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一文了解工业控制的伟大发明——PLC

作者: 时间:2024-05-11 来源:EEPW 收藏

在现代工业革命的浪潮中,可编程逻辑控制器()无疑是引领自动化进程的关键角色。这款工业设备凭借其卓越的控制和监测能力,对各种复杂的机器和设备进行精确无误的操控,成为工业自动化领域中不可或缺的一员。的高效、精确与灵活性,使其在竞争激烈的工业市场中脱颖而出,广受赞誉。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/202405/458600.htm

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自上世纪六十年代末诞生以来,便在制造和工业过程控制领域占据了核心地位。它的初衷始终未变:持续稳定地控制工业硬件,推动生产流程的自动化与智能化。PLC的设计提出和发明,可以追溯至1968年,背后是美国Modicon公司(现为电气的一部分)的工程师Clark的远见与Dick Morley的才华。

Clark以其独特的视角撰写了关于PLC的最初白皮书,提出了替代传统机械继电器的创新理念。而Morley则是将这一想法付诸实践的关键人物。他在实验室中,仅凭一张酒吧纸巾,便绘制出了首个PLC的蓝图,这一创举彻底改变了工业自动化的格局。

当时,汽车行业正面临着生产效率提升的挑战,急需一种新型的控制系统来优化生产线上的机器和设备管理。Morley的PLC设计应运而生,它不仅满足了汽车行业的需求,更为整个工业自动化领域带来了革命性的变革。

时至今日,PLC已成为工业自动化领域的中流砥柱,它的每一次进化与升级,都代表着工业技术的一次飞跃。从最初的替代机械继电器,到如今的高度智能化和集成化,PLC的发展史就是一部工业自动化的进步史。

什么是PLC?

PLC是可编程逻辑控制器的缩写,它是一种专门设计用于工业自动化的电子设备,用于监控和控制机器和生产过程。它用于处理输入数据并做出控制工业设备的决策。它们大量用于控制泵、电机、装配线设备、机器人和其他此类机器。

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PLC可承受灰尘、偶尔的喷水、极端温度和其他恶劣环境,以提供多年的服务。它们提供实时数据和控制信号,运行迅速。其他硬件可以与PLC集成以存档数据。

PLC本身具有多个输入和输出(I/O)通道,用于收集数据并将控制信号发送到过程设备。如有必要,可以向PLC添加额外的I/O通道。PLC还可能内置信号处理设备,例如噪声滤波器,以清理电噪声工业设施中的信号。

PLC的升级

在PLC出现之前,机器控制完全由一系列继电器执行。泵电机将有一个控制继电器,该继电器提供电源为打开泵的功率继电器供电。链中甚至可能有更多的继电器。这需要大量的继电器和接线空间。此外,由于继电器是机械式的,触点和线圈经常发生故障,使故障排除变得困难。

为了解决这个问题,一些工程师制定了复杂而昂贵的维护计划,根据时间或周期数与故障时间来更换继电器。

PLC提供实时决策功能,这使它们比基于PC的控制系统更具优势。在基于PC的控制系统中,操作系统确定决策优先级,延迟重要的过程控制信号。这意味着在快节奏的工业环境中,PLC的响应速度通常比PC快得多。PLC的另一个明显优势是其安全性。与连接到互联网的PC不同,PLC通常只连接到其他PLC硬件和软件。这可以大大降低网络攻击的机会。

由于实时控制和额外的安全性,PLC在工业控制市场中仍然很受欢迎,并将在未来几年继续存在。随着传感器技术的突飞猛进,更多的输入可用于做出过程控制决策,这也导致了PLC的普及。

而近年来与PLC类似却有升级优化的横空出世,这个名称则出现于大概15年前,它的出现也许是为了将功能最强的PLC从其它稍逊一筹的弟兄们中区分开来。

相较于来讲,基于PLC的PAC也许是更好的名称,因为这些控制器融入了过去几十年中PLC和其它技术所取得的进步。生产制造商已经采用了经验证、更强大的PLC硬件设计,并将从PC和移动设备领域的最新、低成本技术应用其中。它们融合了这些技术进步,以满足不断变化的用户需求,提供了基于PLC的PAC系统。

PLC和PAC之间最显着的区别之一是PAC具有多处理器设计。PAC从中受益,因为它的多核处理器允许它一次完成多项工作。

另一个区别是PLC扫描逻辑是顺序的;这意味着当CPU检查一个功能的输入信号时,它不能检查另一个功能的输入信号。PAC使用的扫描逻辑是双逻辑扫描。这意味着CPU可以在对单个信号进行判断的同时检查多个输入信号。内存空间也是PLC和PAC之间的另一个主要区别。

PLC的分类

PLC产品种类繁多,其规格和性能也各不相同。对于PLC,通常根据其结构形式的不同、功能的差异和I/O点数的多少等进行大致分类。

PLC的另一个明显优势是其安全性。与连接到互联网的PC不同,PLC通常只连接到其他PLC硬件和软件。这可以大大降低网络攻击的机会。

由于实时控制和额外的安全性,PLC在工业控制市场中仍然很受欢迎,并将在未来几年继续存在。随着传感器技术的突飞猛进,更多的输入可用于做出过程控制决策,这也导致了PLC的普及。

1.按结构形式分类

(1)整体式PLC

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整体式PLC是将电源、CPU、I/O接口等部件都集中装在一个机箱内,如图所示。具有结构紧凑、体积小、价格低的特点。小型PLC一般采用这种整体式结构。整体式PLC由不同I/O点数的基本单元(又称主机)和扩展单元组成,基本单元内有CPU、I/O接口、与I/O扩展单元相连的扩展口以及与编程器或EPROM写入器相连的接口等;扩展单元内只有I/O和电源等,而没有CPU。基本单元和扩展单元之间一般用扁平电缆连接。整体式PLC一般还可配备特殊功能单元,如模拟量单元、位置控制单元等,使其功能得以扩展。

(2)模块式PLC

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模块式PLC将PLC的各组成部分分别做成若干个单独的模块,如CPU模块、I/O模块、电源模块(有的含在CPU模块中)以及各种功能模块。模块式PLC由框架或基板和各种模块组成,模块装在框架或基板的插座上,如图所示。这种模块式PLC的特点是配置灵活,可根据需要选配不同规模的系统,而且装配方便,便于扩展和维修。大、中型PLC一般采用模块式结构。

还有一些PLC将整体式和模块式的特点结合起来,构成所谓的叠装式PLC。叠装式PLC的CPU、电源、I/O接口等也是各自独立的模块,但它们之间是靠电缆进行连接的,并且各模块可以一层层地叠装。这样,不但系统可以灵活配置,还可做得体积小巧。

2.按功能分类

(1)低档PLC

低档PLC具有逻辑运算、定时、计数、移位以及自诊断、监控等基本功能,还可有少量模拟量输入/输出、算术运算、数据传送和比较及通信等功能,主要用于逻辑控制、顺序控制或少量模拟量控制的单机控制系统。

(2)中档PLC

中档PLC除具有低档PLC的功能外,还具有较强的模拟量输入/输出、算术运算、数据传送和比较、数制转换、远程I/O、子程序及通信联网等功能;有些还可增设中断控制、PID控制等功能,适用于复杂的控制系统。

(3)高档PLC

高档PLC除具有中档PLC的功能外,还增加了带符号算术运算、矩阵运算、位逻辑运算、平方根运算及其他特殊功能函数的运算、制表及表格传送功能等。高档PLC具有更强的通信联网功能,可用于大规模过程控制或构成分布式网络控制系统,进而实现工厂自动化。

3.按I/O点数分类

(1)小型PLC:小型PLC的I/O点数小于256,具有单CPU及8位或16位处理器,用户存储器容量为4KB以下。例如:FX0S系列。

(2)中型PLC:中型PLC的I/O点数在256~2048,具有双CPU,用户存储器容量为2~8KB。

(3)大型PLC:大型PLC的I/O点数大于2048,具有多CPU及16位或32位处理器,用户存储器容量为8~16KB。

三足鼎立的PLC格局

除了以上的产品分类,世界上的PLC产品可按地域分成三大流派,一个流派是美国产品,一个流派是欧洲产品,一个流派是日本产品。美国和欧洲的PLC技术是在相互隔离情况下独立研究开发的,因此美国和欧洲的PLC产品有明显的差异性。而日本的PLC技术是由美国引进的,对美国的PLC产品有一定的继承性,但日本的主推产品定位在小型PLC上。美国和欧洲以大中型PLC而闻名,而日本则以小型PLC著称。

在全球PLC(可编程逻辑控制器)市场上,电机、欧姆龙、和ABB等巨头长期占据主导地位。

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其中,2023年的市场领头羊无疑是Siemens(),以高达40%的市场份额稳坐榜首,并实现了778亿欧元的营收,同比增长11%。紧随其后的是RockwellAutomation(罗克韦尔自动化)、进化OMRON(欧姆龙)、SchneiderElectric(电气)等,这些企业同样在全球PLC市场中占有举足轻重的地位。

中国PLC市场的增长潜力

不过随着工业自动化领域的不断发展和应用需求的日益增加,中国PLC市场也迎来了前所未有的发展机遇。制造业产业升级、高端装备的发展以及工业4.0时代的推动,共同推动了中国PLC市场规模的持续扩大。预计到2023年,我国PLC市场规模将达到惊人的165.4亿人民币,其中小型PLC和中大型PLC的市场规模分别为80.72亿元和84.68亿元。在新技术应用、系统开放性以及价格等多重因素的驱动下,未来中国PLC市场的增长潜力依然巨大。

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与全球市场相比,中国PLC市场则呈现出更为复杂和多元化的态势。这里汇聚了大大小小上百家PLC公司,形成了一个竞争激烈的战场。国产PLC厂家大致可以分为两大阵营:项目型和产品型,它们分别服务于离散行业自动化和流程行业自动化。

在这个充满挑战和机遇的市场中,国产PLC厂商正努力寻求突破和创新。



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