發布日期：2022-04-22 點擊率：78
1 引言
可編程控制器是以微處理器技術為基礎，綜合了計算機技術、自動化技術和通訊技術的一種新型工業控制裝置。其可靠性極高、耐惡劣環境能力強、使用極為方便等特點，與機器人技術、cad/cam并列稱為工業生產自動化的三大支柱。它是上世紀60年代發展起來的被國外稱為“先進國家三大支柱”之首的工業自動化理想控制裝置，是近年來發展極為迅速，運用面極廣的工業控制裝置，現已廣泛運用于自動化的各個領域。
2 可編程序邏輯控制器（plc）
plc 英文名programming logic controller即可編程序邏輯控制器，是最早于汽車制造行業應用并發展起來的一項技術，用于代替繼電器完成機器和設備的自動控制，它的最大的特點是可編程，即根據控制邏輯和控制要求的變化可重新編制程序，而不用象繼電器線路一樣需要重新更換原器件和重新接線。今天plc已集成了許多高級計算功能、通信功能、完成特殊控制功能的功能模塊如位置控制、速度控制、過程控制等，并具有了與計算機系統的集成和連網的能力，plc自發明以來在工業自動化、交通控制、電力運輸、樓宇自動化等領域得到了廣泛的應用。
3 plc發展歷史
自1969年世界上第一臺可編程控制器在美國dec公司誕生以來，plc走過了30余年的發展歷程。回顧其發展歷程，可將plc技術分為3個階段：
（1） 傳統plc階段。它是plc的最初階段，也是現代plc的基礎。
工作原理
plc的工作原理是：首先讀取輸入接點的狀態→然后執行程序→然后根據程序的執行結果刷新輸出接點的狀態→然后再讀取輸入接點的狀態→讀取輸入接點的狀態，如此循環執行。
由plc的工作原理可以看出：從輸入端的信號狀態發生變化到輸出端的信號變化，中間需要執行程序（用戶程序、系統程序），程序的執行需要時間，而且這個時間是不可預測的，在某些應用場合這是不允許的，如位置控制、速度控制、需要高速響應的控制，這就使得plc在這些場合不能使用或需配置昂貴的專用模塊。plc系統的核心是微處理器（cpu），為防止系統程序跑飛，產生誤動作，必須采取一系列硬件和軟件的措施去克服這一問題，同時由于plc使用的是梯形圖語言，系統本身必須帶有功能強大的編譯器，這樣就使得plc構成的系統具有較高的價格。而且程序跑飛、編制的程序出現死循環等依然是存在的隱患問題。
（2） open plc階段。open plc又稱pc base plc、soft plc，是最近幾年提出的一種概念，它是基于開放式pc平臺和開放式開發軟件的plc，它能方便的與其他軟件集成及網絡集成。
open plc只是在它的開發環境方面提出了一個新的概念，即開放性、標準化，它的運行原理方面與傳統plc相比具有實時多任務運行機制，但仍然是基于程序執行這樣的基礎。因此它并沒有從根本上解決傳統plc存在的問題，在其實現的系統中依然存在。
（3） 現場集成階段。也就是hard plc階段，它是一個全新的代名詞，也是一個plc的最新發展動向。它采用現代可編程邏輯器件cpld/fpga（complex programmable logic devices & field programming gate array）作為硬件平臺，采用eda（electronics design automation）開發工具配與硬件描述語言hdl（hardware deSCRJPTion language）做為開發軟件平臺，象傳統plc一樣它同樣是可編程的。
hard plc則拋棄了傳統plc“程序”的概念，以“硬件線路”來實現控制功能，而編程改變的也只是其芯片內部的硬件連接，而不需運行軟件程序，因此自然沒有程序跑飛、開機復位及自帶語言編譯器等問題，其完成的功能與傳統plc相同，而系統的造價僅是傳統plc系統的十分之一，甚至更少。在硬件線路運行時所有的信號是并行運行的，而且信號的路徑是可知的，信號傳輸的時間是可預測的，所以可用于精確控制的需要，如位置控制、速度控制、信號處理、圖像處理、高速機械等。它從根本上解決了傳統plc存在的不足，代表了傳統plc的最終發展方向。
4 plc的發展趨勢
隨著微處理器技術、超大規模集成電路技術和數字通訊技術的進步和發展，可編程序控制器也得到了迅速發展，其功能已遠遠超出了其定義所指的范圍，其概念也日趨模糊，現代可編程控制器的發展趨勢主要有以下幾個方面：
（1） 用高性能器件，盡量縮小與工業控制計算機之間的差距。例如，德國festo公司的ipc（industrial pc）由一系列符合工業標準的模塊組成，它與微機兼容且具有plc的功能。
（2） 豐富i/o模塊，使plc在實時性、精度、分辨率、人機對話等性能方面進一步得到改善和提高。
（3）進一步強化網絡功能，以實現信息管理自動化。例如ipc型控制器具備多種現場總線接口。如festo總線、profibus、as-i、can等，以及各種網絡連接模塊，如novell等，從而使plc與plc、plc與pc、plc與現場設備之間建立通訊聯網。
（4）多種編程語言并存，互補不足。ipc型控制器除了采用梯形圖、指令表編程以外，還可以用iec1131規定的用于順序控制的標準化語言以及c、basic等計算機語言進行編程。
（5） 硬件結構集成化、冗余化。隨著專用集成電路（asic，application specific integratedcircuits）和表面安裝技術（smt，surface-mout technology）在plc硬件設計上的運用，使得plc產品硬件元件數量更少，集成度更高，體積更小，其可靠性更高。同時，為了進一步提高系統的可靠性，plc產品還采用了硬件冗余和容錯技術。用戶可以選擇cpu單元、通信單元、電源單元或i/o單元甚至整個系統的冗余配置，使得整個plc系統的可靠性得以進一步加強。
5 可編程控制器現場集成技術研究的意義
現行的可編程控制器均是由專門的生產廠商設計生產的，用戶選用他們提供的專用控制器時，可能只用到它的部分功能，會造成一定的資源浪費，而且專用控制器價格高，不經濟。而使用現代可編程邏輯器件來實現具有如下優點：
（1） 用戶可以根據需要設計控制器的功能，不會造成太大的資源浪費;而且不用帶自身專用的編譯器，從而大大降低了系統的價格。
（2）用戶邏輯和接口部分可以做在同一個器件內，因而讓接口和用戶邏輯更緊密地結合;用fpga/cpld芯片組成的系統，很自然地避開cpu的程序跑飛、死循環、復位不可靠等缺點，無需采用過多措施就能使系統具有很高的可靠性。
（3）fpga作為控制器的核心，其靈活的現場可更改性、可再配置能力，對系統的各種改進非常方便，在不更改硬件電路的基礎上可以進一步提高系統的性能，也就是完成硬件的在系統升級;在線編程是fpga/cpld突出的特點，它無需改變芯片外部i/o口的連接線，可直接在用戶自己設計的目標系統中或線路板上對fpga/cpld器件編程，這就打破了使用一般數字器件和plc先設計后裝配的慣例，而可以先裝配后編程，用在實際系統后還可以反復編程，從而開創了數字電子系統設計技術的新一頁。此外，還可以通過紅外線編程、超聲波編程或通過電話線、internet進行在線編程。這些功能在遠控或軍事領域上有特殊的用途。
（4）fpga的性能價格比很高，用它實現的控制器的價格，幾乎只是和它具有相同輸入/輸出端子市售可編程控制器價格的十分之一;而且其邏輯實現是并行工作的，其速度遠遠大于plc，這在實時系統中是非常有優勢的。
（5）它拋棄了傳統plc“程序”的概念，以“硬件線路”來實現控制功能，在硬件線路運行時所有的信號是并行運行的，而且信號的路徑是可知的，信號傳輸的時間是可預測的，所以可用于精確控制的需要，如位置控制、速度控制、信號處理、圖象處理、高速機械等。
從以上優點我們可以看出，基于fpga/cpld的hard plc能更經濟、更穩定、更方便地適應用戶的需求，而且其實時性、靈活性遠遠優于傳統的可編程控制器（plc）。因此，可編程控制器的現場集成技術應用非常廣闊，具有很強的工程實用價值。
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