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PLC为何能长盛不衰、历久弥新,成为自动化领域的常青树

发表时间:2023-09-16 16:01:16

文章来源:炫佑科技

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菏泽炫佑科技

PLC为何能长盛不衰、历久弥新,成为自动化领域的常青树

本文*初由e-works编辑部王聪发表。

“一个人可以自己织布,不需要提花工。他住在花房里,没有竖锯,也没有竖锯。” 《天工开物》中对提花机的描述,记录了我国*​​早的基于程序的提花实现。 能够存储图案信息的自动控制织机。 对于制造业来说,自动控制始终是工厂的重点。 作为工厂、车间的底层控制核心,PLC自1969年诞生以来,在自动控制系统中就占据了不可打破的地位。在半个多世纪的发展中,PLC不仅没有被竞争对手PC-based和PAC所取代,但也与时俱进,不断演变和发展,包括工业生产所需的逻辑控制、顺序控制和运动控制(以及三者的复合应用)功能,并不断延伸到过程控制领域。 它所代表的简单性、可控性、稳定性和高效性仍然是当今企业生产运营的基本要求。 本文将详细梳理PLC的发展历史,总结其演变规律,揭示其为何能够历久弥新、百花齐放,成为自动化领域的常青树。

01

从PLC的诞生开始

与大多数来自实验室或由军用转民用的产品不同,PLC的诞生源于美国通用汽车公司(GM)的实际项目需求。 20世纪60年代,全球半导体产业的快速发展拉开了信息时代的序幕,领先的汽车公司纷纷采用流水线生产模式。 以通用汽车为例。 到 1967 年,已有 1 亿辆汽车下线。 当时,通用汽车在美国密歇根州设有一个名为 Hydra-Matic 的部门,每年生产超过 200 万台变速箱。 作为全美知名的技术领导者,Hydra-Matic 部门设计了许多用于加工和组装零件的长而复杂的生产线。 例如,一条将铸件毛坯加工成汽车变速箱成品的生产线长 420 英尺,包括 58 个工作站。 和329种切削工具。

每次生产线针对不同型号进行调整时,Hydra-Matic部门都被继电器和接触器控制系统改造难度大、体积大、维护不方便、可靠性差等问题所困扰。 不堪忍受的Hydra-Matic部门于1968年6月关门。3月,一份只有4页的设计规范招标文件向外界发布,希望用新的控制系统取代继电器工作。 这一招标要求被称为“十大通用目的”。

图1 通用汽车发布的设计规范招标文件(图片来源,控制工程网)

一石激起千层浪,通用汽车的“热蛋糕”迅速吸引了7家企业申请投标,但*终只有3家企业提供了实际样车进行项目测试。 他们是数字设备公司(DEC)。 )、信息仪器公司(3-I)和贝德福德协会( ),这些原型也被认为是可编程逻辑控制器(Logic,PLC)的原型。

*有希望的**竞争对手DEC成立于1957年,专注于小型计算机系统的开发,因此在控制计算方面更具技术优势。 应通用汽车的要求,DEC不负众望,于1969年6月率先开发并交付了**台原型机PDP-14,该原型机由一个控制单元和多个外部接口盒组成。 其控制单元包括一个可调节大小的 ROM,可容纳多达 4k 条 12 位指令用于输出控制。 然而遗憾的是,Hydra-Matic部门修改PDP-14程序时,不仅需要将应用程序发回DEC,还需要将修改后的内存板发回工厂。 这个往返的处理过程大约需要一周的时间,这个缺点成为PDP-14后来被通用汽车取代的主要原因。 此外,DEC还有另一个不利点:它是三个竞争对手中唯一不提供布线方案列表的。 (当时提供接线程序清单可以加快机器安装和维护)

图2 PDP-14样机(图片来自菲尼克斯电气《浅谈古道金系列PLC的诞生》)

第二个竞争对手 3-I 一直与 Hydra-Matic 的计算机部门保持业务关系。 其推出的控制装置PDQ-II在高级逻辑计算功能方面具有明显优势。 然而,与当时的其他计算机一样,当PDQ-II重新编程时,用户必须求助于布尔程序,然后使用微计算机接口以电传打孔纸带的方式使用特殊加载器加载处理。 虽然这种方式比DEC的PDP-14“返厂”效率要高很多,但当时除了计算部门能够高效完成命令修改外,Hydra-Matic的其他电气部门仍然很难完成命令修改。修改程序,所以PDQ-II也无法修改。 通用汽车接受。

图3 PDQ-II样机(图片来自菲尼克斯电气《浅谈古道金系列PLC的诞生》)

*后的竞争者是迪克和博士于1964年共同创立的一家新英格兰控制系统工程公司。早在当操作工的时候,迪克就厌倦了机床操作中的重复性工作,他一直梦想着发明一种一次性的工具。 -and-for-all“神器”,将所有功能集成到一个编辑器中。 面对通用汽车的招标文件,迪克成立了第七家控制公司,命名为(缩写),并于1969年底开发推出了“084”型PLC,这是第84个项目。

图4 迪克先生被誉为PLC之父

(图片来自《The of:迪克回顾PLC 40周年》邓恩)

由于084编程相对简单,用户只需插入编程器并选择合适的软件模块,然后输入梯形图即可快速编程。 梯形图中逻辑编程的相关符号基本上来源于电气工程中描述顺序操作的功能。 说明,使得广大电气工程师和电工能够很快上手,因此084受到了Hydra-Matic部门电路系统团队的青睐。 另外,084安装在硬壳内,提高了安全级别。 这也是DEC的PDP-14和3-I的PDQ-II无法比拟的。 很快084取代了PDP-14和PDQ-II,成为通用汽车的唯一选择,并一直服役了10多年。

图5 084原型机

(图片来自《The of:迪克回顾PLC 40周年》邓恩)

可见,DEC的PDP-14作为**台用于现场测试的样机,已经被业界公认为全球**款PLC。 虽然3-I的PDQ-II具有很强的速度和计算能力,但仍然与DEC类似,但在编程转换方面存在明显的缺陷。 虽然084并不是**台装机的测试样机,但它采取了新的做法,引入了梯形图编程方法,俘获了当时许多电气工程师的心。 成功取代前两者中标,牢牢确立了自己在自动化领域的地位。 在世界上的地位。

图6 1970年6月,通用汽车发布了三个竞争对手的设计元素对比文件(图片来自,控制工程网)

对于当时的自动化控制市场来说,PLC的出现是一个划时代的产品。 如果沿着德国工业4.0的演进路径,PLC的应用就是工业3.0启动的标志。 从功能上看,无论是PDP-14、PDQ-II还是084,开发的初衷主要是为了取代继电器控制装置,原来是用来实现顺序控制、定时、计数等功能的由继电器完成。 它的优点是简单。 易于理解、安装方便、体积小、能耗低、可重复使用。 虽然从硬件形式上看PLC仍属于“计算机家族”,但在材质和I/O接口上进行了改进,以适应工业控制现场的要求。 在软件编程方面,当时的PLC首创了一种独特的编程语言——梯形图语言,并沿用至今。

02

百家竞逐成功,PLC迎来高速发展期

俗话说“一花不开春,百花齐放满园春”。 084的胜利,结束了持续两年的招标竞争,PLC快速发展的时代才刚刚开始。 此后,在自动化行业不断取得突破。 1973年,“084”PLC升级为“184”PLC并重新推出。 1975年,推出“284”PLC。 1979年,工业通信网络启动。 1994年推出()系列PLC,1997年被施耐德电气收购后,成为其第四大品牌。

输掉竞争的3-I意识到自己缺乏提升核心竞争力的资源,于是转向当时以变阻器、继电器和电机控制闻名的Allen-(AB),并开始转向生产固态控制设备,推出基于AMD芯片的PLC-3等产品。 1985年,AB被罗克韦尔国际集团( Group)收购,随后推出了基于摩托罗拉芯片的PLC-5等产品。 它是当时经典的复杂指令集处理器(CISC),其协处理器可以支持浮点运算,访问16MB的存储空间。 *终,罗克韦尔自动化形成了针对不同I/O点的PLC产品系列。 值得一提的是,可编程逻辑控制器(Logic、PLC)的命名方法*先由AB公司采用,并以“PLC”作为其产品的注册商标。

作为新兴产品,当时在美国市场,除了(施耐德电气)和AB(罗克韦尔自动化)之外,还有(石快电力,后来被施耐德电气收购)和后来的TI(德州仪器)等.,谁参与了PLC市场。 。 这股风潮很快就传到了日本。 1970年以后,是日本企业机械大发展的时代。 机械与电子的综合应用成为日本自动化市场快速发展的触发点。 以加强自身生产控制为契机,自动化厂商包括日本欧姆龙、富士、三菱电机、日立等公司都推出了PLC产品。

例如,20世纪80年代初,欧姆龙推出了C系列和H系列PLC,其体积明显比同类产品更小、更紧凑,在当时的小型机市场上很受欢迎。 20世纪90年代初自动化软件开发PLC为何能长盛不衰、历久弥新,成为自动化领域的常青树,欧姆龙在小型机市场推出了无背板模块化结构的COM1产品。 此时执行指令有100多条,基本指令执行时间可以小于0.5微秒,包括A/D(模拟信号和数字信号)转换、温度控制等专用控制单元和基本通信模块。

从德国品牌来看,西门子在 PLC 市场占据主导地位,其次是 (LTI-) 和 ( ) 等竞争对手。 西门子*早一代的PLC产品是S3,于1975年推出市场。它实际上是一个二进制控制器,操作界面简单。 1979年,微处理器技术应用于可编程控制器。 西门子开发并创新了PLC S5来取代S3系列。 该系统广泛使用了微处理器。 1994年4月,享誉世界的西门子PLC S7系列诞生。 具有兼容性高、性能水平更高、安装空间更小、用户界面更友好等优点。 深受广大用户的喜爱。 其型号包括S7 -200、300、400、1200等。

菲尼克斯电气收购KW-(KW ,2015年更名为菲尼克斯电气软件有限公司)后,开始专注于基于IEC 61131的PLC控制软件编程语言和IEC 61508安全技术的开发。其针对小型控制任务推出的产品名为ILC 130 ETH,后来扩展到中大型领域,推出了ILC 200、350、370、430系列产品。 菲尼克斯电气的另一个PLC产品型号是RFC系列,它们共同构成了Class 100至Class 400产品组合。 近年来,菲尼克斯电气提出打造生态系统。 除了按照IEC 61131-3标准对PLC系统进行标准编程外,用户还可以实现并行编程,使用C、C++等编程语言实时开发PLC程序。

作为奥地利自动化厂商的代表,贝加莱在20世纪80年代推出了“黑色系列”PLC,也称为“PCC(可编程计算机控制器)”。 它采用计算机的硬件架构,并采用摩托罗拉芯片组。 通过采用分时多任务操作系统OS9,贝加莱PLC可以集成解释器并使用BASIC高级语言进行编程以实现复杂的算法。 1994年左右,贝加莱推出了“蓝色系列”PLC,采用了pSOS+定性分时多任务操作系统,进一步增强了其编程能力。 pSOS+的开发公司后来被收购,成为贝加莱的核心架构。

图7 贝加莱“黑色系列”PLC(图片来自贝加莱)

其他国家如瑞士ABB也推出了PLC产品并获得市场认可。 根据I/O点的不同,当时不同的自动化制造商分别处于小型计算机(256个I/O点以下)、中型计算机(256~2048个I/O点)和大型机(2048个I/O点以上)的不同市场。 O 分)。 虽然份额时有波动,但微小型PLC应用仍然占据了当时市场的绝对主流。 这也促使西门子、施耐德电气、罗克韦尔自动化、欧姆龙等在小型机市场具有先发优势和代表性产品的玩家成为无可争议的行业巨头,其中西门子、罗克韦尔自动化、施耐德电气更是早已稳居世界前三的位置。

图8 小型PLC结构示意图(图片来源:工业软件行业研究报告)

回顾1971年到1991年这20年的发展,我们可以看到整个PLC市场正在蓬勃发展。 由于微处理器的出现,PLC的功能大大增强,并迅速应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造等领域。 、汽车、医药、食品饮料、纺织、交通运输等领域。 硬件方面,除了保持原有的开关量模块外,还增加了模拟量模块、远程I/O模块、各种特殊功能模块,扩展了存储器容量,并提供了一定数量的数据寄存器。 软件方面,除了保持原有的逻辑运算、计时、计数等功能外,还增加了算术运算、过程控制、数据处理、网络通信等功能,并适用于IEC 61131-3规范(国际电工委员会1993年12月 开发)五种汇编语言:梯形图、顺序功能图、功能块图、结构化文本语言和指令表。

例如,各厂家推出的中大型PLC都配有PID控制模块,可以进行闭环过程控制。 当生产控制过程中某个变量出现偏差时,PLC可以根据PID算法计算出正确的输出,进而控制和调整生产过程,使变量保持在设定值,保证生产业务的稳定性和连续性。

值得一提的是,近20年来PLC市场的激烈竞争,刺激了各厂家PLC产品的快速迭代升级。 另一方面,为了构筑“护城河”,各个厂家采用的PLC编程和通讯交互方式也不同,导致通讯协议类型不同,后来推出了不同的现场总线。 目前,IEC现场总线中的标准已达到28个,虽然大大增强了PLC向上层的数据传输能力,但它们之间并不兼容。

03

生产实践检验,以“高可靠性”确立“常青树”地位

1991年后,PLC在处理速度、控制功能、通讯能力等方面有了新的突破,并向电气控制、仪表控制、计算机控制一体化发展。 其性价比不断提高,不知不觉中已经成为工业自动化的标准。 支柱之一。 此时,PLC可以向下连接各类传感器、数控设备和仪器,完成逻辑判断、计时、计数、记忆和算术运算、数据处理等动作,实现自动控制和数据采集; 向上可与SCADA等系统互联,进一步将采集到的数据传输到上层生产执行层,承担连接设备层和信息层的重要任务,成为工厂、车间的控制中心。

特别是各种特殊功能单元、各种人机界面单元、通讯单元的集成应用,使得PLC工控设备的匹配变得更加容易。 进入21世纪,PLC已从开关逻辑控制扩展到数字控制等领域,并逐渐进入运动控制和过程控制领域。 在某些应用中,它已经取代了过程控制领域中占主导地位的DCS。 (,分布式控制系统)。

要知道早期在大多数过程工业中,PLC和DCS的区别还是很明显的。 当时,在石油、化工等生产过程中,一台计算机控制几十个、上百个控制电路。 管控高度集中也增加了安全风险。 为了集中管理、分散控制,即尽量分散控制带来的风险,集中管理和显示功能,企业常常采用DCS系统来实现过程控制和管理。 随着PLC功能的不断完善,其基于PLC的控制功能与DCS控制系统基本相似,两者之间的界限逐渐模糊。 在一些小型DCS控制场景中,PLC+SCADA的替代方法正在兴起。

但从平台和功能的角度来看,PLC与DCS在数据来源、控制方式、程序修改方式等方面仍存在较大差异。 由于PLC是嵌入式系统,其运行的目标计算机与工程开发环境是分离的; 而DCS通常的开发环境和运行环境都是在Unix或Linux上。 虽然在现场执行层面,原本属于DCS回路调节器的任务可以由PLC代替,但DCS在工程开发、数据库等方面的功能和应用积累是PLC所望尘莫及的。 例如DCS的双机热备、CPU冗余、网络冗余和I/O冗余功能都不是PLC所擅长的。 对于DCS厂商来说,行业专有技术是建立壁垒的关键,这与PLC厂商在细分市场的应用整合是一个概念。 简单来说,DCS更适合复杂的流程工业生产过程,如石化、造纸、化纤、制药等工业领域,而PLC则适合离散的生产场合,如汽车制造、钢铁、包装等生产线控制。

此外,PLC的边界也在不断扩大。 随着芯片技术的进一步发展,PLC的存储能力和浮点计算能力也不断增强。 同时,对于复杂任务的处理,先进机器开始出现一些高速温度闭环和压力闭环环路调节任务,以及运动控制和通信任务等处理需求。 当然,随着PLC功能模块不断扩展,应用范围不断加大,在挤占DCS市场份额的同时,也受到PC-based、PAC等竞争对手的挑战。 由于传统狭义的PC是指硬件+操作系统,因此这里的PC-based可以视为基于PC技术的控制系统。

*早的基于PC的控制系统是以工业计算机为核心,通过带有PCI接口的专用板卡扩展而成。 例如,1986年,倍福自动化推出了**款基于PC的设备控制器,完成了木材加工设备的实时自动控制。 与PLC相比,PC-based借助IT技术在计算、存储、网络和软件开放性方面具有优势。 但其相对“敏感”的硬件条件使其难以适应当时恶劣的生产环境,且抗干扰性能较差,稳定性不足。 这在一些对可靠性要求较高的生产现场很难成功,因此PC-based*初更多的是用于监控设备的运行状态,并没有完全融入到底层生产控制环境中。

图9 自动化于1986年推出了**款基于PC的控制器(图片来自 )

PAC( )是美国自动化咨询公司于2001年提出的全新概念,它是基于PLC控制和PC控制的混合体。 它旨在利用开放的自动化控制标准,将PLC编程的简单性和低成本与PC的强大计算能力结合起来。 但“混血基因优于双亲”的法则在这里并不适用。 由于PAC的出现本身更倾向于复杂、大规模的自动化架构,因此在价格上很难像PLC那样“亲民”。 在提供的应用软件集成方面,PAC开发公司主要专注于过程领域的测量、分析和循环任务,这与离散制造行业PLC专注于实时、高速响应任务不同。 面对已经成熟的PLC应用环境,很难实现PAC替代其的价值。 对于大多数用户来说,PAC难免会有一种意气风发、谦虚的感觉。

如今,经过多年的发展和创新,PLC已经深深扎根于生产车间现场,并与下层传感器、上层SCADA等其他系统协同,完成整个生态系统的数据集成。 虽然从功能角度来看,PC-Based和PAC可以实现PLC的替代,但实际生产的高可靠性要求并不允许企业冒这个风险,更何况从性价比的角度来看,PLC一直是*性价比高的选择。

可见,进入21世纪后,以PLC为代表的自动化行业的发展主要以两个维度的集成和创新为主。 首先是用户需求,这是推动行业发展的主要因素。 随着机器变得越来越复杂,越来越多的对象集成到系统中,PLC需要处理更多的任务,因此PLC需要更强的处理能力和信息集成能力。 其次,从横向技术发展来看,即技术驱动力维度,包括处理器计算能力的提升,实时操作系统、传感器、软件等的快速发展,带来了推力属于自动化领域。 如何有效结合两者的力量,深入挖掘用户场景解决行业问题,是所有PLC厂商技术创新的重中之重。

04

从模仿到替代,国产PLC的破冰之旅

如果把PLC半个多世纪的发展史分成两半的话,整个上半年几乎看不到国内PLC厂商的踪迹。 从1974年开始,我国开始仿制美国第二代PLC产品,但因质量和技术问题没有得到推广。 随后的“七五”、“八五”期间,国内一些研究机构对PLC研发进行科技攻关,取得了一定成果,基本具备了自主开发PLC的能力。 但由于缺乏持续研发和产品能力,*终没有形成规模化生产经营。

下半年真正进入国产PLC的有汇川科技、和利时、中控科技、新捷电气等。 汇川技术成立于2003年,通过在工控变频器、伺服系统领域积累的优势,以轴承运动控制为切入点,汇川技术确定了“一轴、一网络、一生态”的发展战略,开发了Easy系列全场景小型PLC、各类H系列多功能小型PLC、首款应用总线的小型PLC。 可见,汇川技术主攻高性能中小型PLC市场。 产品采用通用编程方式,具有组合灵活、功能强大的特点。 根据汇川技术发布的2022年半年报,其小型PLC产品约占中国市场的10.7%,排名第二。

凭借在过程自动化控制市场的积累,和利时在进行DCS研发的同时,也完成了PLC的技术储备。 2000年,和利时正式开展PLC业务,并于2004年推出具有自主知识产权的LM系列小型机。 2006年,和利时推出LK系列大型PLC,获得当时国家四部委联合颁发的“国家重点新产品”证书。 面对被“外部势力”包围的PLC市场,和利时的策略是针对中高端市场应用的小型PLC销售,同时针对开关应用简单的低端市场,强化运动控制功能。 在推广LK系列大型PLC方面,和利时主要以自身项目实践来拉动销售。

与和利时一样,中控科技也选择了从DCS逐步向PLC市场渗透的发展道路。 中控科技成立于1993年,通过自主研发和创新在国内DCS市场占据领先地位后,基于其丰富的过程工业控制需求,推出了G3/G5系列PLC产品。 其中G5主要用于中大型应用。 在混合控制场景中,G3系列主要应用于分布式控制场景。 由于G3/G5系列产品从设计之初就秉承了DCS的冗余控制理念,包含高速逻辑运算和联锁控制功能,使用户更容易控制连续生产过程。

新捷电气也是国内较早进入PLC市场的厂商之一。 其前身是成立于2000年的新捷科技。2008年新捷电气正式成立后,开始积极拓展基于PLC的伺服驱动、机器视觉等领域。 新捷电气早期开发了FC系列小型PLC,后来又推出了功能更强大的XC系列PLC、集PLC和TP功能于一体的XP系列PLC,并于2016年推出了XG系列中型PLC,完成了布局由小型PLC扩展到中大型PLC。 从收入结构来看,PLC是新捷电气的核心优势产品,尤其是在小型PLC市场份额逐年增加。 其公布的数据显示,新捷电气PLC营收规模2013年至2020年复合增长率约为20%。

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05

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4.伴随着云计算、大数据等信息技术的深化应用,PLC的概念和形态也得到了进一步拓展,主要方向是融合IT技术增强PLC的数据处理和控制功能。例如*新的云PLC是通过物联接口标准化,如OPC UA +TSN,以及应用云化,采用软件定义的方式,使PLC与工业互联网平台直接相通,实现PLC的远程控制,并将APP和分析结果嵌入机器和云,实现自我感知、自决策、自执行。

目前,国内外许多PLC厂商也在积极行动与布局,如施耐德电气推出了集逻辑控制和运动控制于一体的PLC M262;菲尼克斯电气倡导基于Linux操作系统的理念,允许使用Node-Red等开源工具进行编程;西门子S7-1500系列推出了专用于神经网络处理的模块,使PLC融入AI技术能够识别复杂模式;贝加莱推出了exOS系统,使基于Linux生态的应用软件如、、开发可以与PLC的实时任务进行高效协同,将Linux/和RTOS融合。

06

概括

经过半个多世纪的发展,PLC从一颗破土而出的幼苗已经成长为参天大树,其应用范围越来越广,智能化程度越来越高,并且整体PLC市场也进入稳定的发展期,市场增长趋缓,用户需求逐渐成熟,各个行业和领域的细分市场竞争格局相对稳定。一直以来,PLC坚持稳定可靠作为繁衍生息的根基,加上适配多种生产环境的简单务实风格,相信这也是为何PLC能够长盛不衰、历久弥新,被称之为自动化领域“常青树”的重要原因。

- 参考资料-

本文撰写过程引用和参考了以下文章和资料,一并感谢:

[1] 《PLC江湖波澜不惊自动化风云录》 作者:彭瑜林雪萍

[2] 《PLC编程语言和平台的演变发展》 作者:彭瑜

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