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可编程序控制器的英文为ProgrammableController,在二十实际七十至八十年代一直简称为PC。由于到90年代,个人计算机发展起来,也简称为PC;加之可编程序的概念所涵盖的范围太大,所以美国AB公司首次将可编程序控制器定名为可编程序逻辑控制器(PLC,ProgrammableLogicController),为了方便,仍简称PLC为可编程序控制器。

1969年,美国DEC公司研制出世界上第一台PLC(PDP-14),并在GM公司汽车生产线上应用成功。而今,历经几代的变迁,与DCS、FCS竞争市场,到如今像PAC的演变,PLC经历了40个年头。

在这四十年里面,PLC越来越往高速度、大容量的方向发展,高端PLC也蚕食了小型DCS的部分市场;而近几年出现的PAC,也试图弥补PLC在功能上的不足,试图与PLC一争高下;现在PCC的概念又频频见诸报道。下面整理了一些资料,有关PLC的发展历程,以及PLC和DCS、PAC、PCC在技术上的比较,带我们重温PLC技术发展的这四十年。

PLC的发展历程

PLC的发展过程大概可分为三个阶段:

一、早期的PLC(诞生—70年代中期)

此时的PLC为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物,其主要功能是执行原先由继电器完成的顺序控制、定时等。它在硬件上以准计算机的形式出现,在I/O接口电路上作了改进以适应工业控制现场的要求。装置中的器件主要采用分立元件和中小规模集成电路,存储器采用磁芯存储器。另外还采取了一些措施,以提高其抗干扰的能力。在软件编程上,采用广大电气工程技术人员所熟悉的继电器控制线路的方式—梯形图。因此,早期的PLC的性能要优于继电器控制装置,其优点包括简单易懂,便于安装,体积小,能耗低,有故障指使,能重复使用等。其中PLC特有的编程语言—梯形图一直沿用至今。

二、中期的PLC(70年代中期—80年代中,后期)

在70年代,PLC进入实用化发展阶段,微处理器的出现使PLC发生了巨大的变化。在软件方面,除了保持其原有的逻辑运算、计时、计数等功能以外,还增加了算术运算、数据处理和传送、通讯、自诊断等功能。在硬件方面,除了保持其原有的开关模块以外,还增加了模拟量模块、远程I/O模块、各种特殊功能模块。并扩大了存储器的容量,使各种逻辑线圈的数量增加,还提供了一定数量的数据寄存器。PLC在功能增强的同时也扩大了应用的范围。这时,PLC也开始了与DCS长达数十年的竞争。

三、近期的PLC(80年代中、后期至今)

进入80年代中、后期,由于超大规模集成电路技术的迅速发展,微处理器的市场价格大幅度下跌,使得各种类型的PLC所采用的微处理器的当次普遍提高。而且,为了进一步提高PLC的处理速度,各制造厂商还纷纷研制开发了专用逻辑处理芯片。这样使得PLC软、硬件功能发生了巨大变化。

PLC PK DCS

七十年**始从传统使用仪表和继电器组对应的两个不同应用领域(过程和顺序控制领域)派生出来DCS和PLC两类产品。这两类产品在初期确有相当多的不同,DCS对于模拟量回路控制这一块更为重视,而PLC对于离散的逻辑控制更为拿手。当时的DCS使用通用CPU,采用解释方式处理程序,而PLC依靠类拟于AMD2910的位块处理器处理逻辑,相对而言在系统结构上,DCS更偏向PC,而PLC更像传统的硬件继电器组(位处理器)。

在八十年代至九十年代中期,是PLC发展最快的时期,年增长率一直保持为30~40%。由于PLC人机联系处理模拟能力和网络方面功能的进步,挤占了一部分DCS的市场(过程控制)并逐渐垄断了污水处理等行业。

PLC与DCS在经过数十年的并行发展后,突然大家发现DCS和PLC的概念含糊不清了,因为PLC也在体系中加入了通用型的CPU,也大量的使用的DCS或者PC的各种软硬件技术,特别软逻辑PLC在指令处理原理方面与DCS并无二样,只是上位机软件的用户指令不同而已。当然DCS也不是原地不动,DCS在网络通信方面、多DPU协同工作方面、冗余方面都有了长足的发展,并广泛的采用了基于X86的PC_BASE体系架构,充分利用了PC的技术成果。

现代的DCS与PLC的差别是相当小的,从具体的技术区分而言,DCS有基于令牌网络的分布式实时数据库,可以通过全量通信来保证每个DPU内的数据映象都是一致的,而PLC更多的关注单机工作,就算是联网,也假定两台PLC之间只需要少量的数据交换,所以采用的主从结构的请求应答方式通信。全量和增量通信并不能说明那一种更为高级或者更好,只能说应用的领域不同,对于实时性要求高的环境增量通信是一种很适合的工作模式,而对于低速的大型控制系统,全量通信却可以很好的保证可靠性和稳定性,可以确保每一个DPU使用的数据都是同基于同一时间切片的,这也就是DCS采用定时扫描的原因之一。

在过去数十年的发展进程中PLC与DCS都受到PC技术发展的深远影响,特别是DCS,目前的DCS大多采用PC-BASE结构,对PC技术的吸收也相当彻底,而PLC也在80年代未至90年代的软PLC开**潮中大力吸收了DCS、PC的技术,特别是在IEC61131-3标准制定出来后,产生了一系列的以开发软PLC软件的公司,这些公司以欧洲公司居多,这与欧洲公司的开放软件组织成熟有一定关系。同时IEC61131-3有很强的排它性和技术壁垒特性,对于日式PLC的编程方式基本是排斥的,所以相当多的欧洲企业有兴趣进军这个行业,这方面以KW、一方梯队、ISAGRAF、3S等尤为突出,这些公司对于工控软件化和标准化起到了相当重要的作用,目前的各大工控公司在开发新的软件时都会对这几家公司的产品进行深入的研究。

最初的软PLC开发大多以PC-BASE为硬件平台,后来一方面PC-BASE限入了低谷,成本和可靠性都很难提升,才慢慢的加入ARM、51、**R等CPU的支持,并一直强调开发的模块化结构,使移植变得更为容易。

目前,PLC通常按点数和价格分成了大中小微几种不同的档次,同时按内部实现技术分成了硬PLC、软编译型PLC、软解释型PLC三种,按结构分成了背板式、模块式、分布式几种。其中大中型PLC更是在功能上加入了DCS和PC的许多功能,使其可以向上吞并一些DCS的市场,如现在很多自备电厂和化工行业都不再使用DCS而改用PLC去完成。另一方面需要引起注意的是现在PLC发展出了许多专用的PLC,包括数控专用、车用、设备专用、安全的、楼宇的等。

同时DCS也向下发展了许多有个性的产品,使其可以代替一部分PLC的产品,如浙大中控、浙大中自的某系列产品就做得比较小,只有几个回路,带显示屏,可以满足一些行业的单回路控制需要。

从目前来看,PLC与DCS必定将相互交融,在十年后我们一定不会再为控制器选DCS还是PLC而苦恼,因为它们其实是一样的。

PLC和PAC,名字变化的背后

从2006年开始,一股PAC(ProgrammableAutomationController)的浪潮在一些自动化供应商的圈子里面涌动。从可编程逻辑控制器PLC到可编程自动控制器PAC,一个字母之差,背后到底相差的又是什么呢?

所谓PAC,ARC咨询公司率先提出这一概念,“目前自动化技术领域出现了一种新的发展趋势,即高端PLC的功能正在接近小型DCS和SCADA系统的功能,而同时一种新兴的技术——可编程自动化控制器(PAC)的出现,开始改变PLC市场格局。相比PLC,这种PAC产品具有更强的通讯能力,更大的存储容量和更快的CPU速度,使PLC成为一种通用的自动化平台组件。”同时,他们还对PAC的概念进行了详细定义:诸如在一种平台上实现逻辑控制、传动控制、运动控制和过程控制等多种功能;具有公用对象标记和统一数据库的多学科开发平台;控制软件允许用户根据多个设备或多个过程单元之间的过程流进行控制设计具有开放和模块化的结构,无论是工厂的机械设计还是过程行业的单元运行,都能满足其生产过程特点;网络接口和编程语言等都采用事实上的工业标准,能够实现不同供应商的自动化系统之间的数据交换,有利于实现多种产品的网络化集成。

但是,目前PAC还并未被大多数传统的PLC主流供应商(比如西门子、施耐德、欧姆龙等)所认可并推广。为什么会出现这样的情况?这可能是因为一些供应商在宣传PAC的时候,更多的目的是进行市场宣传,尤其是那些一直倡导并主要生产基于PC控制产品的厂家。当PLC的功能和角色在不断地发生变化时,制造商和开发者们只是简单地想以这样一种方式来概括这些变化。另外一个原因在于,PC容易发生系统崩溃。当专业的分析师们正在向使用PLC的机械制造商们大谈PAC的时候,似乎没注意到很多厂级控制系统的设计人员正在更深入使用着PLC。PLC的坚固可靠性比工业PC更具有说服力,在过程控制领域中,新一代PLC控制器正受到越来越多的工程师的喜爱。就最先进的新一代PLC来说,很多产品发展到今天已经具备了上述的功能,例如罗克韦尔的ControlLogix平台,三菱的Q系列PLC等。

透过PAC的概念,我们发现开放和集成已经是自动化产品和系统发展中不可阻挡的趋势。PAC强调在一种平台上实现逻辑控制、传动控制、运动控制和过程控制等多种控制,强调公用对象标记和统一数据库,强调网络接口和编程语言等都采用事实上的工业标准以有利于实现多种产品的网络化集成,这都是反映了包括PLC在内的各种控制手段本身的融合与发展。从长远来看,如今客户的需求日益繁杂,市场所能提供的产品也越来越多。现在用户的生产系统变得日益庞杂,集成无疑已经成为整合生产体系、提高效率及工厂信息化的重要途径。当前的自动化产品和系统,不但应该具有良好的内部集成能力,更应该具有良好的向第三方开放的集成能力,只有这样的体系结构才能帮助最终用户的设备运行至更高的水平。

PCC与PLC

目前提到PCC的是奥地利贝加莱工业自动化公司。计算机技术、电子技术、网络通信技术以及自动控制技术的飞速发展,使得工程师们在工业应用中对于控制器的功能需求也远远超越了当初的“顺序逻辑控制”的简单期望。

贝加莱(B&R)敏锐地捕捉到这一技术需求的变化,早在1994年便在全球第一个推出了基于定性实时多任务操作系统(Real Time multi-tasking Operation System)的可编程计算机控制器(PCC—Programmable Computer Controller),时至今日,仍然代表了这一创新技术的发展趋势,成为新一代自控工程师的新宠。

常规的PLC大多依赖于单任务的时钟扫描或监控程序,来处理程序本身的逻辑运算指令以及外部的I/O通道的状态采集与刷新,整个应用程序采用一个循环周期,但事实上在一个控制系统中,虽然往往有一些数据量是实时性要求很高的,但也有很多大惯性的模拟量是没有太高实时要求的,如果采用同样的刷新速度其实是对资源的浪费,而且循环顺序扫描的运行机制也直接导致了系统的控制速度严重依赖于应用程序的大小,应用程序一旦复杂庞大,控制速度就必然降低。这无疑是与I/O通道高实时性控制的要求相违背的。

而贝加莱PCC系统的设计方案则完美地解决了这一问题,与常规PLC相比较,PCC最大的特点就在于其引入了类大型计算机的分时多任务操作系统理念,并辅以多样化的应用软件设计手段,由于分时多任务的运行机制,使得应用任务的循环周期与程序长短无关,而是由设计人员根据工艺需要自由设定,从而将应用程序的扫描周期同真正外部的控制周期区别开来,满足了真正实时控制的要求,而且这种控制周期是可以在CPU运算能力允许的前提下,按照用户的实际要求而做相应设定。


图1 传统PLC运行模式


图2 贝加莱PCC-定性分时多任务操作系统的运行模式

基于这样的运行平台,PCC的应用程序可分为多个独立的任务模块,这样给便应用软件的开发带来了极大的便利,因为工程师可以方便地根据控制项目中各子系统的不同功能要求,如数据采集,报警,PID调节运算,通信控制等,开发相应的控制程序模块(任务),在分别编制和调试之后,可一同下载至PCC的用户程序存储器中,在多任务操作系统的调度管理下,并行协同运行,因为这些模块既相互独立运行,而数据间又保持一定的相互关联,由他们共同实现项目的控制要求。在这多个任务中,根据不同任务对实时性能的不同需求,设计人员可以指定不同的优先等级即确定的循环周期,从而实现确定的分时多任务控制。即便某个任务处于等待状态,别的任务也可继续执行。

这种多任务的运行机制,采用大型应用软件的模块化设计思想,还带来了项目开发效率上的提高,有着常规PLC无法比拟的灵活性。因为多任务的思想使得各个任务模块的功能描述更趋清晰简洁,用户可以自行开发自己独有的而又同时具有通用性的独立功能模块,并将其封装以便于日后在其他应用项目中重新使用。而且各个不同的任务甚至可以由开发小组的不同成员分别编制,不同的开发人员基于共同的约定,可以灵活选用不同编程语言,这就意味着不仅在常规 PLC上一直为人们所熟悉的梯形图,指令表等符合IEC6113-3规范的通用语言可以在PCC上继续沿用,而且用户还可采用更为高效直观的高级语言,比如ANSI C 和Automation Basic,从而实现复杂的数学运算功能和过程控制算法。而且所有这些编程语言,PCC都采用“符号变量”来标识外部I/O通道及内部寄存器单元(例如用户可用motor_run来代表某开关量输出通道,button_down代表某开关量输入通道)。这样,软件开发人员毋需熟知 PCC内部的硬件资源分布,而只须集中精力于项目本身的工艺要求,即可迅速编制出结构清晰功能明确的控制程序来。

PCC在硬件上的特点,还体现在它为工业现场的各种信号和应用设计了许多专用的接口模块和功能模块,如温度、张力、步进电机驱动、示波器、鼓序列发生、脉冲编码,称重、超声波信号等等。它们将各种形式的现场信号十分方便的接入以PCC为核心的数字控制系统中,用户可按需要对I/O通道进行数十点、数百点至数千点的扩展与联网。在PCC模块内部,CPU的数据总线与IO总线分离,并配置有独立的I/O处理器,特有的时间处理单元(TPU)在不增加CPU负荷的前提下,高速处理无论简单或复杂的定时任务,其基准计时频率可高达6.29MHz,因此目前被广泛应用于测频测相及PWM等极高精度的时间处理场合中。而其所有数字量输入端都经过了光电耦合隔离,模拟量输入端也都经过了RC滤波处理,因此具有很好的抗干扰能力,其整体硬件平均无故障时间MTBF高达50万小时。

PCC在远程通信方面的灵活性,是区别于常规PLC的另一显著标志,作为构成现场分布式控制的主要供应商之一,贝加莱PCC为此提供了十分灵活多样的解决方案。除开放式现场总线的网络方案之外,PCC还提供了多种网络协议,用户不仅可以采用贝加莱的独有网络协议,也可以方便的与其他厂家的PLC或其他工控设备联网通信(如Siemens,AB, Modicon等),在一些特殊情况下,PCC还为用户提供了创建自定义协议的帧驱动(Frame drive)工具。特别值得一提是Ethernet POWERLINK网络协议,这是2001年贝加莱公司在竞争对手还在讨论实时工业以太网概念的时候,便在全球第一次推出并实用化了真正意义的实时工业以太网络,这也是全球第一个开放的安全级(SIL3)实时工业以太网。2007年初该公司又已经发布其实现了千兆级实时工业以太网Ethernet POWERLINK的消息。由于具备这样的技术优势,PCC常常能解决许多常规PLC所望尘莫及的通信难题,轻松实现与各种不同产品,不同通信协议的高效互联。

PLC未来的发展方向,则仁者见仁智者见智了。欢迎大家来信沟通自己的看法ysr@e-works.net.cn

发表于: 2009-09-28 16:54 Alpha 阅读(4548) 评论(2) 收藏 好文推荐

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评论列表
# re: PLC的这四十年:和DCS、PAC、PCC那些事儿
2012-02-28 00:33 | 【匿名用户】:E-works热心网友 | 1楼
  今日看到不敢苟同。
     第一、现在PLC 全部自主源代码系统级,而PCC使用winxp为核心,系统稳定性不用比,地球人都知道;
     第二、计算机没有绝对的多任务多线程,提高CPU速度而已,并且现在PLC的主芯片速度也非常高,并且提供多种中断服务程序,所以多线程不提也罢;
     第三、 不要讲PLC 速度 1ms 800us 偷换概念,我用FPX-C60T(速度0.35us/step)做并联机器人运动,程序长度7000STEP, 循环周期1.4ms,机器人中断1ms,可见不是PLC问题,而是用的问题;
     第四、 网络接口,西门子400系列光纤网络,冗余热备早已成熟;
     
说了这么多,不是说PCC不好,而是B@R公司偷换概念,与PAC一样,进入PLC市场就进吧,还充大尾巴鹰!
   强烈鄙视................
# re: PLC的这四十年:和DCS、PAC、PCC那些事儿
2013-05-01 22:59 | 何美强 | 2楼
门外汉,只看不说,我也是学plc的

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