一文了解工業(yè)控制的偉大發(fā)明——PLC

在現(xiàn)代工業(yè)革命的浪潮中，可編程邏輯控制器（PLC）無疑是引領(lǐng)自動(dòng)化進(jìn)程的關(guān)鍵角色。這款工業(yè)設(shè)備憑借其卓越的控制和監(jiān)測(cè)能力，對(duì)各種復(fù)雜的機(jī)器和設(shè)備進(jìn)行精確無誤的操控，成為工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中不可或缺的一員。PLC的高效、精確與靈活性，使其在競(jìng)爭(zhēng)激烈的工業(yè)市場(chǎng)中脫穎而出，廣受贊譽(yù)。

自上世紀(jì)六十年代末誕生以來，PLC便在制造和工業(yè)過程控制領(lǐng)域占據(jù)了核心地位。它的初衷始終未變：持續(xù)穩(wěn)定地控制工業(yè)硬件，推動(dòng)生產(chǎn)流程的自動(dòng)化與智能化。PLC的設(shè)計(jì)提出和發(fā)明，可以追溯至1968年，背后是美國Modicon公司（現(xiàn)為施耐德電氣的一部分）的工程師Clark的遠(yuǎn)見與Dick Morley的才華。

Clark以其獨(dú)特的視角撰寫了關(guān)于PLC的最初白皮書，提出了替代傳統(tǒng)機(jī)械繼電器的創(chuàng)新理念。而Morley則是將這一想法付諸實(shí)踐的關(guān)鍵人物。他在實(shí)驗(yàn)室中，僅憑一張酒吧紙巾，便繪制出了首個(gè)PLC的藍(lán)圖，這一創(chuàng)舉徹底改變了工業(yè)自動(dòng)化的格局。

當(dāng)時(shí)，汽車行業(yè)正面臨著生產(chǎn)效率提升的挑戰(zhàn)，急需一種新型的控制系統(tǒng)來優(yōu)化生產(chǎn)線上的機(jī)器和設(shè)備管理。Morley的PLC設(shè)計(jì)應(yīng)運(yùn)而生，它不僅滿足了汽車行業(yè)的需求，更為整個(gè)工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域帶來了革命性的變革。

時(shí)至今日，PLC已成為工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的中流砥柱，它的每一次進(jìn)化與升級(jí)，都代表著工業(yè)技術(shù)的一次飛躍。從最初的替代機(jī)械繼電器，到如今的高度智能化和集成化，PLC的發(fā)展史就是一部工業(yè)自動(dòng)化的進(jìn)步史。

什么是PLC？

PLC是可編程邏輯控制器的縮寫，它是一種專門設(shè)計(jì)用于工業(yè)自動(dòng)化的電子設(shè)備，用于監(jiān)控和控制機(jī)器和生產(chǎn)過程。它用于處理輸入數(shù)據(jù)并做出控制工業(yè)設(shè)備的決策。它們大量用于控制泵、電機(jī)、裝配線設(shè)備、機(jī)器人和其他此類機(jī)器。

PLC可承受灰塵、偶爾的噴水、極端溫度和其他惡劣環(huán)境，以提供多年的服務(wù)。它們提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和控制信號(hào)，運(yùn)行迅速。其他硬件可以與PLC集成以存檔數(shù)據(jù)。

PLC本身具有多個(gè)輸入和輸出（I/O）通道，用于收集數(shù)據(jù)并將控制信號(hào)發(fā)送到過程設(shè)備。如有必要，可以向PLC添加額外的I/O通道。PLC還可能內(nèi)置信號(hào)處理設(shè)備，例如噪聲濾波器，以清理電噪聲工業(yè)設(shè)施中的信號(hào)。

PLC的升級(jí)

在PLC出現(xiàn)之前，機(jī)器控制完全由一系列繼電器執(zhí)行。泵電機(jī)將有一個(gè)控制繼電器，該繼電器提供電源為打開泵的功率繼電器供電。鏈中甚至可能有更多的繼電器。這需要大量的繼電器和接線空間。此外，由于繼電器是機(jī)械式的，觸點(diǎn)和線圈經(jīng)常發(fā)生故障，使故障排除變得困難。

為了解決這個(gè)問題，一些工程師制定了復(fù)雜而昂貴的維護(hù)計(jì)劃，根據(jù)時(shí)間或周期數(shù)與故障時(shí)間來更換繼電器。

PLC提供實(shí)時(shí)決策功能，這使它們比基于PC的控制系統(tǒng)更具優(yōu)勢(shì)。在基于PC的控制系統(tǒng)中，操作系統(tǒng)確定決策優(yōu)先級(jí)，延遲重要的過程控制信號(hào)。這意味著在快節(jié)奏的工業(yè)環(huán)境中，PLC的響應(yīng)速度通常比PC快得多。PLC的另一個(gè)明顯優(yōu)勢(shì)是其安全性。與連接到互聯(lián)網(wǎng)的PC不同，PLC通常只連接到其他PLC硬件和軟件。這可以大大降低網(wǎng)絡(luò)攻擊的機(jī)會(huì)。

由于實(shí)時(shí)控制和額外的安全性，PLC在工業(yè)控制市場(chǎng)中仍然很受歡迎，并將在未來幾年繼續(xù)存在。隨著傳感器技術(shù)的突飛猛進(jìn)，更多的輸入可用于做出過程控制決策，這也導(dǎo)致了PLC的普及。

而近年來與PLC類似卻有升級(jí)優(yōu)化的PAC橫空出世，PAC這個(gè)名稱則出現(xiàn)于大概15年前，它的出現(xiàn)也許是為了將功能最強(qiáng)的PLC從其它稍遜一籌的弟兄們中區(qū)分開來。

相較于PAC來講，基于PLC的PAC也許是更好的名稱，因?yàn)檫@些控制器融入了過去幾十年中PLC和其它技術(shù)所取得的進(jìn)步。生產(chǎn)制造商已經(jīng)采用了經(jīng)驗(yàn)證、更強(qiáng)大的PLC硬件設(shè)計(jì)，并將從PC和移動(dòng)設(shè)備領(lǐng)域的最新、低成本技術(shù)應(yīng)用其中。它們?nèi)诤狭诉@些技術(shù)進(jìn)步，以滿足不斷變化的用戶需求，提供了基于PLC的PAC系統(tǒng)。

PLC和PAC之間最顯著的區(qū)別之一是PAC具有多處理器設(shè)計(jì)。PAC從中受益，因?yàn)樗亩嗪颂幚砥髟试S它一次完成多項(xiàng)工作。

另一個(gè)區(qū)別是PLC掃描邏輯是順序的；這意味著當(dāng)CPU檢查一個(gè)功能的輸入信號(hào)時(shí)，它不能檢查另一個(gè)功能的輸入信號(hào)。PAC使用的掃描邏輯是雙邏輯掃描。這意味著CPU可以在對(duì)單個(gè)信號(hào)進(jìn)行判斷的同時(shí)檢查多個(gè)輸入信號(hào)。內(nèi)存空間也是PLC和PAC之間的另一個(gè)主要區(qū)別。

PLC的分類

PLC產(chǎn)品種類繁多，其規(guī)格和性能也各不相同。對(duì)于PLC，通常根據(jù)其結(jié)構(gòu)形式的不同、功能的差異和I/O點(diǎn)數(shù)的多少等進(jìn)行大致分類。

PLC的另一個(gè)明顯優(yōu)勢(shì)是其安全性。與連接到互聯(lián)網(wǎng)的PC不同，PLC通常只連接到其他PLC硬件和軟件。這可以大大降低網(wǎng)絡(luò)攻擊的機(jī)會(huì)。

由于實(shí)時(shí)控制和額外的安全性，PLC在工業(yè)控制市場(chǎng)中仍然很受歡迎，并將在未來幾年繼續(xù)存在。隨著傳感器技術(shù)的突飛猛進(jìn)，更多的輸入可用于做出過程控制決策，這也導(dǎo)致了PLC的普及。

1.按結(jié)構(gòu)形式分類

（1）整體式PLC

整體式PLC是將電源、CPU、I/O接口等部件都集中裝在一個(gè)機(jī)箱內(nèi)，如圖所示。具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、價(jià)格低的特點(diǎn)。小型PLC一般采用這種整體式結(jié)構(gòu)。整體式PLC由不同I/O點(diǎn)數(shù)的基本單元（又稱主機(jī)）和擴(kuò)展單元組成，基本單元內(nèi)有CPU、I/O接口、與I/O擴(kuò)展單元相連的擴(kuò)展口以及與編程器或EPROM寫入器相連的接口等；擴(kuò)展單元內(nèi)只有I/O和電源等，而沒有CPU?；締卧蛿U(kuò)展單元之間一般用扁平電纜連接。整體式PLC一般還可配備特殊功能單元，如模擬量單元、位置控制單元等，使其功能得以擴(kuò)展。

（2）模塊式PLC

模塊式PLC將PLC的各組成部分分別做成若干個(gè)單獨(dú)的模塊，如CPU模塊、I/O模塊、電源模塊（有的含在CPU模塊中）以及各種功能模塊。模塊式PLC由框架或基板和各種模塊組成，模塊裝在框架或基板的插座上，如圖所示。這種模塊式PLC的特點(diǎn)是配置靈活，可根據(jù)需要選配不同規(guī)模的系統(tǒng)，而且裝配方便，便于擴(kuò)展和維修。大、中型PLC一般采用模塊式結(jié)構(gòu)。

還有一些PLC將整體式和模塊式的特點(diǎn)結(jié)合起來，構(gòu)成所謂的疊裝式PLC。疊裝式PLC的CPU、電源、I/O接口等也是各自獨(dú)立的模塊，但它們之間是靠電纜進(jìn)行連接的，并且各模塊可以一層層地疊裝。這樣，不但系統(tǒng)可以靈活配置，還可做得體積小巧。

2.按功能分類

（1）低檔PLC

低檔PLC具有邏輯運(yùn)算、定時(shí)、計(jì)數(shù)、移位以及自診斷、監(jiān)控等基本功能，還可有少量模擬量輸入/輸出、算術(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送和比較及通信等功能，主要用于邏輯控制、順序控制或少量模擬量控制的單機(jī)控制系統(tǒng)。

（2）中檔PLC

中檔PLC除具有低檔PLC的功能外，還具有較強(qiáng)的模擬量輸入/輸出、算術(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送和比較、數(shù)制轉(zhuǎn)換、遠(yuǎn)程I/O、子程序及通信聯(lián)網(wǎng)等功能；有些還可增設(shè)中斷控制、PID控制等功能，適用于復(fù)雜的控制系統(tǒng)。

（3）高檔PLC

高檔PLC除具有中檔PLC的功能外，還增加了帶符號(hào)算術(shù)運(yùn)算、矩陣運(yùn)算、位邏輯運(yùn)算、平方根運(yùn)算及其他特殊功能函數(shù)的運(yùn)算、制表及表格傳送功能等。高檔PLC具有更強(qiáng)的通信聯(lián)網(wǎng)功能，可用于大規(guī)模過程控制或構(gòu)成分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)工廠自動(dòng)化。

3.按I/O點(diǎn)數(shù)分類

（1）小型PLC：小型PLC的I/O點(diǎn)數(shù)小于256，具有單CPU及8位或16位處理器，用戶存儲(chǔ)器容量為4KB以下。例如：三菱FX0S系列。

（2）中型PLC：中型PLC的I/O點(diǎn)數(shù)在256～2048，具有雙CPU，用戶存儲(chǔ)器容量為2～8KB。

（3）大型PLC：大型PLC的I/O點(diǎn)數(shù)大于2048，具有多CPU及16位或32位處理器，用戶存儲(chǔ)器容量為8～16KB。

三足鼎立的PLC格局

除了以上的產(chǎn)品分類，世界上的PLC產(chǎn)品可按地域分成三大流派，一個(gè)流派是美國產(chǎn)品，一個(gè)流派是歐洲產(chǎn)品，一個(gè)流派是日本產(chǎn)品。美國和歐洲的PLC技術(shù)是在相互隔離情況下獨(dú)立研究開發(fā)的，因此美國和歐洲的PLC產(chǎn)品有明顯的差異性。而日本的PLC技術(shù)是由美國引進(jìn)的，對(duì)美國的PLC產(chǎn)品有一定的繼承性，但日本的主推產(chǎn)品定位在小型PLC上。美國和歐洲以大中型PLC而聞名，而日本則以小型PLC著稱。

在全球PLC（可編程邏輯控制器）市場(chǎng)上，西門子、三菱電機(jī)、歐姆龍、施耐德和ABB等巨頭長(zhǎng)期占據(jù)主導(dǎo)地位。

其中，2023年的市場(chǎng)領(lǐng)頭羊無疑是Siemens（西門子），以高達(dá)40%的市場(chǎng)份額穩(wěn)坐榜首，并實(shí)現(xiàn)了778億歐元的營(yíng)收，同比增長(zhǎng)11%。緊隨其后的是RockwellAutomation（羅克韋爾自動(dòng)化）、進(jìn)化OMRON（歐姆龍）、SchneiderElectric（施耐德電氣）等，這些企業(yè)同樣在全球PLC市場(chǎng)中占有舉足輕重的地位。

中國PLC市場(chǎng)的增長(zhǎng)潛力

不過隨著工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的不斷發(fā)展和應(yīng)用需求的日益增加，中國PLC市場(chǎng)也迎來了前所未有的發(fā)展機(jī)遇。制造業(yè)產(chǎn)業(yè)升級(jí)、高端裝備的發(fā)展以及工業(yè)4.0時(shí)代的推動(dòng)，共同推動(dòng)了中國PLC市場(chǎng)規(guī)模的持續(xù)擴(kuò)大。預(yù)計(jì)到2023年，我國PLC市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到驚人的165.4億人民幣，其中小型PLC和中大型PLC的市場(chǎng)規(guī)模分別為80.72億元和84.68億元。在新技術(shù)應(yīng)用、系統(tǒng)開放性以及價(jià)格等多重因素的驅(qū)動(dòng)下，未來中國PLC市場(chǎng)的增長(zhǎng)潛力依然巨大。

與全球市場(chǎng)相比，中國PLC市場(chǎng)則呈現(xiàn)出更為復(fù)雜和多元化的態(tài)勢(shì)。這里匯聚了大大小小上百家PLC公司，形成了一個(gè)競(jìng)爭(zhēng)激烈的戰(zhàn)場(chǎng)。國產(chǎn)PLC廠家大致可以分為兩大陣營(yíng)：項(xiàng)目型和產(chǎn)品型，它們分別服務(wù)于離散行業(yè)自動(dòng)化和流程行業(yè)自動(dòng)化。

在這個(gè)充滿挑戰(zhàn)和機(jī)遇的市場(chǎng)中，國產(chǎn)PLC廠商正努力尋求突破和創(chuàng)新。