论PLC和FCS的应用及其发展 崔海默

论PLC和FCS的应用及其发展摘要：论述了PLC在工业中的应用及其发展，介绍现场总线系统的技术含义、技术特点和技术优势，对现场总线线控制系统的发展现状提出了新的要求。

关键词：PLC的应用；发展；现场总线；开放性；智能化；自治性；高精度一、PLC0 引言PLC控制系统是自继电器控制系统发展起来的。

实现了从继电器接线逻辑到存储逻辑的质的飞跃。

其摆脱了继电器控制系统线路复杂、元器件数量多、控制方式变更困难等不足，在钢铁、石油、电力、建材、机械制造和汽车等行业领域中得到广泛应用。

1 PLC的发展历史1968 年，美国通用汽车公司为了适应汽车型号不断更新的工业需求，试图招标研制一种能尽量减少因汽车型号变动而重新设计汽车装配线上各种继电器控制线路的方法。

1969 年，美国数字设备公司(DEC) 研制成功了世界上第一台可编程序逻辑控制器(Programmable Logic Controller)，简称PLC。

1971 年，日本从美国引进PLC 技术并加以消化，成功研制日本首台PLC。

国内PLC 技术起步较晚，但发展速度较快。

PLC 在70 年代进入中国。

至80 年代，国内多家科研单位分别开始PLC 产品的研制工作。

目前，国产PLC 厂商众多，较有名的厂商有台湾的台达、永宏、丰炜和大陆的和利时、信捷、厦门海为等。

2 PLC的特点经过几十年的发展和不断改进，PLC 控制系统在处理模拟量、数字运算、人机接口和网络等各方面都有长足的发展，成为工业控制领域的主流控制系统，并已形成其独有的特点。

与其他控制系统相比，PLC 具有以下几个突出的特点：2．1 灵活性、通用性强与继电器控制系统相比，PLC 因利用存储在机内的程序实现各种控制功能，当控制流程改变时，只需修改程序即可，一般无需更改硬件线路，具有较强的灵活性和通用性。

2．2 可靠性高，抗干扰能力强PLC 在硬件和软件方面都采取了强有力的措施，以使其具有极高的可靠性和抗干扰能力。

如：在硬件方面采取电磁屏蔽、光电隔离、多级滤波等措施；在软件方面采取警戒时钟、故障诊断、自动恢复等措施，并利用后备电池对程序和数据进行保护。

因此，PLC 可在各种恶劣的工业现场稳定工作。

2．3 编程简单，使用方便PLC 通常采用面向过程，面向问题的“自然语言”编程方式，直观易懂，便于广大电气技术人员接纳和理解。

同时，设计人员也可根据自己的喜好和实际应用的要求选择其他编程语言进行编程。

2．4 功能强大，可扩展PLC 可完成开关量的逻辑控制、模拟量的闭环控制、数字量约智能控制、运动控制、数据采集和监控、通信、联网及集散控制等多种控制功能，基本满足各工业控制领域的技术需求。

PLC 系统扩展极为方便，硬件配置相当灵活。

可根据控制要求的改变，随时改变功能单元的种类和数量，并辅以用户程序的相应修改，即可达到变换和增加控制功能的目的。

2．5 体积小、重量轻、能耗低以超小型PLC 为例，底部尺寸小于100 毫米，重量小于150 克．功耗仅数瓦。

由于体积小，便于集成在机器内部安装，实现机电一体化的理想控制设备方案。

3 PLC的应用首先，开关量的逻辑控制是PLC 最基本的应用领域。

随着PLC 技术的发展，其控制开关量的能力也越来越强大，控制点数越来越多。

通过组合、顺序、延时、计数等手段，实现各种各样的开关量逻辑控制。

其次，模拟量的闭环控制、数字量的智能控制和数据采集等功能大大拓宽了PLC 的应用领域。

通过对电流、电压、温度、压力等模拟量的采集和AID 转换，PLC 内置PID 子程序进行过程量和目标值的比较分析．并通过PID 功能模块得到控制量，最终实现对现实物理量的控制功能。

模拟量闭环控制功能在锅炉温度控制，液压系统压力和流量控制等领域获得广泛应用。

通过数字量的智能控制可实现机械领域位移控制，且可通过高速计数功能实现机械位移的闭环控制，甚至PLC专用位置控制模块可实现低于4 轴的直线插补功能。

如此极大提升了PLC 在运动控制领域的能力．从而满足了对运动控制功能要求较高的机器的应用需求，如罐装机械、包装机械、飞剪、贴标机等。

此外，通信联网功能增强了PLC 控制系统的开放性。

PLC 联网、通讯能力的增强，不仅更有利于与计算机或触摸屏等监控平台协调管理，使PLC 人机交互界面更加友好；同时，通过各种通信协议和相应端口不断推出，PLC 可以和其他智能控制设备一起组成高速、实时、可靠的网络化全集成自动化控制系统。

4 PLC的发展趋势PLC 不仅能够为自动化控制应用提供安全可靠和比较完善的解决方案，满足当前工业企业对自动化的需要。

同时。

PLC 还必须不断改进技术，以面对其它控制产品的市场冲击，如集散控制系统DCS(Distributed Control System)、数据采集与监视系统SCADA(Supervisory Control and Data Acquisition)等。

目前，阻碍PLC发展的问题，依然集中在新技术的采用、系统开放性和价格等方面。

4．1 向高性能、高速度、大容量发展伴随PLC 技术的不断发展，PLC 扫描速度越来越快，编程指令的功能越来越强，数量越来越多，内部元件的种类与数量不断完善，PLC的处理能力和控制能力得到大幅提升，可扩展能力越来越强。

同时，PLC 存储设备的容量越来越大，价格越来越低。

可靠性却越来越有保障。

4．2 向微型PLC 发展微型可编程序控制器异军突起。

体积如手掌大小。

功能可覆盖单体设备及整个车间的控制功能，并具备联网功能。

这种微型化的可编程序控制器具有卓越的灵活性、市场开发周期短、适应性强、竞争性的价格等特点．使得微型PLC 控制系统应用于商业器具、饮料分发设备以及商业、工业等。

4．3 大力开发智能模块随着市场需要的个性化和多样化，要求工业自动控制具有某些智能化的功能，以满足特殊控制的需要。

智能I／0 模块应运而生，以微处理器和存储器为基础的功能部件，其CPU 与PLC 的主CPU 并行工作。

占用主CPU 的时间少，有很强的信息处理能力和控制功能，有的模块甚至可以自成系统，单独工作。

智能IlO 模块的广泛应用简化了某些控制领域的系统设计和编程，作为PLC 主CPU 的辅助模块，大大提高了PLC 系统的适应性和可靠性。

4．4 网络化无论是大型PLC 还是小型PLC。

网络功能不断增强。

PLC 向上可与各种管理网连接，实现各层次的监控管理，向下可连接各种现场设备。

近年，现场总线的出现，已使得各个独立的PLC 系统之间可以传递信息。

实时以太网技术也走进了厂商的视野。

甚至在实时以太网产品中已经能够支持CANOpen 等现场总线，大大增强了PLC 的网络通信能力。

5 结语PLC 技术成熟，性价比高，运行稳定可靠，开发过程简单方便，运行维护成本低，使PLC具有极其旺盛的生命力。

但随着工控领域科学技术的不断发展，PLC的传统地位已经受到越来越大的挑战，同时这也是推动PLC 技术不断进步的强大动力。

通过对PLC 系统功能和开放性的改进、智能模块的拓展、网络化的发展以及制造成本的降低，将使PLC 在工控领域大放异彩，提供更多灵活开放的控制解决方案。

二、FCS工业控制从早期的就地控制、集中控制,已经发展到现在的集散控制( DCS) ,在过去的30年中,DCS系统广泛应用于化工、石油、电力等工业过程,基本上满足了大、中、小控制工程的需求。

但是DCS系统并非尽善尽美, 4- 20mA 信号是DCS 系统及现场设备相互连接的最本质特点。

然而现在,数字化和网络化成为当今控制网络发展的主导方向。

人们意识到传统的模拟信号只能提供原始的测量和控制信息,而智能变送器在4~20mA 信号之上附加信息的能力又受其低通信速率的制约,所以对整个过程控制系统的机制进行数字化和网络化改革, 应是其发展的必然趋势。

FCS( Fieldbus Control System)是以现场总线为基础贯穿于生产现场,在测量、执行机构(过程控制现场仪表)和控制设备(控制室操作站)之间实现双向、串行、多节点数字通信的控制系统。

实质上它是将DCS、PLC控制系统的远程分散在现场的控制器(控制站) 和I/O的现场总线功能延伸到现场的测量控制仪表、执行器。

现场总线控制系统主要由现场总线仪表(智能仪表)、控制器、现场总线线路、监控组态计算机组成,具有全数字化、全分布、双向传输自诊断、节省布线及控制空间、多功能仪表、智能化与自治性、开放性等特点。

现场总线系统的本质特征是使用有现场总线通信能力的智能现场仪表设备,这些可通信智能现场仪表设备所构成的网络站点,不仅具有竖向(与系统)通信也具有横向(节点之间)通信的能力。

1 现场总线的技术特点现场总线技术以数字信号取代模拟信号,在3C(Computer计算机、Control控制、Communication通信) 技术的基础上,大量现场检测与控制信息就地采集、就地处理、就地使用,许多控制功能从控制室移至现场设备。

现场总线技术不仅是一种通信技术,它实际上融人了智能化仪表、计算机网络和开放系统互连(OSI) 等技术的精粹。

1.1 开放性由于DCS的不彻底的开放性,不同厂家的产品不能互换、互联、限制了用户的选择范围。

而FCS具有开放性,系统的通信协议一致公开,各不同厂家的设备之间可实现信息交换,通过现场总线可组成开放互连系统。

开放系统把系统集成的权利交给了用户,用户可按自己的需要和条件把来自不同供应商的产品组成系统。

1.2 智能化与自治性FCS系统具有高度的分散性,这就要求现场仪表或设备具有高度的智能化与功能自主性,它可以由现场设备组成自治的控制回路,将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成,仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能,并可随时诊断设备的运行状态,从而减少了由于控制站故障的原因而引起的机组停运、设备损坏的事故发生。

从根本上改善了现有DCS集中与分散相结合的集散控制系统的不足。

1.3 控制系统的高精度DCS系统的信息全都是二进制或模拟信号形成的,必须有D/A 与A/D 转换。

而FCS系统是全数字化,免去了D/A 与A/D变换,高集成化高性能,使精度可以从0.5%提高0.1%。

2 现场总线的发展现状虽然现场总线将是DCS发展的一个重要方向,现场总线技术理论上讲有着众多优点,但用户并不希望对他们现有的仪表系统做大的改动。

目前在现场总线的发展的初期,大多数用户更倾向于对他们现有的仪表系统进行逐步的增添和替换。

DCS系统及其仪表的消失或完全被取代,对于费用或人力而言也都是不合理的。

另一方面,目前现场总线国际标准共有12种之多。

众多标准的并存,对大公司来讲好像皆大欢喜,但谁的产品也不可能覆盖所有的应用层面。

面对众多标准,面对大公司的技术封锁,众多中小仪表制造业的无所适从或干脆不从,造成现场总线仪表品种单一且价格严重离谱。