中国自动化学会专家咨询工作委员会指定宣传媒体
新闻详情
isee-

王兆义:PLC发展的几个特点和国产化

http://www.gkong.com 2009-01-07 10:50 来源:自动化博览

  编者语:PLC产生于上世纪60年代,崛起于70年代,成熟于80年代,于90年代取得技术上的新突破,21世纪PLC技术发展的几个特点为:适应市场需要,加强PLC通信联网的信息处理能力;PLC向开放性发展;PLC的体积小型化,运算速度高速化;软PLC出现;PLC编程语言趋于标准化。其应用领域目前不断扩大,并延伸到过程控制、批处理、运动和传动控制、无线电遥控以至实现全厂的综合自动化。

  发展回顾

   上世纪60年代末PLC产生于美国马萨诸塞州,MODICON084是世界上第一种投入生产的PLC。PLC崛起于70年代,首先在汽车流水线上大量应用。80年代PLC走向成熟,全面采用微电子处理器技术,得到大量推广应用,年销售始终以高于20%的增长率上升,奠定了其在工业控制中不可动摇的地位。90年代,随着工控编程语言IEC 61131-3的正式颁布,PLC开始了它的第三个发展时期,在技术上取得新的突破。PLC在系统结构上,从传统的单机向多CPU和分布式及远程控制系统发展;在编程语言上,图形化和文本化语言的多样性,创造了更具表达控制要求、通信能力和文字处理的编程环境;从应用角度看,除了继续发展机械加工自动生产线的控制系统外,更发展了以PLC为基础的DCS系统、监控和数据采集系统(SCADA)、柔性制造系统(FMS)、安全连锁保护系统(ESD)等,全方位地提高了PLC的应用范围和水平。

  21世纪PLC技术发展的几个特点

  1  适应市场需要,加强PLC通信联网的信息处理能力

   在信息时代的今天,几乎所有PLC制造商都注意到了加强PLC通信联网的信息处理能力这一点。小型PLC都有通信接口,中、大型PLC都有专门的通信模块。随着计算机网络技术的飞速发展,PLC的通信联网能使其与PC和其它智能控制设备很方便地交换信息,实现分散控制和集中管理。也就是说,用户需要PLC与PC更好地融合,通过PLC在软技术上协助改善被控过程的生产性能,在PLC这一级就可以加强信息处理能力。例如,CONTEC与日本三菱电机公司(以下简称为三菱电机)合作,推出专门插在小Q系列PLC的机架上的PC机模块,该模块实际上就是一台可在工厂现场环境下正常运行,而且可通过PLC的内部总线与PLC的CPU模块交换数据的PC机。其处理芯片采用IntelCeleron400M主频、系统内存128MB、Cache 128K、支持外挂显示器,该模块内装WindowsNT 4.0或Windows 2000。支持的软件有:三菱综合F4软件,包括PLC编程软件GT、FA数据处理软件MX、人机界面画面设计软件GT、运动控制设计编程软件MT等。

   最近,国外一些中、大型PLC制造商推出了一个机架上可以插多个CPU模块的结构,将PC机模块与PLC的CPU模块、过程控制CPU模块或运动控制模块同时插在一个机架上。实际上就是将原来PLC要通过工厂自动化(FA)用PC机与管理计算机通信的三层结构改为PLC系统可直接与生产管理用的计算机的两层结构。这样生产管理更加快捷方便。

   小型PLC之间通信“傻瓜化”。为了尽量减少PLC用户在通信编程方面的工作量,PLC制造商做了大量工作,使设备之间的通信自动地周期性的进行,而不需要用户为通信编程,用户的工作只是在组成系统时作一些硬件或软件上初始化设置。如欧姆龙公司的两台CPM1A之间一对一连接通信只需用三根导线将它们的RS-232C通信接口连在一起后将通信有关的参数写入5个指定的数据存储器中,即可方便地实现两台PLC之间的通信。

  2  PLC向开放性发展

   早期的PLC缺点之一是它的软、硬件体系结构是封闭而不是开放的,如专用总线、通信网络及协议、I/O模块更互不通用,甚至连机架、电源模板亦各不相同,编程语言之一的梯形图名称虽一致,但组态、寻址、语言结构均不一致,因此,几乎各个公司的PLC均互不兼容。目前,PLC在开放性方面已有实质性突破。十多年前PLC被攻破的一个重要方面就是它的专有性,现在情况有了极大改观,不少大型PLC厂商在PLC系统结构上采用了各种工业标准,如IEC 61131-3、IEEE 802.3以太网、TCP/IP、UDP/IP等。例如,AEG Schneider集团已开发以PLC机为基础,在Windows平台下,符合IEC 61131-3国际标准的全新一代开放体系结构的PLC实现高度分散控制,开放度高。

   高度分散控制是一种全新的工业控制结构,不但控制功能分散化,而且网络也分散化,所谓高度分散化控制,就是控制算法常驻在该控制功能的节点上,而不是常驻在PLC上或PC上,凡挂在网络节点上的设备,均处于同等的位置,将“智能”扩展到控制系统的各个环节,从传感器、变送器到I/O模块,乃至执行器,无处不采用微处理芯片,因而产生了智能分散系统(SDS)。

   为了使PLC更具开放性和执行多任务,在一个PLC系统中同时装几个CPU模块,每个CPU模块都执行某一种任务。例如三菱电机公司的小Q系列PLC可以在一个机架上插4个CPU模块,富士电机的MICREX-ST系列最多可在一个机架上插6个CPU模块,这些CPU模块可以进行专门的逻辑控制、顺序控制、运动控制和过程控制。这些都是在Windows环境下执行PC机任务的模块,组成混合式的控制系统。

   近几年,众多PLC厂商都开发了自己的模块型I/O或端子型I/O,而通信总线都符合IEC 61131-3标准,这极大的增强了PLC的开放性。

   创建开放的网络环境后,推出了能挂100M的高速以太网的WEB服务器模块,三菱电机公司小Q系列的QJ71WS96,横河电机FA-M3系列的F3WBM1-0T-S0;模块内的软件捆绑了目前常用的TCP/IP、UDP/IP等传输层和网络层规约,以及HTTP、FTP、SMTP、POP3等应用层规约,使PLC可直接进入因特网,成为不折不扣的WEB的PLC。

   3  PLC的体积小型化,运算速度高速化

   PLC小型化的好处是节省空间、降低成本、安装灵活。目前一些大型PLC,其外形尺寸比他们前一代的同类产品的安装空间要小50%左右。

   近几年,很多PLC厂商推出了超小型PLC,用于单机自动化或组成分布式控制系统。西门子公司的超小型PLC称通用逻辑模块LOGO!,它采用整体式结构,集成了控制功能、实时时钟和操作显示单元,可用面板上的小型液晶显示屏和6个键来编程。LOGO!超小型PLC使用功能模块图FBD编程语言,有在PC上运行的Windows 98/NT编程软件。三菱电机的超小型PLC叫简单应用控制器,简称α并有AL-PCS/win-C型VLS软件,是强有力且界面友好的编程工具。松下电工的超小型PLC叫可选模式控制器。德国金钟—默勒公司(MOELLER)的超小型PLC称控制继电器,简称easy。

   运算速度高速化是PLC技术发展的重要特点,在硬件上,PLC的CPU模块采用32位的RISC芯片,使PLC的运算速度大为提高,一条基本指令的运算速度达到数十个纳秒(ns)。三菱电机公司的ANA系列PLC最早使用32位的CPU模块,当今它的Q02H系列PLC的CPU模块也用了32位的RISC芯片,基本指令的执行时间为34ns;富士电机MICREX-SX系列PLC的CPU模块由于采用了32位RISC芯片后,其一条基本指令的运算时间为20ns。

   PLC主机运算速度大大提高,与外设的数据交换速度也呈高速化。大家知道,PLC的CPU模块通过系统总线与装插在基板上的各种I/O模块、特殊功能模块、通信模块等交换数据,基板上装的模块越多,PLC的CPU模块与那些模块之间的数据交换的时间就会增加,在一定程度上会使PLC的扫描时间加长,为此,不少PLC厂商采用新技术,增加PLC系统的带宽,使一次传输的数据量增多;在系统总线数据存取方式上,采用连续成组传送技术实现连续数据的高速批量传送,大大缩短了存取每个字所需的时间;通过向系统总线相连接的模块实现全局传送,即针对多个模块同时传送同一数据的技术,有效地活用系统总线。

  当前,不少PLC厂商采用了多CPU芯片并行处理方式,用专门CPU处理编程及监控服务,大大减轻对执行控制程序的CPU芯片的影响,只让执行控制程序的CPU进行顺控和逻辑运算。另外,为提高服务处理速度,缩短操作时间,采用高速的串行通信(最大波特率为115Kbps),并将UCB口(最大波特率为12Mbps)引入PLC的CPU模块,从而实现与编程工具及监控设备之间通信的高速化,并允许许多人同时使用这两个通信端口同时进行编程和调试程序。

[page_break]

  4  软PLC出现

   所谓软PLC,实际就是在PC机的平台上,在Windows操作环境下,用软件来实现PLC的功能,也就是说,软PLC是一种基于PC机开发结构的控制系统,它具有硬PLC的功能、可靠性、速度、故障查找等方面的特点,利用软件技术可以将标准的工业PC转换全功能的PLC过程控制器。软PLC综合了计算机和PLC的开关量控制、模拟量控制、数学运算、数值处理、网络通信等功能,通过一个多任务控制内核,提供强大的指令集、快速而准确的扫描周期,可靠的操作和可连接各种I/O系统及网络的开放式结构。软PLC具有硬PLC的功能,同时又提供了PC机环境的各种优点。GE Fanuc公司推出了一种外形类似笔记本电脑的PC以Windows为操作系统,可实现PLC的CPU模块的功能,通过以太网和I/O模块、通信模块用于工厂的现场控制。在美国底特律汽车城,大多数汽车装配自动生产线、热处理工艺生产线等都已由传统PLC控制改为软件PLC控制,可以说,高性能价格比的软PLC将成为今后高档PLC的发展方向。

  5  PLC编程语言趋于标准化

   IEC61131是可编程控制器的国际标准,共有8个部分,从1992年开始陆续颁布实行。IEC61131-3是PLC编程语言的标准,于1993年颁布实施。IEC61131-8于2001年颁布实施,与IEC61131-3被称为PLC语言的实现导则。

   IEC61131-3 PLC编程语言国际标准是将现代软件概念和现代软件工程的机制与传统的PLC编程语言成功的结合,使它在工业控制领域的影响远远超出PLC的界限,已成为DCS、PC控制、运动控制以及SCADA的编程系统事实上的标准。IEC61131-3规定了二大类编程语言:文本化编程语言和图形化编程语言。前者包括指令语句表语言(IL)和结构化文本化语言(ST),后者包括梯形图语言(LD)和功能块图语言(FBD)。而顺序功能图(SFC)可以在梯形图语言中使用,也可以在指令语句表语言中使用。

   IEC61131-3允许在同一个PLC中使用多种编程语言,也允许程序开发人员对一个特定的任务选择最合适的编程语言,还允许在同一个控制程序中其不同的软件模块用不同的编程语言编制,这一规定既解决了PLC发展历史形成编程语言多样化的现状,又为PLC的软件技术进一步发展提供了足够的空间。

   欧美PLC厂商的PLC大都支持IEC61131-3标准,特别是西门子公司的PLC。我国在1995年就采用IEC61131-3作为PLC的国家标准。日本虽然工业发达,技术还是相对封闭,但IEC61131-3标准成为PLC的公认世界主流标准后,日本的PLC生产商开始在新一代PLC软件平台中广泛采用。三菱电机的PLC编程软件包GX Ver.8开发系统就支持梯形图语言(LD)、指令语句表语言(IL)、顺序功能图编程语言(SFC)、结构化文本语言(ST)。三菱电机的PX开发系统支持功能块图FBD,供PLC用于过程控制。欧姆龙公司的编程软件包GX除了支持LD、IL外,近期即将推出支持功能块FBD和结构化文本语言ST的编程软件包。富士电机的及横河电机的PLC编程软件包也都支持IEC61131-3。

  PLC的国产化

   国内开始研制PLC产品是上世纪70年代中期,当时上海、北京、西安、广州和长春等地的不少科研单位、大专院校和工厂,总计20多家单位都在研制和生产PLC(绝大多数都是小型PLC)。特别值得一提的是国家科委和原机械工业部在仪器仪表重点课题攻关专项中组织了“六五”、“七五”、“八五”的可编程序控制器子项攻关,由部属北京机械工业自动化研究所负责,先后研制开发了MPC-10、MPC-20、MPC-85型PLC。这几种型号的PLC I/O点数为256~512,并可扩展到1024点,开创了国内研制大型PLC的先河,先后在注塑机、恒温室、锅炉控制、汽车压力机生产线上获得了应用。这些项目有自动开发的操作系统、工业控制编程语言并具有与上位机、HMI连网和通信等功能。当时国内研制开发的PLC产品由于缺乏资金、后续研制力量不足及生产技术相对落后等原因,没有形成批量工业化生产,因而被国外产品淘汰而纷纷消失。可喜的是在90年代,由于PLC应用不断深入,国内又掀起研制PLC的高潮,虽然仍是小型PLC,批量亦不大,但其功能、质量和可靠性比70年代的产品有明显的提高。其代表产品如:南京冠德科技有限公司(原江苏嘉华实业有限公司PLC工厂)的JH200系列PLC,I/O为12~120点,具有高速计数器和模拟量功能;杭州新箭电子有限公司的D系列PLC,D20P的I/O点数为20点,D100的I/O点可从40~120点;兰州全志电子有限公司的RD系列小型PLC很有特点,RD100型PLC的I/O点9/4点,2点模拟量输入,而RD200型PLC的I/O为20~40点,扩展的功能有编码盘测速、热电偶测温和模拟量I/O,RD200型PLC最多可32台连网,并能与上位PC机进行实时通信。

   为了尽快提升我国PLC的技术水平,引进PLC的先进生产技术,中外合资或外商独资企业在国内开始批量生产PLC。西门子公司首先在大连开办PLC生产企业;欧姆龙公司在上海生产的PLC远销海内外;中日合资后又成独资的江苏无锡光洋电子有限公司的PLC已有小、中、大系列产品。中外合资、引进技术,使国产PLC上了一个新的台阶。

   特别是近几年,国产PLC有了更新的产品。北京和利时系统工程股份有限公司推出的FOPLC有小型、中型、大型。该公司推出的HOLIiAS-LEC G3新一代高性能的小型PLC有14点(8/6)、24点(14/10)、40点(24/16)三个规格,基本指令的执行时间为0.6微秒。程序存储器的容量为52K。为方便用户选用,该公司开发了19种、35个不同规格的I/O扩展模块,G3型PLC可最多扩展7个模块,I/O最大可到264点。G3系列PLC有符合IEC61131-3的5种编程语言,编程软件具有超强的计算功能,如其他小型PLC所不具备的64位浮点数运算、优化的PID可同时处理有十几个模拟量的多个闭环回路。G3系列PLC具有极强的通信功能,有集于CPU模块的标准Modbus协议、专有协议和自由协议的通信接口。通过该接口可方便的挂到Profibus等总线上去。该公司的FOPLC中型机,开关量I/O为256点;内置TCP/IP通信接口,很容易接入管理网;配有Profibus-DP现场总线的主站、从站和远程I/O都通过ISO9001严格的质量保证体系认真。FO PLC编程语言符合IEC61131-3标准。

   深圳德维森公司开发的基于PC的软PLC TOMC系列,其特点是符合IEC61131-3国际标准的编程语言,允许梯形图、顺序功能图和功能块图混合编程;用户可开发基于内置PC资源的C语言和定义功能块,通过以太网、TCP/IP与上位机联网。TOMC1软PLC可连接最多32个本地I/O模块,最多15个远程站,每个远程站可带32个I/O点。

   在90%的国内PLC市场由国外PLC产品占领的今天,国产PLC能脱颖而出,并具有和国外同类产品进行竞争的能力,相信不久的将来,国产PLC将占市场更大份额。

   PLC的应用领域目前不断扩大,并延伸到过程控制、批处理、运动和传动控制、无线电遥控以至实现全厂的综合自动化。PLC的技术发展除了小型化、超高速,大容量存储器,多CPU,多任务并行运行外,PLC的开放性更大,通信联网能力更强,集成化软件更优。标准化的IEC61131-3 PLC编程语言已被众多PLC厂商所接受,其推广速度越来越快。软PLC的应用范围将更广。

  作者:王兆义

  男,山东青州人,教授,从事电气自动化教学和科研工作多年,科研方向为电气自动化、过程控制和工业机器人应用。主编有《可编程控制器教程》、《小型可编程控制器实用技术》、《逻辑与可编程控制系统》大学教材,参编过《电工技能手册》,在有关刊物和学术会议上发表过100多篇学术论文与文章。

版权所有 中华工控网 Copyright©2024 Gkong.com, All Rights Reserved