PLC發(fā)展回顧


   上世紀60年代后期，根據當時汽車市場需求和計算技術的發(fā)展，在美國麻薩諸塞州Bedford的Bedford Associates,向美國汽車制造業(yè)提議開發(fā)一種Modular Digital Controller（MODICON）取代繼電控制盤。其它一些公司也建議以計算機為基礎的方案。其核心思想是采用軟件編程方法代替繼電控制的硬接線方式，并備有生產現(xiàn)場大量使用的輸入傳感器和輸出執(zhí)行器的接口，以便于進行大規(guī)模生產線的流程控制。這就是以后被稱為Programmable Logic Controller的由來。MODICON 084是世界上第一種投入商業(yè)生產的PLC。


   70年代是PLC崛起，首先在汽車工業(yè)獲得大量應用，在其它產業(yè)部門也開始應用的時期。80年代是它走向成熟，全面采用微電子及微處理器技術；大量推廣應用，并奠定其在工業(yè)控制中不可動搖地位的時期。在此階段PLC銷售始終以兩位數百分點的速度增長，前六年的增長率超過35%，后四年穩(wěn)定發(fā)展，年增長率約12%。90年代又開始了它的第三個發(fā)展時期。隨著PLC的國際標準IEC 61131的正式頒布，推動了PLC在技術上發(fā)動新的突破：


   在系統(tǒng)體系結構上，從傳統(tǒng)的單機向多CPU和分布式及遠程控制系統(tǒng)發(fā)展；在編程語言上，文本化和圖形化的語言多樣性，創(chuàng)造了更具表達控制要求、文字處理、通信能力的編程環(huán)境。


   從應用范圍和應用水平上，除了繼續(xù)發(fā)展機械加工自動生產線的控制系統(tǒng)外，則是發(fā)展以PLC為基礎的DCS系統(tǒng)、監(jiān)控和數據采SCADA系統(tǒng)、柔性制造系統(tǒng)（FMS）、安全聯(lián)鎖保護（ESD）系統(tǒng)、運動控制系統(tǒng)等，全方位地產提高PLC的應用范圍和水平。


   進入90年代后期，由于用戶對開放性的強烈要求和壓力，由于信息技術的大力推動，PLC如果還停留在原有的專用而又封閉的系統(tǒng)概念上，它將坐以待斃。于是PLC進入了其發(fā)展的第四階段。其特征是： 


   在保留PLC功能的前提下，采用面向現(xiàn)場總線網絡的體系結構，采用開放的通信接口，如以太網、高速串口等。


   采用各種相關的國際工業(yè)標準和一系列的事實上的標準。


   值得注意的是PLC和DCS這些原來處于不同硬件平臺的系統(tǒng)，正隨著計算技術、通信技術和編程技術的發(fā)展，趨向于建立同一硬件平臺，運用同一個操作系統(tǒng)、同一個編程系統(tǒng)，執(zhí)行不同的DCS和PLC功能。這就是真正意義上的EIC三電一體化。或者說DCS和PLC的形態(tài)將會變化，而它們的功能依然存在。其中的關鍵技術應該是嵌入式PC系統(tǒng)及支持現(xiàn)場總線的I/O （硬件） ，以及以IEC 61161-3為基礎的編程系統(tǒng)及強實時(hard real-time)操作系統(tǒng)。


   PLC在中國的發(fā)展


   在中國，大約從1974、75年在北京和上海開始開發(fā)采用位片式微處理芯片的可編程順序控制器，并有所應用。但一直未能形成批量生產。在改革開放剛起步的1979年，在當時的機械部儀表局的推動下，開始從美國MODICON引進起584的PLC，并首先在電站的輔機如輸煤、除灰除渣、水處理系統(tǒng)以及水泥廠等控制系統(tǒng)中成功應用，從而大大推動了PLC在我國工業(yè)的大規(guī)模運用。遺憾的是，花了很大一筆外匯的這個項目并不曾形成良性的有后續(xù)的發(fā)展。


   自1985年開始，小型PLC首先是日本三菱電機公司的MELSEC-F，通過非政府渠道進入中國市場。不到三、四年時間，小型PLC就形成了大面積的推廣應用局面。1990年以后，Siemens、Allen Bradley以及其它知名品牌開始大舉進入中國市場，占據中、大型的PLC的較大份額。1995年后形成了大型PLC以歐美為主、中型PLC歐美和日本平分秋色、小型PLC則以日本為主、Siemens也步步緊逼的格局。至今沒有很大改變。


   由上簡要回顧可知， PLC在中國已經形成了規(guī)模巨大的應用市場，但并未建立批量生產、有持續(xù)開發(fā)發(fā)展能力的PLC制造業(yè)。


   應指出的是：


   在國內，PLC的應用水平還是不低的，自主設計、系統(tǒng)集成和現(xiàn)場投運的能力，可以說與國際主流水平同步；


   PLC的應用領域也很廣泛，覆蓋冶金、電力、化工、石油化工、機械、輕工、電子、電工、建材水泥等工業(yè)，以及現(xiàn)代農業(yè)機械和其它應用。近年來環(huán)保工業(yè)也有廣泛應用，發(fā)展勢頭很猛。


   在國內有一支龐大的PLC銷售、服務、應用、系統(tǒng)集成隊伍，遍布除西藏外的全國各地。


   有充足的理由說：PLC在中國已成為工業(yè)控制的一種適用技術。因此，PLC、軟PLC以及IEC 61131-3的發(fā)展，無可爭辯地成了十分令人關注的事情。


   IEC 61131國際標準在中國

   1992年以后，可編程序控制器國際標準IEC 61131的各個部分陸續(xù)公布施行。中國的工業(yè)過程測量和控制標準化委員會按與IEC國際標準等效的原則，組織翻譯出版工作。于1995年12月29日以GB/T15969.1,15969.2,15969.3,15969.4 頒布了PLC的國家標準。該標準只涉及IEC 61131的第一、第二、第三和第四部分，沒有納入1995年以后出版的第五部分通信、第七部分模糊控制編程軟件工具、第八部分IEC 61131-3語言的實現(xiàn)導則。


   自標準頒布之后，并沒有產生很大的影響。原因在于：中國不存在真正像樣的PLC制造業(yè)； 在中國國內有影響的PLC品牌并不積極推介； 包括該標準的主管部門在內，很少有組織的推進活動。直到1998年以后，由于IEC 61131-3在國際控制業(yè)界的影響越來越大，在中國國內有影響的PLC品牌開始提及自身品牌符合或兼容IEC 61131-3；若干新推出的DCS系統(tǒng)也公開宣稱，符合或兼容IEC 61131-3。于是，人們才關注這個標準。在有關專業(yè)雜志上有專文介紹該標準的制訂背景、重要性、標準的主要內容。中國機電一體化技術應用協(xié)會組織翻譯了兩名德國作者Ｋarl-Heinz John和Miachael Tiegelkamp寫的專著："IEC 61131-3：工業(yè)自動化系統(tǒng)的程序編制"。現(xiàn)已由該協(xié)會內部發(fā)行。最近，中國機電一體化技術應用協(xié)會（CAMETA）與以開發(fā)基于IEC 61131-3的編程系統(tǒng)稱著的德國KW公司遠東總經理Robert Champoud先生合作，組織協(xié)調有關IEC 61131項目的研討會活動，得到Siemens、Phoenix、富士電機的大力支持。這對于促進它的推廣，有著深遠的意義。


   軟PLC在中國


   所謂軟PLC實際就是在PC機的平臺上、在Windows操作環(huán)境下，用軟件來實現(xiàn)PLC的功能。此概念大約在1996年以后才被介紹到國內來。由于這種技術尚不成熟，所以只有在學術界少數人對此關注。盡管Interllution和 Wonderware的HMI和SCADA軟件在我國推廣都很成功，但它們的軟邏輯、軟PLC產品P-31和InControl卻少有人問津。當然，這兩家公司也不曾刻意去開發(fā)這個市場。


   Think&Do和Steeperchase 的VLC都是1998、1999年進入中國市場的，特別是Think&Do花了很大的努力，至今仍不盡如人意。當然有一些成功應用，如郵件分揀系統(tǒng)。我感覺，這多少與它們不采用IEC 61131-3，而是倡導用流程圖編程語言不無關系。


   德國KW公司在1998年以后就在北京設立辦事處，著力推廣其符合IEC 61131-3的編程系統(tǒng)MULTIPROG和 控制程序ProConOS。


   Siemens從2001年開始在國內推介其軟PLC系列產品WinAC，已經有了一些應用。他們是很有戰(zhàn)略眼光的。德國Inforteam公司的 openPCS 在國內也開始了市場開拓活動，2002年6月曾在上海的自動化展覽會上舉辦過技術交流。


   我國自行開發(fā)的DCS系統(tǒng)，如上海自儀公司的SUPMAX-800，選用法國CJ International公司的符合IEC 61131-3的IsaGraf和美國的強實時操作系統(tǒng)Vxworks。北京的和理時已采用Inforteam的OpebPCS開發(fā)新的DCS。


   分析全世界控制設備的發(fā)展情況

   從全世界范圍看，軟PLC/ PC控制作為新興產業(yè)正在發(fā)展。面對這種挑戰(zhàn)，PLC仍在發(fā)展。


   據美國Venture Development Corp.報告，2000年全世界共銷售DCS系統(tǒng)，PLC系統(tǒng)和PC控制系統(tǒng)達220億美元。其中DCS 40.5%；PLC 46.3%；PC控制 13.2% 。 這三種控制系統(tǒng)所用的分散型/遠程I/O的市場銷售額也為220億美元。年增長率為6.6%。到2005年估計達300億美元。從應用領域看，DCS仍然牢牢把握大規(guī)模連續(xù)流程工業(yè)（I/O達數千點）過程控制的應用。PLC已經擁入批量控制市場，在其傳統(tǒng)的離散制造工業(yè)仍然占據絕對主導地位。軟PLC/PC控制采用工控PC機（或嵌入式PC機）和強實時OS，可實現(xiàn)PLC功能和運動控制。直至今日，PC控制在可靠性、安全性等方面還未取得廣泛認可。


   據美國Venture Development Corp.報告，PLC與軟PLC/PC控制相比具有以下優(yōu)點： 


   維修和服務系統(tǒng)健全，有經驗的維護人員隊伍龐大。


   電源故障不會產生大的影響。


   對低端應用，PLC具有極大的性能價格比優(yōu)勢。


   可靠性無可比擬，故障停機最少。


   加固型結構，適合工業(yè)環(huán)境應用。


   與PC機發(fā)展太快相比，PLC產品可長期供貨，長期提供技術支持。 


   PLC在工廠自動化中的地位之所以如此穩(wěn)固，原因在于：


   PLC的技術具有長期的穩(wěn)定性，軟硬件均應用方便，即插即用，價格適中，堪稱工業(yè)控制的適用技術。


   可以說當今工業(yè)控制所要求的性能，PLC可滿足85%至90%。其不足部分可用其它辦法補充。近幾年來PLC也在不斷提高其技術內涵，融合了IT技術（包括以太網，因特網，無線網技術，現(xiàn)場總線技術，以及運用軟件工程方法提升PLC的編程語言，開發(fā)全新的編程系統(tǒng)，等等）。


   PLC在開放性方面也有了實質性的突破。前十多年PLC被攻擊的一個重要方面就是它的專有性，現(xiàn)在有了極大的改觀。PLC采用了各種工業(yè)標準，如IEC 61131，IEEE802.3以太網，TCP/IP，UDP/IP等，各種事實上的工業(yè)標準，如Windows NT，OPC等。


   PLC在硬件上也有長足進步。微電子技術的進展全都運用到PLC中，元器件的集成度越來越高，促使PLC成本下降和可靠性提高。專為PLC的CPU設計的PLC-on-a-chip芯片業(yè)已問世多年。PLC的高端產品在體系結構和操作系統(tǒng)上都有了質的變化,性能大幅提高。一個機架上可裝多個CPU模塊。也出現(xiàn)了以Web為基礎的PLC系列產品。


   PLC、軟PLC、IEC 61131在中國的未來


   傳統(tǒng)的PLC制造業(yè)不會在可預見的未來在國內建立和發(fā)展。但不排除軟PLC在近期和可預見的未來，完全有可能在國內形成一定的氣候。軟PLC的I/O完全可以利用主流及一些有生命力的現(xiàn)場總線的系列產品。強實時操作系統(tǒng)可采用Windows CE，NTE，VenturCom的RTX以及其它；只要它們能實現(xiàn)控制的時間確定性，即保證能以時間高度一致的方式執(zhí)行控制指令序列，并具有可預測的結果或行為。加入WTO以后，中國成為"世界制造工廠"的進程正在加速。我們有足夠的理由相信，PLC、軟PLC在中國的銷售的年增長率會顯著高于世界的平均年增長率。因此，對PLC、軟PLC以及IEC 61131的推廣應用，特別是高水平的技術支持變得十分重要。


   隨著現(xiàn)代工業(yè)的規(guī)模生產的發(fā)展，為提高企業(yè)的市場競爭力，引入管控一體化的體系結構ERP/MES/PCS，在國內已提到議事日程。作為基礎自動化PCS層的主要工具-PLC的應對手段，應該是迅速加強PLC聯(lián)網和通信開發(fā)能力，以及信息初加工的能力。在國內，就平均水平而言，精通或通曉PLC聯(lián)網通信、PLC與計算機通信的技術人員，與今后的需要相比，還有不少差距。為此，急需采取措施，加強培訓。CAMETA在這方面也應有所作為。


   IEC 61131-3是目前唯一的關于工控編程語言的國際標準。廣泛應用于PLC、DCS、SCADA，甚至于運動控制。在國內IEC 61131-3的推廣應用肯定大有作為。關鍵問題在于采用那些措施加快進程。


   簡短的結論和建議


   PLC、軟PLC/PC控制、IEC 61131-3及其相關軟件（強實時操作系統(tǒng)、編程系統(tǒng)平臺等），在今后的十年內仍是工業(yè)控制舞臺上主角。這要求我們把握時機，認清方向，搶占先機。


   隨著現(xiàn)場總線技術的迅速發(fā)展和現(xiàn)場總線產品的普遍采用，除了加強IEC 61131-3的宣傳推廣外，還應多多宣傳IEC 61499這個彌補IEC 61131-3不能適應分布式系統(tǒng)缺憾的新標準。


   在經過第一輪的IEC 61131-3的巡回演講活動之后，應通過各種工具宣傳，讓從事工控的技術人員，特別是PLC的編程人員都知道，不掌握IEC 61131-3的編程語言，將會落伍，跟不上發(fā)展。


   CAMETA應重點扶植一兩個開發(fā)軟PLC/PC控制的公司，抓幾個有典型意義的應用項目，如規(guī)模較大的制造業(yè)生產線，成功后加以總結推廣，讓業(yè)內人士認識到軟PLC/PC控制的優(yōu)越性。