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【關(guān)鍵詞】IEC 61131、PLC和軟PLC
【論文摘要】上世紀(jì)60年代后期，根據(jù)當(dāng)時(shí)汽車市場(chǎng)需求和計(jì)算技術(shù)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(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)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(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)大量使用的輸入傳感器和輸出執(zhí)行器的接口，以便于進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)線的流程控制。
PLC發(fā)展回顧
上世紀(jì)60年代后期，根據(jù)當(dāng)時(shí)汽車市場(chǎng)需求和計(jì)算技術(shù)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(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)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(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)大量使用的輸入傳感器和輸出執(zhí)行器的接口，以便于進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)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(chǎn)的PLC。70年代是PLC崛起，首先在汽車工業(yè)獲得大量應(yīng)用，在其它產(chǎn)業(yè)部門也開始應(yīng)用的時(shí)期。80年代是它走向成熟，全面采用微電子及微處理器技術(shù)；大量推廣應(yīng)用，并奠定其在工業(yè)控制中不可動(dòng)搖地位的時(shí)期。在此階段PLC銷售始終以兩位數(shù)百分點(diǎn)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(gè)發(fā)展時(shí)期。隨著PLC的國際標(biāo)準(zhǔn)IEC 61131的正式頒布，推動(dòng)了PLC在技術(shù)上發(fā)動(dòng)新的突出。
★ 在系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)上，從傳統(tǒng)的單機(jī)向多CPU和分布式及遠(yuǎn)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(dá)控制要求、文字處理、通信能力的編程環(huán)境。
★ 從應(yīng)用范圍和應(yīng)用水平上，除了繼續(xù)發(fā)展機(jī)械加工自動(dòng)生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)外，則是發(fā)展以PLC為基礎(chǔ)的DCS系統(tǒng)、監(jiān)控和數(shù)據(jù)采SCADA系統(tǒng)、柔性制造系統(tǒng)（FMS）、安全聯(lián)鎖保護(hù)（ESD）系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)等，全方位地產(chǎn)提高PLC的應(yīng)用范圍和水平。
進(jìn)入90年代后期，由于用戶對(duì)開放性的強(qiáng)烈要求和壓力，由于信息技術(shù)的大力推動(dòng)，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(jìn)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(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)，采用開放的通信接口，如以太網(wǎng)、高速串口等。
★ 采用各種相關(guān)的國際工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和一系列的事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)。值得注意的是PLC和DCS這些原來處于不同硬件平臺(tái)的系統(tǒng)，正隨著計(jì)算技術(shù)、通信技術(shù)和編程技術(shù)的發(fā)展，趨向于建立同一硬件平臺(tái)，運(yùn)用同一個(gè)操作系統(tǒng)、同一個(gè)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(huì)變化，而它們的功能依然存在。其中的關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)該是嵌入式PC系統(tǒng)及支持現(xiàn)場(chǎng)總線的I/O （硬件） ，以及以IEC 61161-3為基礎(chǔ)的編程系統(tǒng)及強(qiáng)實(shí)時(shí)(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(yīng)用。但一直未能形成批量生產(chǎn)。在改革開放剛起步的1979年，在當(dāng)時(shí)的機(jī)械部儀表局的推動(dòng)下，開始從美國MODICON引進(jìn)起584的PLC，并首先在電站的輔機(jī)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(yīng)用，從而大大推動(dòng)了PLC在我國工業(yè)的大規(guī)模運(yùn)用。遺憾的是，花了很大一筆外匯的這個(gè)項(xiàng)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(jī)公司的MELSEC-F，通過非政府渠道進(jìn)入中國市場(chǎng)。不到三、四年時(shí)間，小型PLC就形成了大面積的推廣應(yīng)用局面。1990年以后，Siemens、Allen Bradley以及其它知名品牌開始大舉進(jìn)入中國市場(chǎng)，占據(jù)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(jīng)形成了規(guī)模巨大的應(yīng)用市場(chǎng)，但并未建立批量生產(chǎn)、有持續(xù)開發(fā)發(fā)展能力的PLC制造業(yè)。
應(yīng)指出的是：
★ 在國內(nèi)，PLC的應(yīng)用水平還是不低的，自主設(shè)計(jì)、系統(tǒng)集成和現(xiàn)場(chǎng)投運(yùn)的能力，可以說與國際主流水平同步；
★ PLC的應(yīng)用領(lǐng)域也很廣泛，覆蓋冶金、電力、化工、石油化工、機(jī)械、輕工、電子、電工、建材水泥等工業(yè)，以及現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)械和其它應(yīng)用。近年來環(huán)保工業(yè)也有廣泛應(yīng)用，發(fā)展勢(shì)頭很猛。
★ 在國內(nèi)有一支龐大的PLC銷售、服務(wù)、應(yīng)用、系統(tǒng)集成隊(duì)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(shù)。因此，PLC、軟PLC以及IEC 61131-3的發(fā)展，無可爭(zhēng)辯地成了十分令人關(guān)注的事情。
IEC 61131國際標(biāo)準(zhǔn)在中國
1992年以后，可編程序控制器國際標(biāo)準(zhǔn)IEC 61131的各個(gè)部分陸續(xù)公布施行。中國的工業(yè)過程測(cè)量和控制標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)按與IEC國際標(biāo)準(zhǔn)等效的原則，組織翻譯出版工作。于1995年12月29日以GB/T 15969.1,15969.2,15969.3,15969.4 頒布了PLC的國家標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)導(dǎo)則。
自標(biāo)準(zhǔn)頒布之后，并沒有產(chǎn)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(nèi)有影響的PLC品牌并不積極推介； 包括該標(biāo)準(zhǔn)的主管部門在內(nèi)，很少有組織的推進(jìn)活動(dòng)。
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(nèi)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(guān)注這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。在有關(guān)專業(yè)雜志上有專文介紹該標(biāo)準(zhǔn)的制訂背景、重要性、標(biāo)準(zhǔn)的主要內(nèi)容。中國機(jī)電一體化技術(shù)應(yīng)用協(xié)會(huì)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(dòng)化系統(tǒng)的程序編制”。現(xiàn)已由該協(xié)會(huì)內(nèi)部發(fā)行。
最近，中國機(jī)電一體化技術(shù)應(yīng)用協(xié)會(huì)（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(yuǎn)東總經(jīng)理Robert Champoud先生合作，組織協(xié)調(diào)有關(guān)IEC 61131項(xiàng)目的研討會(huì)活動(dòng)，得到Siemens、Phoenix、富士電機(jī)的大力支持。這對(duì)于促進(jìn)它的推廣，有著深遠(yuǎn)的意義。
軟PLC在中國
所謂軟PLC實(shí)際就是在PC機(jī)的平臺(tái)上、在Windows操作環(huán)境下，用軟件來實(shí)現(xiàn)PLC的功能。此概念大約在1996年以后才被介紹到國內(nèi)來。由于這種技術(shù)尚不成熟，所以只有在學(xué)術(shù)界少數(shù)人對(duì)此關(guān)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(chǎn)品P-31和InControl卻少有人問津。當(dāng)然，這兩家公司也不曾刻意去開發(fā)這個(gè)市場(chǎng)。
Think&Do和Steeperchase 的VLC都是1998、1999年進(jìn)入中國市場(chǎng)的，特別是Think&Do花了很大的努力，至今仍不盡如人意。當(dāng)然有一些成功應(yīng)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(dǎo)用流程圖編程語言不無關(guān)系。
德國KW公司在1998年以后就在北京設(shè)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(nèi)推介其軟PLC系列產(chǎn)品WinAC，已經(jīng)有了一些應(yīng)用。他們是很有戰(zhàn)略眼光的。德國Inforteam公司的 openPCS 在國內(nèi)也開始了市場(chǎng)開拓活動(dòng)，2002年6月曾在上海的自動(dòng)化展覽會(huì)上舉辦過技術(shù)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(qiáng)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)Vxworks。北京的和理時(shí)已采用Inforteam的OpebPCS開發(fā)新的DCS。
分析全世界控制設(shè)備的發(fā)展情況
從全世界范圍看，軟PLC/ PC控制作為新興產(chǎn)業(yè)正在發(fā)展。面對(duì)這種挑戰(zhàn)，PLC仍在發(fā)展。
據(jù)美國Venture Development Corp.報(bào)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(dá)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(yuǎn)程I/O的市場(chǎng)銷售額也為220億美元。年增長率為6.6%。到2005年估計(jì)達(dá)300億美元。從應(yīng)用領(lǐng)域看，DCS仍然牢牢把握大規(guī)模連續(xù)流程工業(yè)（I/O達(dá)數(shù)千點(diǎn)）過程控制的應(yīng)用。PLC已經(jīng)擁入批量控制市場(chǎng)，在其傳統(tǒng)的離散制造工業(yè)仍然占據(jù)絕對(duì)主導(dǎo)地位。軟PLC/PC控制采用工控PC機(jī)（或嵌入式PC機(jī)）和強(qiáng)實(shí)時(shí)OS，可實(shí)現(xiàn)PLC功能和運(yùn)動(dòng)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(rèn)可。
據(jù)美國Venture Development Corp.報(bào)告，PLC與軟PLC/PC控制相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：
* 維修和服務(wù)系統(tǒng)健全，有經(jīng)驗(yàn)的維護(hù)人員隊(duì)伍龐大。
* 電源故障不會(huì)產(chǎn)生大的影響。
* 對(duì)低端應(yīng)用，PLC具有極大的性能價(jià)格比優(yōu)勢(shì)。
* 可靠性無可比擬，故障停機(jī)最少。
* 加固型結(jié)構(gòu)，適合工業(yè)環(huán)境應(yīng)用。
* 與PC機(jī)發(fā)展太快相比，PLC產(chǎn)品可長期供貨，長期提供技術(shù)支持。
PLC在工廠自動(dòng)化中的地位之所以如此穩(wěn)固，原因在于：
* PLC的技術(shù)具有長期的穩(wěn)定性，軟硬件均應(yīng)用方便，即插即用，價(jià)格適中，堪稱工業(yè)控制的適用技術(shù)。
* 可以說當(dāng)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(bǔ)充。
* 近幾年來PLC也在不斷提高其技術(shù)內(nèi)涵，融合了IT技術(shù)（包括以太網(wǎng)，因特網(wǎng)，無線網(wǎng)技術(shù)，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，以及運(yùn)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(shí)質(zhì)性的突破。前十多年P(guān)LC被攻擊的一個(gè)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(biāo)準(zhǔn)，如IEC 61131，IEEE802.3以太網(wǎng)，TCP/IP，UDP/IP等，各種事實(shí)上的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，如Windows NT，OPC等。
* PLC在硬件上也有長足進(jìn)步。微電子技術(shù)的進(jìn)展全都運(yùn)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(shè)計(jì)的PLC-on-a-chip芯片業(yè)已問世多年。
PLC的高端產(chǎn)品在體系結(jié)構(gòu)和操作系統(tǒng)上都有了質(zhì)的變化,性能大幅提高。一個(gè)機(jī)架上可裝多個(gè)CPU模塊。也出現(xiàn)了以Web為基礎(chǔ)的PLC系列產(chǎn)品。PLC、軟PLC、IEC 61131在中國的未來傳統(tǒng)的PLC制造業(yè)不會(huì)在可預(yù)見的未來在國內(nèi)建立和發(fā)展。但不排除軟PLC在近期和可預(yù)見的未來，完全有可能在國內(nèi)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(chǎng)總線的系列產(chǎn)品。強(qiáng)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)可采用Windows CE，NTE，VenturCom的RTX以及其它；只要它們能實(shí)現(xiàn)控制的時(shí)間確定性，即保證能以時(shí)間高度一致的方式執(zhí)行控制指令序列，并具有可預(yù)測(cè)的結(jié)果或行為。
加入WTO以后，中國成為“世界制造工廠”的進(jìn)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(huì)顯著高于世界的平均年增長率。因此，對(duì)PLC、軟PLC以及IEC 61131的推廣應(yīng)用，特別是高水平的技術(shù)支持變得十分重要。
隨著現(xiàn)代工業(yè)的規(guī)模生產(chǎn)的發(fā)展，為提高企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，引入管控一體化的體系結(jié)構(gòu)ERP/MES/PCS，在國內(nèi)已提到議事日程。作為基礎(chǔ)自動(dòng)化PCS層的主要工具—PLC的應(yīng)對(duì)手段，應(yīng)該是迅速加強(qiáng)PLC聯(lián)網(wǎng)和通信開發(fā)能力，以及信息初加工的能力。在國內(nèi)，就平均水平而言，精通或通曉PLC聯(lián)網(wǎng)通信、PLC與計(jì)算機(jī)通信的技術(shù)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(qiáng)培訓(xùn)。CAMETA在這方面也應(yīng)有所作為。
IEC 61131-3是目前唯一的關(guān)于工控編程語言的國際標(biāo)準(zhǔn)。廣泛應(yīng)用于PLC、DCS、SCADA，甚至于運(yùn)動(dòng)控制。在國內(nèi)IEC 61131-3的推廣應(yīng)用肯定大有作為。關(guān)鍵問題在于采用那些措施加快進(jìn)程。
簡短的結(jié)論和建議
PLC、軟PLC/PC控制、IEC 61131-3及其相關(guān)軟件（強(qiáng)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、編程系統(tǒng)平臺(tái)等），在今后的十年內(nèi)仍是工業(yè)控制舞臺(tái)上主角。這要求我們把握時(shí)機(jī)，認(rèn)清方向，搶占先機(jī)。
隨著現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的迅速發(fā)展和現(xiàn)場(chǎng)總線產(chǎn)品的普遍采用，除了加強(qiáng)IEC 61131-3的宣傳推廣外，還應(yīng)多多宣傳IEC 61499這個(gè)彌補(bǔ)IEC 61131-3不能適應(yīng)分布式系統(tǒng)缺憾的新標(biāo)準(zhǔn)。
在經(jīng)過第一輪的IEC 61131-3的巡回演講活動(dòng)之后，應(yīng)通過各種工具宣傳，讓從事工控的技術(shù)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(huì)落伍，跟不上發(fā)展。
CAMETA應(yīng)重點(diǎn)扶植一兩個(gè)開發(fā)軟PLC/PC控制的公司，抓幾個(gè)有典型意義的應(yīng)用項(xiàng)目，如規(guī)模較大的制造業(yè)生產(chǎn)線，成功后加以總結(jié)推廣，讓業(yè)內(nèi)人士認(rèn)識(shí)到軟PLC/PC控制的優(yōu)越性。
來源：上海工業(yè)自動(dòng)化儀表研究所
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