PLC 控制网络背景及发展现状
2015/9/16 9:26:25 点击： 文章来源：www.jshhcc.com
1PLC 的定义
可编程控制器，简称 PLC（Programmable logic Controller），是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。在 1987 年国际电工委员会颁布的 PLC 标准草案中对 PLC 做了如下定义：“PLC 是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC 及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。”
2PLC 的历史
在可编程控制器诞生之前，继电器控制系统广泛应用于顺序型生产控制中，在一个复杂的控制系统中，可能要使用成百上千个继电器，如果控制工艺及要求发生变化，则控制柜内的继电器和接线也要作相应的变化，有时这种变化是非常大的，其改造费用高、工期长、容易出错，甚至不得不做新的继电器控制柜。
1968 年，美国最大的汽车制造商—通用汽车制造公司（GM），为适应汽车型号的不断翻新，试图寻找一种新型的工业控制器，以尽可能减少重新设计和更换继电器控制系统的硬件及接线，缩短工期，降低成本。因而设想把计算机的功能、灵活及通用等优点和继电器控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点结合起来，制成一种适合于工业环境的通用控制装置，并把计算机的编程方法和程序输入方式加以简化，用 “面向控制过程，面向对象”的“自然语言”进行编程，即使不熟悉计算机的人也能方便地使用。美国数字设备公司（DEC）承担了研制任务，并在 1969 年开发出了第一台可编程序控制器，用于通用汽车公司的自动装配线上，从而开创了工业控制的新局面。
1971 年，日本从美国引进了该项新技术，很快研制出了可编程序控制器DSC-8。1973 年，西欧国家也研制出了他们自己的可编程序控制器。我国从 1974年开始研制，1977 年开始工业应用。早期的可编程序控制器是为取代继电器控制线路、存储程序指令、完成顺序控制而设计的。主要用于: 1) 逻辑运算；2) 计时、计数等顺序控制，均属开关量控制。所以，通常称为可编程序逻辑控制器(PLC－Programmable Logic Controller)。进入 70 年代后期，随着微电子技术的发展，PLC 采用了通用微处理器，这种控制器就不再局限于当初的逻辑运算了，功能不断增强。因此，实际上应称之为 PC—可编程序控制器（鉴于与个人计算机的简称相区别，沿用以前的名字 PLC）。
至 80 年代，随大规模和超大规模集成电路等微电子技术的发展，以 16 位和32 位微处理器构成的微机化 PLC 得到了惊人的发展。使 PLC 在概念、设计、性能、价格以及应用等方面都有了新的突破。不仅控制功能增强，功耗和体积减小，成本下降，可靠性提高，编程和故障检测更为灵活方便，而且随着远程 I/O 和通信网络、数据处理以及图象显示的发展，使 PLC 向连续生产过程控制的方向扩展，成为实现工业生产自动化的一大支柱。
3PLC 的特点
①可靠性高，抗干扰能力强
高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC 由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。例如三菱公司生产的 F 系列 PLC 平均无故障时间高达 30 万小时。一些使用冗余 CPU 的 PLC 的平均无故障工作时间则更长。从 PLC 的机外电路来说，使用PLC 构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC 带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除 PLC 以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。
②配套齐全，功能完善，适用性强
PLC 发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代 PLC 大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来 PLC 的功能单元大量涌现，使 PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC 等各种工业控制中。加上 PLC 通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用 PLC 组成各种控制系统变得非常容易。
③易学易用，深受工程技术人员欢迎
PLC 作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用 PLC 的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。
④系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造
PLC 用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。
⑤体积小，重量轻，能耗低
以超小型 PLC 为例，新近出产的品种底部尺寸小于 100mm，重量小于 150g，功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。
4PLC 的应用领域
目前，PLC 在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类。
①开关量的逻辑控制
这是 PLC 最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。
②模拟量控制
在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的 A/D 转换及 D/A 转换。PLC 厂家都生产配套的 A/D 和D/A 转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。
③运动控制
PLC 可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用于开关量 I/O 模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要PLC 厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。
这是 PLC 最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。
②模拟量控制
在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的 A/D 转换及 D/A 转换。PLC 厂家都生产配套的 A/D 和D/A 转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。
③运动控制
PLC 可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用于开关量 I/O 模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要PLC 厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。
④过程控制
过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，PLC 能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID 调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型 PLC 都有 PID 模块，目前许多小型 PLC 也具有此功能模块。PID 处理一般是运行专用的 PID 子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。
过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，PLC 能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID 调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型 PLC 都有 PID 模块，目前许多小型 PLC 也具有此功能模块。PID 处理一般是运行专用的 PID 子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。
⑤数据处理
现代 PLC 具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。
⑥通信及联网
PLC 通信含 PLC 间的通信及 PLC 与其它智能设备间的通信。随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各 PLC 厂商都十分重视 PLC 的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。新近生产的 PLC 都具有通信接口，通信非常方便。
5PLC 的国内外状况
世界上公认的第一台 PLC 是 1969 年美国数字设备公司（DEC）研制的。限于当时的元器件条件及计算机发展水平，早期的 PLC 主要由分立元件和中小规模集成电路组成，可以完成简单的逻辑控制及定时、计数功能。20 世纪 70 年代初出现了微处理器。人们很快将其引入可编程控制器，使 PLC 增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。为了方便熟悉继电器、接触器系统的工程技术人员使用，可编程控制器采用和继电器电路图类似的梯形图作为主要编程语言，并将参加运算及处理的计算机存储元件都以继电器命名。此时的 PLC 为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。
20 世纪 70 年代中末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID 功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。20 世纪 80 年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。
20 世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。从控制规模上来说，这个时期发展了大型机和超小型机；从控制能力上来说，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合；从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展。
6PLC 的网络及发展趋势
一个或若干 PLC 与 PC 机联出系统，PC 机起到原编程器及人机界面操作站的作用，这 20 世纪 90 年代的新潮流，这样为系统集成带来了商机，同时编程软件和人机界面软件(监控软件或称组态软件)及软件接口(或称驱动软件)也得到了发展。
近年来，PLC 厂家在原来 CPU 模板上提供物理层 RS232/422/485 接口的基础，逐渐增加了各种通讯接口，而且提供完整的通讯网络。由于近来数据通讯技术发展很快，用户对开放性要求很强烈，现场总线技术及以太网技术也同步发展，所以 PLC 构成的 PCS 系统比 DCS 的开放性所处的现状稍好一些。目前罗克韦尔 AB公司已形成了多层结构体系，即 Ether Net、Control Net、Device Net 及 Asi等现场总线(原 DH+网也可兼容)。西门子公司在 Profibus-DP 通讯网络及Profibus-FMS 网络以外，提出了 S7 Routing 网络，即 Profibus-DP 和 IndustrialEnternet 两层结构。网络还在发展，我国应已积极的姿态投入其中。
工业界一直在为厂内装有嵌入式计算机的机器设备组网，20 年前为 PLC（可编程逻辑器件）建网, 15 年前用串行口建网，10 年前为智能传感器建网，近几年来，工业网又有很大的发展，主要是用 TCP/IP 结合现场总线改造原来行之有效的网络。
①ASiBUS
ASiBUS 是 Simens 的单线网，在单根线上采集数据和电源状态。它为主从结构，周期时间 5ms，最多 31 个从设备，拓扑为：星形、链形、总线、树形等，用于食品、制药业。
②ModBus
ModBus 是一种串行通信标准，历史悠久，普及率高。用 16 位寄存器加位置表示设备，从而构成消息帧等命令集。它是串行网 30 年来的优胜者。
③DeviceNet
DeviceNet 是工作于 CAN 总线基础上的应用层协议。它是按主-从方式工作的总线结构，最多 64 个节点，设备表示为属性和值的对象，数据率为125/250/500Kbps（虽然 CAN 的数据率最高是 1Mbps）, 最近增加了 CIP（控制与信息协议）同步协议和 CIP 安全协议，有点过于复杂。
③DeviceNet
DeviceNet 是工作于 CAN 总线基础上的应用层协议。它是按主-从方式工作的总线结构，最多 64 个节点，设备表示为属性和值的对象，数据率为125/250/500Kbps（虽然 CAN 的数据率最高是 1Mbps）, 最近增加了 CIP（控制与信息协议）同步协议和 CIP 安全协议，有点过于复杂。
④Profibus DP
Profibus DP 是工作于 RS485 的主从结构的网，最多 126 个节点，244 字节数据，速度12MB, 比基于CAN的Dvicenet快得多，但要求专用ASIC的支持，是SimensIndustrial Ethernet 现场总线中的排头兵，在欧洲占有绝对的优势。1992 年公布 Profibus DP v1, 1993 v2, 1995 v3,-以后再进化为 Profinet（响应时间保证在 5~10ms 水平）。
Profibus DP 是工作于 RS485 的主从结构的网，最多 126 个节点，244 字节数据，速度12MB, 比基于CAN的Dvicenet快得多，但要求专用ASIC的支持，是SimensIndustrial Ethernet 现场总线中的排头兵，在欧洲占有绝对的优势。1992 年公布 Profibus DP v1, 1993 v2, 1995 v3,-以后再进化为 Profinet（响应时间保证在 5~10ms 水平）。
⑤ControlNet
ControlNet 有与 DviceNet 相同的 CIP 协议的应用层，因要求专用电缆，速度又不及 Ethernet/IP 网，应用受限。
ControlNet 有与 DviceNet 相同的 CIP 协议的应用层，因要求专用电缆，速度又不及 Ethernet/IP 网，应用受限。
⑥Ethernet/IP
Ethernet/IP 是 Profibus 和 DviceNet 所用 CIP 协议的改进版，设备还是表示为属性和值的对象，使用传输控制协议(TCP)传输消息和数据，使用用户数据包协议(UDP)传送 I/O 数据，这样的安排是合理的，只是 I/O 数据的安全性差些，否则就更复杂了。基于 8 位以上的处理器和嵌入式 TCP/IP 中间件可实现 Internet瘦服务器（支持 IPv4 和 IPv6 协议）。
Ethernet/IP 是 Profibus 和 DviceNet 所用 CIP 协议的改进版，设备还是表示为属性和值的对象，使用传输控制协议(TCP)传输消息和数据，使用用户数据包协议(UDP)传送 I/O 数据，这样的安排是合理的，只是 I/O 数据的安全性差些，否则就更复杂了。基于 8 位以上的处理器和嵌入式 TCP/IP 中间件可实现 Internet瘦服务器（支持 IPv4 和 IPv6 协议）。
⑦ModBus/TCP
ModBus/TCP是真正建立在TCP/IP基础上的ModBus，仅是消息中不应包含CRC校验码字段，其余和 ModBus 一样。ModBus/TCP 在设备市场上比较多见，比较容易得到。
ModBus/TCP是真正建立在TCP/IP基础上的ModBus，仅是消息中不应包含CRC校验码字段，其余和 ModBus 一样。ModBus/TCP 在设备市场上比较多见，比较容易得到。
⑧ProfiNet
ProfiNet 是基于 Microsoft DCOM 和 RPC 技术的以太网应用层协议的网络。用户可以通过访问默认的设备对象了解它的状态。它需要操作系统的支持，不过可以获得免费的改造过的 Microsoft Windows、VxWorks 和 NetOS。因为操作系统已经预装了必要的程序，所以用 Windows 访问网上的设备是相当容易的。
ProfiNet 是基于 Microsoft DCOM 和 RPC 技术的以太网应用层协议的网络。用户可以通过访问默认的设备对象了解它的状态。它需要操作系统的支持，不过可以获得免费的改造过的 Microsoft Windows、VxWorks 和 NetOS。因为操作系统已经预装了必要的程序，所以用 Windows 访问网上的设备是相当容易的。
⑨CANopen
CANopen是工作于CAN总线上的另一种应用层协议。DeviceNet是面向连接的，而 CANopen 才真正是面向对象的。广泛应用于欧洲，渐渗入美洲。它支持两种消息：大批量的服务消息 SDO 和小批量的过程数据 PDO，前者分配低优先级后者高优先级。CANopen 还支持网络安全管理协议 NMT 和基于对象字典的系统重构，是一种具有计算能力的网络平台。具有开放的行业规范可以自由使用，（在工业自动化 PLC、智能交通、汽车电子、海事船舶、医疗手术室设备互联等诸多方面均有开放的国际化行业规范）。
CANopen是工作于CAN总线上的另一种应用层协议。DeviceNet是面向连接的，而 CANopen 才真正是面向对象的。广泛应用于欧洲，渐渗入美洲。它支持两种消息：大批量的服务消息 SDO 和小批量的过程数据 PDO，前者分配低优先级后者高优先级。CANopen 还支持网络安全管理协议 NMT 和基于对象字典的系统重构，是一种具有计算能力的网络平台。具有开放的行业规范可以自由使用，（在工业自动化 PLC、智能交通、汽车电子、海事船舶、医疗手术室设备互联等诸多方面均有开放的国际化行业规范）。
CANopen 具有良好的网络兼容性（适于 CAN2.0B 网络的全波特率）可接入 Internet网。
⑩嵌入式以太网供电技术发展迅速
尽管过去诸多工业网受大厂的影响较大，但现在已有不少工业网吸纳Ethernet 进行改造，克服传统 Ethernet 不能保证确定性的弱点，Ethernet 进入工业控制网是前途无量的。
尽管过去诸多工业网受大厂的影响较大，但现在已有不少工业网吸纳Ethernet 进行改造，克服传统 Ethernet 不能保证确定性的弱点，Ethernet 进入工业控制网是前途无量的。
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