PLC的發(fā)展階段及應(yīng)用分類

PLC（Programmable Logic Controller）即可編程序邏輯控制器是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作電子系統(tǒng)，也是現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的重要組成部分，那么它是怎么誕生的呢？今天我們來(lái)捋一捋。

工業(yè)需求催生 PLC 誕生

二戰(zhàn)后，美國(guó)憑借汽車、鋼鐵、飛機(jī)等領(lǐng)域的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)成為世界制造業(yè)霸主，1948-1966 年期間，美國(guó)一直是全球最大的貿(mào)易順差國(guó)，在強(qiáng)大的制造業(yè)驅(qū)動(dòng)下，美國(guó)需要更先進(jìn)的生產(chǎn)工具來(lái)推動(dòng)其制造業(yè)的發(fā)展。

在此背景下，1947 年 12 月 23 日，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室正式地成功演示了第一個(gè)基于鍺半導(dǎo)體的具有放大功能的點(diǎn)接觸式晶體管，標(biāo)志著現(xiàn)代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的誕生和信息時(shí)代的開啟，為后續(xù)的工業(yè)自動(dòng)化控制飛速發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

1968 年，美國(guó)通用汽車公司在對(duì)工廠生產(chǎn)線調(diào)整時(shí)，發(fā)現(xiàn)繼電器、接觸器控制系統(tǒng)修改難、體積大、噪聲大、維護(hù)不方便以及可靠性差，于是提出“通用十條”招標(biāo)指標(biāo)，意在取代繼電氣控制裝置。

成立于 1957 年的 DEC 公司（美國(guó)數(shù)字設(shè)備公司），一直專注于開發(fā)小型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，看到通用汽車的招標(biāo)要求后，創(chuàng)始人之一奧爾森接標(biāo)，最終 DEC 開發(fā)了一套全新的控制系統(tǒng)——PDP-14，用于控制齒輪磨床，這就是世界上第一臺(tái)可編程邏輯控制器。

來(lái)源：菲尼克斯電氣

PDP-14 本質(zhì)是把 DEC 最成功的“迷你機(jī)”PDP-8 增加了工業(yè) I / O 接口，由一個(gè)控制單元和幾個(gè)外部接口盒組成；控制單元包括一個(gè)可變大小的 ROM，最多包含 4k 的 12 位指令；存儲(chǔ)器分為 256 個(gè)字節(jié)；通過(guò)擴(kuò)展最多可以處理 256 個(gè)輸入輸出。

但 DEC 的 PDP-14 有一個(gè)缺陷，就是修改程序需要把產(chǎn)品發(fā)回 DEC 公司，整個(gè)處理過(guò)程耗時(shí)一周，導(dǎo)致它運(yùn)行至 1970 年后被替換。

PDP-14 的誕生，其實(shí)只是 PLC 出現(xiàn)的開胃菜，與 DEC 同時(shí)競(jìng)標(biāo)的還有信息儀表公司（3-I）和貝德福德協(xié)會(huì)（Bedford Associates），他們也分別推出了相應(yīng)的產(chǎn)品。

信息儀表公司（3-I）為通用交付的設(shè)備為 PDQ-II，其最大的優(yōu)勢(shì)是能提供高級(jí)邏輯運(yùn)算功能，適用于正離合器生產(chǎn)線的控制。但該產(chǎn)品也存在修改程序不便的缺陷，在 GM 一直運(yùn)行到 1971 年后，被 Modicon 084 全面替換。

圖片來(lái)源：菲尼克斯電氣

接下來(lái)主角誕生了，由 Dick Morley 和 George Schwenk 于 1964 年成立的貝德福德協(xié)會(huì)（Bedford Associates）也獲得了通用的原型機(jī)測(cè)試資格。Dick Morley 只因厭倦了重復(fù)的機(jī)床操作員工作，想要發(fā)明一個(gè)集所有功能于一個(gè)編輯器的“神器”，于是寫出了自己的梯形圖邏輯。

1968 年 Bedford 成立了第七家控制公司，取名 Modicon（莫迪康），其在 Dick Morley 領(lǐng)導(dǎo)下于 1969 年成功推出了自己的 PLC 產(chǎn)品，基于該產(chǎn)品是 Modicon 的第 84 個(gè)項(xiàng)目，產(chǎn)品取名“Modicon 084”。

圖片來(lái)源：菲尼克斯電氣

084 編程相對(duì)簡(jiǎn)單，用戶插入編程單元，選擇適當(dāng)?shù)能浖K，然后鍵入梯形圖即可快速進(jìn)行編程；同時(shí)安裝在硬質(zhì)外殼內(nèi)，提高了安全等級(jí)，這是 DEC 的 PDP-14、3-I 的 PDQ-II 所無(wú)法比擬的，最終在 1971 年全面替代另兩個(gè)競(jìng)品。

Modicon 隨后又于 1973 年推出“184”、1975 年推出“284”、1979 年推出工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò) Modbus、1994 年推出 Quantum（中文名“昆騰”）系列 PLC，最終于 1997 年被施耐德收購(gòu)并成為施耐德旗下第 4 個(gè)主要品牌。

而 Dick Morley 所發(fā)明的“Modicon 084”可編程控制器及后續(xù)產(chǎn)品很快在離散制造業(yè)的控制器中占據(jù)統(tǒng)治地位，還逐漸擴(kuò)散到流程工業(yè)和間歇制造的批量生產(chǎn)過(guò)程，Dick Morley 由此被譽(yù)為“PLC 之父”。

對(duì)自己所發(fā)明的 PLC 產(chǎn)品對(duì)工業(yè)的貢獻(xiàn)，Dick Morley 曾在采訪中如此比喻：IPod 賣的是音樂(lè)，奔馳賣的是知名度；而 PLC 賣的是上市時(shí)間，汽車制造商原本要 6-9 個(gè)月的時(shí)間才能使新產(chǎn)品上市，用了 PLC 后就只需要 6-9 周，這相當(dāng)于節(jié)省了很大一筆錢！

左一為 PLC 之父 Dick Morley

進(jìn)入快速發(fā)展期

Dick Morle 基于集成電路和電子技術(shù)發(fā)展的控制裝置使得電氣控制功能實(shí)現(xiàn)程序化，功能越來(lái)越強(qiáng)大，其概念和內(nèi)涵也不斷擴(kuò)展，這就是第一代可編程序控制器，但當(dāng)時(shí)還不叫 PLC，而是叫做 PC（Programmable Controller）。

后來(lái)隨著個(gè)人電腦（也叫 PC）的快速發(fā)展，為了反映可編程控制器的功能特點(diǎn)，美國(guó) A-B 公司將可編程序控制器命名為可編程序邏輯控制器 Programmable Logic Controller，即 PLC，并將“PLC”作為其產(chǎn)品的注冊(cè)商標(biāo)。

當(dāng)美國(guó)人發(fā)明了 PLC 之后，其他國(guó)家也紛紛跟進(jìn)，1971 年日本成功研制出第一臺(tái) PLC 產(chǎn)品 DCS-8；緊接著 1973 年德國(guó)西門子公司也研制出歐洲第一臺(tái)型號(hào)為 SIMA TICS4 的可編程邏輯控制器。

雖然現(xiàn)在的中國(guó)在半導(dǎo)體領(lǐng)域很弱，但在上世紀(jì)，中國(guó)與國(guó)際先進(jìn)國(guó)家?guī)缀跬窖芯堪雽?dǎo)體、電子技術(shù)，因此在歐美研制出 PLC 不久后，中國(guó)也于 1974 年研制出第一臺(tái)可編程邏輯控制器，并于 1977 年開始在工業(yè)上進(jìn)行應(yīng)用。

從上世紀(jì) 70 年代中后期開始，PLC 進(jìn)入了實(shí)用化發(fā)展階段，計(jì)算機(jī)技術(shù)得以全面引入 PLC 中，使其功能發(fā)生了飛躍。更高的運(yùn)算速度、超小型體積、更可靠的工業(yè)抗干擾設(shè)計(jì)、模擬量運(yùn)算、PID 功能以及極高的性價(jià)比，都奠定了其在現(xiàn)代工業(yè)中的地位。

自上世紀(jì) 80 年代初開始，PLC 在先進(jìn)工業(yè)國(guó)家中已獲得廣泛應(yīng)用，同時(shí)世界上生產(chǎn) PLC 的國(guó)家日益增多，產(chǎn)量日益上升，標(biāo)志著 PLC 已經(jīng)步入成熟應(yīng)用階段。至 90 年代中期，這段時(shí)間是 PLC 發(fā)展最快的時(shí)期，年增長(zhǎng)率一直保持為 30~40%。

在這時(shí)期 PLC 在處理模擬量能力、數(shù)字運(yùn)算能力、人機(jī)接口能力和網(wǎng)絡(luò)能力方面也得到了大幅度提高，PLC 逐漸進(jìn)入過(guò)程控制領(lǐng)域，在某些應(yīng)用上取代了在過(guò)程控制領(lǐng)域處于統(tǒng)治地位的 DCS 系統(tǒng)。

到 20 世紀(jì)末期，工業(yè)發(fā)展大爆發(fā)，誕生了各種各樣的大型機(jī)和超小型機(jī)、特殊功能單元、各種人機(jī)界面單元、通信單元等產(chǎn)品，為更加適應(yīng)于現(xiàn)代工業(yè)，使應(yīng)用可編程邏輯控制器的工業(yè)控制設(shè)備的配套變得更加容易。

在多年的生產(chǎn)實(shí)踐中，PLC 已經(jīng)與 DCS（集散控制系統(tǒng)）、IPC（工業(yè)計(jì)算機(jī)技術(shù)）三足鼎立，同時(shí)還在其它的單回路智能式調(diào)節(jié)器等在市場(chǎng)上占一定的市場(chǎng)份額。近年， IPC 和 FCS（現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)）發(fā)展迅速，擠占了一部分 PLC 市場(chǎng)，PLC 增長(zhǎng)速度出現(xiàn)漸緩的趨勢(shì)，但其在工業(yè)自動(dòng)化控制特別是順序控制中的地位，仍將是無(wú)法取代的存在。

PLC 的主要分類及應(yīng)用

從上世紀(jì) 90 年代開始，PLC 就根據(jù) I/O 點(diǎn)數(shù)發(fā)展出小、中、大型等多種類型產(chǎn)品。

小型 PLC

I/O 點(diǎn)數(shù)< 256 點(diǎn)；單 CPU、8 位或 16 位處理器、用戶存儲(chǔ)器容量 4K 字以下；主要代表產(chǎn)品有美國(guó)通用電氣（GE）公司的 GE-I 型、美國(guó)德洲儀器公司的 TI100/ 日本三菱電氣公司的 F/F1/F2、日本立石公司（歐姆龍）的 C20/C40、德國(guó)西門子公司的 S7-200、日本東芝公司的 EX20/EX40、中外合資無(wú)錫華光電子工業(yè)有限公司的 SR-20/21 等；

中型 PLC

I/O 點(diǎn)數(shù) 256～2048 點(diǎn)；雙 CPU，用戶存儲(chǔ)器容量 2～8K，代表產(chǎn)品有德國(guó)西門子公司的 S7-300、無(wú)錫華光的 SR-400、德國(guó)西門子公司的 SU-5/SU-6、日本立石公司的 C-500、GE 公司的 GE-Ⅲ等；

大型 PLC

I/O 點(diǎn)數(shù)> 2048 點(diǎn)；多 CPU，16 位、32 位處理器，用戶存儲(chǔ)器容量 8～16K，代表產(chǎn)品有德國(guó)西門子公司的 S7-400、GE 公司的 GE-Ⅳ、立石公司的 C-2000、三菱公司的 K3 等。

目前大型、超大型的 PLC 產(chǎn)品也不少，單機(jī)支持 300 回路和 65000 點(diǎn) I/O 設(shè)備也日益得到重視。不過(guò)整體看， I/O 點(diǎn)數(shù)≤64 的 PLC 銷售額占整體 PLC 市場(chǎng)總量的 47%，64~256 點(diǎn)數(shù) PLC 占 31%，微型、小型 PLC 占據(jù)市場(chǎng)的絕對(duì)主流，而 I/O 點(diǎn)數(shù)大于 256 的中型、大型、超大型 PLC 累計(jì)市場(chǎng)容量才 22%。

PLC 主要應(yīng)用于紡織、機(jī)械、電梯、冶金、電力、石油、市政、化工、樓宇建筑、建材、機(jī)床、塑料機(jī)械、橡膠機(jī)械、電子專用設(shè)備等行業(yè)，而汽車業(yè)是最有潛力的 PLC 行業(yè)之一。

目前全球 300 多品種 PLC 產(chǎn)品中，應(yīng)用在汽車上的最多，達(dá) 23%，其后分別為糧食加工（16.4%）、化學(xué) / 制藥（14.6%）、金屬 / 礦山（11.5%）、紙漿 / 造紙（11.3%）等行業(yè)。

主要品牌中，西門子、施耐德、羅克韋爾（A-B）、OMRON、三菱、GE 等少數(shù)幾家企業(yè)是絕對(duì)的行業(yè)巨頭，其中羅克韋爾、施耐德、西門子長(zhǎng)期把持中國(guó)大型 PLC 市場(chǎng)的強(qiáng)三強(qiáng)，西門子獨(dú)占中型 PLC 市場(chǎng)半壁江山。

而國(guó)內(nèi)的 30 家 PLC 生產(chǎn)廠家中，都沒有形成頗具規(guī)模的生產(chǎn)能力和名牌產(chǎn)品，我國(guó)尚未形成 PLC 制造產(chǎn)業(yè)化；不過(guò)已經(jīng)可以在小型、微型等 PLC 領(lǐng)域與國(guó)際品牌同臺(tái)競(jìng)技。

審核編輯黃昊宇