可編程邏輯控制器 (PLC) 是一種工業(yè)計(jì)算機(jī)，可執(zhí)行以下任務(wù)：

　　監(jiān)測(cè)和控制工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用

　　執(zhí)行與測(cè)試和測(cè)量工作有關(guān)的任務(wù)

　　執(zhí)行本文所述范圍以外的流程類功能(含與暖通空調(diào)系統(tǒng)有關(guān)的功能)。

　　PLC從傳感器和輸入設(shè)備接收數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理，然后基于邏輯的作出決定，向機(jī)械或電氣系統(tǒng)發(fā)出控制指令。PLC 是嵌入式系統(tǒng)，將計(jì)算機(jī)的處理器、存儲(chǔ)器與輸入輸出 (IO) 設(shè)備組合在一起——很像與之競(jìng)爭(zhēng)的、基于硬線連接的繼電器邏輯以及基于 PC 的邏輯。

　　就外形而言，今天的 PLC 款式多樣，從具有集成芯片 (IC) 外形的非常簡(jiǎn)單的計(jì)算機(jī)，到安裝在多個(gè)機(jī)箱中的大型機(jī)架式控制器子組件的集合。更簡(jiǎn)單的、基于微控制器的 PLC 或那些采用片上系統(tǒng) (SoC) 的 PLC 能夠達(dá)到非常高的可靠性，在非常小的輸入功率下運(yùn)行。相比之下，最復(fù)雜的 PLC 已經(jīng)模糊了 PLC 和用于實(shí)時(shí)工業(yè)控制的通用計(jì)算機(jī)之間的構(gòu)成界限。.. 盡管前者仍然強(qiáng)調(diào)可靠性和實(shí)時(shí)性。

　　PLC 最初是為了直接取代基于繼電器和鼓式定序器的硬接線控制邏輯。這些早期的 PLC 只需通過(guò)將輸入轉(zhuǎn)化為輸出來(lái)執(zhí)行基本操作。任何需要比例積分微分 (PID) 控制的機(jī)器任務(wù)都由外加的模擬電子設(shè)備執(zhí)行?，F(xiàn)在，PID 控制以及甚至更復(fù)雜的運(yùn)行已都是 PLC 指令集的標(biāo)配。

　　事實(shí)上，隨著時(shí)間的推移，對(duì) PLC 的預(yù)期功能也在不斷增加，因此，今天的許多 PLC 已經(jīng)相當(dāng)復(fù)雜，能夠執(zhí)行復(fù)雜的自適應(yīng)程序。得益于摩爾定律，半導(dǎo)體芯片的功率在不斷提高，而尺寸卻在不斷縮小，這使得更小的控制器能夠達(dá)到前所未有的智能化。隨著對(duì)運(yùn)動(dòng)控制、視覺系統(tǒng)和通信協(xié)議的全面支持，這種趨勢(shì)仍將持續(xù)。在 PLC 尺寸方面，一些可編程自動(dòng)化控制器 (PAC) 將 PLC 與 PC 整合在一起，取代 PLC 和專有控制系統(tǒng)(以專有編程語(yǔ)言運(yùn)行)，以適應(yīng)某些應(yīng)用。今天，有更多的 PLC 也被集成到人機(jī)接口(HMI) 中。

　　PLC 參與運(yùn)行的工業(yè)數(shù)字環(huán)境

　　今天的工業(yè)自動(dòng)化依賴于機(jī)器反饋、運(yùn)行數(shù)據(jù)以及數(shù)字設(shè)備之間復(fù)雜的互連來(lái)實(shí)現(xiàn)。

　　控制數(shù)字設(shè)備。

　　運(yùn)行高級(jí)功能——例如那些與 IIoT 連接和機(jī)器重新配置有關(guān)的功能。

　　讓人們能夠?qū)Ω鞣N機(jī)器和運(yùn)行條件作出決策。

　　提高整體生產(chǎn)力和工件質(zhì)量。

　　此類自動(dòng)化裝置包括不同的信息系統(tǒng)來(lái)存儲(chǔ)、處理和服務(wù)這些數(shù)據(jù)。

　　材料需求計(jì)劃或制造資源計(jì)劃 (MRP) 系統(tǒng)提供生產(chǎn)計(jì)劃、進(jìn)度、財(cái)務(wù)和庫(kù)存控制信息。相比之下，歷史數(shù)據(jù)系統(tǒng)保存了來(lái)自傳感器和儀表的時(shí)間序列數(shù)據(jù)，可用于繪制圖形，幫助操作員和管理系統(tǒng)了解、處理自動(dòng)化趨勢(shì)。統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制 (SPC))是一個(gè)歷史數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用。

　　人機(jī)接口 (HMI) 是機(jī)器控制面板(或以無(wú)線方式連接移動(dòng)設(shè)備的模塊)，方便操作員查看數(shù)據(jù)和發(fā)出指令。與 HMI 功能密切相關(guān)的是監(jiān)督控制和數(shù)據(jù)采集 (SCADA) 系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)控制和監(jiān)測(cè)自動(dòng)化機(jī)器與其 HMI 和歷史數(shù)據(jù)庫(kù)之間的互動(dòng)。SCADA 是一種 HMI，可以控制多臺(tái)機(jī)器。..并顯示與多個(gè)設(shè)備有關(guān)的數(shù)據(jù)。

　　制造執(zhí)行系統(tǒng) (MES) 包括運(yùn)行進(jìn)度和數(shù)據(jù)收集等功能。在某些方面，該系統(tǒng)可以被看作是介于 MRP 和 SCADA 之間并與二者重疊。

　　企業(yè)資源規(guī)劃 (ERP) 系統(tǒng)整合了與制造業(yè)相關(guān)的 MRP、MES、產(chǎn)品生命周期管理 (PLM) 和 CRM 信息系統(tǒng)。ERP 系統(tǒng)可以是處理所有這些功能的單體軟件套件。.. 或者是一個(gè)核心 ERP 系統(tǒng)，連接來(lái)自多個(gè)供應(yīng)商的專門應(yīng)用。通常情況下，只有高層管理人員與 ERP 進(jìn)行互動(dòng)——在具體的大企業(yè)中，大多數(shù)人員與其中的某一個(gè)組件系統(tǒng)互動(dòng)。

　　PLC 的運(yùn)行級(jí)別通常低于這些信息系統(tǒng)。PLC 向機(jī)器、電機(jī)和傳感器發(fā)送和接收信息。也可以與上面的信息層互動(dòng)，向歷史數(shù)據(jù)庫(kù)庫(kù)或 SCADA 發(fā)送數(shù)據(jù)，或從 SCADA 或 HMI 接收控制輸入信息。更復(fù)雜的 PLC 還可以執(zhí)行 SCADA 和歷史數(shù)據(jù)庫(kù)功能。.. 甚至在越來(lái)越多的情況下執(zhí)行 HMI 功能。

　　圖 ：PLC 的運(yùn)行級(jí)別通常低于自動(dòng)化信息系統(tǒng)。(圖片來(lái)源：Jody Muelaner)

　　請(qǐng)注意，PLC 不只是參與自動(dòng)化：也被用于控制測(cè)試平臺(tái)(產(chǎn)品開發(fā))和實(shí)驗(yàn)室測(cè)量任務(wù)。

　　如上所述，自動(dòng)化通常強(qiáng)調(diào)診斷并要求 PLC 進(jìn)行決定性的實(shí)時(shí)操作以獲得真正的效果。

　　相比之下，在測(cè)量任務(wù)中采用的 PLC 更強(qiáng)調(diào)快速和精確地執(zhí)行測(cè)量采集和其他形式的數(shù)據(jù)采集。

　　對(duì)于機(jī)器自動(dòng)化任務(wù)來(lái)說(shuō)，PLC 依靠實(shí)時(shí)處理，其中輸入和響應(yīng)輸出之間的延遲以毫秒為單位。除了最簡(jiǎn)單的 PLC 功能外，其他都需要實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) (RTOS)。雖然許多 PLC 仍然使用專有操作系統(tǒng)，但人們對(duì)開放標(biāo)準(zhǔn)的操作系統(tǒng)越來(lái)越感興趣。例如，VxWorks 是一個(gè)專有實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，已被廣泛授權(quán)用于工業(yè)控制。包括 Kuka 和 ABB 在內(nèi)的多家領(lǐng)先的機(jī)器人制造商在使用該操作系統(tǒng)?；蛘?，在 MIT 開源許可下免費(fèi)發(fā)布的開源變體版本 FreeRTOS。FreeRTOS 包括各種物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 庫(kù)，適用于廣泛的自動(dòng)化應(yīng)用。有關(guān)這方面的詳細(xì)內(nèi)容，參見 Digi-Key 《使用 Amazon FreeRTOS 快速、安全地將設(shè)計(jì)與云端連接》一文。

　　對(duì)于測(cè)試和測(cè)量任務(wù)，PLC 依靠實(shí)時(shí)處理的方式來(lái)完成，其中現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備測(cè)量和其數(shù)據(jù)收集之間的延遲以毫秒為單位。那個(gè)讓工程師們別無(wú)選擇，只能采用接口轉(zhuǎn)換器和傳輸通道系統(tǒng)的時(shí)代已經(jīng)一步不復(fù)返了?，F(xiàn)在，外圍智能設(shè)備和 I/O 組件已經(jīng)通過(guò)數(shù)字和模擬輸入提升并簡(jiǎn)化了信號(hào)收集功能。

　　今天的工程師們也有了更多的選擇。這些選擇基于標(biāo)準(zhǔn)化接口、可互操作的具有跨制造商兼容性的組件。

　　只需考慮具有集成 PLC 功能的 I/O 組件。這些產(chǎn)品兼容那些運(yùn)行 Windows 或 Linux 操作系統(tǒng)并具有以太網(wǎng)連接功能的可配置人機(jī)接口——但無(wú)法方便地重新校準(zhǔn)產(chǎn)生低壓模擬信號(hào)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，或者沒有為這類設(shè)備提供模擬 I/O。這種 I/O 組件也可配合使用經(jīng)過(guò)特定設(shè)置的 PLC，具體設(shè)置為從遠(yuǎn)程 I/O 設(shè)備收集數(shù)據(jù)。.. 通過(guò)其板載 I/O 直接從傳感器收集數(shù)據(jù)。

　　T7 多功能數(shù)據(jù)采集設(shè)備 (DAQ) 包括以太網(wǎng)、USB、wifi 和 Modbus 連接功能，可與各種現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備以及工業(yè)人機(jī)接口、PLC 配合使用。特別是 Modbus/TCP 連接，通過(guò)各種第三方軟件和硬件選項(xiàng)提供了可控性，實(shí)現(xiàn)了開放性和靈活性——這反過(guò)來(lái)讓工業(yè)系統(tǒng)架構(gòu)師、研發(fā)工程師在數(shù)據(jù)收集、自動(dòng)化應(yīng)用方面進(jìn)行選擇時(shí)無(wú)需考慮供應(yīng)商。

　　當(dāng)然，PLC 并不是機(jī)器自動(dòng)化或測(cè)試和測(cè)量的唯一選擇。由于所有的工業(yè)控制都變得越來(lái)越復(fù)雜，一些供應(yīng)商已經(jīng)將某些硬件區(qū)分為可編程自動(dòng)化控制器 (PAC)，以表示具有功能更強(qiáng)。.. 且在許多情況下，一個(gè)硬件中會(huì)有多個(gè)處理器。實(shí)際上，PLC 的復(fù)雜性也越來(lái)越高——所以對(duì)于一些執(zhí)行 PLC 功能的硬件何時(shí)構(gòu)成 PAC 并沒有硬性規(guī)定。大多數(shù) PAC 集成了 PLC 和 PC 功能，作為復(fù)雜的自動(dòng)化系統(tǒng)使用，其特點(diǎn)是具有多個(gè)基于 PC 的應(yīng)用以及 HMI 和歷史數(shù)據(jù)庫(kù)。一個(gè)明顯的區(qū)別是，PAC 對(duì)開發(fā)者來(lái)說(shuō)更易采用，因?yàn)槠鋼碛斜葌鹘y(tǒng)控制技術(shù)更開放的架構(gòu)。

　　然而，今天的另一個(gè)選擇是模塊化 PLC。這種 PLC 由執(zhí)行不同功能的模塊組成。所有的 PLC 必須包括 CPU 模塊，其中包括運(yùn)行操作系統(tǒng)及程序的處理器、存儲(chǔ)器。此外，還可能包括獨(dú)立的電源模塊、額外的輸入/輸出 (I/O) 模塊。一個(gè) PLC 可能包括數(shù)字和模擬 I/O 模塊。另一個(gè)模塊可能需要用于網(wǎng)絡(luò)通信。

　　PLC 可以是集成的——所有模塊都集中在一個(gè)機(jī)箱內(nèi)，也可以是模塊化的。集成 PLC 的結(jié)構(gòu)更緊湊，但模塊化 PLC 則功能更多，通常允許多個(gè)模塊通過(guò)直接插入彼此或使用公共機(jī)架作為總線輕松連接在一起。各個(gè)模塊根據(jù)其在總線上的位置被尋址。盡管機(jī)架的物理支持方面可能符合 DIN 等標(biāo)準(zhǔn)，但數(shù)據(jù)總線通常是 PLC 制造商的專利。

　　PLC 在物聯(lián)網(wǎng)中的作用

　　隨著人們對(duì)工業(yè) 4.0(也稱為 IIoT)的興趣越來(lái)越大，工業(yè)用戶愈加希望能夠選擇使用互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議將其工業(yè)控制器連到接公司的網(wǎng)絡(luò)。這意味著使用傳輸控制協(xié)議 (TCP) 和互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議 (IP) 或簡(jiǎn)單的 TCP/IP 進(jìn)行通信。然而，IIoT 趨勢(shì)不僅僅與互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的使用有關(guān)。.. 而且也與機(jī)器學(xué)習(xí)和大數(shù)據(jù)有關(guān)。隨著 PLC 功能越來(lái)越強(qiáng)大(更先進(jìn)的控制使 PLC 功能成為一種特色)，具有如視覺系統(tǒng)等更多的主機(jī)功能?；ヂ?lián)網(wǎng)連接功能還允許工程師(通過(guò)系統(tǒng) PLC)利用基于云的算法來(lái)處理極其龐大的數(shù)據(jù)集(也稱為大數(shù)據(jù))，實(shí)現(xiàn)機(jī)器學(xué)習(xí)。

　　實(shí)際應(yīng)用中，控制自動(dòng)化技術(shù)的以太網(wǎng) (EtherCAT) 在此類 IIoT PLC 功能方面表現(xiàn)出色。這是一種基于以太網(wǎng)的通信協(xié)議，適用于周期時(shí)間小于 0.1 毫秒的實(shí)時(shí)控制應(yīng)用——是最快的工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，能夠以納秒級(jí)精度進(jìn)行同步。另一個(gè)重要的優(yōu)勢(shì)是 EtherCAT 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)靈活，不需要網(wǎng)絡(luò)集線器和交換機(jī)。設(shè)備可以簡(jiǎn)單地以環(huán)狀、線狀、星狀或樹狀配置的形式連在一起。PROFINET 是一個(gè)具有類似功能的競(jìng)爭(zhēng)性標(biāo)準(zhǔn)。

　　結(jié)語(yǔ)

　　當(dāng)前的數(shù)據(jù)收集和工業(yè)控制日益復(fù)雜的趨勢(shì)將持續(xù)下去。這意味著用于工業(yè)自動(dòng)化以及測(cè)試、測(cè)量的 PLC 將越來(lái)越像 PAC.。. 并與 SCADA 和歷史數(shù)據(jù)庫(kù)整合在一起。如 EtherCAT 等互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議和開放標(biāo)準(zhǔn)也被穩(wěn)步采納，用于 PLC 通信。這種連接將反過(guò)來(lái)刺激市場(chǎng)更多地使用工業(yè) 4.0 技術(shù)，如大數(shù)據(jù)分析和機(jī)器學(xué)習(xí)，部分原因是能夠?qū)⑺璧奶幚砟芰蛢?nèi)存分配到：

　　基于云的計(jì)算

　　能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的邊緣設(shè)備

　　除了這些趨勢(shì)之外，仍然需要更多可靠性最高、能效最優(yōu)的傳統(tǒng) PLC 來(lái)執(zhí)行相對(duì)簡(jiǎn)單的測(cè)試、測(cè)量以及控制功能。