西门子代理商PLC及其网络是现代工业自动化的支柱

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PLC及其网络是现代工业自动化的支柱

PLC及其网络被*为现代工业自动化三大支柱（PLC、机器人、CAD/CAM）之一。从近年的统计数据看，在世界范围内，PLC产品的产量、销售、用量高居各种工业控制装置，而且市场需求量一直在按每年15%的比率上升。形成这一局面有其深刻的原因。

一、PLC及三电于一体

工业自动化系统通常分成三类：一类是控制开关量的逻辑装置，一类是控制慢连续量的过程控制系统，一类是控制快连续量的运动控制系统。在传统上对于这三种控制系统用不同的控制装置。逻辑控制用电控制（电气控制装置即继电器接触器控制柜），过程控制用仪表装置（电动单元组合仪表），运动控制用电传装置（电气传动控制装置）。所谓三电就是指的是电控、电仪、电传。

在一家工厂、一个车间、一个工段，甚至在一台设备上，这三种设备常常并存在一起，单设备各不相干。这主要是因为这三种控制装置相差太远，无法兼容。长久以来，人们一直希望能把他们用一种控制装置统一起来，协调地进行控制。 这对于提高生产效率，保证产品质量，实现优化控制无疑是很有意义的。把三电合成于一体就叫做三电一体。

从现代控制装置来看，无论是逻辑控制、过程控制还是运动控制都使用的是计算机开发的控制装置，计算机成为三电一体的物质基础。

有两种实现三电一体化的思路：一种思路是在网络一级实现三电一体化，逻辑控制装置、过程控制装置、运动控制装置尽管各不相同，但如果它们都可以连入同一网络，则网络就成了三电同一的载体，在网络一级实现了三电一体化。另一种思路是在控制装置一级实现三电一体化，控制装置即有逻辑控制功能，又有过程控制功能，还有运动控制功能。DCS（distrabuted control system）系统沿着前一种思路发展三电一体化，他花费较大，适合于大型自动控制系。PLC则沿着后一种思路发展三电一体化，他灵活机动，三电一体集成度较高，适合于各种规模自动控制系统。

研制开发PLC的Zui初动因是为了取代继电器，构成新型的控制开关量的装置，因此，从一开始，逻辑控制就是PLC的强项。随着PLC的换代，PLC中处理器处理速度的不断增加，PLC的功能也在不断增多，现在发展成具有逻辑控制功能，过程控制功能、运动控制功能、数据处理功能、联网通信功能的名副其实的多功能控制器。在PLC从逻辑控制功能向多功能的发展过程中，制造商们曾发生过争论，出现过一个短暂的停顿时期。曾经怀疑在PLC上增加对连续量的控制功能是否有意义，与同一时期兴起的用于控制的可编程调节器、工业PC、DCS系统相比较，是否具有竞争力，是否有市场。停顿是崭短的，大家很快意识到，在PLC上增加的控制功能的生命力并不在于其配置的控制算法的复杂程度，而在于多种功能的集成。PLC的主要优势在于它把三电集于一体，在装置一级实现了三电一体化。

为什么PLC有能力在装置一级集三电于一体，而专门用于过程控制的计算机控制装置实现三电一体却比较困难呢？其中有三个原因。一是PLC是以控制开关量起家的，他采用循环扫描方式，通过串行处理使其在逻辑上等小于并行处理的继电器逻辑控制系统，为了不丢失输入信号，要求循环扫描周期越短越好，这就使得在PLC中配置的处理器性能好，速度快。这些高性能的微处理器本身有很大的潜能，早期PLC只利用速度快这一条，其他潜能并没有得到充分得利用。后来发现处理好不同性质的实时多任务的调度，在PLC中加入针对慢连续量的过程控制并不困难。反过来，针对慢连续量的过程控制计算机，改成周期循环扫描并加入大量开关控制却是力不能及的。第二个是大中型PLC中普遍采用了多微处理机结构进行多道处理。例如西门子的S5-155U，S5-153U内Zui多配置4个CPU加一个协处理器德州仪器公司的T1565可编程控制器Zui多可装入8台MC68000的处理器，这使得PLC不仅速度快，而且可以独立各自处理不同问题，也可分解协调，共同处理非常复杂的问题。第三个是PLC配置着大量内含CPU的智能模板，有些用于PID控制，有些用运动控制，有些用于高速记数，有些用于联网通信，他们采用模块结构，通过背板并行总线连成有机的整体，所有这一切为PLC在装置一级实现三电一体奠定了坚实的基础。当然从目前看，PLC在装置一级的三电一体化并不是很完善的，复杂过程控制还欠缺一些，运动控制能力也还不全面，这些都有待于进一步开发。尽管如此，在装置一级实现三电一体化本身，使得PLC在竞中居于强有力的地位。

二、PLC网络的性能价格比高

PLC网络经过多年的发展，已成为具有3~4级子网的多级分布式网络。加上强有力的工具软件，使他成为具有工艺流程显示、动态画面显示、趋势图生成显示、各种报表制作的多功能的系统，在MAP规约的带动下，可以方便地与其他网络互联。所有这一切是PLC网络成为CIMS系统非常重要的组成部分之一。

若把PLC网络与其他工业局域网比较，从功能上看，PLC网络并没有什么特别之处，他的特别之出在于：PLC网络具有较高的价格比。

我们知道DCS系统具有优良的通信子网。但是为了取得网络的高可靠性，DCS系统普遍对通信网络采用1∶1冗余措施，这包括通信信道的1∶1冗余、通信接口的1∶1冗余，还包括通信系统发生故障时，对故障检测及自动切换到备用子网的装置。诸如此类，导致尽管DCS系统性能优良，单价格也非常昂贵，性能价格并不很高。

PLC网络则不同，一般在网络级它不搞1∶1网络冗余，仅在关键部位选用冗余结构的PLC。这样一种处理方案，在价格上将大大低于DCS系统是不言而喻的。在可靠性上是否一定低于DCS系统呢？其实也不一定。由于PLC集三电于一体，使其本身具有很强的自治性，它对PLC网络的通信速度要求比较低，需要通过网络交换的数据量相对比较少，这使得PLC网络变的比较简单。而DCS系统在网络一级实现三电一体化，他对网络通信速度的要求比较高，需要通过网络交换的数据量比较大，这使得DCS系统的通信网络比较复杂。简单通信网络的可靠性总比复杂通信网络的可靠性容易保证。从这个角度看，PLC网络尽管没有1∶1冗余，可靠性也未必低。更何况PLC本身具有良好的自治性，在关键场合又选用PLC冗余结构，这样即使PLC网络发生故障，仍可维持生产进行。

正是由于PLC网络具有较高的性能价格比这一特点，使他倍受用户欢迎，在中小企业的自动化系统中向DCS提出了严格挑战。

三、PLC的高可靠性

大家都知道，PLC是一种具有很高可靠性的控制装置，他与可编程序调节器DCS系统同被列为"不损坏仪表"。这当然是由于在硬件上他们都采用了诸如隔离、滤波、屏蔽、接地等一系列抗干扰措施，在模板机箱进行了完善的电磁兼容性设计，对元件进行了尽心的挑选；而且更重要的是他们采用了诸如数字滤波、指令复执、程序卷回、差错校验等一系列软件抗干扰措施及故障诊断技术，以及在系统一级的冗余配置等。

对于PLC系统来说，他的高可靠性还得益于其特殊的工作方式。PLC采用周期循环扫描方式工作，对于输出集中进行。这种工作方式本身就具有抗干扰能力。在一个循环扫描周期T中，仅只有一小段时间集中进行I/O，也只有一小段集中进行I/O时间中的干扰才会被引入PLC内部，在扫描周期的其余大部分时间，干扰都被阻挡在PLC之外。因此PLC的这种工作方式就具有抗干扰能力。

通常，为了防止开关量丢失，要求把扫描周期控制在100~200ms之内，这个时间比PLC所带的执行器的电机时间常数小得多。这样一来，即使在每个扫描周期，干扰侵入，并造成输出值错误，担当他还没来得及使执行器发生错误的动作，下一个扫描周期正确的输出就会将其纠正。上面这些原因使PLC的可靠性显的更高。

正是由于PLC具有多功能，集三电于一体，PLC网络具有优良的性能价格比和PLC具有高可靠性等等，使得PLC在工厂中倍受欢迎，用量高居，成为现代工业自动化的支柱。