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行 业：电气 工控电器 DCS/PLC系统 

发布时间：2023-02-03

 PLC控制系统与电器控制系统相比，有许多相似之处，也有许多不同。不同之处主要在以下几个方面：

 1）从控制方法上看，电器控制系统控制逻辑采用硬件接线，利用继电器机械触点的串联或并联等组合成控制逻辑，其连线多且复杂、体积大、功耗大，系统构成后，想再改变或增加功能较为困难。另外，继电器的触点数量有限，所以电器控制系统的灵活性和可扩展性受到很大限制。而PLC采用了计算机技术，其控制逻辑是以程序的方式存放在存储器中，要改变控制逻辑只需改变程序，因而很容易改变或增加系统功能。系统连线少、体积小、功耗小，而且PLC所谓“软继电器”实质上是存储器单元的状态，所以“软继电器”的触点数量是无限的，PLC系统的灵活性和可扩展性好。

   2）从工作方式上看，在继电器控制电路中，当电源接通时，电路中所有继电器都处于受制约状态，即该吸合的继电器都同时吸合，不该吸合的继电器受某种条件限制而不能吸合，这种工作方式称为并行工作方式。而PLC的用户程序是按一定顺序循环执行，所以各软继电器都处于周期性循环扫描接通中，受同一条件制约的各个继电器的动作次序决定于程序扫描顺序，这种工作方式称为串行工作方式。

  3）从控制速度上看，继电器控制系统依靠机械触点的动作以实现控制，工作频率低，机械触点还会出现抖动问题。而PLC通过程序指令控制半导体电路来实现控制的，速度快， 程序指令执行时间在微秒级，且不会出现触点抖动问题。

 4）从定时和计数控制上看，电器控制系统采用时间继电器的延时动作间控制，时间继电器的延时时间易受环境温度和温度变化的影响，定时精度不高。而PLC采用半导体集成电路作定时器，时钟脉冲由晶体振荡器产生，精度高，定时范围宽，用户可根据需要在程序中设定定时值，修改方便，不受环境的影响，且PLC具有计数功能，而电器控制系统一般不具备计数功能。

  5）从可靠性和可维护性上看，由于电器控制系统使用了大量的机械触点，其存在机械磨损、电弧烧伤等，寿命短，系统的连线多，所以可靠性和可维护性较差。而PLC大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成，其寿命长、可靠性高，PLC还具有自诊断功能，能查出自身的故障，随时显示给操作人员，并能动态地监视控制程序的执行情况，为现场调试和维护提供了方便。

  如果按应用类型来划分，可编程序控制器的应用主要有以下三种：

        (1) 开关逻辑和顺序控制：这是可编程序控制器基本的控制功能，在工业场合应用广泛，可代替继电器控制系统。开关量逻辑控制不但能用于单台设备，而且可用于生产线上。

        (2) 过程控制：PLC通过模拟量I/O模块，可对温度、流量、压力等连续变化的模拟量进行控制。大中型PLC都具有PID闭环控制功能并已广泛地用于电力、、机械、冶金等行业。

      (3) 运动控制：PLC可应用于对直线运动或圆周运动的控制，如数控机床、机器人、金属加工、电梯控制等。

 引言

    可编程序控制器是以微处理器为基础，综合计算机、通信、联网以及自动控制技术而开发的新一代工业控制装置。可编程序控制器在我国的发展与应用已有30多年的历史，现在它已经广泛应用于国民经济的各个工业生产领域，成为提高传统工业装备水平和技术能力的重要设备和强大支柱。随着全球一体化经济的发展，努力发展可编程序控制器在我国的大规模应用，形成具有自主知识产权的可编程序控制器技术，应该是广大技术人员努力的方向。

    2 可编程序控制器的发展历程

    可编程序控制器问世于 20 世纪 60 年代，当时的可编程序控制器功能都很简单，只有逻辑、定时、计数等功能；硬件方面用于可编程序控制器的集成电路还没有投入大规模工业化生产， CPU 以分立元件组成；存储器为磁心存储器，存储容量有限；用户指令一般只有二三十条，还没有成型的编程语言；机型单一，没有形成系列。一台可编程序控制器多只能替代200~300个继电器组成的控制系统，在体积方面，与现在的可编程序控制器相比，可以说是庞然大物。

    进入70年代，随着中小规模集成电路的工业化生产，可编程序控制器技术得到了较大的发展。可编程序控制器功能除逻辑运算外，增加了数值运算、计算机接口、模拟量控制等；软件开发有自诊断程序，程序存储开始使用EPROM ；可靠性进一步提高，初步形成系列，结构上开始有模块式和整体式的区分，整机功能从专用向通用过渡。

    70年代后期和80年代初期，微处理器技术日趋成熟，单片微处理器、半导体存储器进入工业化生产，大规模集成电路开始普遍应用。可编程序控制器开始向多处理器发展，使可编程序控制器的功能和处理速度大为增强，并具有通信和远程 I/O 能力，增加了多种特殊功能，如浮点运算、三角函数、查表、列表等，自诊断和容错技术也迅速发展。

    80年代后期到90年代中期，随着计算机和网络技术的普及应用，大规模集成电路、门阵列以及专用集成电路的迅速发展，可编程序控制器的CPU已发展为由16位或32位微处理器构成，处理速度得到很大提高，高速计数、中断、PID、运动控制等功能引入了可编程序控制器。使得可编程序控制器能够满足工业生产过程的各个领域，可编程序控制器已完全取代了传统的逻辑控制装置，模拟量仪表控制装置和以小型机为核心的DDC（直接数字控制）控制装置。由于联网能力增强，既可和上位计算机联网，也可以下挂 FLEX I/O 或远程 I/O ，从而组成分布式控制系统（DCS）已无困难。梯型图语言和语句表语言完全成熟，基本上标准化，SFC（顺序功能图）语言逐步普及，专用的编程器已被个人计算机和相应编程软件所替代，人机界面装置日趋完善，已能进行对整个工厂的监控、管理，并发展了冗余技术，大大加强了可靠性。

    进入21世纪，可编程序控制器仍保持旺盛的发展势头，并不断扩大其应用领域，如为用户配置柔制造系统（FMS）和计算机集成制造系统（CIMS）。目前可编程序控制器主要向两 个方向扩展：一是综合化控制系统，它已经突破了原有的可编程序控制器的概念，将工厂生产过程控制与信息管理系统密切结合起来，甚至向上为MES和ERP系统准备了技术基础，这种发展趋势会使得举步为艰的ERP系统有了坚实的技术基础，从而会带来工业控制的一场变革，实现真正意义上的电子信息厂；二是可编程序控制器异军突起，体积如手掌大小，功能可覆盖单体设备及整个车间的控制功能，并具备联网功能，这种微型化的可编程序控制器使得控制系统可将触角延伸到工厂的各个角落。随着世界经济一体化进程的加快，在技术发展的同时，发达国家加注重了对可编程序控制器的知识产权的保护，大型可编程序控制器制造商纷纷加入了可编程序控制器的标准化组织，他们利用许多技术标准建立了符合他们经济利益的技术保护壁垒。

    3 可编程序控制器在我国的发展

    我国可编程序控制器的发展与上的发展有所不同，上可编程序控制器的发展是从研制、开发、生产到应用，而我国则是从成套设备引进、可编程序控制器引进应用、消化移植、合资生产到广泛应用。大致可划分为下述三个阶段：

    (1) 可编程序控制器的初级认识阶段（70 年代后期到 80 年代初期）

    上可编程序控制器的发展，首先引起了国内工程技术界的大兴趣，所以我国对可编程序控制器的认识始于 70 年代后期到 80 年代初期的成套设备引进中，当时的上海宝钢一期工程中有多项工程引进了十几种机型约 200 多台可编程序控制器。这些可编程序控制器用于原料码头到高炉、轧钢、钢管等整个钢铁冶炼以及加工生产线上，取代了传统的继电器逻辑系统，并部分取代了模拟量控制和小型 DDC 系统。继宝钢一期工程后，国内许多厂家陆续引进的设备和生产线大都配备了可编程序控制器，其应用范围包括电站、石油、汽车制造、港口和码头等各领域。正是在成套设备引进过程中，我们打开了眼界，了解认识了可编程序控制器，这也促进了可编程序控制器在我国的发展。

    (2) 可编程序控制器的引进应用和消化移植阶段（80 年代初期到90年代初期）

    80年代初期开始，随着我国改革开放的不断深入，在成套设备引进的同时，国外原装的可编程序控制器开始涌入国内市场。许多部门和单位相继引进可编程序控制器并自己设计组成控制系统，其应用范围也扩大到建材、轻工、煤炭、水处理、食品、制、造纸、橡胶和精细等工业领域。

    随着应用能力的提高和市场需求的扩大，一些部门和单位本着技贸结合、消化移植的方针，一方面进行二次开发和应用研究，一方面也在引进可编程序控制器的生产线，建立生产可编程序控制器的合资企业，积开发自己的产品。

    同时，国内也开始研制可编程序控制器产品，当时在上海、北京、西安、广州、长春等地有约 20 多家科研单位、大专院校和工厂都在研制和生产可编程序控制器，但由于缺乏资金和后续研究力量、生产技术相对落后，只能停留在实验室阶段，没能投入实际应用和形成工业化生产。

    (3) 可编程序控制器的广泛发展阶段（90 年代初期到现在）

    进入90年代，我国的可编程序控制器进入了广泛发展阶段，主要表现在以下几个方面：

    a. 政府重视

    可编程序控制器的发展得到了政府的高度重视，在当时机械电子工业部的领导下，于 1991 年成立了可编程序控制器行业协会。可编程序控制器行业协会在政府和企事业之间起到了桥梁作用，沟通了情况，为做出决策提供了依据。同时可编程序控制器的标准作也受到了有关部门的重视，于 1993 年成立了可编程序控制器标准化技术委员会，为我国可编程序控制器的进一步发展打下了基础。

    b. 应用加广泛

    这一阶段可编程序控制器的应用已经渗透到国民经济的各个部门和工业过程的各个角落，已成为企业提高装备技术水平的重要标志。在宝钢的二期三期工程中使用了多个厂家三十几种机型计六百多台套的可编程序控制器，在广西玉柴机器有限公司的柴油机生产线中使用了近二百台罗克韦尔自动化公司的可编程序控制器，像这样大范围使用可编程序控制器的系统已很常见。在这一阶段中，我国的工程技术人员充分显示出了设计应用、软件制作、设备成套的能力。近，在笔者自行设计成套、软件开发、安装调试的我国西部大开发重点项目青海盐湖100万吨项目中，采用可编程序控制器组成了全厂的自动化控制系统，并将可编程序控制器设计在MCC柜中，实现了全厂六百多面MCC柜、覆盖全厂各个工艺流程的综合自动化系统。该应用项目已引起国外各大公司的注意，罗克韦尔自动化公司邀请项目设计人员去美国公司总部进行介绍。

    c. 研制、开发、生产取得成果

    随着我国改革开放的不断深入，国外厂商纷纷看好中国的市场，在中国建立他们的办事处，甚至将他们的亚太总部设在中国。国内企业纷纷引进国外技术，从而促进了一批技术引进企业、合资企业的建立，带动了我国可编程序控制器行业的技术发展。可喜的是从90年代初期开始，由于可编程序控制器应用的不断深入，国内又掀起了自主研制开发可编程序控制器的高潮，虽然多为小型可编程序控制器，批量亦不大，但其功能、质量和可靠性已有明显的提高，代表产品如南京嘉华的JH200，I/O为12到120点，有高速计数器和模拟量功能；杭州新公司的D20P，其I/O为12/8点，D100的I/O可从40点扩展到120点；兰州全志的RD100、RD200，前者I/O为9/4点，2点模入，后者I/O为20~40点，扩展的功能有编码盘测速，热电偶测温和模拟量I/O，能联网32台RD200以及与PC机进行实时通信。同时，中大规模的可编程序控制器在国内也开始出现，交通部上海船舶运输研究所的STI2000，I/O为256点，多台联网时I/O可达4096点；北京和利时公司研制生产的Hollias-PLC 可编程序控制器，其中典型的产品为数字量I/O达1024点，模拟量I/O达256点，内置TCP/IP通信接口，很容易接入管理网，配有PROFIBUS-DP现场总线的主站，从站和远程I/O，并与合作伙伴一起推出了 InterControl G3小型可编程序控制器系统。在国外产品强手如林的情况下，这些产品已具有和国外同类产品进行竞争的能力，充分说明国产可编程序控制器发展已进入了一个新的阶段。

4 新一代可编程序控制器的技术现状

    为了适应日益剧烈的市场竞争，新一代的可编程序控制器在技术创新方面有了长足的进展，主要体现在以下方面：

    (1) 执行多任务功能的出现

    所谓执行多任务，就是在一个可编程序控制器系统中，可同时安装几个CPU模板，每个CPU模板执行各自的任务，控制与其执行任务相关的I/O模板。

    (2) 网络能力的强化

    网络能力的加强，使可编程序控制器已经突破了原有的使用范围，特别是引入现场总线、工业以太网、无线网络及Internet等技术后，可编程序控制器的应用已今非昔比。典型的可编程序控制器的网络拓扑结构为设备控制层、过程控制层和信息管理层3个层次。在设备控制层中，引入了现场总线，使得工业生产过程中的现场检测仪表、变频器、MCC控制柜等一切现场设备都可直接与可编程序控制器相连；在过程控制层中，传统意义上的人机界面的功能已经焕然一新，使可编程序控制器能实现跨地区的编程、监控、诊断、管理，实现整个车间及全厂范围的控制；在信息管理层，向工业以太网的扩展，使控制与信息管理融为一体。

    罗克韦尔自动化公司的全方位自动化系统、西门子公司的全集成自动化系统和施耐德公司的都是这类技术发展的代表。