步。這一階段的產品有西門子公司的SIMATICS6系列,GOULD公司的M84,884等,富士電機的MICRO和TI公司的TI530等。

4.開放階段:從20世紀80年代中期開始

由于國際標準化組織提出了開放系統(tǒng)互連的參考模型OSI,使PLC在開放功能上有較大發(fā)展。主要表現(xiàn)為通訊系統(tǒng)的開放,使各制造廠商的產品可以通訊,通訊協(xié)議開始標準化,使用戶得益。此外,PLC開始采用標準化軟件系統(tǒng),增加高級語言編程,并完成了編程語言的標準化工作。這一階段的產品有西門子公司的S7系列,AB公司的PLC-5,SLC500,德維森的V80和PPC11,加拿大ONLINECONTROL公司與合控電氣公司所開發(fā)的OPENPLC等。

二、PLC的特點

1.PLC的硬件和軟件進展

PLC的技術從誕生之日起,就不停地發(fā)展。PLC的定義也經過多次變動。1987年,國際電工委員會IEC(InternationalElectricalCommittee)頒布了可編程序控制器最新的定義:

可編程控制器是一種能夠直接應用于專門為在產業(yè)環(huán)境下應用而設計的數字運算操縱的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器,用來在其內部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計數和算術運算等操縱的指令,并能通過數字式或模擬式的輸進和輸出,控制各類的機械或生產過程??删幊炭刂破骷捌溆嘘P的外圍設備都應按照易于與產業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體,易于擴展其功能的原則而設計。

可見,PLC的定義實際是根據PLC的硬件和軟件技術進展而發(fā)展的。這些發(fā)展不僅改進了PLC的設計,也改變了控制系統(tǒng)的設計理念。這些改變,包括硬件和軟件的。

以下列出了PLC的硬件進展:

采用新的、先進的微處理器和電子技術達到快速的掃描時間; 
小型的、低成本的PLC,可以替換4到10個繼電器,可以獲得更大的發(fā)展動力; 
高密度的I/O系統(tǒng),以低提供了節(jié)省空間的接口; 
基于微處理器的智能I/O接口,擴展了分布式控制能力。典型的接口如:PID、網絡、CAN總線、現(xiàn)場總線、ASCII通訊、定位、主機通訊模塊和語言模塊(如BASIC,PASCAL)等; 
包括輸進輸出模塊和端子的結構設計改進,使端子更加集成; 
特殊接口允許某些器件可以直接接到控制器上,如熱電偶、熱電阻、應力張量、快速響應脈沖等; 
外部設備改進了人機界面技術,系統(tǒng)文檔功能成為了PLC的標準功能。

以上這些硬件的改進,導致了PLC的產品系列的豐富和發(fā)展,使PLC從最小的只有十個I/O點的微型PLC,到8000點的大型PLC。
這些產品系列,用普通的I/O系統(tǒng)和編程外部設備,可以組成局域網,并可與外部辦公網絡相連。
整個PLC的產品系列概念對于用戶來說,是一個非常節(jié)約成本的控制系統(tǒng)概念。

與硬件的發(fā)展相似,PLC的軟件也取得了巨大的進展,大大強化了PLC的功能:

PLC引進了面向對象的編程工具,并且根據國際電工委員會的IEC61131-3的標準形成了多種語言; 
小型PLC也提供了強大的編程指令,因此延伸了應用領域; 
高級語言,如BASIC,C在某些控制器模塊中已經可以實現(xiàn),在與外部通訊和處理數據時提供了更大的編程靈活性; 
梯形圖邏輯中可以實現(xiàn)高級的功能塊指令,可以使用戶用簡單的編程方法實現(xiàn)復雜的軟件功能; 
診斷和錯誤檢測功能,從簡單的系統(tǒng)控制器的故障診斷,擴大到對所控制的機器和設備的過程和設備進行診斷; 
浮點運算可以完成應用中計量、平衡和統(tǒng)計等所牽涉的復雜計算; 
數據處理指令得到簡化和改進,可以進行涉及大量數據存儲、跟蹤和存取的復雜控制和數據采集及處理功能
。

盡管PLC比原來復雜了很多,但是,他們依然保持了令人吃驚的簡單性,對操縱員來說,今天的高功能的PLC與三十年前一樣那么輕易操縱。


2.PLC的特點

PLC發(fā)展如此迅速的原因,在于它具有一些其它控制系統(tǒng),包括DCS和通用計算機在內,所不及的一些特點。下面對這些特點做一個介紹:

① 可靠性

可靠性包括產品的有效性和可維修性??删幊炭刂破鞯目煽啃愿撸憩F(xiàn)在下列幾個方面:

a) 可編程控制器不需要大量的活動部件和電子元件,接線大大減少,與此同時,系統(tǒng)的維修簡單,維修時間縮短,因此可靠性得到進步;

b) 可編程控制器采用一系列可靠性設計方法進行設計,例如冗余設計,掉電保護,故障診斷,報警和運行信息顯示和信息保護及恢復等,進步了MTBF(
全稱是Mean Time Between Failure,即平均工作時間。就是從新的產品在規(guī)定的工作環(huán)境條件下開始工作到出現(xiàn)第一個故障的時間的平均值。MTBF越長表示可靠性越高正確工作能力越強 ),降低了MTTR(源自于IEC61508中的平均維護時間mean time to repair,目的是為了清楚界定術語中的時間的概念,MTTR是隨機變量恢復時間得期望值。它包括確認失效發(fā)生所必需的時間,以及維護所需要的時間。MTTR也必須包含獲得配件的時間,維修團隊的響應時間,記錄所有任務的時間,還有將設備重新投入使用的時間),使可靠性得到進步;

c) 可編程控制器有較強的易操縱性,它具有編程簡單,操縱方便,編程的出錯率大大降低,而為產業(yè)惡劣操縱環(huán)境設計的硬件使可靠性大大進步;

d) 可編程控制器的硬件設計方面,采用了一系列進步可靠性的措施。例如,采用可靠性高的產業(yè)級元件,采用先進的電子加工工藝(SMT)制造,對干擾采用屏蔽、隔離和濾波等;存儲器內容的保護,采用看門狗和自診斷措施,便于維修的設計等。

一份用戶選用PLC原因的調查報告指出:在各種選用PLC的原因中,原因是可靠性高的,占93%,其次,才是性能和維修方面的原因。

② 易操縱性

PLC的易操縱性表現(xiàn)在下列三個方面:

a) 操縱方便:對PLC的操縱包括程序的錄入和程序更改操作,大多數PLC采用編程器進行程序錄入和更改操作。現(xiàn)在的PLC的編程器大部分可以用電腦直接進行,更改程序也可根據所需地址編號、繼電器編號或接點號等直接進行搜索或按順序尋找,然后可以在線或離線更改;

b) 編程方面:PLC有多種程序設計語言可以使用,對現(xiàn)場電氣技術人員來說,由于梯形圖與電氣原理圖相似,因此很輕易理解和把握。采用語句表語言編程時,由于編程語句是功能的縮寫,便于記憶,并且與梯形圖有逐一對應的關系,所以有利于編程人員的編程操作。功能圖表語言以過程流程進展為主線,十分適合程序設計人員與工藝技術人員設計思想的溝通。功能模塊圖和結構化文本語言編程方法的應用具有功能清楚,易于理解等優(yōu)點,而且與DCS組態(tài)語言同一,正受到廣大技術人員的重視。

c) 維修方便:PLC所具有的自診斷功能對維修技術要求較低,當系統(tǒng)發(fā)生故障時,通過硬件和軟件的自診斷,維修人員可以根據有關故障代碼的顯示和故障信號燈的提示等信息,或通過編程器和HMI屏幕的設定,直接找到故障所在的部位,為迅速排除故障和修復節(jié)省了時間,降低了MTTR。

為便于維修工作的開展,有些PLC制造商提供維修用的專用儀表或設備,提供故障維修樹等維修用資料;有些廠商還提供維修用的智能卡或插件板,使維修工作變得十分方便。此外,PLC的面板和結構設計也考慮了維修的方便性。例如,對需要維修的部件設置在便于維修的位置,信號燈設置在易于觀察的位置,接線端子采用便于接線和更換的類型等,這些設計使維修工作能方便地進行,大大縮短了維修時間。采用標準化元件和標準化工藝生產流水作業(yè),使維修用備品備件簡化等,也使維修工作變得方便。

③ 靈活性

PLC的靈活性主要表現(xiàn)在以下3個方面:

a) 編程的靈活性:PLC采用的標準編程語言有梯形圖、指令表、功能圖表、功能模塊圖和結構化文本編程語言等。使用者只要把握其中一種編程語言就可進行編程,編程方法的多樣性使編程方便。由于PLC內部采用軟連接,因此,在生產工藝流程更改或者生產設備更換后,可不必改變PLC的硬設備,通過程序的編制與更改就能適應生產的需要。這種編程的靈活性是繼電器順序控制系統(tǒng)和數字電路控制系統(tǒng)所不能相比的。正是由于編程的柔性特點,使PLC成為產業(yè)控制領域的重要控制設備,在柔性制造系統(tǒng)FMS,計算機集成制造系統(tǒng)(CIMS)和計算機流程產業(yè)系統(tǒng)(CIPS)中,PLC正成為主要的控制設備,得到廣泛的應用;

b) 擴展的靈活性:PLC的擴展靈活性是它的一個重要特點。它可以根據應用的規(guī)模不斷擴展,即進行容量的擴展、功能的擴展、應用和控制范圍的擴展。它不僅可以通過增加輸入輸出卡件增加點數,通過擴展單元擴大容量和功能,也可以通過多臺PLC的通訊來擴大容量和功能,甚至可以與其它的控制系統(tǒng)如DCS或其它上位機的通訊來擴展其功能,并與外部的設備進行數據交換。這種擴展的靈活性大大方便了用戶;

c) 操縱的靈活性:操縱的靈活性指設計工作量、編程工作、和安裝施工的工作量的減少。操縱變得十分方便和靈活,監(jiān)視和控制變得很輕易。在繼電器順序控制系統(tǒng)中所需的一些操作得到簡化,不同生產過程可采用相同的控制臺和控制屏等。

④ 機電一體化

為了使產業(yè)生產的過程控制更平穩(wěn),更可靠,向優(yōu)質、高產、低耗要效益,對過程控制設備和裝置提出了機電一體化,即儀表、電子、計算機綜合的要求,而PLC正是這一要求的產物,它是專門為產業(yè)過程而設計的控制設備,具有體積小、功能強,抗干擾性好等優(yōu)點,它將機械與電氣部件有機地結合在一個設備內,把儀表、電子和計算機的功能綜合集成在一起,因此,它已經成為當今數控技術、產業(yè)機器人、離散制造和過程流程等領域的主要控制設備,成為產業(yè)自動化三大支柱(PLC,機器人,CAD/CAM)之一。

可編程控制器現(xiàn)在已經成為了一個不可代替的控制系統(tǒng),它們可以與其它系統(tǒng)通訊,提供產品報表,生產調度,診斷自身和設備的故障,這些技術上的改進,讓PLC成為今天各行各業(yè)的高質量和產量的重要貢獻者。



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