可編程邏輯控制器(PLC)作為工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的核心控制裝置,其發(fā)展歷程深刻反映了工業(yè)控制技術(shù)的演進(jìn)脈絡(luò)。從早期的繼電器替代品,到如今集成了強(qiáng)大通信與信息處理能力的智能節(jié)點(diǎn),PLC已發(fā)展成為現(xiàn)代智能制造和計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)集成不可或缺的基石。本文將系統(tǒng)闡述PLC的發(fā)展?fàn)顩r、內(nèi)部結(jié)構(gòu)及各部分作用,并探討其在計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)集成中的關(guān)鍵地位。
一、PLC的發(fā)展?fàn)顩r
PLC的發(fā)展大致經(jīng)歷了四個(gè)階段:
- 初創(chuàng)與替代階段(20世紀(jì)60年代末-70年代):為替代復(fù)雜的繼電器控制系統(tǒng)而生,功能單一,主要進(jìn)行邏輯運(yùn)算和定時(shí)/計(jì)數(shù)控制。編程采用類似繼電器梯形圖的梯形圖語言,硬件可靠性高,但存儲容量小、通信能力弱。
- 功能擴(kuò)展與普及階段(20世紀(jì)80年代):微處理器的引入使PLC功能大幅增強(qiáng),增加了模擬量處理、數(shù)據(jù)運(yùn)算和初步的通信功能。產(chǎn)品系列化,開始在多個(gè)行業(yè)普及應(yīng)用。
- 通信網(wǎng)絡(luò)化與開放化階段(20世紀(jì)90年代):現(xiàn)場總線技術(shù)(如Profibus、DeviceNet)的興起,使PLC成為工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。編程標(biāo)準(zhǔn)化(IEC 61131-3)、軟硬件開放性提升,能夠與上位機(jī)、人機(jī)界面(HMI)及其他智能設(shè)備高效協(xié)同。
- 集成化與智能化階段(21世紀(jì)以來):當(dāng)前PLC正朝著高度集成化、智能化方向發(fā)展。其特點(diǎn)包括:高度集成(集成運(yùn)動(dòng)控制、安全功能、視覺識別等);強(qiáng)大的信息處理能力(邊緣計(jì)算能力,能在本地進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理與分析);深度網(wǎng)絡(luò)融合(無縫接入工業(yè)以太網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)及云端,支持OPC UA、MQTT等協(xié)議);軟件定義與虛擬化(軟PLC興起,與IT系統(tǒng)更深融合)。現(xiàn)代PLC已超越傳統(tǒng)控制器范疇,成為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系中的智能邊緣設(shè)備。
二、PLC的結(jié)構(gòu)及各部分的作用
典型的PLC硬件系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu),主要由以下幾部分組成:
- 中央處理單元(CPU):PLC的“大腦”。負(fù)責(zé)執(zhí)行用戶程序、處理數(shù)據(jù)、進(jìn)行邏輯與算術(shù)運(yùn)算、協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)內(nèi)各模塊的工作。其性能決定了PLC的處理速度、程序容量和功能上限。
- 存儲器:
- 系統(tǒng)程序存儲器(ROM/Flash):固化存放PLC廠家編寫的系統(tǒng)管理程序、編譯程序等,用戶不可更改。
- 用戶程序存儲器(RAM/Flash):存放用戶編寫的控制程序和數(shù)據(jù)。RAM需電池保持,F(xiàn)lash可永久保存。
- 工作數(shù)據(jù)存儲器(RAM):存放程序運(yùn)行中的中間狀態(tài)、輸入/輸出映像、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器當(dāng)前值等。
- 輸入/輸出單元(I/O模塊):PLC與現(xiàn)場設(shè)備連接的“橋梁”。
- 輸入單元:接收來自現(xiàn)場傳感器、按鈕、開關(guān)等設(shè)備的信號(如DC24V、AC220V、4-20mA電流信號),將其轉(zhuǎn)換為CPU能處理的低電平數(shù)字信號,并進(jìn)行光電隔離以抗干擾。
- 輸出單元:將CPU處理后的微弱信號放大,轉(zhuǎn)換為能驅(qū)動(dòng)現(xiàn)場執(zhí)行機(jī)構(gòu)(如接觸器、電磁閥、指示燈、變頻器)的強(qiáng)電信號,同樣進(jìn)行隔離。
- 電源模塊:為PLC內(nèi)部各電路(CPU、存儲器、I/O接口等)提供穩(wěn)定可靠的直流工作電源(通常是DC 5V、24V)。許多電源模塊也能為部分現(xiàn)場傳感器提供電源。
- 通信接口與智能模塊:
- 通信接口:實(shí)現(xiàn)PLC與編程器、上位機(jī)、HMI、其他PLC或智能設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換。形式包括RS-232/485、以太網(wǎng)口、現(xiàn)場總線接口等。
- 智能功能模塊:如高速計(jì)數(shù)模塊、運(yùn)動(dòng)控制模塊、PID控制模塊、溫度控制模塊等,專門處理CPU不擅長的高速、高精度或復(fù)雜任務(wù),減輕CPU負(fù)擔(dān)。
- 編程裝置(編程器/工程師站):用于用戶程序的編寫、編輯、調(diào)試、下載和監(jiān)控。現(xiàn)代多為安裝有專用編程軟件(如西門子TIA Portal、羅克韋爾Studio 5000)的通用計(jì)算機(jī)。
三、PLC在計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)集成中的關(guān)鍵作用
在現(xiàn)代工業(yè)信息化的框架下,PLC已深度融入計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)集成(CISI)體系,成為連接底層物理設(shè)備(OT)與上層信息管理系統(tǒng)(IT)的核心紐帶。其作用主要體現(xiàn)在:
- 數(shù)據(jù)采集與邊緣預(yù)處理:PLC實(shí)時(shí)采集生產(chǎn)線上的設(shè)備狀態(tài)、工藝參數(shù)(如溫度、壓力、流量)、產(chǎn)量、能耗等海量原始數(shù)據(jù)。憑借不斷增強(qiáng)的邊緣計(jì)算能力,可進(jìn)行本地濾波、報(bào)警判斷、初步統(tǒng)計(jì)等預(yù)處理,將高質(zhì)量、結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)上傳,減輕上層系統(tǒng)負(fù)擔(dān)。
- 控制指令的可靠執(zhí)行終端:接收來自制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)、高級計(jì)劃與排程系統(tǒng)(APS)或云平臺下發(fā)的生產(chǎn)指令、配方參數(shù),并準(zhǔn)確、可靠地驅(qū)動(dòng)現(xiàn)場設(shè)備執(zhí)行,實(shí)現(xiàn)柔性化、精細(xì)化生產(chǎn)。
- 工業(yè)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn):作為現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)的節(jié)點(diǎn),PLC實(shí)現(xiàn)了設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通,并通過OPC UA等標(biāo)準(zhǔn)化通信協(xié)議,與SCADA(數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng))、MES、ERP(企業(yè)資源計(jì)劃)等系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)縱向集成,打通信息流。
- 保障系統(tǒng)可靠性與安全:PLC本身的高可靠性保障了生產(chǎn)過程的連續(xù)穩(wěn)定。安全型PLC可集成安全控制功能(通過安全總線或安全I(xiàn)/O),實(shí)現(xiàn)急停、安全門監(jiān)控等,滿足功能安全要求,其安全數(shù)據(jù)也可集成到整體安全信息管理中。
###
PLC歷經(jīng)數(shù)代發(fā)展,已從簡單的邏輯控制器演變?yōu)楣δ軓?qiáng)大、開放智能的工業(yè)控制核心。其模塊化結(jié)構(gòu)確保了靈活性、可靠性與可擴(kuò)展性。在工業(yè)4.0和智能制造浪潮下,PLC作為OT與IT融合的橋頭堡,在計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)集成中扮演著數(shù)據(jù)源頭、控制終端和通信樞紐的三重關(guān)鍵角色,是構(gòu)建數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化工廠不可或缺的基石。隨著軟硬件技術(shù)的進(jìn)一步融合,PLC將繼續(xù)向更開放、更智能、更云化的方向演進(jìn)。
如若轉(zhuǎn)載,請注明出處:http://www.maopaowang.cn/product/56.html
更新時(shí)間:2026-02-06 18:54:18