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PLC之专家剖析论

日期: 2018-04-06
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一、PLC简介
1.1、PLC历史简述: 
60年代以前,汽车生产流水线的自动控制系统基本上都是由继电器控制装置构成。当时汽车的每一次改型都直接导致继电器控制装置的重新设计和安装。随着生产的发展,汽车型号更新周期愈来愈短,这样,继电器控制装置就需要经常地重新设计和安装,十分费时,费工,费料,甚至阻碍了更新周期的缩短。为了改变这一现状,美国通用汽车公司在1969 年公开招标,要求用新的控制装置取代继电器控制装置,并提出了著名的十项招标指标,即:
1.编程方便现场可修改程序;
2.维修方便采用模块化结构;
3.可靠性高于继电器控制装置;
4.体积小于继电器控制装置;
5.数据可直接送入管理计算机;
6.成本可与继电器控制装置竞争;
7. 输入可以是交流115V;
8.输出为交流115V 2A 以上能直接驱动电磁阀接触器等;
9.在扩展时原系统只要很小变更;
10.用户程序存储器容量至少能扩展到4K。

这十条中的大多数直到今天仍然是PLC的基础定义(除了第7条输入可以是交流115V,目前已被DC24V替代)。

1969 年,美国数字设备公司(DEC) 研制出第一台PLC,在美国通用汽车自动装配线上试用,获得了成功。这种新型的工业控制装置以其简单易懂,操作方便,可靠性高,通用灵活,体积小,使用寿命长等一系列优点,很快地在美国其他工业领域推广应用。到1971 年,已经成功地应用于食品饮料冶金造纸等工业。

这一新型工业控制装置的出现,也受到了世界其他国家的高度重视。1971 日本从美国引进了这项新技术,很快研制出了日本第一台PLC。1973年,西欧国家也研制出它们的第一台PLC。我国从1974 年开始进行引进和研制,但一直不太成功,个中原因很多,到04年为止,整个PLC市场仍然以进口品牌为主。

近些年,因为全世界的加工型产业向中国的转移,使中国成为了全世界的加工基地,巨大的需求带动了中国的装备制造业蓬勃发展,从而带动了中国控制技术的飞速发展。

信息时代装备制造的核心是什么?是自动化、信息化,而PLC则是整个装备自动化和信息化的核心部件。一个没有强大自动化产业做支持的制造大国是不可能长久的,低成本的人工是不可能长久的,只有通过加强自动化程度,加强信息化程度,我们才有可能进一步的降低成本提高性能提升附加值,成为一个名符其实的制造强国。

所以历史赋予了我们一个很重要的使命,通过加强装备控制的水平来提升中国造的国际竞争力。

1.2、PLC定义与选取: 
PLCOPEN将PLC定义为:具有编程能力的固态控制系统

PLC主要的功能就是通过编程后实现用户需要的各种类型的控制功能,前面已经说过在没有PLC之前,大家要通过很多专用电路或者继电器组来完成控制功能。现在PLC广泛的应用于几乎所有的行业中,我们身边的绝大多数产品都是由PLC控制的装备制造出来的。比方说塑料、包装、造纸、冶金、石化、电梯、木工、陶瓷等等。

因为控制的方式不同,以前大家分为过程控制和顺序控制或者离散控制两类,其中过程控制来源于早期的过程仪表控制,后逐步发展为DCS,而顺序控制来源于早期的继电器组,最后发展出了PLC,但随着微电子、软件、硬件和通信技术的发展,目前很多DCS和PLC都采用同样的或者类似技术平台,双方之间区别越来越小,大多数新一代的控制系统都不再区分DCS或者PLC,不过新一代控制器是否叫PLC还是DCS或者FCS、PAC、NCS,这并没有得到广大厂商的认同。特别是网络和现场总线的发展,使DCS越来越没有单独存在的价值,很多的国际大公司都把新一代的控制系统合并了DCS、PLC、IPC、FCS功能。

为了简化各种概念,我们根据项目的大小、项目的重复度把PLC的应用分为工程和OEM两部分,其中工程主要指造纸、石化、冶金、水泥、大型港机等项目特征明显的自动化系统,而OEM主要指各种使用PLC的装备,如电梯、挤出机、包装机、回流焊、点胶机、特种车辆等,”这两大块构成了PLC的最主要的市场。

有朋友会问“为什么不用单片机开发专用控制器呢?PLC的功能大多可以通过使用单片机来开发,而且单片机的成本要低很多,现在一块最便宜的单片机不过几毛钱,而最便宜的PLC都要好几百块。倒底选择PLC做为控制器的标准和理由是什么呢?”

确实有很多控制使用单片机,比方说室内空调控制器,电视机控制器,微波炉控制器等,其中有一些控制器实现的功能还相当复杂。那为什么还有PLC存在的必要呢?

所有的控制方案选择都是通过性能和成本两个方面来考虑的,也就是性价比。这就像买房子,我们可以用泥沙盖房子,也可以买现成的商品房。如果自己盖房子,我们不光是土建,我们还需要水、气、电、排污等辅助功能,而买商品房我们只需要对其进行装修就可以了。

PLC就是一个商品房,她是模块结构的产品,集成了控制需要的各种软硬件,包括指令、功能块、通信、IO接口、模拟量、温度、运控等各种功能。用户拿到后只需要进行简单的二次开发就可以满足要求,整个过程就像用积木搭一个房子一样。相反用单片机开发一个专用控制系统,从表面的物理成本上是降低了,但是人工和开发进度却不容乐观,一个最简单的单片机系统开发也需要四周左右,而使用PLC可能只需要一个小时。

同时,PLC的可靠性是多年应用和严格实验保证的,无数不同行业不同厂商的应用使其的BUG减至最少,而单片机系统无法保证这一点。所以单片机系统的稳定性和可靠性要低很多,特别是系统刚开发的这一两年内,庞大的维护和升级费用将使你的成本急距上升。

当然如果你的控制对象量很多,而且对于可靠性要求不高,那么单片机一定是你最好的选择,比方说刚才说的空调、电视之类,这些产品的年产量都超过千万台,用单片机开发完全可以做到最低的成本,并且家用电器对于可靠性要求也不高,按两下按键不动,大不了再重新按一下,而在工控场合这是绝不允许的,比方说锅炉该动不动就有可能造成很大的事故。

IPC(工控机)和PLC的选择:

比方说球磨机的自动控制系统,用加速度传感器采集球磨机的轴振,再通过傅利叶变换取出球磨机内存煤量的特征频率,用来控制球磨机的供煤速度。在球磨机的控制环境中需要用到像傅利叶变换之类的复杂算法,如果用PLC实现会比较困难,所以最好采用IPC,并用C、C++开发对应的控制算法,如果需要更为可靠的控制,我们可以将IPC的结果再交给PLC来控制。

早在上世纪90年代很多分析报靠认为到2000年以后,PC_BASE(基于PC技术开发)的产品将替代掉大部分PLC,但实际证明他们错了,PLC不光没消失,它还吸收了单片机和PC的很多新技术,越来越有生命力了。现在的产品中的大多数PLC都使用了单片机、IPC和各种专用处理器来实现,应该说PLC是单片机、PC技术的受益者,特别是现代的PLC与PC的分界已越来越小,很多PLC也可以演算一些很复杂的算法,包括傅利叶变换、相似度比较等。

PC_BASE技术在前几年之所以很流行,一方面是因为商用PC在软硬件技术上的积累使其开发成本降低,可供选择的硬件和软件很多,特别DOS和C语言的推广,使大家感到使用PC有更好的可控感。

但随着WIN NT系统的开始,用PC开发控制器的难度越来越高,而可靠性却越来越低,高速的CPU系统使功耗增加,学电子的朋友可能知道,半导体的损坏中最常见的一项是过热损坏,一般硅半导体的结温最多可以承受120度,IPC功耗的增加使其对应用环境的要求也同步升高;另外IPC芯片封装的密度,特别是BGA等高密度封装使其无法在工业的高尘高污的环境中使用。

同时WIN CE或者NT平台下的实时控制也让大家如隔靴搔痒般,不再有当初的那种一切在掌握中的感觉。特别是现在微软的VASTA出来后,对于广大的IPC厂商来说更是一个噩梦,这意味着很多CPU、内存、接口芯片甚至包括软件又要停产换代了,这种频繁的更新换代完全无法适应工控的要求。微软和INTEL现在越来越不把向下兼容当作重点,每一次升级都意味着一次重新开发和投资。  

选择PLC的基准:

数量——对于装备制造厂商而言,单一装备(同样的硬件配置和程序)月生产量500台以下就可以考虑使用PLC,如果超过了这个数量就可以考虑使用专用PLC或者单片机开发的专用控制器。

品牌——各成熟厂商PLC的功能差别不大,品牌的选择更多的是考虑服务和宣传,这需要装备制造厂商根据自己的定位来选择,但品牌在PLC的价值中占有较大有份额,同样点数,同样功能的PLC,不同品牌的价格会有数倍至十倍的差别。

功能——功能的选择不是越多越好,许多功能大多数用户都用不上,但是有一些功能又是PLC的可选功能,比方说实时时钟、电池、RS485、扩展接口等,一般基本功能的PLC价格会很低,但如果选择增加功能价格就会高很多。

可靠性——PLC产品的可靠性与设计、器件、制造工艺相关系,同时也与用户的使用环境和习惯有关系,德维森的V80系列在军品上有相当多的应用,所以在可靠性方面完全是没有问题的。

价格——价格的高低对于量比较大的装备厂来说是选取的关键点,但价格从来都不是PLC唯一的考虑点。

习惯——因为各家PLC的编程习惯均有不同,我们发现很多装备厂商工程师在学生时代学的教程就是日本三菱的,所以习惯上更偏向于日系品牌,但日系编程习惯并不是最好的,认真学习PLC厂商提供的手册是加快了解和学习一种新PLC的关键。 

本文作者是矩形科技总经理王晟磊,最初发表于2008年。


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