PLC与控制系统的开放性.docx

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PLC与控制系统的开放性

在现代社会中，无论在任何行业，从工厂的生产，到能源的输送，到与人民生活息息相关的市政工程，甚至人们的工作和休息的楼宇，到处都可以看到自动化系统的身影。

自动化系统不仅早就成为了工业和社会生活的一个组成部分，而且是经济发展水平的重要标志。

    自动化系统由三部分组成：

仪器仪表与传感器、控制系统、执行机构。

如果把自动化系统比做人体的话，仪器仪表部分就是人的五官，执行机构则是人的四肢，而控制系统，则是人的大脑。

由于现在机器、设备和生产装置越来越依靠自动化系统来运作，所以，控制系统不仅是自动化系统的大脑，甚至是整个设备甚至整个生产线的大脑。

    控制系统其实从20世纪四十年代就开始使用了，早期的现场基地式仪表和后期的继电器构成了控制系统的前身。

现在所说的控制系统，多指采用电脑或微处理器进行智能控制的系统，在控制系统的发展史上，称为第三代控制系统。

这一代系统以PLC和DCS为代表，从七十年代开始应用以来，在冶金、电力、石油、化工、轻工等工业过程控制中获得迅猛的发展。

其中PLC，即可编程控制器，主要是从顺序控制发展而来的，但从九十年代开始，随着电子技术、计算机技术和通信技术的发展，PLC的性能扩展的越来越广，PLC的应用也逐渐向连续流程工业拓展，同时，DCS也开始向小型化的方向拓展。

之后，陆续出现了现场总线控制系统、基于PC的控制系统等。

    本章将主要介绍PLC的发展，之后介绍各种常见的控制系统在开放性方面的演进，从中可以看出控制系统的演进过程和方向，最后导入开放式PLC的产品的诞生。

1. PLC简介

1.1. PLC的发展历史    

    可编程逻辑控制器，又称可编程控制器，有过多种定义。

可以被看作是一种经过特殊设计的工业计算机，整个的设计原则就是简单与实用。

    1968年，通用汽车公司的液压部门为了消除既复杂又昂贵的继电器控制系统，确立了第一个可编程控制器的招标指标。

该设计规格需要固态系统和电脑技术，并要求能够在工业环境中生存，也能够方便地编程，并且可以重复使用。

该控制系统将大大减少机器的停机时间，并为未来提供了可扩展性。

最初为PLC所定的招标指标中，包含如下内容：

    * 新系统与继电器系统相比，体积要小，而且必须具有价格竞争力。

    * 系统必须能够在工业环境中独立而持续运行。

    * 输入输出界面必须能够方便地替代。

    * 控制器必须是模块化的结构，以便维修或更换时能够方便地取出；

    * 系统要具备将数据传送到中央系统的能力；

    * 系统可以重复使用；

    * 控制器的编程方法必须简单，容易为工厂人员所了解。

    第一次招标是DEC公司中标，1969年研制出了第一台可编程控制器PDP-14，应用于GM的汽车流水线并取得成功。

其后，美国的MODICON公司也推出了同名的084控制器，1971年日本推出了DSC-80控制器，1973年西欧国家的各种可编程控制器也研制成功。

这些早期的控制器满足了最初的要求，并且打开了新的控制技术的发展的大门。

    第一个PLC当时称为可编程控制器，英文是PROGRAMMABLE CONTROLLER，缩写为PC。

到了80年代末期，由于IBM的个人计算机获得了空前发展，在社会上，PC作为个人计算机的缩写家喻户晓，为了避免混淆，PLC改为PLC，现在PLC已经成为了一个新的工业的单词，很少有人去说可编程逻辑控制器了。

    与DCS的发展一样，PLC的发展也是与计算机技术、控制技术、数字技术、通信网络技术等高新技术的发展息息相关，正是这些高新技术的发展推动了可编程控制器的发展。

从控制功能来看，可编程控制器的发展大致经历了4个阶段：

1） 初级阶段  从第一台PLC问世到20世纪70年代中期。

由于第一代PLC是为了取代继电器的，因此，主要功能是逻辑运算和计时、计数功能。

CPU由中小规模数字集成电路构成。

主要产品有：

MODICON公司的084，AB公司的PDQ-IL，DEC公司的PDP-14，日立公司的SCY-022等。

第一阶段就采用了梯形图语言作为编程方式，尽管有些枯燥，但却形成了工厂的编程标准。

2） 扩展阶段  从20世纪70年代中期到70年代末期。

这一阶段PLC产品的控制功能得到很大扩展。

扩展的功能包括数据的传送、数据的比较和运算、模拟量的运算等功能。

这一阶段的产品有MODICON的184，284，384，西门子公司的SIMATIC S3系列，富士电机公司的SC系列产品。

3） 通信阶段  20世纪70年代末期到80年代中期，这一阶段产品与计算机通信的发展有关，形成了分布式通信网络。

但是，由于各制造商各自为政，通信系统也是各有各的规范。

由于在很短的时间，PLC已经从汽车行业就迅速扩展到其它行业，作为继电器的替代品进入了食品、饮料、金属加工、制造和造纸等多个行业。

其次，产品功能也得到很大的发展。

同时，可靠性进一步提高。

这一阶段的产品有西门子公司的SIMATIC S6系列，GOULD公司的M84，884等，富士电机的MICRO 和TI公司的TI530等。

4） 开放阶段  从20世纪80年代中期开始。

 由于国际标准化组织提出了开放系统互连的参考模型OSI，使PLC在开放功能上有较大发展。

主要表现为通信系统的开放，使各制造厂商的产品可以通信，通信协议开始标准化，使用户得益。

此外，PLC开始采用标准化软件系统，增加高级语言编程，并完成了编程语言的标准化工作。

这一阶段的产品有西门子公司的S7和S7系列，AB公司的PLC-5，SLC500等。

1.2 PLC的定义以及硬件和软件进展

    PLC的技术从诞生之日起，就不停地发展。

在诞生初期，PLC与继电器控制、模拟表以及其它早期的固态逻辑控制相比可以说是控制系统的新丁；第一个PLC还多少有些像是继电器的替代品，其主要功能是原来由继电器所执行的顺序操作。

这些操作包括机器的开/关控制，以及需要重复操作的过程。

不久，可编程控制器就增加了内存和I/O的映像，后来又增加了计数器和定时器，使得PLC可以做许多复杂的预先指定的工作。

后来，PLC又增加了永久内存或电池后备的内存，以及EEPROM的存储器，这样，即使掉电，用户的程序和数据也可以被保存。

随后又发展了功能块等复杂功能。

总之，这些可编程控制器的功能却在继电器的基础上大大地提高了，它们不仅容易安装，占用空间小，能源消耗小，带有诊断指示器可以帮助故障诊断，而且可以被重复使用到其它的项目中去。

    尽管PLC的功能，如运行速度、接口种类、数据处理能力已经获得了很大的提高，早就不可同日而语了，但PLC的一直保持了其最初设计的原则----那就是简单至上，无论是使用，还是维护。

    PLC的第一个正式定义是1980年美国电气制造协会NEMA（National Electrical Manufacturers Association）作出的：

可编程控制器是一种数字式的电子装置，它使用可编程序的存储器来存储指令，并实现逻辑运算、顺序运算、计数、计时和算术运算功能，用来对各种机械或生产过程进行控制。

    1982年，国际电工委员会IEC（International Electrical Committee）颁布了可编程序控制器标准草案，1985年提交了第二版，1987年的第三版对可编程控制器作了如下的定义：

    可编程控制器是一种能够直接应用于专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。

它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各类的机械或生产过程。

可编程控制器及其有关的外围设备都应按照易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。

    可见，PLC的定义实际是根据PLC的硬件和软件技术进展而发展的。

这些发展不仅改进了PLC的设计，也改变了控制系统的设计理念。

这些改变，包括硬件和软件的。

以下列出了PLC的硬件进展：

  * 采用新的先进的微处理器和电子技术达到快速的扫描时间；

  * 小型的、低成本的ＰＬＣ，可以代替四到十个继电器，现在获得更大的发展动力。

  * 高密度的Ｉ／Ｏ系统，以低成本提供了节省空间的接口；

  * 基于微处理器的智能I/O接口扩展了分布式控制能力，典型的接口如PID，网络，CAN总线，现场总线，ASCII通信，定位，主机通讯模块，和语言模块（如BASIC，PASCAL）等。

  * 包括输入输出模块和端子的结构设计改进，使端子更加集成。

  * 特殊接口允许某些器件可以直接接到控制器上，如热电偶、热电阻、应力测量、快速响应脉冲等；

  * 外部设备改进了操作员界面技术，系统文档功能成为了PLC的标准功能。

    以上这些硬件的改进，导致了PLC的产品系列的丰富和发展，使PLC从最小的只有十个I/O点的微型PLC，到可以达到8000点的大型PLC，应有尽有。

这些产品系列，用普通的I/O系统和编程外部设备，可以组成局域网，并与办公网络相连。

整个PLC的产品系列概念对于用户来说，是一个非常节约成本的控制系统概念。

    与硬件的发展相似，PLC的软件也取得了巨大的进展，大大强化了PLC的功能：

  * PLC引入了面向对象的编程工具，并且根据国际电工委员会的IEC61131-3的标准形成了多种语言；

  * 小型PLC也提供了强大的编程指令，并且因此延伸了应用领域；

  * 高级语言，如BASIC，C在某些控制器模块中已经可以实现，在与外部通讯和处理数据时提供了更大的编程灵活性；

  * 梯形图逻辑中可以实现高级的功能块指令，可以使用户用简单的编程方法实现复杂的软件功能；

  * 诊断和错误检测功能从简单的系统控制器的故障诊断扩大到对所控制的机器和设备的过程和设备诊断；

  * 浮点算术可以进行控制应用中计量、平衡和统计等所牵涉的复杂计算；

  * 数据处理指令得到简化和改进，可以进行涉及大量数据存储、跟踪和存取的复杂控制和数据采集和处理功能。

    可编程控制器现在已经成为了一个不可代替的控制系统，它们可以与其它系统通讯，提供产品报表，生产调度，诊断自身和设备的故障，这些技术上的改进让PLC成为今天的各行各业的高质量和产量的重要的贡献者。

尽快PLC比原来复杂了很多，但是，他们依然保持了令人吃惊的简单性，对操作员来说，今天的高功能的PLC与三十年前一样那么容易操作。

PLC的未来发展不仅取决与产品本身的发展，还取决于PLC与其它控制系统和工厂管理设备的集成情况。

PLC通过网络，被集成到计算机集成制造（CIM）系统中，把他们的功能和资源与数控技术、机器人技术、CAD/CAM技术、个人计算机系统、管理信息系统以及分层软件系统结合起来，在工厂的未来发展中，将占据重要的地位。

    新的PLC的技术进展包括，更好的操作员界面，图形用户界面（GUI），人机界面，也包括与设备、硬件和软件的接口，并支持人工智能比如逻辑I/O系统等。

    软件进展将采用广泛使用的通讯标准提供不同设备的连接，新的PLC指令将立足于增加PLC的智能性，基于知识的学习型的指令也将逐步被引入，以增加系统的能力。

    用户对于柔性制造系统的需求将决定未来的控制哲学。

可以肯定的是，未来的工厂自动化中，PLC将肯定占据重要的地位，控制策略将被智能地分布开来，而不是集中，超级PLC将在需要复杂运算、网络通信和对小型PLC和机器控制器的监控的应用中获得使用。

1.3 PLC的特点

    PLC发展如此迅速的原因，在于它具有一些其它控制系统，包括DCS和通用计算机在内，所不及的一些特点。

下面对这些特点做一个介绍：

1.3.1 可靠性

    可靠性包括产品的有效性和可维修性。

可编程控制器的可靠性高，表现在下列几个方面：

    a） 可编程控制器不需要大量的活动部件和电子元件，接线大大减少，与此同时，系统的维修简单，维修时间缩短，因此可靠性得到提高。

    b） 可编程控制器采用一系列可靠性设计方法进行设计，例如冗余设计，掉电保护，故障诊断，报警和运行信息显示和信息保护及恢复等，提高了MTBF，降低了MTTR，使可靠性得到提高。

    c） 可编程控制器有较强的易操作性，它具有编程简单，操作方便，编程的出错率大大降低，而为工业恶劣操作环境而设计的硬件使可靠性大大提高。

    d）可编程控制器的硬件设计方面，采用了一系列提高可靠性的措施。

例如，采用可靠性高的工业级元件，采用先进的电子加工工艺（SMT）制造，对干扰采用屏蔽、隔离和滤波等；存储器内容的饿保护，采用看门狗和自诊断措施，便于维修的设计等。

    一份用户选用PLC原因的调查报告指出，在各种选用PLC的原因中，第一位的原因是由于可靠性高的，占93%，其次，才是性能和维修方面的原因。

1.3.2 易操作性

    PLC的易操作性表现在下列三个方面：

    1）    操作方便  对PLC的操作包括程序的输入和程序更改的操作，大多数PLC采用编程器进行程序输入和更改操作。

现在的PLC的编程器大部分可以用电脑直接进行，更改程序也可根据所需地址编号、继电器编号或接点号等直接进行搜索或按顺序寻找，然后可以在线或离线更改。

    2）    编程方面  PLC有多种程序设计语言可以使用，对现场电气人员来说，由于梯形图与电气原理图相似，因此，很容易理解和掌握。

采用语句表语言编程时，由于编程语句是功能的缩写，便于记忆，并且与梯形图有一一对应的关系，所有有利于编程人员的编程操作。

功能图表语言以过程流程进展为主线，十分适合设计人员与工艺专业人员设计思想的沟通。

功能模块图和结构化文本语言编程方法的应用尚未普及，但由于它们具有功能清晰，易于理解等优点，而且与DCS组态语言的统一，正受到广大技术人员的重视。

    3）    维修方便  PLC所具有的自诊断功能对维修人员的技术要求降低，当系统发生故障时，通过硬件和软件的自诊断，维修人员可以根据有关故障代码的显示和故障信号灯的提示等信息，或通过编程器和HMI屏幕的设定，直接找到故障所在的部位，为迅速排除故障和修复节省了时间，降低了MTTR。

    为便于维修工作的开展，有些PLC制造商提供维修用的专用仪表或设备，提供故障维修树等维修用资料；有些厂商还提供维修用的智能卡件或插件板，使维修工作变得十分方便。

此外，PLC的面板和结构设计也考虑了维修的方便性。

例如，对需要维修的部件设置在便于维修的位置，信号灯设置在易于观察的位置，接线端子采用便于接线和更换的类型等，这些设计使维修工作能方便地进行，大大缩短了维修时间。

采用标准化元件和标准化工艺生产流水作业，使维修用备品备件简化等，也使维修工作变得方便。

1.3.3 灵活性

    PLC的灵活性主要表现在以下3个方面：

    1）    编程的灵活性  PLC采用的标准编程语言有梯形图、指令表、功能图表、功能模块图和结构化文本编程语言等。

使用者只要掌握其中一种编程语言就可进行编程，编程方法的多样性使编程方便。

由于PLC内部采用软连接，因此，在生产工艺流程更改或者生产设备更换后，可不必改变PLC的硬设备，通过程序的编制与更改就能适应生产的需要。

这种编程的灵活性是继电器顺序控制系统和数字电路控制系统所不能比拟的。

正是由于编程的柔性特点，使PLC成为工业控制领域的重要控制设备，在柔性制造系统FMS，计算机集成制造系统（CIMS）和计算机流程工业系统（CIPS）中，PLC正成为主要的控制设备，得到广泛的应用。

    2）    扩展的灵活性  PLC的扩展灵活性是它的一个重要特点。

它可以根据应用的规模不断扩展，即进行容量的扩展、功能的扩展、应用和控制范围的扩展。

它不仅可以通过增加输入输出卡件增加点数，通过扩展单元扩大容量和功能，也可以通过多台PLC的通信来扩大容量和功能，甚至可以与其它的控制系统如DCS或其它上位机的通信来扩展其功能，并与外部的设备进行数据交换。

这种扩展的灵活性大大方便了用户。

    3）    操作的灵活性  指设计工作量、编程工作量、和安装施工的工作量的减少。

操作变得十分方便和灵活，监视和控制变得很容易。

在继电器顺序控制系统中所需的一些操作得到简化，不同生产过程可采用相同的控制台和控制屏等。

1.3.4 机电一体化

    为了使工业生产的过程的控制更平稳，更可靠，向优质高产低耗要效益，对过程控制设备和装置提出了机电一体化------仪表、电子、计算机综合的要求，而PLC正是这一要求的产物，它是专门为工业过程而设计的控制设备，具有体积小、功能强，抗干扰性好等优点，它将机械与电气部件有机地结合在一个设备内，把仪表、电子和计算机的功能综合集成在一起，因此，它已经成为当今数控技术、工业机器人、离散制造和过程流程等领域的主要控制设备，成为工业自动化三大支柱（PLC，机器人，CAD/CAM）之一。

2 各类控制系统的开放进展

2.1  DCS控制系统的进展

    1975年前后，自动化仪表行业在原来采用中小规模集成电路而形成的直接数字控制器（DDC）的自控和计算机技术的基础上，结合阴极射线管（CRT）、数据通信技术，开发出了以集中显示操作、分散控制为特征的集散控制系统 （DCS）。

在以后的近30年间，DCS产品虽然在原理上并没有多少突破，但由于技术的进步、外界环境变化和需求的改变，设计思想发展了，共出现了3代DCS产品。

1975年至80年代前期为第一代产品，80年代中期至90年代前期为第二代产品，90年代中期至21世纪初为第三代产品。

3代产品的区别，可从DCS的三大部分，即控制站、操作站和通信网络的发展来判断。

　　70年代中期，过程工业发展很快，但由于设备大型化、工艺流程连续性要求高、要控制的工艺参数增多，而且条件苛刻，要求显示操作集中等，使已经普及的电动单元组合仪表不能完全满足要求，在此情况下，业内厂商经过市场调查，确定开发的DCS产品应以模拟量反馈控制为主，辅以开关量的顺序控制和模拟量开关量混合型的批量控制（针对精细化工等行业的批量生产方式），这们可以覆盖炼油、石化、化工、冶金、电力、轻工及市政工程等大部分行业。

由于当时计算机并不普及，人们已习惯于常规自动化仪表的显示操作，所以开发DCS应强调用户可以不懂计算机就能使用DCS；同时，用户已习惯于在购置系统的同时配置自动化仪表，所以开发DCS还应强调向用户提供整个系统。

此外，开发的DCS应做到与中控室的常规仪表具有相同的技术条件，以保证可靠性、安全性。

由此可见，当时DCS是与常规仪表中的二次仪表（控制室仪表）共同分享市场份额的。

DCS先与成套设备配套，而后逐步扩大到工艺装置改造上，与此同时，也分成大型DCS和中小型DCS两类产品，使其性能价格比更具有竞争力。

目前，世界上有数十家生产DCS的厂家，其中，前十家就占了80%的市场份额。

    DCS通常可以分为三个层面，一是控制站，二是操作站，第三就是通信网络。

   [b] 控制站[/b]

　　控制站是一个完整的计算机，实际运行中可以在不与操作站及网络相连的情况下，完成过程控制策略，保证生产装置正常运行。

第一代DCS控制站的功能更近似于多回路调节器，而且每个控制站都可以配置人机界面和备用操作器；第二代DCS控制站的实时操作系统及程序编译系统比较完整，编程语言有面向过程语言和高级语言，控制策略的组态由操作站或工作站在与控制站联机的情况下，完成编译和下装；第三代DCS控制站的系统软件齐全，操作站或工程师站可以完成离线组态及在线修改控制策略。

对于顺序控制和批量控制组态编程，各种DCS控制站采用不同的方法，直到近年来才向PLC的编程标准------IEC 61131-3编程语言标准靠拢。

　　大型DCS的一台控制站可以完成上百个回路的控制，其容错技术完善，可靠性、安全性强，所以“分散控制以消除危险”的初衷已很难体现。

当然，对于一个有多套工艺装置和一个中控室的工厂，每套装置就近安装一台控制站的大系统来说，这也是一种分散型控制，只是对控制站的可靠性要求更高了。

　　中小型DCS控制站，以控制16~32回路为限，分散性较易为人们所接受。

目前小型DCS所占有的市场，已逐步与PLC、IPC、FCS共享，今后小型DCS可能首先与这3种系统融合，而且“软DCS”技术将首先在小型DCS中得到发展。

　　[b]操作站[/b]

    DCS操作站具有操作员功能、工程师功能、通信功能和高级语言功能等，其中工程师功能中包括系统组态、系统维护、系统通用（Utility）功能。

实际的DCS操作站是典型的计算机，它与控制站不同，有着丰富的外围设备和人机界面。

第三代DCS操作站是在个人计算机（PC）及Windows操作系统普及和通用监控图形软件已商品化的基础上诞生的。

目前大多数DCS操作站已采用高档PC机或工控机，Windows NT（或Windows 98）操作系统，客户机/服务器（C/S）结构，DDE（动态数据交换）或OPC（用于过程控制对象链接嵌入）接口技术，以太网接口与管理网络相连。

操作员的操作主要依靠流程图画面和标准的总貌画面、分组画面等，采用标准键盘、鼠标和操作员专用键盘，这是DCS的特点，要经过专门培训才能被工艺操作人员接受。

    DCS系统组态、操作站组态、控制站组态均有相应软件，为DCS用户的工程设计人员提供人机界面。

在采用通用监控图形软件（如iFIX、Intouch等）这一点上，各DCS厂家做法不一，有的以此为平台，形成“软DCS”操作站，这多用于中小型DCS，或以此类软件为核心，进行二次开发；大多数DCS厂家对原来的组态软件进行改造，使之符合上述特点，满足系统开放要求。

　　[b]数据通信及网络[/b]

　 在DCS系统诞生时，通信模件主要解决一个生产装置中几个控制站和一个或几个操作站之间的数据通信问题；第二代DCS则解决多个装置的DCS互联问题；第三代DCS则解决一个工厂的多个车间互联及与全厂计算机管理网络互联的问题，这是总的设计思想。

　　由于计算机网络系统技术的发展，全厂各生产车间用DCS 的通信总线相连的实例较少，所以在第三代DCS中DCS通信功能的发展是与全厂管理网络（以太网）技术相融合，通信网络由多重结构向扁平化过渡，所以，第三代DCS的通信系统特点是具有开放性。

　　DCS系统的规模与通信能力有关系，在70年代中期，数字通信已开始普及，但仅限于电信行业，工业用户迫切要求成套地提供DCS系统，而当时只有一些大的计算机厂家提出数据传输规程（协议），并无统一的数据通信标准，所以各DCS厂家都以专利形式发表（或购买）DCS通信技术。

因为数据通信标准牵涉到网络结构、通信介质（信道）、通信协议、不同用户行业的行规等方面，所以直至目前也没有工业（或过程工业）网络的完整的统一标准。

　　在DCS 中采用数字通信技术，还有在控制站内采用站内通信总线及远程I/O总线，以及在第三代DCS的控制站内增加了连接PLC、分析仪和现场智能仪表的接口卡，使DCS与现场仪表之间的接线减少，并对现场仪表进行设备管理，这为DCS向下兼容并与现场总线通信技术融合打下基础。

    DCS目前所发展的最主要的方向，就是系统开放性问题。

关于开放性，除去通信问题以外，操作系统、数据库、人机界面、控制策略的组态等方面，都有开放性问题，所以随着技术进步，DCS的开放性会逐渐加强，而且还应发挥其特色，使分散型计算机控制系统，从传统DCS中解放出来。

当务之急是要使DCS与