PLC的發(fā)展階段及應(yīng)用分類

PLC（Programmable Logic Controller）即可編程序邏輯控制器是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的數(shù)字運算操作電子系統(tǒng)，也是現(xiàn)代工業(yè)自動化系統(tǒng)的重要組成部分，那么它是怎么誕生的呢？今天我們來捋一捋。

工業(yè)需求催生 PLC 誕生

二戰(zhàn)后，美國憑借汽車、鋼鐵、飛機等領(lǐng)域的絕對優(yōu)勢成為世界制造業(yè)霸主，1948-1966 年期間，美國一直是全球最大的貿(mào)易順差國，在強大的制造業(yè)驅(qū)動下，美國需要更先進的生產(chǎn)工具來推動其制造業(yè)的發(fā)展。

在此背景下，1947 年 12 月 23 日，美國貝爾實驗室正式地成功演示了第一個基于鍺半導(dǎo)體的具有放大功能的點接觸式晶體管，標(biāo)志著現(xiàn)代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的誕生和信息時代的開啟，為后續(xù)的工業(yè)自動化控制飛速發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

1968 年，美國通用汽車公司在對工廠生產(chǎn)線調(diào)整時，發(fā)現(xiàn)繼電器、接觸器控制系統(tǒng)修改難、體積大、噪聲大、維護不方便以及可靠性差，于是提出“通用十條”招標(biāo)指標(biāo)，意在取代繼電氣控制裝置。

成立于 1957 年的 DEC 公司（美國數(shù)字設(shè)備公司），一直專注于開發(fā)小型計算機系統(tǒng)，看到通用汽車的招標(biāo)要求后，創(chuàng)始人之一奧爾森接標(biāo)，最終 DEC 開發(fā)了一套全新的控制系統(tǒng)——PDP-14，用于控制齒輪磨床，這就是世界上第一臺可編程邏輯控制器。

來源：菲尼克斯電氣

PDP-14 本質(zhì)是把 DEC 最成功的“迷你機”PDP-8 增加了工業(yè) I / O 接口，由一個控制單元和幾個外部接口盒組成；控制單元包括一個可變大小的 ROM，最多包含 4k 的 12 位指令；存儲器分為 256 個字節(jié)；通過擴展最多可以處理 256 個輸入輸出。

但 DEC 的 PDP-14 有一個缺陷，就是修改程序需要把產(chǎn)品發(fā)回 DEC 公司，整個處理過程耗時一周，導(dǎo)致它運行至 1970 年后被替換。

PDP-14 的誕生，其實只是 PLC 出現(xiàn)的開胃菜，與 DEC 同時競標(biāo)的還有信息儀表公司（3-I）和貝德福德協(xié)會（Bedford Associates），他們也分別推出了相應(yīng)的產(chǎn)品。

信息儀表公司（3-I）為通用交付的設(shè)備為 PDQ-II，其最大的優(yōu)勢是能提供高級邏輯運算功能，適用于正離合器生產(chǎn)線的控制。但該產(chǎn)品也存在修改程序不便的缺陷，在 GM 一直運行到 1971 年后，被 Modicon 084 全面替換。

圖片來源：菲尼克斯電氣

接下來主角誕生了，由 Dick Morley 和 George Schwenk 于 1964 年成立的貝德福德協(xié)會（Bedford Associates）也獲得了通用的原型機測試資格。Dick Morley 只因厭倦了重復(fù)的機床操作員工作，想要發(fā)明一個集所有功能于一個編輯器的“神器”，于是寫出了自己的梯形圖邏輯。

1968 年 Bedford 成立了第七家控制公司，取名 Modicon（莫迪康），其在 Dick Morley 領(lǐng)導(dǎo)下于 1969 年成功推出了自己的 PLC 產(chǎn)品，基于該產(chǎn)品是 Modicon 的第 84 個項目，產(chǎn)品取名“Modicon 084”。

圖片來源：菲尼克斯電氣

084 編程相對簡單，用戶插入編程單元，選擇適當(dāng)?shù)能浖K，然后鍵入梯形圖即可快速進行編程；同時安裝在硬質(zhì)外殼內(nèi)，提高了安全等級，這是 DEC 的 PDP-14、3-I 的 PDQ-II 所無法比擬的，最終在 1971 年全面替代另兩個競品。

Modicon 隨后又于 1973 年推出“184”、1975 年推出“284”、1979 年推出工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò) Modbus、1994 年推出 Quantum（中文名“昆騰”）系列 PLC，最終于 1997 年被施耐德收購并成為施耐德旗下第 4 個主要品牌。

而 Dick Morley 所發(fā)明的“Modicon 084”可編程控制器及后續(xù)產(chǎn)品很快在離散制造業(yè)的控制器中占據(jù)統(tǒng)治地位，還逐漸擴散到流程工業(yè)和間歇制造的批量生產(chǎn)過程，Dick Morley 由此被譽為“PLC 之父”。

對自己所發(fā)明的 PLC 產(chǎn)品對工業(yè)的貢獻，Dick Morley 曾在采訪中如此比喻：IPod 賣的是音樂，奔馳賣的是知名度；而 PLC 賣的是上市時間，汽車制造商原本要 6-9 個月的時間才能使新產(chǎn)品上市，用了 PLC 后就只需要 6-9 周，這相當(dāng)于節(jié)省了很大一筆錢！

左一為 PLC 之父 Dick Morley

進入快速發(fā)展期

Dick Morle 基于集成電路和電子技術(shù)發(fā)展的控制裝置使得電氣控制功能實現(xiàn)程序化，功能越來越強大，其概念和內(nèi)涵也不斷擴展，這就是第一代可編程序控制器，但當(dāng)時還不叫 PLC，而是叫做 PC（Programmable Controller）。

后來隨著個人電腦（也叫 PC）的快速發(fā)展，為了反映可編程控制器的功能特點，美國 A-B 公司將可編程序控制器命名為可編程序邏輯控制器 Programmable Logic Controller，即 PLC，并將“PLC”作為其產(chǎn)品的注冊商標(biāo)。

當(dāng)美國人發(fā)明了 PLC 之后，其他國家也紛紛跟進，1971 年日本成功研制出第一臺 PLC 產(chǎn)品 DCS-8；緊接著 1973 年德國西門子公司也研制出歐洲第一臺型號為 SIMA TICS4 的可編程邏輯控制器。

雖然現(xiàn)在的中國在半導(dǎo)體領(lǐng)域很弱，但在上世紀(jì)，中國與國際先進國家?guī)缀跬窖芯堪雽?dǎo)體、電子技術(shù)，因此在歐美研制出 PLC 不久后，中國也于 1974 年研制出第一臺可編程邏輯控制器，并于 1977 年開始在工業(yè)上進行應(yīng)用。

從上世紀(jì) 70 年代中后期開始，PLC 進入了實用化發(fā)展階段，計算機技術(shù)得以全面引入 PLC 中，使其功能發(fā)生了飛躍。更高的運算速度、超小型體積、更可靠的工業(yè)抗干擾設(shè)計、模擬量運算、PID 功能以及極高的性價比，都奠定了其在現(xiàn)代工業(yè)中的地位。

自上世紀(jì) 80 年代初開始，PLC 在先進工業(yè)國家中已獲得廣泛應(yīng)用，同時世界上生產(chǎn) PLC 的國家日益增多，產(chǎn)量日益上升，標(biāo)志著 PLC 已經(jīng)步入成熟應(yīng)用階段。至 90 年代中期，這段時間是 PLC 發(fā)展最快的時期，年增長率一直保持為 30~40%。

在這時期 PLC 在處理模擬量能力、數(shù)字運算能力、人機接口能力和網(wǎng)絡(luò)能力方面也得到了大幅度提高，PLC 逐漸進入過程控制領(lǐng)域，在某些應(yīng)用上取代了在過程控制領(lǐng)域處于統(tǒng)治地位的 DCS 系統(tǒng)。

到 20 世紀(jì)末期，工業(yè)發(fā)展大爆發(fā)，誕生了各種各樣的大型機和超小型機、特殊功能單元、各種人機界面單元、通信單元等產(chǎn)品，為更加適應(yīng)于現(xiàn)代工業(yè)，使應(yīng)用可編程邏輯控制器的工業(yè)控制設(shè)備的配套變得更加容易。

在多年的生產(chǎn)實踐中，PLC 已經(jīng)與 DCS（集散控制系統(tǒng)）、IPC（工業(yè)計算機技術(shù)）三足鼎立，同時還在其它的單回路智能式調(diào)節(jié)器等在市場上占一定的市場份額。近年， IPC 和 FCS（現(xiàn)場總線技術(shù)）發(fā)展迅速，擠占了一部分 PLC 市場，PLC 增長速度出現(xiàn)漸緩的趨勢，但其在工業(yè)自動化控制特別是順序控制中的地位，仍將是無法取代的存在。

PLC 的主要分類及應(yīng)用

從上世紀(jì) 90 年代開始，PLC 就根據(jù) I/O 點數(shù)發(fā)展出小、中、大型等多種類型產(chǎn)品。

小型 PLC

I/O 點數(shù)< 256 點；單 CPU、8 位或 16 位處理器、用戶存儲器容量 4K 字以下；主要代表產(chǎn)品有美國通用電氣（GE）公司的 GE-I 型、美國德洲儀器公司的 TI100/ 日本三菱電氣公司的 F/F1/F2、日本立石公司（歐姆龍）的 C20/C40、德國西門子公司的 S7-200、日本東芝公司的 EX20/EX40、中外合資無錫華光電子工業(yè)有限公司的 SR-20/21 等；

中型 PLC

I/O 點數(shù) 256～2048 點；雙 CPU，用戶存儲器容量 2～8K，代表產(chǎn)品有德國西門子公司的 S7-300、無錫華光的 SR-400、德國西門子公司的 SU-5/SU-6、日本立石公司的 C-500、GE 公司的 GE-Ⅲ等；

大型 PLC

I/O 點數(shù)> 2048 點；多 CPU，16 位、32 位處理器，用戶存儲器容量 8～16K，代表產(chǎn)品有德國西門子公司的 S7-400、GE 公司的 GE-Ⅳ、立石公司的 C-2000、三菱公司的 K3 等。

目前大型、超大型的 PLC 產(chǎn)品也不少，單機支持 300 回路和 65000 點 I/O 設(shè)備也日益得到重視。不過整體看， I/O 點數(shù)≤64 的 PLC 銷售額占整體 PLC 市場總量的 47%，64~256 點數(shù) PLC 占 31%，微型、小型 PLC 占據(jù)市場的絕對主流，而 I/O 點數(shù)大于 256 的中型、大型、超大型 PLC 累計市場容量才 22%。

PLC 主要應(yīng)用于紡織、機械、電梯、冶金、電力、石油、市政、化工、樓宇建筑、建材、機床、塑料機械、橡膠機械、電子專用設(shè)備等行業(yè)，而汽車業(yè)是最有潛力的 PLC 行業(yè)之一。

目前全球 300 多品種 PLC 產(chǎn)品中，應(yīng)用在汽車上的最多，達 23%，其后分別為糧食加工（16.4%）、化學(xué) / 制藥（14.6%）、金屬 / 礦山（11.5%）、紙漿 / 造紙（11.3%）等行業(yè)。

主要品牌中，西門子、施耐德、羅克韋爾（A-B）、OMRON、三菱、GE 等少數(shù)幾家企業(yè)是絕對的行業(yè)巨頭，其中羅克韋爾、施耐德、西門子長期把持中國大型 PLC 市場的強三強，西門子獨占中型 PLC 市場半壁江山。

而國內(nèi)的 30 家 PLC 生產(chǎn)廠家中，都沒有形成頗具規(guī)模的生產(chǎn)能力和名牌產(chǎn)品，我國尚未形成 PLC 制造產(chǎn)業(yè)化；不過已經(jīng)可以在小型、微型等 PLC 領(lǐng)域與國際品牌同臺競技。

審核編輯黃昊宇