概念



工控指的是工業自動化控制,主要利用電子電氣、機械、軟件組合實現。即是工業控制（Factory
control），或者是工廠自動化控制（Factory
Automation
control）。主要是指使用計算機技術，微電子技術，電氣手段，使工廠的生産和制造過程更加自動化、效率化、精確化，並具有可控性及可視性。


工控的作用



工控技術的出現和推廣帶來了第三次工業革命，使工廠的生産速度和效率提高了300%以上。20世紀80年代初，隨著改革開放的春風，國外先進的工控技術進入中國大陸，比較廣泛使用的工業控制産品有“PLC，變頻器，觸摸屏，伺服電機，工控機”等。這些産品和技術大力推廣了中國的制造業自動化進程，爲中國現代化的建設作出了巨大的貢獻。


工控機


　　工業控制計算機，是一種采用總線結構，對生産過程及其機電設備、工藝裝備進行檢測與控制的工具總稱。它具有重要的計算機屬性和特征，如：具有計算機CPU、硬盤、內存、外設及接口、並有實時的操作系統、控制網絡和協議、計算能力，友好的人機界面等。目前工控機的主要類別有：IPC（PC總線工業電腦）、PLC（可編程控制系統）、DCS（分散型控制系統）、FCS（現場總線系統）及CNC（數控系統）五種。


PLC


1
.PLC（可編程控制系統）的詳細介紹



可編程序控制器的英文爲Programmable
Controller，在二十世紀70　80年代一直簡稱爲PC。由于到90年代，個人計算機發展起來，也簡稱爲PC;加之可編程序的概念所涵蓋的範圍太大，所以美國AB公司首次將可編程序控制器定名爲可編程序邏輯控制器(PLC　Programmable
Logic
Controller)，爲了方便，仍簡稱PLC爲可編程序控制器。有人把可編程序控制器組成的系統稱爲PCS可編程序控制系統，強調可編程序控制器生産廠商向人們提供的已是完整的系統了。


2
.PLC的發展曆史及市場情況


2.1
PLC的發展曆史
　　


1968年美國GM(通用汽車)公司提出取代繼電器控制裝置的要求，第二年美國數字公司研制出了第一代可編程序控制器，滿足了GM公司裝配線的要求。隨著集成電路技術和計算機技術的發展，現在已有第五代PLC産品了。
　　


在以改變幾何形狀和機械性能爲特征的制造工業和以物理變化和化學變化將原料轉化成産品爲特征的過程工業中，除了以連續量爲主的反饋控制外，特別在制造工業中存在了大量的開關量爲主的開環的順序控制，它按照邏輯條件進行順序動作號按照時序動作;另外還有與順序、時序無關的按照邏輯關系進行連鎖保護動作的控制;以及大量的開關量、脈沖量、計時、計數器、模擬量的越限報警等狀態量爲主的—離散量的數據采集監視。由于這些控制和監視的要求，所以PLC發展成了取代繼電器線路和進行順序控制爲主的産品。在多年的生産實踐中，逐漸形成了PLC、DCS與IPC三足鼎立之勢，如表1，還有其它的單回路智能式調節器等在市場上占一定的百分比。
　　


在80年代至90年代中期，是PLC發展最快的時期，年增長率一直保持爲30~40%。由于PLC機聯系處理模擬能力和網絡方面功能的進步，擠占了一部分DCS的市場(過程控制)並逐漸壟斷了汙水處理等行業，但是由于工業PC(IPC)的出現，特別是近年來現場總線技術的發展，IPC和FCS也擠占了一部分PLC市場，所以近年來PLC增長速度，總的說是漸緩。目前全世界有200多廠家生産300多品種PLC産品，主要應用在汽車(23%)、糧食加工(16.4%)、化學/制藥(14.6%)、金屬/礦山(11.5%)、紙漿/造紙(11.3%)等行業。
　　

2.2
PLC的市場情況
　　


國內PLC生産廠約30家，但沒有形成頗具規模的生産能力和名牌産品，還有一部分是以仿制、來件組裝或“貼牌”方式生産，因此可以說PLC在我國未形成制造産業。作爲原理、技術和工藝均無尖端技術難度的産品，只要努力，是能形成制造産業的。


在PLC應用方面，我國是很活躍的，近年來每年約新投入10萬台套PLC産品，年銷售額30億元人民幣，應用的行業也很廣。但是與其它國家相比，在機械加工及生産線方面的應用，還需要加大投入。我國市場上流行的有如下幾家PLC産品:
　　

(1)
施耐德公司，包括早期天津儀表廠引進莫迪康公司的産品，目前有Quantum、Premium、Momentum等産品;
　　

(2)
羅克韋爾公司(包括AB公司)PLC産品，目前有SLC、Micro
Logix、Control
Logix等産品;
　　

(3)
西門子公司的産品，目前有SIMATIC
S7　400/300/200系列産品;
　　

(4)
GE公司的産品;日本歐姆龍、三菱、富士、松下等公司産品。
　　


PLC的市場的潛力是巨大的，不僅在我國，即使在工業發達的日本也有調查表明，PLC配套的機電一體化産品的比例占42%，采用繼電器、接觸器控制尚有24%。所以說，需要應用PLC的場合還很多，在我國就更是如此了。
　　


從技術創新的角度看，我國大中型企業還要大力發展CIMS(計算機集成制造系統)，在機械制造廠要形成FMS柔性制造系統，PLC是基礎，所以PLC市場是廣闊的。
　　


PLC具有穩定可靠、價格便宜、功能齊全、應用靈活方便、操作維護方便的優點，這是它能持久的占有市場的根本原因，我們下面重點闡述幾個問題，並研究其發展趨勢。


3.PLC的硬件和軟件


3.1
PLC的分類
　　

PLC在90年代已經形成微、小、中、大、巨型多種PLC。按I/O點數分，可分爲:
　　

l
微型PLC:
32
I/O
　　

l
小型PLC:
256
I/O
　　

l
中型PLC:
1024
I/O
　　

l
大型PLC:
4096
I/O
　　

l
巨型PLC:
8195
I/O
　　


近年來有單機支持300回路和65000點I/O的大型系統對應中型PLC以上，均采用16位~32位CPU，微、小型PLC原采用8位CPU，現在根據通訊等方面要求，有的也改用16位~32位CPU。由于I/O64點以下PLC銷售額占整個PLC的47%，64點~256點的占31%，合計位整個PLC銷售額的78%，所以對微、小型PLC應多加研究。
　　

3.2
PLC的硬件
　　


PLC控制器本身的硬件采用積木式結構，各廠家産品結構大同小異。以日本歐姆龍C200HE爲例，爲總線模板框式結構，基本框架(CPU母板)上裝有CPU模板，其它槽位裝有I/O模板;如果I/O模板多時，可由CPU母板經I/O擴展電纜連接I/O擴展母板，在其上裝I/O模板;另一種方法是配備遠程I/O從站等。這些都說明了PLC廠家將硬件各部件均向用戶開發，便于用戶選用，配置成規模不等的PLC，而且這種硬件配置的開放性，爲制造商、分銷商(代理商)、系統集成商、最終用戶帶來很多方便，爲營銷供應鏈帶來很大便利，這是一大成功經驗。
　　


PLC內的I/O模板，除一般的DI/DO、AD/DA模板外，還發展了一系列特殊功能的I/O模板，這爲PLC用于各行各業打開了出路，如用于條形碼識別的ASCII/BASIC模板，用于反饋控制的PID模板，用于運行控制、機械加工的高速計數模板、單軸位置控制模板、雙軸位置控制模板、凸輪定位器模板、射頻識別接口模板等，這在以後還會有很大發展。另外在輸入、輸出的相關元件、強幹擾場合的輸入、輸出電隔離、地隔離等方面也會更加完善。
　　


PLC中的CPU與存儲器配合，完成控制功能。它與DCS系統處理溫度、壓力、流量等參數的系統不同，采用快速的巡回掃描周期，一般爲0.1~0.2s，更快的則選用50ms或更小的掃描周期。它是一個數字采樣控制系統。
　　

3.3
PLC的軟件
　　


爲了完成控制策略，爲了替代繼電器，使用戶等完成類似繼電器線路的控制系統梯形圖，而編制了一套控制算法功能塊(或子程序)，稱爲指令系統，固化在存貯器ROM中，用戶在編制應用程序時可以調用。指令系統大致可以分爲兩類，即基本指令和擴展指令。細分一般PLC的指令系統有:基本指令、定時器/計數器指令、移位指令、傳送指令、比較指令、轉換指令、BCD運算指令、二進制運算指令、增量/減量指令、邏輯運算指令、特殊運算指令等，這些指令多是類似彙編語言。另外PLC還提高了充足的計時器、計數器、內部繼電器、寄存器及存貯區等內部資源，爲編程帶來極大方便。


4.基于Windows的編程語言標准


IEC61131　3
　　


由于各PLC廠家産品在指令系統上的差異及編程方法上用戶要求不同，近年來IEC制訂了基于Windows的編程語言標准IEC61131　3(1993年IEC頒布可編程序控制器的國際標准IEC1131)，它規定了指令表(IL)、梯形圖(LD)、順序功能圖(SFC)、功能塊圖(FBD)、結構化文本(ST)五種編程語言。這包括了文本化編程(IL、ST)和圖形編程(LD、FBD)兩個方面，而SFC則在兩類編程語言中均可使用。IEC技術委員會(TC65)進來開展了IEC61499項目，將IEC61131　3進行了擴展，它是針對通過通信網絡互聯的模塊化分布系統的體系結構的標准，將對IEC61131　3有所改善。這是以數字技術爲基礎的可編程序邏輯控制裝置在高層次上走向開放性的標准化文件，是PLC發展的一大趨勢。


5.PLC的網絡及發展趨勢



一個或若幹PLC與PC機聯出系統，PC機起到原編程器及人機界面操作站的作用，這20世紀90年代的新潮流，這樣爲系統集成帶來了商機，同時編程軟件和人機界面軟件(監控軟件或稱組態軟件)及軟件接口(或稱驅動軟件)也得到了發展。
　　


近年來，PLC廠家在原來CPU模板上提供物理層RS232/422/485接口的基礎，逐漸增加了各種通訊接口，而且提供完整的通訊網絡。由于近來數據通訊技術發展很快，用戶對開放性要求很強烈，現場總線技術及以太網技術也同步發展，所以PLC構成的PCS系統比DCS的開放性所處的現狀稍好一些。目前羅克韋爾AB公司已形成了多層結構體系，即Ether
Net、Control
Net、Device
Net及Asi等現場總線(原DH+網也可兼容)。西門子公司在Profibus　DP通訊網絡及Profibus　FMS網絡以外，提出了S7
Routing網絡，即Profibus　DP和Industrial
Enternet兩層結構。網絡還在發展，我國應已積極的姿態投入其中。
　　


2001年我國機械工業成爲工業發展新亮點，總産值比上年增長17.15%，汽車産量爲世界前10位，機床産量爲世界第5位。機械工業利潤增長33.35%，占整個工業新增利潤六成多。出口同樣出現可喜的增長。現在機械工業提出要實施網絡化，對這一點，PLC從業人員應有清醒的認識，應對網絡化的開放性、網絡構成的性能/價格比和網絡的可靠性、安全性、先進性上特別下功夫。
　　

網絡向上連是互聯網問題，向下連是現場總線問題，另外現有網絡能否用以太網“e網到底”方式、網絡采用客戶器/服務器方式、浏覽器/服務器方式、生産者/消費者方式、接口軟件采用OPC方式等問題都有待進一步落實。PLC與智能MCC馬達控制中心、與數控機床配套的NC/CNC數控設備，以及與其它運行控制系統、電控設備、變頻器和軟起動器等連成系統;PLC要與DCS分工合作，充當DCS的遠程I/O站等;PLC要與IPC分工合作，除用IPC作人機界面外，作軟件PLC的I/O部件也是可行的;此外還有PLC與緊急停車安全系統(ESD，Emergency
Shut
Down
Systems)的關系、與立體倉庫、機器人、CAD/CAM等等都要處理好關系。總之，PLC要兼容各種新技術，使PLC成爲真正意義上的“電腦”。
　　


PLC的應用領域是寬闊的，還有許多領域急待開拓，如用于海關過境車輛認證(深圳鹽田)、自動售藥(若幹中藥店)在我國已有實例。另外，在離散事件系統中，如公路網交通流(車輛計數、乘客計數及停留時間計量)、物流系統、柔行制造系統(敏捷制造系統)及一切非標准隨服務系統中，均可以采用PLC，進而建模和采取對策並優化。PLC的前途一片美好，一切悲觀的論點是站不住腳的。至于技術進步，PLC與其它技術融合以至消失，那還需要一定的時間!


工業控制自動化技術智能化


概述
　　衆所周知，從20世紀60年代開始，西方國家就依*技術進步(即新設備、新工藝以及計算機應用)開始對傳統工業進行改造，使工業得到飛速發展。20世紀末世界上最大的變化就是全球市場的形成。全球市場導致競爭空前激烈，促使企業必須加快新産品投放市場時間(TimetoMarket)、改善質量(Quality)、降低成本(Cost)以及完善服務體系(Service)，這就是企業的T.Q.C.S.。
　


雖然計算機集成制造系統(CIMS)結合信息集成和系統集成，追求更完善的T.Q.C.S.，使企業實現“在正確的時間，將正確的信息以正確的方式傳給正確的人，以便作出正確的決策”，即“五個正確”。然而這種自動化需要投入大量的資金，是一種高投資、高效益同時是高風險的發展模式，很難爲大多數中小企業所采用。在我國，中小型企業以及准大型企業走的還是低成本工業控制自動化的道路。


工業控制自動化的層次



工業控制自動化主要包含三個層次，從下往上依次是基礎自動化、過程自動化和管理自動化，其核心是基礎自動化和過程自動化。
　　

傳統的自動化系統，基礎自動化部分基本被PLC和DCS所壟斷，過程自動化和管理自動化部分主要是由各種進口的過程計算機或小型機組成，其硬件、系統軟件和應用軟件的價格之高令衆多企業望而卻步。
　　


20世紀90年代以來，由于PC　based的工業計算機(簡稱工業PC)的發展，以工業PC、I/O裝置、監控裝置、控制網絡組成的PC　based的自動化系統得到了迅速普及，成爲實現低成本工業自動化的重要途徑。我國重慶鋼鐵公司這樣的大企業的幾乎全部大型加熱爐，也拆除了原來DCS或單回路數字式調節器，而改用工業PC來組成控制系統，並采用模糊控制算法，獲得了良好效果。


PC的市場



由于基于PC的控制器被證明可以像PLC一樣可*，並且被操作和維護人員接受，所以，一個接一個的制造商至少在部分生産中正在采用PC控制方案。基于PC的控制系統易于安裝和使用，有高級的診斷功能，爲系統集成商提供了更靈活的選擇，從長遠角度看，PC控制系統維護成本低。
　　

由于可編程控制器(PLC)受PC控制的威脅最大，所以PLC供應商對PC的應用感到很不安。事實上，他們現在也加入到了PC控制“浪潮”中。
　　


近年來，工業PC在我國得到了異常迅速的發展。從世界範圍來看，工業PC主要包含兩種類型：IPC工控機和CompactPCI工控機以及它們的變形機，如AT96總線工控機等。由于基礎自動化和過程自動化對工業PC的運行穩定性、熱插拔和冗余配置要求很高，現有的IPC已經不能完全滿足要求，將逐漸退出該領域，取而代之的將是CompactPCI　based工控機，而IPC將占據管理自動化層。國家于2001年設立了“以工業控制計算機爲基礎的開放式控制系統産業化”工業自動化重大專項，目標就是發展具有自主知識産權的PC　based控制系統，在3(5年內，占領30%(50%的國內市場，並實現産業化。
　　


幾年前，當“軟PLC”出現時，業界曾認爲工業PC將會取代PLC。然而，時至今日工業PC並沒有代替PLC，主要有兩個原因：一個是系統集成原因;另一個是軟件操作系統WindowsNT的原因。一個成功的PC　based控制系統要具備兩點：一是所有工作要由一個平台上的軟件完成;二是向客戶提供所需要的所有東西。可以預見，工業PC與PLC的競爭將主要在高端應用上，其數據複雜且設備集成度高。工業PC不可能與低價的微型PLC競爭，這也是PLC市場增長最快的一部分。從發展趨勢看，控制系統的將來很可能存在于工業PC和PLC之間，這些融合的迹象已經出現。
　　


和PLC一樣，工業PC市場在過去的兩年裏保持平穩。與PLC相比，工業PC軟件很便宜。據Frost&Sullivan公司估計，全世界每年7億美元工業PC市場裏，大約8500萬美元爲控制軟件，一億美元爲操作系統。到2007年會翻一番，工業PC市場變得非常可觀。