PLC發展回顧


   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展，在美國麻薩諸塞州Bedford的Bedford Associates,向美國汽車制造業提議開發一種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，并備有生產現場大量使用的輸入傳感器和輸出執行器的接口，以便于進行大規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生產的PLC。


   70年代是PLC崛起，首先在汽車工業獲得大量應用，在其它產業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%，后四年穩定發展，年增長率約12%。90年代又開始了它的第三個發展時期。隨著PLC的國際標準IEC 61131的正式頒布，推動了PLC在技術上發動新的突破：


   在系統體系結構上，從傳統的單機向多CPU和分布式及遠程控制系統發展；在編程語言上，文本化和圖形化的語言多樣性，創造了更具表達控制要求、文字處理、通信能力的編程環境。


   從應用范圍和應用水平上，除了繼續發展機械加工自動生產線的控制系統外，則是發展以PLC為基礎的DCS系統、監控和數據采SCADA系統、柔性制造系統（FMS）、安全聯鎖保護（ESD）系統、運動控制系統等，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概念上，它將坐以待斃。于是PLC進入了其發展的第四階段。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，正隨著計算技術、通信技術和編程技術的發展，趨向于建立同一硬件平臺，運用同一個操作系統、同一個編程系統，執行不同的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系統及支持現場總線的I/O （硬件） ，以及以IEC 61161-3為基礎的編程系統及強實時(hard real-time)操作系統。


   PLC在中國的發展


   在中國，大約從1974、75年在北京和上海開始開發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、水處理系統以及水泥廠等控制系統中成功應用，從而大大推動了PLC在我國工業的大規模運用。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的發展。


   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模巨大的應用市場，但并未建立批量生產、有持續開發發展能力的PLC制造業。


   應指出的是：


   在國內，PLC的應用水平還是不低的，自主設計、系統集成和現場投運的能力，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，以及現代農業機械和其它應用。近年來環保工業也有廣泛應用，發展勢頭很猛。


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


   有充足的理由說：PLC在中國已成為工業控制的一種適用技術。因此，PLC、軟PLC以及IEC 61131-3的發展，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的各個部分陸續公布施行。中國的工業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； 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：工業自動化系統的程序編制"。現已由該協會內部發行。最近，中國機電一體化技術應用協會（CAMETA）與以開發基于IEC 61131-3的編程系統稱著的德國KW公司遠東總經理Robert Champoud先生合作，組織協調有關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操作環境下，用軟件來實現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。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。


   我國自行開發的DCS系統，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Vxworks。北京的和理時已采用Inforteam的OpebPCS開發新的DCS。


   分析全世界控制設備的發展情況

   從全世界范圍看，軟PLC/ PC控制作為新興產業正在發展。面對這種挑戰，PLC仍在發展。


   據美國Venture Development Corp.報告，2000年全世界共銷售DCS系統，PLC系統和PC控制系統達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仍然牢牢把握大規模連續流程工業（I/O達數千點）過程控制的應用。PLC已經擁入批量控制市場，在其傳統的離散制造工業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點： 


   維修和服務系統健全，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勢。


   可靠性無可比擬，故障停機最少。


   加固型結構，適合工業環境應用。


   與PC機發展太快相比，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固，原因在于：


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


   可以說當今工業控制所要求的性能，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，開發全新的編程系統，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，現在有了極大的改觀。PLC采用了各種工業標準，如IEC 61131，IEEE802.3以太網，TCP/IP，UDP/IP等，各種事實上的工業標準，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芯片業已問世多年。PLC的高端產品在體系結構和操作系統上都有了質的變化,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


   傳統的PLC制造業不會在可預見的未來在國內建立和發展。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場總線的系列產品。強實時操作系統可采用Windows CE，NTE，VenturCom的RTX以及其它；只要它們能實現控制的時間確定性，即保證能以時間高度一致的方式執行控制指令序列，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。


   隨著現代工業的規模生產的發展，為提高企業的市場競爭力，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聯網和通信開發能力，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、編程系統平臺等），在今后的十年內仍是工業控制舞臺上主角。這要求我們把握時機，認清方向，搶占先機。


   隨著現場總線技術的迅速發展和現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，跟不上發展。


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