PLC与“三电”系统的差异分析

镇江船艇学院 陈 卓

1 PLC概述

作为电子系统进行数字运算操作，可编程序控制器(PLC)特别为工业环境下应用而设计。可编程控制器（PLC）及其相关外部设备，都是按照易于与工业控制系统连成一个整体以及易于扩充其功能的原则而设计。PLC采用的存储器可编写程序，并用于内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数以及算术运算等指令，通过数字式或模拟式的输入和输出，有效控制各类型的机械或生产过程。

源于汽车制造业的PLC的产生：二十世纪60年代后期，汽车型号的更新速度不断加快。以前汽车制造生产线使用的继电器控制系统，尽管具有原理简单、使用方便、操作直观、价格更宜等诸多优点，但由于它的控制逻辑由元器件的布线方式来决定，缺乏变更控制过程的走活性，不能满足用户快速改变控制方式的要求，无法适应汽车换代周期迅速缩短的需要。20世纪40年代产生的电子计算机，在20世纪60年代已得到迅猛发展，虽然小型计算机已开始应用于工业生产的自动控制，但由于原理的复杂性，还需要专门的程序设计语言，一般电气工作人员难以掌握和使用。

美国通用汽车公司(GM)，在1968年，思考将继电器控制与计算机控制两者的长处结合起来，建议制造商，为汽车装配线提供一种新型通用的程序控制器，而且提出了如下招标指标：A.采用模块式结构，便于维护。B.编程简单明了，并可以现场修改程序。C.各种数据能够直接传输于计算机。D.体积比继电器控制柜小。E.其可靠性比继电器控制柜高。F.用户程序的存储容量至少能扩展到4K。G.输入可以是AC 115V。H.输出交流（AC）115 V、2A，可以直接驱动电磁阀。I.系统扩展时，变更很小。J.价格与继电器控制柜相比有竞争性。

用计算机代替继电器控制系统，用程序代替硬接线，输入、输出电平可与外部负载直接连接，结构易于扩展。如果说电气技术和计算机技术的发展是PLC出现的物质基础，那么，GM的10项指标则是PLC诞生的创新思想。

1969年，美国数字设备公司(DEC)按招标要求完成了研制工作，并在美国通用汽车公司的自动生产线上试用成功，从而诞生了世界上第一台PLC。

早期的PLC主要只是执行原先由继电器完成的顺序控制、定时等功能，故称为可编程逻辑控制器(PLC)。但其新颖的构思，在控制领域获得的巨大成功，这项新技术立即得到迅速推广，美国、西欧、日本相继开始引进和研制。从1974起，我国开始仿制美国的第二代PLC，于1977年研制出了第一台具有实用价值的可编程控制器（PLC）。

第一台PLC诞生至今，可编程控制器（PLC）大致经历了4次更新换代，从以取代继电器为主的逻辑运算和计时、计数等功能的简单PLC，到现在具有逻辑、过程、运动控制以及数据处理、联网通信等多功能的控制设备，实现了量到质的飞跃。除此之外，可编程控制器（PLC）还力求做到软件系统标准化，还可采用高级语言编程，使得编程语言标准化工作得以完成，人们高度评价它，并将PLC视作现代工业自动化的三大支柱之一。

从其发展可见，PLC早已不是初创时的逻辑控制器了，它确切的名称应为Programmabl e Control l er（PC）。但鉴于缩写“PC”在我国业已成为个人计算机(Personal Computer)的专用名词，为避免学术名词的混淆，因此在我国仍沿用PLC来表示可编程序控制器。

2 可编程控制器（PLC）与“三电”系统的差异分析

工业自动化装置在早期通常有以下三类系统：(1)对开关量控制的逻辑系统。采用继电器接触器控制柜，实现逻辑控制的电控装置。即所谓的“电控”系统。(2)慢连续量的过程控制系统。采用电动单元组合仪表，实现过程控制的仪表装置。即所谓的“电仪”系统。(3)快连续量的运动控制系统。采用电气传动控制柜，实现运动控制的电传装置。即所谓的“电传”系统。

以往在工业控制现场中，电控、电仪、电传这三类设备常常同时存在，但是，各自的控制装置却是独立的，不可兼容。人们期待能用一种控制装置把“三电”统一，使工业自动化系统整体协调地运行，做到优化控制，产品质量得到保证，生产效率得以提高，即实现真正意义上的“三电一体”。

计算机技术的发展奠定了现代控制装置的基础，不管是过程的控制、逻辑的控制还是运动的控制都引入了计算机控制，计算机控制装置成为“三电一体”的硬件基础。“三电一体”实现有两种方式：(1)在控制装置一级实现三电一体化；(2)在网络一级实现三电一体化。在这个基础上“三电一体”有了实现的可能。DCS系统就是延续了在网络一级实现三电一体化的思想，适合于大型自动控制系统，但是，成本造价非常昂贵。

PLC作为实质上的工业计算机，具有构成“三电一体”的先天优势。随着功能不断扩展，PLC已从最基本的逻辑控制功能，发展到今天的过程的控制、运动控制、数据的处理、连网通信等功能，已经成为名副其实的多功能控制器。

目前，PLC在装置一级实现了将三电集于一体，适合于各种规模的自动控制系统，这是它的优势所在。当然，可编程控制器（PLC）在装置一级实现的“三电一体”化还没有达到令人十分满意，尤其是对复杂过程的控制、运动控制方面，其控制性能还有待进一步提高。即使如此，初步实现三电一体的PLC在自动化设备竞争中已经具有很大优势。其原因如下：

(1)PLC运行采用的是循环扫描工作方式。为了不丢失输入信号，设计循环扫描周期尽可能短，因此，PLC处理器速度、性能要求得较高，并且配置了高性能微处理器。人们在早期，对PLC这些高性能的微处理器的潜能挖掘不够，并没有得到充分的利用。后来，针对这个问题，PLC采用实时多任务的工作方式，实现了对慢连续变量的过程控制。后期多微处理器结构普遍采用被普遍用于大中型PLC。由此使得PLC不仅数据处理速度大幅度提高，而且可以完成非常复杂的过程控制任务，特别是PLC配置了多种内含CPU的智能模块，例如PID（比例积分微分）控制模块、运动控制模块、高速计数模块、网络通信模块等，PLC通过并行总线能够将它们连成有机整体。以上技术措施为PLC在装置一级实现三电一体奠定了坚实的基础。

随着控制功能、控制规模、控制复杂度的提高，将慢连续变量的过程控制计算机，改成周期循环扫描，并具有大量开关控制功能是力所不及的。因此，专门用于过程控制的计算机装置不容易实现“三电一体”。

(2)PLC在硬、软件设计方面采用了多项技术措施，具有非常高的可靠性。一方面，在硬件上采用了一系列的抗干扰措施，如滤波、隔离、屏蔽、接地等，完善的电磁兼容性设计被用于模块机箱，严格筛选相关元件。软件方面，采用指令复执、数字滤波、程序卷回、差错校验等一系列软件抗干扰设计及故障诊断技术，在系统级层面进行了冗余配置。此外，可编程控制器（PLC）的高可靠性还得益于其特殊的工作方式，其采用的周期循环扫描工作方式本身就具有抗干扰能力。在一个循环扫描周期中，仅有一小段时间进行I/O读取或输出处理，由于只有在这小段时间内，干扰才可能被引入可编程控制器（PLC）内部，而在扫描周期的其余大部分时间段，干扰都被阻挡在可编程控制器（PLC）以外，所以，PLC的这种工作方式具有很强的抗干扰能力。

(3)可编程控制器（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。强有力的工具软件开发应用，使得系统具有动态画面显示、工艺流程显示、趋势图生成显示、各类报表制作等多种功能。在制造业自动化通信协议(Manuf act uring Aut omat ion Pr ot ocol，简称MAP)规约的支撑下，PLC网络可以方便地与其他网络互连，使其成为CIMS系统重要的组成部分，具有很高的性能价格比。

PLC网络与集散控制系统（DCS）相比具有更高的性价比，原因在于集散控制系统（DCS）通信网络普遍采用1 : 1冗余，包括通信信道、通信接口的1:1冗余，还包括通信系统发生故障时，进行故障检测及自动切换到备用子网的装置。虽然DCS系统性能优良，但造价很高，从经济的角度考虑，远不如PLC的性价比高。。PLC网络仅在关键部位采用冗余结构，并不在网络级采用1 : 1冗余，PLC网络的这种结构方案使其价格大大低于DCS系统。由于PLC能够集“三电”于一体，需要通过网络交换的数据量相对较少，PLC网络通信速度要求降低，这使得PLC网络结构相对简单。

(4)集散控制系统（DCS）在网络级实现的“三电”一体化，对网络通信速度要求比较高，需要通过网络交换的数据量也比较大，所以，集散控制系统（DCS）系统的通信网络比较复杂。PLC网络尽管没有1:1冗余，冗余结构被用于关键部位，保障了系统的可靠性。从系统复杂度与可靠度关系的角度来看，简单通信网络的可靠性比复杂通信网络的可靠性更高。

正是由于PLC集成了多种控制功能，可以实现逻辑控制、过程控制、运动控制，集“三电”于一身，灵活机动，具有高可靠性。PLC网络与DCS系统相比，具有很好的性能价格比，在中小型控制网络中具有明显竞争力，适合于各种规模的自动化系统，PLC及其网络已成为现代工业自动化的支柱之一。

[1]戴一平等.LC控制技术[M].北京:清华大学出版社,2013,11.

[2]徐文尚等.气控制技术与PLC[M].机械工业出版社,2012,10.