1.1.2 可编程序控制器的发展历程与趋势

1.可编程序控制器的发展历程

从20世纪20年代起，继电接触器控制系统在工业控制领域中一度占据主导地位，该系统是通过导线将各种继电器、定时器、接触器及其触点按一定的逻辑关系连接来控制各种机械或过程。但是，这种继电接触器控制系统具有明显的缺点，即设备体积大，动作速度慢，功能单一，仅能做简单的控制；特别是采用硬连线逻辑，接线复杂，一旦生产工艺或对象变动，原有接线和控制盘（柜）就需要更换，所以这种系统的通用性和灵活性较差，不利于产品的更新换代。

20世纪60年代末期，美国汽车制造业竞争激烈。1968年，美国通用汽车公司提出了开发新型逻辑顺序控制装置以取代继电器控制盘的设想，为此发布了10个招标指标，其主要内容如下：

① 编程简单，可在现场修改程序。

② 维护方便，最好是插件式。

③ 可靠性高于继电器控制柜。

④ 体积小于继电器控制柜，能耗较低。

⑤ 可将数据直接上传到管理计算机，便于监视系统运行状态。

⑥ 在成本上可与继电器控制相竞争，即有较高的性能价格比。

⑦ 输入开关量可以是交流115V电压信号（美国电网电压为110V）。

⑧ 输出的驱动信号为交流115V、2 A以上容量，能直接驱动电磁阀线圈。

⑨ 具有灵活的扩展能力。在扩展时，只需在原系统上做很小变更即可达到最大配置。

⑩ 用户程序存储器容量至少在4 KB以上（适应当时汽车装配过程的要求）。

以上10项指标的核心是采用软布线，即以编程方式取代继电器控制的硬接线方式，这样在每次汽车改型或改变工艺流程时无须改动接线，从而降低成本，缩短新产品开发周期，实现大规模生产线的流程控制。

1969年，美国数字设备公司（DEC）研制出世界上第一台可编程序控制器（Programmable Logic Controller）PDP-14，在美国通用汽车装配线上试用，这种面向工业过程的控制装置一问世即获得了巨大成功。其后，美国MODICON公司推出了同名的084控制器；1971年，日本从美国引进了这项新技术，研制出了其第一台PLC——DSC-8。1973年，西欧国家的第一台PLC也研制成功。我国从1974年开始仿制美国的第二代PLC，1977年研制出第一台具有实用价值的PLC。

纵观PLC控制功能的拓展历程大致经历了以下四个阶段。

（1）崛起阶段（从第一台PLC诞生到20世纪70年代中期）

首先在汽车工业获得大量应用，继而在其他产业部门也开始应用。由于大规模集成电路的出现，采用8位微处理器芯片作为中央处理器（CPU），推动了可编程序控制器技术的飞跃。这一阶段PLC主要用于逻辑运算、定时与计数运算，控制功能比较简单。因此该阶段的产品称为可编程序逻辑控制器。

（2）成熟阶段（从20世纪70年代中期到70年代末期）

由于超大规模集成电路的出现，16位微处理器和51单片机相继问世，使PLC向大规模、高速度、高性能方向发展。这一阶段PLC的功能扩展到数据传送、比较和运算，以及模拟量运算等。

（3）通信阶段（从20世纪70年代末期到80年代中期）

由于计算机通信技术的发展，PLC也初步形成了分布式的通信网络体系，但是由于制造厂商各自为政，通信系统自成一派，造成了不同厂家产品的互连较为困难。在该阶段，由于社会生产对PLC的需求大幅增加，其数学运算功能得到了较大的扩充，可靠性也得到了进一步提高。

（4）开放阶段（从20世纪80年代中期至今）

进入21世纪，开放系统的提出使PLC得到较大的发展。主要表现为通信系统的开放，使各制造厂商的PLC可以相互通信，通信协议的标准化使用户得到实惠。在这一阶段，PLC的规模增大，功能不断完善，大中型PLC多配CRT屏幕显示功能，产品的扩展也因通信功能的改善而变得简便，此外还采用了标准的软件系统，增加了高级编程语言等。随着控制对象的日益多样化和复杂化，采用单一PLC已不能满足控制要求，逐步被控制功能多样化的高级模块构建的PLC系统所取代。

2.PLC应用领域与发展趋势

现代PLC应用综合了计算机技术、自动控制技术和网络通信技术，在工业自动化中起着举足轻重的作用，在国内外已广泛应用于机械、冶金、石油、化工、轻工、纺织、电力、电子、食品、交通等行业。统计数据显示，80%以上的工业控制可以使用PLC来完成。随着其性能价格比的不断提高，应用领域已扩展到以下几个方面。

（1）数字量逻辑控制

PLC用“与”、“或”、“非”等逻辑指令来实现触点和电路的串、并联，代替继电器进行组合逻辑控制、定时控制与顺序逻辑控制等。

（2）运动控制

PLC使用专用的运动控制模块，对直线运动或圆周运动的位置、速度和加速度进行控制，可以实现单轴、双轴和多轴位置控制，使运动控制与顺序控制功能有机地结合在一起。PLC的运动控制功能广泛应用于各种机械，如传送带移载机、机器人、电梯等。

（3）闭环过程控制

闭环过程控制是指对温度、压力、流量等连续变化的模拟量的闭环控制。PLC通过模拟量输入/输出模块，实现模/数（A/D）或数/模（D/A）转换，并对模拟量实行比例-积分-微分（简称PID）控制。现代的大中型PLC一般都配有PID闭环控制功能，可由PID指令或专用PID模块来实现。

（4）数据处理

现代PLC具有数学运算（包括四则运算、函数运算、逻辑运算、矩阵运算及浮点数运算等）、数据传送、数制转换、数据比较、文件处理等功能，可以完成数据的采集、分析和处理。

（5）通信联网

PLC的通信包括主机与远程I/O之间的通信、多台PLC之间的通信、PLC与其他智能控制设备（如计算机、变频器、仪表）之间的通信。PLC与其他智能控制设备一起，可以组成分布式控制系统，从而初显了小型集散控制系统（简称DCS）的雏形。

2007年中国PLC市场规模首次达到50亿人民币，台套数超过131万套。相对于2006年的44.3亿元的市场规模和96万套的数量，2007年PLC市场在OEM的带动下延续了上一年良好的增长势头，增长幅度基本与上年持平，销售额增长率为12.9%（摘自《2008中国PLC市场研究报告》）。

由于PLC应用向智能化和网络化发展，且逐渐成为主流趋势，此类应用人员的需求尤为突出。因此，在2006年9月，国家劳动和社会保障部公布的第七批新职业中，可编程序控制系统设计师列为首位。

PLC未来将向以下两个方向发展。

（1）大型化方向

PLC的CPU从早期的1位，向8位、16位、32位、64位发展，晶振频率已可达到几百兆赫兹，从单CPU向多CPU的并行处理发展，提高了处理能力和响应速度及模块化程度。存储器的容量也成倍增加，从几千字节发展到几万字节，直到几兆字节、几十兆字节等。总之，由于硬件性能的提高，使PLC向大型化方向发展提供了硬件保障。

软件功能的日益丰富与完善是PLC向大型化方向发展的重要标志。美国国际电工委员会（IEC）在规定PLC的编程语言时，认为主要的程序组织语言是顺序功能表。功能表的每个动作和转换条件可以运用梯形图编程，这种方法使用方便，容易掌握，深受电工和电气技术人员的欢迎，也是PLC得以迅速推广的重要因素之一。但是，它在处理较复杂的运算、通信和打印报表等功能时显得效率低、灵活性差，尤其用于通信时显得笨拙，因此在原梯形图编程语言基础上加入了高级语言，如C语言等。

目前，PLC与监控数据采集系统（简称SCADA）、DCS系统相互渗透，使其在以仪表控制为主导的过程控制领域占有一席之地。同时，PLC也在向计算机集成制造系统（简称CIMS）、计算机集成生产系统（简称CIPS）、机器人和柔性控制系统（简称FMS）方向发展，使其成为制造业不可或缺的控制手段。

（2）小型化方向

为满足不同的控制需求，各厂家推出了小型化、高性能的整体式PLC产品，在提高系统可靠性的基础上，产品体积越来越小，功能却越来越强。欧姆龙公司推出的CP1H PLC的体积约为150 mm×90 mm×85 mm，内置40个开关量I/O点，4个模拟量输入点以及2个模拟量输出点，基本指令的平均执行时间为0.1微秒/条，高级指令的平均执行时间为0.3微秒/条，可以使用几百条指令编程。同时，PLC的制造厂商也开发了多种类型的高性能模块，如模拟量模块、高速计数模块、通信接口模块等。当输入、输出点数增加时，可以根据过程控制的需求，采用灵活的组合方式进行配套，完成所需的控制功能。