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PLC的主要分類及應用

2020年07月13日 11:41 ? 次閱讀

PLC(Programmable Logic Controller)即可編程序邏輯控制器是一種專門為在工業環境下應用而設計的數字運算操作電子系統,也是現代工業自動化系統的重要組成部分,那么它是怎么誕生的呢?今天我們來捋一捋。

工業需求催生PLC誕生

二戰后,美國憑借汽車、鋼鐵、飛機等領域的絕對優勢成為世界制造業霸主,1948-1966年期間,美國一直是全球最大的貿易順差國,在強大的制造業驅動下,美國需要更先進的生產工具來推動其制造業的發展。

在此背景下,1947年12月23日,美國貝爾實驗室正式地成功演示了第一個基于鍺半導體的具有放大功能的點接觸式晶體管,標志著現代半導體產業的誕生和信息時代的開啟,為后續的工業自動化控制飛速發展奠定了基礎。

1968年,美國通用汽車公司在對工廠生產線調整時,發現繼電器接觸器控制系統修改難、體積大、噪聲大、維護不方便以及可靠性差,于是提出“通用十條”招標指標,意在取代繼電氣控制裝置。

成立于1957年的DEC公司(美國數字設備公司),一直專注于開發小型計算機系統,看到通用汽車的招標要求后,創始人之一奧爾森接標,最終DEC開發了一套全新的控制系統——PDP-14,用于控制齒輪磨床,這就是世界上第一臺可編程邏輯控制器。

PDP-14本質是把DEC最成功的“迷你機”PDP-8增加了工業I / O接口,由一個控制單元和幾個外部接口盒組成;控制單元包括一個可變大小的ROM,最多包含4k的12位指令;存儲器分為256個字節;通過擴展最多可以處理256個輸入輸出。

但DEC的PDP-14有一個缺陷,就是修改程序需要把產品發回DEC公司,整個處理過程耗時一周,導致它運行至1970年后被替換。

PDP-14的誕生,其實只是PLC出現的開胃菜,與DEC同時競標的還有信息儀表公司(3-I)和貝德福德協會(Bedford Associates),他們也分別推出了相應的產品。

信息儀表公司(3-I)為通用交付的設備為PDQ-II,其最大的優勢是能提供高級邏輯運算功能,適用于正離合器生產線的控制。但該產品也存在修改程序不便的缺陷,在GM一直運行到1971年后,被Modicon 084全面替換。

PLC的主要分類及應用

接下來主角誕生了,由Dick Morley和George Schwenk于1964年成立的貝德福德協會(Bedford Associates)也獲得了通用的原型機測試資格。Dick Morley只因厭倦了重復的機床操作員工作,想要發明一個集所有功能于一個編輯器的“神器”,于是寫出了自己的梯形圖邏輯。

1968年Bedford成立了第七家控制公司,取名Modicon(莫迪康),其在Dick Morley領導下于1969年成功推出了自己的PLC產品,基于該產品是Modicon的第84個項目,產品取名“Modicon 084”。

PLC的主要分類及應用

084編程相對簡單,用戶插入編程單元,選擇適當的軟件模塊,然后鍵入梯形圖即可快速進行編程;同時安裝在硬質外殼內,提高了安全等級,這是DEC的PDP-14、3-I的PDQ-II所無法比擬的,最終在1971年全面替代另兩個競品。

Modicon隨后又于1973年推出“184”、1975年推出“284”、1979年推出工業通信網絡Modbus、1994年推出Quantum(中文名“昆騰”)系列PLC,最終于1997年被施耐德收購并成為施耐德旗下第4個主要品牌。

而Dick Morley所發明的“Modicon 084”可編程控制器及后續產品很快在離散制造業的控制器中占據統治地位,還逐漸擴散到流程工業和間歇制造的批量生產過程,Dick Morley由此被譽為“PLC之父”。

對自己所發明的PLC產品對工業的貢獻,Dick Morley曾在采訪中如此比喻:IPod賣的是音樂,奔馳賣的是知名度;而PLC賣的是上市時間,汽車制造商原本要6-9個月的時間才能使新產品上市,用了PLC后就只需要6-9周,這相當于節省了很大一筆錢!

進入快速發展期

Dick Morle基于集成電路和電子技術發展的控制裝置使得電氣控制功能實現程序化,功能越來越強大,其概念和內涵也不斷擴展,這就是第一代可編程序控制器,但當時還不叫PLC,而是叫做PC(Programmable Controller)。

后來隨著個人電腦(也叫PC)的快速發展,為了反映可編程控制器的功能特點,美國A-B公司將可編程序控制器命名為可編程序邏輯控制器Programmable Logic Controller,即PLC,并將“PLC”作為其產品的注冊商標。

當美國人發明了PLC之后,其他國家也紛紛跟進,1971年日本成功研制出第一臺PLC產品DCS-8;緊接著1973年德國西門子公司也研制出歐洲第一臺型號為SIMA TICS4的可編程邏輯控制器。

雖然現在的中國在半導體領域很弱,但在上世紀,中國與國際先進國家幾乎同步研究半導體、電子技術,因此在歐美研制出PLC不久后,中國也于1974年研制出第一臺可編程邏輯控制器,并于1977年開始在工業上進行應用。

從上世紀70年代中后期開始,PLC進入了實用化發展階段,計算機技術得以全面引入PLC中,使其功能發生了飛躍。更高的運算速度、超小型體積、更可靠的工業抗干擾設計、模擬量運算、PID功能以及極高的性價比,都奠定了其在現代工業中的地位。

自上世紀80年代初開始,PLC在先進工業國家中已獲得廣泛應用,同時世界上生產PLC的國家日益增多,產量日益上升,標志著PLC已經步入成熟應用階段。至90年代中期,這段時間是PLC發展最快的時期,年增長率一直保持為30~40%。

在這時期PLC在處理模擬量能力、數字運算能力、人機接口能力和網絡能力方面也得到了大幅度提高,PLC逐漸進入過程控制領域,在某些應用上取代了在過程控制領域處于統治地位的DCS系統。

到20世紀末期,工業發展大爆發,誕生了各種各樣的大型機和超小型機、特殊功能單元、各種人機界面單元、通信單元等產品,為更加適應于現代工業,使應用可編程邏輯控制器的工業控制設備的配套變得更加容易。

在多年的生產實踐中,PLC已經與DCS(集散控制系統)、IPC(工業計算機技術)三足鼎立,同時還在其它的單回路智能式調節器等在市場上占一定的市場份額。近年, IPC和FCS(現場總線技術)發展迅速,擠占了一部分PLC市場,PLC增長速度出現漸緩的趨勢,但其在工業自動化控制特別是順序控制中的地位,仍將是無法取代的存在。

PLC的主要分類及應用

從上世紀90年代開始,PLC就根據I/O點數發展出小、中、大型等多種類型產品。

小型PLC

I/O點數《 256點;單CPU、8位或16位處理器、用戶存儲器容量4K字以下;主要代表產品有美國通用電氣(GE)公司的GE-I型、美國德洲儀器公司的TI100日本三菱電氣公司的F/F1/F2、日本立石公司(歐姆龍)的C20/C40、德國西門子公司的S7-200、日本東芝公司的EX20/EX40、中外合資無錫華光電子工業有限公司的SR-20/21等;

中型PLC

I/O點數256~2048點;雙CPU,用戶存儲器容量2~8K,代表產品有德國西門子公司的S7-300、無錫華光的SR-400、德國西門子公司的SU-5/SU-6、日本立石公司的C-500、GE公司的GE-Ⅲ等;

大型PLC

I/O點數》 2048點;多CPU,16位、32位處理器,用戶存儲器容量8~16K,代表產品有德國西門子公司的S7-400、GE公司的GE-Ⅳ、立石公司的C-2000、三菱公司的K3等。

目前大型、超大型的PLC產品也不少,單機支持300回路和65000點I/O設備也日益得到重視。不過整體看, I/O點數≤64的PLC銷售額占整體PLC市場總量的47%,64~256點數PLC占31%,微型、小型PLC占據市場的絕對主流,而I/O點數大于256的中型、大型、超大型PLC累計市場容量才22%。

PLC主要應用于紡織、機械、電梯、冶金、電力、石油、市政、化工、樓宇建筑、建材、機床、塑料機械、橡膠機械、電子專用設備等行業,而汽車業是最有潛力的PLC行業之一。

目前全球300多品種PLC產品中,應用在汽車上的最多,達23%,其后分別為糧食加工(16.4%)、化學/制藥(14.6%)、金屬/礦山(11.5%)、紙漿/造紙(11.3%)等行業。

主要品牌中,西門子、施耐德、羅克韋爾(A-B)、OMRON、三菱、GE等少數幾家企業是絕對的行業巨頭,其中羅克韋爾、施耐德、西門子長期把持中國大型PLC市場的強三強,西門子獨占中型PLC市場半壁江山。

而國內的30家PLC生產廠家中,都沒有形成頗具規模的生產能力和名牌產品,我國尚未形成PLC制造產業化;不過已經可以在小型、微型等PLC領域與國際品牌同臺競技。
? ? ? ?責任編輯:pj

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