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

　　監(jiān)測和控制工業(yè)自動化應(yīng)用

　　執(zhí)行與測試和測量工作有關(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)并進行處理，然后基于邏輯的作出決定，向機械或電氣系統(tǒng)發(fā)出控制指令。PLC 是嵌入式系統(tǒng)，將計算機的處理器、存儲器與輸入輸出 (IO) 設(shè)備組合在一起——很像與之競爭的、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) 外形的非常簡單的計算機，到安裝在多個機箱中的大型機架式控制器子組件的集合。更簡單的、基于微控制器的 PLC 或那些采用片上系統(tǒng) (SoC) 的 PLC 能夠達到非常高的可靠性，在非常小的輸入功率下運行。相比之下，最復(fù)雜的 PLC 已經(jīng)模糊了 PLC 和用于實時工業(yè)控制的通用計算機之間的構(gòu)成界限。.. 盡管前者仍然強調(diào)可靠性和實時性。

　　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 只需通過將輸入轉(zhuǎn)化為輸出來執(zhí)行基本操作。任何需要比例積分微分 (PID) 控制的機器任務(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)雜的運行已都是 PLC 指令集的標配。

　　事實上，隨著時間的推移，對 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到前所未有的智能化。隨著對運動控制、視覺系統(tǒng)和通信協(xié)議的全面支持，這種趨勢仍將持續(xù)。在 PLC 尺寸方面，一些可編程自動化控制器 (PAC) 將 PLC 與 PC 整合在一起，取代 PLC 和專有控制系統(tǒng)(以專有編程語言運行)，以適應(yīng)某些應(yīng)用。今天，有更多的 PLC 也被集成到人機接口(HMI) 中。

　　PLC 參與運行的工業(yè)數(shù)字環(huán)境

　　今天的工業(yè)自動化依賴于機器反饋、運行數(shù)據(jù)以及數(shù)字設(shè)備之間復(fù)雜的互連來實現(xiàn)。

　　控制數(shù)字設(shè)備。

　　運行高級功能——例如那些與 IIoT 連接和機器重新配置有關(guān)的功能。

　　讓人們能夠?qū)Ω鞣N機器和運行條件作出決策。

　　提高整體生產(chǎn)力和工件質(zhì)量。

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

　　材料需求計劃或制造資源計劃 (MRP) 系統(tǒng)提供生產(chǎn)計劃、進度、財務(wù)和庫存控制信息。相比之下，歷史數(shù)據(jù)系統(tǒng)保存了來自傳感器和儀表的時間序列數(shù)據(jù)，可用于繪制圖形，幫助操作員和管理系統(tǒng)了解、處理自動化趨勢。統(tǒng)計過程控制 (SPC))是一個歷史數(shù)據(jù)庫應(yīng)用。

　　人機接口 (HMI) 是機器控制面板(或以無線方式連接移動設(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控制和監(jiān)測自動化機器與其 HMI 和歷史數(shù)據(jù)庫之間的互動。SCADA 是一種 HMI，可以控制多臺機器。..并顯示與多個設(shè)備有關(guān)的數(shù)據(jù)。

　　制造執(zhí)行系統(tǒng) (MES) 包括運行進度和數(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。.. 或者是一個核心 ERP 系統(tǒng)，連接來自多個供應(yīng)商的專門應(yīng)用。通常情況下，只有高層管理人員與 ERP 進行互動——在具體的大企業(yè)中，大多數(shù)人員與其中的某一個組件系統(tǒng)互動。

　　PLC 的運行級別通常低于這些信息系統(tǒng)。PLC 向機器、電機和傳感器發(fā)送和接收信息。也可以與上面的信息層互動，向歷史數(shù)據(jù)庫庫或 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)庫功能。.. 甚至在越來越多的情況下執(zhí)行 HMI 功能。

　　圖 ：PLC 的運行級別通常低于自動化信息系統(tǒng)。(圖片來源：Jody Muelaner)

　　請注意，PLC 不只是參與自動化：也被用于控制測試平臺(產(chǎn)品開發(fā))和實驗室測量任務(wù)。

　　如上所述，自動化通常強調(diào)診斷并要求 PLC 進行決定性的實時操作以獲得真正的效果。

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

　　對于機器自動化任務(wù)來說，PLC 依靠實時處理，其中輸入和響應(yīng)輸出之間的延遲以毫秒為單位。除了最簡單的 PLC 功能外，其他都需要實時操作系統(tǒng) (RTOS)。雖然許多 PLC 仍然使用專有操作系統(tǒng)，但人們對開放標準的操作系統(tǒng)越來越感興趣。例如，VxWorks 是一個專有實時操作系統(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)先的機器人制造商在使用該操作系統(tǒng)?；蛘撸?MIT 開源許可下免費發(fā)布的開源變體版本 FreeRTOS。FreeRTOS 包括各種物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 庫，適用于廣泛的自動化應(yīng)用。有關(guān)這方面的詳細內(nèi)容，參見 Digi-Key 《使用 Amazon FreeRTOS 快速、安全地將設(shè)計與云端連接》一文。

　　對于測試和測量任務(wù)，PLC 依靠實時處理的方式來完成，其中現(xiàn)場設(shè)備測量和其數(shù)據(jù)收集之間的延遲以毫秒為單位。那個讓工程師們別無選擇，只能采用接口轉(zhuǎn)換器和傳輸通道系統(tǒng)的時代已經(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)通過數(shù)字和模擬輸入提升并簡化了信號收集功能。

　　今天的工程師們也有了更多的選擇。這些選擇基于標準化接口、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接口——但無法方便地重新校準產(chǎn)生低壓模擬信號的現(xiàn)場設(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)過特定設(shè)置的 PLC，具體設(shè)置為從遠程 I/O 設(shè)備收集數(shù)據(jù)。.. 通過其板載 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)場設(shè)備以及工業(yè)人機接口、PLC 配合使用。特別是 Modbus/TCP 連接，通過各種第三方軟件和硬件選項提供了可控性，實現(xiàn)了開放性和靈活性——這反過來讓工業(yè)系統(tǒng)架構(gòu)師、研發(fā)工程師在數(shù)據(jù)收集、自動化應(yīng)用方面進行選擇時無需考慮供應(yīng)商。

　　當(dāng)然，PLC 并不是機器自動化或測試和測量的唯一選擇。由于所有的工業(yè)控制都變得越來越復(fù)雜，一些供應(yīng)商已經(jīng)將某些硬件區(qū)分為可編程自動化控制器 (PAC)，以表示具有功能更強。.. 且在許多情況下，一個硬件中會有多個處理器。實際上，PLC 的復(fù)雜性也越來越高——所以對于一些執(zhí)行 PLC 功能的硬件何時構(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)雜的自動化系統(tǒng)使用，其特點是具有多個基于 PC 的應(yīng)用以及 HMI 和歷史數(shù)據(jù)庫。一個明顯的區(qū)別是，PAC 對開發(fā)者來說更易采用，因為其擁有比傳統(tǒng)控制技術(shù)更開放的架構(gòu)。

　　然而，今天的另一個選擇是模塊化 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，其中包括運行操作系統(tǒng)及程序的處理器、存儲器。此外，還可能包括獨立的電源模塊、額外的輸入/輸出 (I/O) 模塊。一個 PLC 可能包括數(shù)字和模擬 I/O 模塊。另一個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機箱內(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，通常允許多個模塊通過直接插入彼此或使用公共機架作為總線輕松連接在一起。各個模塊根據(jù)其在總線上的位置被尋址。盡管機架的物理支持方面可能符合 DIN 等標準，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

　　隨著人們對工業(yè) 4.0(也稱為 IIoT)的興趣越來越大，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) 或簡單的 TCP/IP 進行通信。然而，IIoT 趨勢不僅僅與互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的使用有關(guān)。.. 而且也與機器學(xué)習(xí)和大數(shù)據(jù)有關(guān)。隨著 PLC 功能越來越強大(更先進的控制使 PLC 功能成為一種特色)，具有如視覺系統(tǒng)等更多的主機功能?；ヂ?lián)網(wǎng)連接功能還允許工程師(通過系統(tǒng) PLC)利用基于云的算法來處理極其龐大的數(shù)據(jù)集(也稱為大數(shù)據(jù))，實現(xiàn)機器學(xué)習(xí)。

　　實際應(yīng)用中，控制自動化技術(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，適用于周期時間小于 0.1 毫秒的實時控制應(yīng)用——是最快的工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，能夠以納秒級精度進行同步。另一個重要的優(yōu)勢是 EtherCAT 網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)靈活，不需要網(wǎng)絡(luò)集線器和交換機。設(shè)備可以簡單地以環(huán)狀、線狀、星狀或樹狀配置的形式連在一起。PROFINET 是一個具有類似功能的競爭性標準。

　　結(jié)語

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

　　基于云的計算

　　能夠進行數(shù)據(jù)處理的邊緣設(shè)備

　　除了這些趨勢之外，仍然需要更多可靠性最高、能效最優(yōu)的傳統(tǒng) PLC 來執(zhí)行相對簡單的測試、測量以及控制功能。