PLC在我國的發(fā)展和應用
本文介紹了可編程控制器的發(fā)展歷程及其在我國的發(fā)展,還介紹了新一代可編程序控制器的技術現狀,并對我國可編程序控制器發(fā)展中的問題提出了解決對策。
1 引言
可編程序控制器是以微處理器為基礎，綜合計算機、通信、聯網以及自動控制技術而開發(fā)的新一代工業(yè)控制裝置?？删幊绦蚩刂破髟谖覈陌l(fā)展與應用已有30多年的歷史，現在它已經廣泛應用于國民經濟的各個工業(yè)生產領域，成為提高傳統(tǒng)工業(yè)裝備水平和技術能力的重要設備和強大支柱。隨著全球一體化經濟的發(fā)展，努力發(fā)展可編程序控制器在我國的大規(guī)模應用，形成具有自主知識產權的可編程序控制器技術，應該是廣大技術人員努力的方向。
2 可編程序控制器的發(fā)展歷程
可編程序控制器問世于 20 世紀 60 年代，當時的可編程序控制器功能都很簡單，只有邏輯、定時、計數等功能；硬件方面用于可編程序控制器的集成電路還沒有投入大規(guī)模工業(yè)化生產， CPU 以分立元件組成；存儲器為磁心存儲器，存儲容量有限；用戶指令一般只有二三十條，還沒有成型的編程語言；機型單一，沒有形成系列。一臺可編程序控制器最多只能替代200~300個繼電器組成的控制系統(tǒng)，在體積方面，與現在的可編程序控制器相比，可以說是龐然大物。
進入70年代，隨著中小規(guī)模集成電路的工業(yè)化生產，可編程序控制器技術得到了較大的發(fā)展?？删幊绦蚩刂破鞴δ艹壿嬤\算外，增加了數值運算、計算機接口、模擬量控制等；軟件開發(fā)有自診斷程序，程序存儲開始使用EPROM ；可靠性進一步提高，初步形成系列，結構上開始有模塊式和整體式的區(qū)分，整機功能從專用向通用過渡。
70年代后期和80年代初期，微處理器技術日趨成熟，單片微處理器、半導體存儲器進入工業(yè)化生產，大規(guī)模集成電路開始普遍應用?？删幊绦蚩刂破鏖_始向多處理器發(fā)展，使可編程序控制器的功能和處理速度大為增強，并具有通信和遠程 I/O 能力，增加了多種特殊功能，如浮點運算、三角函數、查表、列表等，自診斷和容錯技術也迅速發(fā)展。
80年代后期到90年代中期，隨著計算機和網絡技術的普及應用，超大規(guī)模集成電路、門陣列以及專用集成電路的迅速發(fā)展，可編程序控制器的CPU已發(fā)展為由16位或32位微處理器構成，處理速度得到很大提高，高速計數、中斷、PID、運動控制等功能引入了可編程序控制器。使得可編程序控制器能夠滿足工業(yè)生產過程的各個領域，可編程序控制器已完全取代了傳統(tǒng)的邏輯控制裝置，模擬量儀表控制裝置和以小型機為核心的DDC（直接數字控制）控制裝置。由于聯網能力增強，既可和上位計算機聯網，也可以下掛 FLEX I/O 或遠程 I/O ，從而組成分布式控制系統(tǒng)（DCS）已無困難。梯型圖語言和語句表語言完全成熟，基本上標準化，SFC（順序功能圖）語言逐步普及，專用的編程器已被個人計算機和相應編程軟件所替代，人機界面裝置日趨完善，已能進行對整個工廠的監(jiān)控、管理，并發(fā)展了冗余技術，大大加強了可靠性。
進入21世紀，可編程序控制器仍保持旺盛的發(fā)展勢頭，并不斷擴大其應用領域，如為用戶配置柔性制造系統(tǒng)（FMS）和計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS）。目前可編程序控制器主要向兩 個方向擴展：一是綜合化控制系統(tǒng)，它已經突破了原有的可編程序控制器的概念，將工廠生產過程控制與信息管理系統(tǒng)密切結合起來，甚至向上為MES和ERP系統(tǒng)準備了技術基礎，這種發(fā)展趨勢會使得舉步為艱的ERP系統(tǒng)有了堅實的技術基礎，從而會帶來工業(yè)控制的一場變革，實現真正意義上的電子信息化工廠；二是微型可編程序控制器異軍突起，體積如手掌大小，功能可覆蓋單體設備及整個車間的控制功能，并具備聯網功能，這種微型化的可編程序控制器使得控制系統(tǒng)可將觸角延伸到工廠的各個角落。隨著世界經濟一體化進程的加快，在技術發(fā)展的同時，發(fā)達國家更加注重了對可編程序控制器的知識產權的保護，國際大型可編程序控制器制造商紛紛加入了可編程序控制器的國際標準化組織，他們利用許多技術標準建立了符合他們經濟利益的技術保護壁壘。
3 可編程序控制器在我國的發(fā)展
我國可編程序控制器的發(fā)展與國際上的發(fā)展有所不同，國際上可編程序控制器的發(fā)展是從研制、開發(fā)、生產到應用，而我國則是從成套設備引進、可編程序控制器引進應用、消化移植、合資生產到廣泛應用。大致可劃分為下述三個階段：
(1) 可編程序控制器的初級認識階段（70 年代后期到 80 年代初期）
國際上可編程序控制器的發(fā)展，首先引起了國內工程技術界的極大興趣，所以我國對可編程序控制器的認識始于 70 年代后期到 80 年代初期的成套設備引進中，當時的上海寶鋼一期工程中有多項工程引進了十幾種機型約 200 多臺可編程序控制器。這些可編程序控制器用于原料碼頭到高爐、軋鋼、鋼管等整個鋼鐵冶煉以及加工生產線上，取代了傳統(tǒng)的繼電器邏輯系統(tǒng)，并部分取代了模擬量控制和小型 DDC 系統(tǒng)。繼寶鋼一期工程后，國內許多廠家陸續(xù)引進的設備和生產線大都配備了可編程序控制器，其應用范圍包括電站、石油化工、汽車制造、港口和碼頭等各領域。正是在成套設備引進過程中，我們打開了眼界，了解認識了可編程序控制器，這也促進了可編程序控制器在我國的發(fā)展。
(2) 可編程序控制器的引進應用和消化移植階段（80 年代初期到90年代初期）
80年代初期開始，隨著我國改革開放的不斷深入，在成套設備引進的同時，國外原裝的可編程序控制器開始涌入國內市場。許多部門和單位相繼引進可編程序控制器并自己設計組成控制系統(tǒng)，其應用范圍也擴大到建材、輕工、煤炭、水處理、食品、制藥、造紙、橡膠和精細化工等工業(yè)領域。
隨著應用能力的提高和市場需求的擴大，一些部門和單位本著技貿結合、消化移植的方針，一方面進行二次開發(fā)和應用研究，一方面也在引進可編程序控制器的生產線，建立生產可編程序控制器的合資企業(yè)，積極開發(fā)自己的產品。
同時，國內也開始研制可編程序控制器產品，當時在上海、北京、西安、廣州、長春等地有約 20 多家科研單位、大專院校和工廠都在研制和生產可編程序控制器，但由于缺乏資金和后續(xù)研究力量、生產技術相對落后，只能停留在實驗室階段，沒能投入實際應用和形成工業(yè)化生產。
(3) 可編程序控制器的廣泛發(fā)展階段（90 年代初期到現在）
進入90年代，我國的可編程序控制器進入了廣泛發(fā)展階段，主要表現在以下幾個方面：
a. 政府重視
可編程序控制器的發(fā)展得到了政府的高度重視，在當時機械電子工業(yè)部的領導下，于 1991 年成立了可編程序控制器行業(yè)協會?？删幊绦蚩刂破餍袠I(yè)協會在政府和企事業(yè)之間起到了橋梁作用，溝通了情況，為做出決策提供了依據。同時可編程序控制器的標準化工作也受到了有關部門的重視，于 1993 年成立了可編程序控制器標準化技術委員會，為我國可編程序控制器的進一步發(fā)展打下了基礎。
b. 應用更加廣泛
這一階段可編程序控制器的應用已經滲透到國民經濟的各個部門和工業(yè)過程的各個角落，已成為企業(yè)提高裝備技術水平的重要標志。在寶鋼的二期三期工程中使用了國外多個廠家三十幾種機型計六百多臺套的可編程序控制器，在廣西玉柴機器有限公司的柴油機生產線中使用了近二百臺羅克韋爾自動化公司的可編程序控制器，像這樣大范圍使用可編程序控制器的系統(tǒng)已很常見。在這一階段中，我國的工程技術人員充分顯示出了設計應用、軟件制作、設備成套的能力。最近，在筆者自行設計成套、軟件開發(fā)、安裝調試的我國西部大開發(fā)重點項目青海鹽湖100萬噸氯化鉀項目中，采用可編程序控制器組成了全廠的自動化控制系統(tǒng)，并將可編程序控制器設計在MCC柜中，實現了全廠六百多面MCC柜、覆蓋全廠各個工藝流程的綜合自動化系統(tǒng)。該應用項目已引起國外各大公司的注意，羅克韋爾自動化公司邀請項目設計人員去美國公司總部進行介紹。
c. 研制、開發(fā)、生產取得成果
隨著我國改革開放的不斷深入，國外廠商紛紛看好中國的市場，在中國建立他們的辦事處，甚至將他們的亞太總部設在中國。國內企業(yè)紛紛引進國外技術，從而促進了一批技術引進企業(yè)、合資企業(yè)的建立，帶動了我國可編程序控制器行業(yè)的技術發(fā)展。可喜的是從90年代初期開始，由于可編程序控制器應用的不斷深入，國內又掀起了自主研制開發(fā)可編程序控制器的高潮，雖然多為小型可編程序控制器，批量亦不大，但其功能、質量和可靠性已有明顯的提高，代表產品如南京嘉華的JH200，I/O為12到120點，有高速計數器和模擬量功能；杭州新箭公司的D20P，其I/O為12/8點，D100的I/O可從40點擴展到120點；蘭州全志的RD100、RD200，前者I/O為9/4點，2點模入，后者I/O為20~40點，擴展的功能有編碼盤測速，熱電偶測溫和模擬量I/O，能聯網32臺RD200以及與PC機進行實時通信。同時，中大規(guī)模的可編程序控制器在國內也開始出現，交通部上海船舶運輸研究所的STI2000，I/O為256點，多臺聯網時I/O可達4096點；北京和利時公司研制生產的Hollias-PLC 可編程序控制器，其中典型的產品為數字量I/O達1024點，模擬量I/O達256點，內置TCP/IP通信接口，很容易接入管理網，配有PROFIBUS-DP現場總線的主站，從站和遠程I/O，并與合作伙伴一起推出了 InterControl G3小型可編程序控制器系統(tǒng)。在國外產品強手如林的情況下，這些產品已具有和國外同類產品進行競爭的能力，充分說明國產可編程序控制器發(fā)展已進入了一個新的階段。
4 新一代可編程序控制器的技術現狀
為了適應日益劇烈的市場競爭，新一代的可編程序控制器在技術創(chuàng)新方面有了長足的進展，主要體現在以下方面：
(1) 執(zhí)行多任務功能的出現
所謂執(zhí)行多任務，就是在一個可編程序控制器系統(tǒng)中，可同時安裝幾個CPU模板，每個CPU模板執(zhí)行各自的任務，控制與其執(zhí)行任務相關的I/O模板。
(2) 網絡能力的強化
網絡能力的加強，使可編程序控制器已經突破了原有的使用范圍，特別是引入現場總線、工業(yè)以太網、無線網絡及Internet等技術后，可編程序控制器的應用已今非昔比。典型的可編程序控制器的網絡拓撲結構為設備控制層、過程控制層和信息管理層3個層次。在設備控制層中，引入了現場總線，使得工業(yè)生產過程中的現場檢測儀表、變頻器、MCC控制柜等一切現場設備都可直接與可編程序控制器相連；在過程控制層中，傳統(tǒng)意義上的人機界面的功能已經煥然一新，使可編程序控制器能實現跨地區(qū)的編程、監(jiān)控、診斷、管理，實現整個車間及全廠范圍的控制；在信息管理層，向工業(yè)以太網的擴展，使控制與信息管理融為一體。
羅克韋爾自動化公司的全方位自動化系統(tǒng)、西門子公司的全集成自動化系統(tǒng)和施耐德公司的透明工廠都是這類技術發(fā)展的代表。
(3) 高速化處理功能
隨著網絡能力的強化，可編程序控制器實現的控制功能和控制范圍都在擴大，這就要求可編程序控制器實現高速運行和實時通信功能。高速化包括運算速度的高速化、與外部設備交換數據的高速化、編程設備服務處理的高速化、外部設備響應的高速化。為了實現高速化，有些可編程序控制器已在其內核中設計有通信功能，借助于無源數據總線，系統(tǒng)的瓶頸得以消除，這種結構允許多個處理器、網絡能在一個機架中使用而沒有限制，從而提供了高性能的分布式實時控制系統(tǒng)的解決方案。
(4) 大力發(fā)展集成化軟件
目前，可編程序控制器的生產廠商開發(fā)系統(tǒng)硬件費用的比例逐年下降，而開發(fā)軟件、集成等費用的比例逐年上升。現在的成套軟件將可編程序控制器的編程、操作員界面、運動控制、程序調試、故障診斷和處理、通信等集成為一體。人-機界面及監(jiān)控軟件集成了所有開放的標準接口，可直接從生產中獲得大量實時數據，并對這些數據進行分析和打包，然后傳送到管理層，同時它能將過程優(yōu)化數據和生產細節(jié)的參數迅速地反饋到控制層和現場，從而為集成ERP系統(tǒng)鋪平道路。
(5) 微型可編程序控制器異軍突起
傳統(tǒng)的微型可編程序控制器一般為8~64點數字量I/O，1~4點模擬量I/O，體積很小，可直接安裝在機器內。但現在的微型可編程序控制器除了上述功能外，在網絡功能和人機接口功能上已可與中大型的可編程序控制器相比，這一類微型可編程序控制器是目前發(fā)展最快的。西門子公司的LOGO，羅克韋爾自動化公司的PICO都是這類微型可編程序控制器的代表。
(6) 信息技術滲入可編程序控制器
信息技術滲入可編程序控制器是為了適應工廠控制系統(tǒng)和企業(yè)信息管理系統(tǒng)日益有機結合的發(fā)展趨勢，適應在控制層面上讓不同品牌的可編程序控制器之間、可編程序控制器與分布式控制系統(tǒng)之間有效交換數據的要求。實際上多任務系統(tǒng)的實現、網絡能力的提高、軟件集成的發(fā)展使得信息技術很容易的就與可編程序控制器系統(tǒng)融為一體。
(7) 加強安全技術
隨著可編程序控制器應用領域的擴大，對可編程序控制器系統(tǒng)的可靠性要求也越來越高，加強可編程序控制器的安全技術也成為了一個新的發(fā)展方向。具有容錯和冗余性能的故障防止型可編程序控制器已經出現，具備在線插拔的雙通道的信號模板和電源模板。內藏冗余的CPU系統(tǒng)的過程控制器也已出現，這種過程控制器利用內部測試電路檢查、診斷I/O模板的運行狀況，而不是采用冗余的I/O模板。GE Fanuc公司推出了三合一的可編程序控制器，這種可編程序控制器是目前世界唯一實現全系列兼容、熱備和三取二表決的高可靠性安全型可編程序控制器。
5 我國可編程序控制器發(fā)展中的問題及對策
目前我國的可編程序控制器的發(fā)展主要面臨著三大問題。一是技術層面上的，在國際上可編程序控制器迅速發(fā)展的形勢下，我國還沒有具有自主知識產權，能夠參與國際競爭的可編程序控制器產品，原因主要在于我國的整個基礎工業(yè)還有一定差距，如芯片制造、模具加工等方面限制了我們的發(fā)展。二是競爭層面上的，實際上也是一個經濟競爭的問題。現在95%的國內市場由外國的可編程序控制器產品所占領，中、大型可編程序控制器中，幾乎全部由國外幾大公司壟斷，隨著我國使用可編程序控制器領域的不斷擴大，市場越來越大，然而國外幾大公司幾乎每年都會針對市場推出新的產品，一旦人們使用了新的產品后，他們就會逐漸的提高產品市場價格，沒有我國自己的自主知識產權的產品，在經濟競爭中就只能處于被動。三是市場秩序層面上的，隨著我國改革開放的不斷深入，特別是加入WTO后，我國巨大的市場份額極大的吸引了國外的大公司，他們開拓市場的方法都是采用大范圍建立代理銷售渠道，每個公司的分銷商、系統(tǒng)集成商都會有數十家，甚至上百家之多，造成了我國的分銷商、系統(tǒng)集成商之間的激烈競爭，而這些無序的競爭為國際大公司分而治之、獲取穩(wěn)定的高額利潤創(chuàng)造條件。
面對這些問題，筆者認為我國可編程序控制器的發(fā)展應該采取如下對策：
(1) 面對如此巨大的市場，我國應該集中資金和技術力量，盡快研制生產出具有自主知識產權的可編程序控制器的系列產品，就像以前的家電行業(yè)一樣。其實隨著我國整個民族工業(yè)的不斷發(fā)展，特別是近年來芯片工業(yè)的迅速發(fā)展，推出具有國際競爭力的可編程序控制器產品已成為可能。
(2) 繼續(xù)發(fā)揮我國科學技術人員可編程序控制器應用技術的優(yōu)勢，擴大可編程序控制器的應用領域。特別是我國加入WTO后，中國成為“世界制造工廠”的過程正在加速，我國在努力將可編程序控制器應用在國民經濟的各個領域同時，還要憑借技術和勞動力優(yōu)勢，進入可編程序控制器在外商投資企業(yè)中的應用，并逐漸進入國際上可編程序控制器的應用市場，讓我國的應用技術優(yōu)勢形成真正的增值服務，從而帶動我國相關成套設備和軟件產業(yè)的發(fā)展。
(3) 在擴大可編程序控制器應用的同時，要在軟件集成化上下功夫。針對不同的工業(yè)生產過程，形成具有我國特點的系統(tǒng)集成軟件、人機界面軟件和系統(tǒng)應用軟件，在一些我國領先的工業(yè)行業(yè)中制造出具有核心技術的系統(tǒng)應用軟件。真正形成具有國際標準的、可進行復制的模塊化軟件。
采取上述策略后，我國就能在可編程序控制器的應用上率先實現突破，融入全球一體化經濟之中，形成具有自主知識產權的軟件產業(yè)，進而研制、開發(fā)、生產出具有自主知識產權，能夠參與國際競爭的可編程序控制器產品。筆者相信，隨著我國國民經濟的全面發(fā)展，隨著整個民族工業(yè)的提高，這一天會很快到來。
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