一、PLC的發展歷史

可編程邏輯控制器，又稱可編程控制器，有過多種定義。可以看作是一種經過特殊設計的產業計算機，整個的設計原則就是簡單與實用。

1968年，通用汽車公司的液壓部分爲了消除既複雜又昂貴的繼電器控制系統，確立了第一個可編程控制器的招標指標。該設計規格需要固態系統和電腦技術，並要求能夠在產業環境中生存，也能夠方便地編程，並且可以重複使用。該控制系統將大大減少機器的停機時間，併爲未來提供了可擴展性。該招標由DEC公司中標，這套系統於1969年研製出來，這是第一臺可編程控制器，型號爲PDP-14，應用取得成功。其後，美國的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年西歐國家的各種可編程控制器也研製成功。這些早期的控制器滿足了最初的要求，並且打開了新的控制技術的發展的大門。

PLC的發展也是與計算機技術、控制技術、數字技術、通訊網絡技術等高新技術的發展息息相關，正是這些高新技術的發展推動了可編程控制器的發展。

從控制功能來看，可編程控制器的發展大致經歷了4個階段：

1．低級階段：從第一臺PLC問世到20世紀70年代中期

由於第一代PLC是爲了取代繼電器的，因此，主要功能是邏輯運算和計時、計數功能。CPU由中小規模數字集成電路構成。主要產品有：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。第一階段就採用了梯形圖語言作爲編程方式，儘管有些枯燥，但卻形成了工廠的編程標準。

2．擴展階段：從20世紀70年代中期到70年代末期

這一階段PLC產品的控制功能得到很大擴展。擴展的功能包括數據的傳送、數據的比較和運算、模擬量的運算等功能。這一階段的產品有MODICON的184，284，384，西門子公司的SIMATICS3系列，富士電機公司的SC系列產品。

3．通訊階段：20世紀70年代末期到80年代中期

這一階段產品與計算機通訊的發展有關，形成了分佈式通訊網絡。但是，由於各製造商各自爲政，通訊系統也是各有各的規範。由於在很短的時間內，PLC就已經從汽車行業迅速擴展到其它行業，作爲繼電器的替換品進進了食品、飲料、金屬加工、製造和造紙等多個行業。其次，產品功能也得到很大的發展。同時，可靠性進一步進步。這一階段的產品有西門子公司的SIMATICS6系列，GOULD公司的M84，884等，富士電機的MICRO和TI公司的TI530等。

4．開放階段：從20世紀80年代中期開始

由於國際標準化組織提出了開放系統互連的參考模型OSI，使PLC在開放功能上有較大發展。主要表現爲通訊系統的開放，使各製造廠商的產品可以通訊，通訊協議開始標準化，使用戶得益。此外，PLC開始採用標準化軟件系統，增加高級語言編程，並完成了編程語言的標準化工作。這一階段的產品有西門子公司的S7系列，AB公司的PLC-5，SLC500，德維森的V80和PPC11，加拿大ONLINECONTROL公司與合控電氣公司所開發的OPENPLC等。

二、PLC的特點

1．PLC的硬件和軟件進展

PLC的技術從誕生之日起，就不停地發展。PLC的定義也經過多次變動。1987年，國際電工委員會IEC(InternationalElectricalCommittee)頒佈了可編程序控制器最新的定義：

可編程控制器是一種能夠直接應用於專門爲在產業環境下應用而設計的數字運算操縱的電子裝置。它採用可以編制程序的存儲器，用來在其內部存儲執行邏輯運算、順序運算、計時、計數和算術運算等操縱的指令，並能通過數字式或模擬式的輸進和輸出，控制各類的機械或生產過程。可編程控制器及其有關的外圍設備都應按照易於與產業控制系統形成一個整體，易於擴展其功能的原則而設計。

可見，PLC的定義實際是根據PLC的硬件和軟件技術進展而發展的。這些發展不僅改進了PLC的設計，也改變了控制系統的設計理念。這些改變，包括硬件和軟件的。

以下列出了PLC的硬件進展：

採用新的、先進的微處理器和電子技術達到快速的掃描時間；
小型的、低本錢的PLC，可以替換4到10個繼電器，現在獲得更大的發展動力；
高密度的I/O系統，以低本錢提供了節省空間的接口；
基於微處理器的智能I/O接口，擴展了分佈式控制能力。典型的接口如：PID，網絡，CAN總線，現場總線，ASCII通訊，定位，主機通訊模塊，和語言模塊（如BASIC，PASCAL）；
包括輸進輸出模塊和端子的結構設計改進，使端子更加集成；
特殊接口答應某些器件可以直接接到控制器上，如熱電偶、熱電阻、應力丈量、快速響應脈衝等；
外部設備改進了操縱員界面技術，系統文檔功能成爲了PLC的標準功能。
以上這些硬件的改進，導致了PLC的產品系列的豐富和發展，使PLC從最小的只有十個I/O點的微型PLC，到8000點的大型PLC，應有盡有。這些產品系列，用普通的I/O系統和編程外部設備，可以組成局域網，並與辦公網絡相連。整個PLC的產品系列概念對於用戶來說，是一個非常節約本錢的控制系統概念。

與硬件的發展相似，PLC的軟件也取得了巨大的進展，大大強化了PLC的功能：

PLC引進了面向對象的編程工具，並且根據國際電工委員會的IEC61131-3的標準形成了多種語言；
小型PLC也提供了強大的編程指令，並且因此延伸了應用領域；
高級語言，如BASIC，C在某些控制器模塊中已經可以實現，在與外部通訊和處理數據時提供了更大的編程靈活性；
梯形圖邏輯中可以實現高級的功能塊指令，可以使用戶用簡單的編程方法實現複雜的軟件功能；
診斷和錯誤檢測功能，從簡單的系統控制器的故障診斷，擴大到對所控制的機器和設備的過程和設備進行診斷；
浮點運算可以進行控制應用中計量、平衡和統計等所牽涉的複雜計算；
數據處理指令得到簡化和改進，可以進行涉及大量數據存儲、跟蹤和存取的複雜控制和數據採集和處理功能。
儘管PLC比原來複雜了很多，但是，他們依然保持了令人吃驚的簡單性，對操縱員來說，今天的高功能的PLC與三十年前一樣那麼輕易操縱。

2．PLC的特點

PLC發展如此迅速的原因，在於它具有一些其它控制系統，包括DCS和通用計算機在內，所不及的一些特點。下面對這些特點做一個介紹：

① 可靠性

可靠性包括產品的有效性和可維修性。可編程控制器的可靠性高，表現在下列幾個方面：

a) 可編程控制器不需要大量的活動部件和電子元件，接線大大減少，與此同時，系統的維修簡單，維修時間縮短，因此可靠性得到進步；

b) 可編程控制器採用一系列可靠性設計方法進行設計，例如冗餘設計，掉電保護，故障診斷，報警和運行信息顯示和信息保護及恢復等，進步了MTBF，降低了MTTR，使可靠性得到進步；

c) 可編程控制器有較強的易操縱性，它具有編程簡單，操縱方便，編程的出錯率大大降低，而爲產業惡劣操縱環境設計的硬件使可靠性大大進步；

d) 可編程控制器的硬件設計方面，採用了一系列進步可靠性的措施。例如，採用可靠性高的產業級元件，採用先進的電子加工工藝（SMT）製造，對干擾採用屏蔽、隔離和濾波等；存儲器內容的保護，採用看門狗和自診斷措施，便於維修的設計等。

一份用戶選用PLC原因的調查報告指出：在各種選用PLC的原因中，首選原因是可靠性高的，佔93%，其次，纔是性能和維修方面的原因。

② 易操縱性

PLC的易操縱性表現在下列三個方面：

a) 操縱方便：對PLC的操縱包括程序的輸進和程序更改操縱，大多數PLC採用編程器進行程序輸進和更改操縱。現在的PLC的編程器大部分可以用電腦直接進行，更改程序也可根據所需地址編號、繼電器編號或接點號等直接進行搜索或按順序尋找，然後可以在線或離線更改；

b) 編程方面：PLC有多種程序設計語言可以使用，對現場電氣職員來說，由於梯形圖與電氣原理圖相似，因此，很輕易理解和把握。採用語句表語言編程時，由於編程語句是功能的縮寫，便於記憶，並且與梯形圖有逐一對應的關係，所以有利於編程職員的編程操縱。功能圖表語言以過程流程進展爲主線，十分適合設計職員與工藝專業職員設計思想的溝通。功能模塊圖和結構化文本語言編程方法的應用尚未普及，但由於它們具有功能清楚，易於理解等優點，而且與DCS組態語言同一，正受到廣大技術職員的重視。

c) 維修方便：PLC所具有的自診斷功能對維修職員的技術要求較低，當系統發生故障時，通過硬件和軟件的自診斷，維修職員可以根佔有關故障代碼的顯示和故障信號燈的提示等信息，或通過編程器和HMI屏幕的設定，直接找到故障所在的部位，爲迅速排除故障和修復節省了時間，降低了MTTR。

爲便於維修工作的開展，有些PLC製造商提供維修用的專用儀表或設備，提供故障維修樹等維修用資料；有些廠商還提供維修用的智能卡或插件板，使維修工作變得十分方便。此外，PLC的面板和結構設計也考慮了維修的方便性。例如，對需要維修的部件設置在便於維修的位置，信號燈設置在易於觀察的位置，接線端子採用便於接線和更換的類型等，這些設計使維修工作能方便地進行，大大縮短了維修時間。採用標準化元件和標準化工藝生產流水作業，使維修用備品備件簡化等，也使維修工作變得方便。

③ 靈活性

PLC的靈活性主要表現在以下3個方面：

a) 編程的靈活性：PLC採用的標準編程語言有梯形圖、指令表、功能圖表、功能模塊圖和結構化文本編程語言等。使用者只要把握其中一種編程語言就可進行編程，編程方法的多樣性使編程方便。由於PLC內部採用軟連接，因此，在生產工藝流程更改或者生產設備更換後，可不必改變PLC的硬設備，通過程序的編制與更改就能適應生產的需要。這種編程的靈活性是繼電器順序控制系統和數字電路控制系統所不能相比的。正是由於編程的柔性特點，使PLC成爲產業控制領域的重要控制設備，在柔性製造系統FMS，計算機集成製造系統（CIMS）和計算機流程產業系統（CIPS）中，PLC正成爲主要的控制設備，得到廣泛的應用；

b) 擴展的靈活性：PLC的擴展靈活性是它的一個重要特點。它可以根據應用的規模不斷擴展，即進行容量的擴展、功能的擴展、應用和控制範圍的擴展。它不僅可以通過增加輸進輸出卡件增加點數，通過擴展單元擴大容量和功能，也可以通過多臺PLC的通訊來擴大容量和功能，甚至可以與其它的控制系統如DCS或其它上位機的通訊來擴展其功能，並與外部的設備進行數據交換。這種擴展的靈活性大大方便了用戶；

c) 操縱的靈活性：操縱的靈活性指設計工作量、編程工作量、和安裝施工的工作量的減少。操縱變得十分方便和靈活，監視和控制變得很輕易。在繼電器順序控制系統中所需的一些操縱得到簡化，不同生產過程可採用相同的控制檯和控制屏等。

④ 機電一體化

爲了使產業生產的過程控制更平穩，更可靠，向優質、高產、低耗要效益，對過程控制設備和裝置提出了機電一體化，即儀表、電子、計算機綜合的要求，而PLC正是這一要求的產物，它是專門爲產業過程而設計的控制設備，具有體積小、功能強，抗干擾性好等優點，它將機械與電氣部件有機地結合在一個設備內，把儀表、電子和計算機的功能綜合集成在一起，因此，它已經成爲當今數控技術、產業機器人、離散製造和過程流程等領域的主要控制設備，成爲產業自動化三大支柱（PLC，機器人，CAD/CAM）之一。

可編程控制器現在已經成爲了一個不可代替的控制系統，它們可以與其它系統通訊，提供產品報表，生產調度，診斷自身和設備的故障，這些技術上的改進，讓PLC成爲今天的各行各業的高質量和產量的重要的貢獻者。

三、開放式PLC的概念

1．應用中產生的開放性需求

長期以來，製造與生產企業所採用控制系統大多是專用的、封閉的體系結構，其構成系統的硬件是按照各自的標準量身定製的。無論是DCS，PLC還是FCS，固然它們具有結構簡單、技術成熟、產品批量大等優點，但相對日新月異的生產要求，也越來越暴露出其固有的缺點。在很多情況下，當用戶要想進行功能上的擴展或變化時，都必須求助於系統的提供商，如想把特殊要求融進到控制系統中往時，由於它們的封閉特性那是不可能的。再者，由於採用了專用的控制系統，如製造廠家想轉化一種控制系統也將變得極爲困難。諸如此類，無形中不僅進步了製造企業的本錢，也成爲控制系統升級換代的"瓶頸"。

市場全球化的後果是競爭空前劇烈，從而要求製造商具有較強的市場適應能力，因而市場對適合中小批量加工，具有良好柔性和多功能性的製造系統的需求已逐步超過對大型單一功能的製造系統的需求。這一趨勢促成了一個新概念的產生，即模塊化、可重構、可擴充的軟硬件系統，這就是開放式控制系統。這一系統不僅能夠快速、經濟地適應新的加工需求，而且爲製造廠提供了將其技術與任何第三方的技術或產品進行集成的可能性。

開放式控制系統的概念在80年代就已出現。早在1981年，美國國防部爲了減少武備製造對日本控制系統的依靠性，開始了名爲“下一代控制器（NGC）”的計劃，併成立了“美國國家制造科學中心（NCMS）”，其主要目的是擬訂並推進關於新一代開放式控制系統的具體分析與規範。作爲NGC的後續工作，美國國防部啓動了OASYS項目，其目的是建立並安裝8套控制器，並在6種不同場所對其進行測試。其後有很多相關的研究計劃在世界各國相繼啓動，其中影響較大的有美國的OMAC、歐洲的OSACA和日本的OSEC等計劃。但由於這些計劃的發起者是用戶而不是製造商，因此，進程比較緩慢。

2．國際大型PLC製造商的開放路線

2003年，全球自動化行業的控制系統市場大約爲每年100億美元左右，其中99%被傳統的不開放系統所佔據。據國際權威機構美國自動化市場研究公司ARC（AUTOMATIONRESEARCHCORP）調查預計，在亞洲，基於PC的控制系統、以太網的I/O模塊等開放式系統的銷售額預計近兩年的增幅達到145%，可見在控制系統市場中，開放系統的增長率遠遠高於傳統的控制系統。

資金永遠是向高利潤的方向活動的，那麼，國際的大型PLC製造商當然不會對這麼大的市場坐視不理。但是，分析這些PLC的製造商面對開放性的大趨勢所採取的策略，卻是微妙而饒有趣味的。

首先，國際大型控制系統固然盡對有能力推出自己的開放式控制系統，但是卻都遲遲按兵不動。什麼原因呢？

幾乎所有的製造商都已熟悉到了開放系統必將是自動化系統的未來。無論是SIEMENS，GE，還是ROCKWELL，還是SCHNEIDR，在他們的新產品樣本中，都可以看到“開放性”的字樣。但是，他們的開放性通常都是在原有的系統上層加上一些接口實現局部的互連和通訊，並非真正意義上的開放。不要說控制器的底層，就是在操縱站這一層，他們在實現與外界通訊方面還存在着重重困難。這種狀況的產生並不是由於他們無法開發出全開放的系統，而是出於其產品戰略考慮，不願也不能這樣做。以西門子爲例，目前，主推的是西門子用了15年時間才開發出來的S7系統，2002年的產業控制產品的銷售額約爲140億馬克，假如西門子要推廣新的開放式系統，必然要爭奪現有的S7系統的市場，而新的系統能否爲現有的西門子的用戶所接受，還是一個未知數，況且目前其它開放式系統的市場總額才幾億美元，儘管這個市場的增長率較高，但西門子盡對不可能爲了總共幾千萬美元且風險極大、競爭能力不強的少量市場而放棄已經現成的數十倍的市場。西門子是這樣，GE、AB都是這樣。

那麼，這些公司對於開放式系統市場是否只能坐視不理、無能爲力呢？也不是。目前，各個公司均在考慮用現有的產品組合出形式上的“開放式”系統。如西門子的PCS7和TIA概念，實際上就是用工控機下掛S7的PLC而組成的概念性的系統，宣傳口號是“不僅僅是基於PC的PC控制”，典型地表示了其一方面不想在開放式系統領域落後於他人，同時又不想失往老用戶的複雜情結。GE-FANUC在2000年底推出了HCS，實際上就是用原來的產品FANUC90-30和90-70加上工控機和軟件而組成的概念性的產品，才用了“爲用戶量身定做（TAILORED）”的概念，口號是“把DCS和PLC的優點結合起來”；也具有同樣的心理。類似的還有ROCKWELL-AB的CONTROL-LOGIX，都是將原有的專用系統加上“開放”的標籤，半推半就地走上開放式系統市場競爭的舞臺。這些控制系統巨頭的目的都是相同的，那就是既不錯過開放式系統這班航船，又可以將原有的系統儘量多地銷售出往。

以上分析可以得出結論，在開放式系統的市場競爭的低級階段，國外各大控制系統製造商會迎合發展趨勢推出自己的開放式系統，但是均會以其目前的產品爲基礎，在軟件平臺、通訊方面做些裝飾性的工作，而不會真正推出全方位的真正的開放式系統。由於這樣做，對他們現有系統的市場所帶來的損失是他們不願承受的。

3．目前開放式系統開發存在的題目

目前國際上已有的開放性控制系統從嚴格的角度來看，它們還不具備開放性控制系統的本質特徵，仍有很多需要改進之處。

首先，開放式控制系統的概念不清楚，沒有解決開放控制系統的平臺題目。各系統所採用的體系結構和通訊協議並不一致，還是自成體系，相互之間缺乏兼容性和互換性，而且對體系結構的闡述都只限於具體實現層，沒有進步到理論的、抽象的層次上來，因而各系統軟硬件不具備可移植性和互操縱性。

其次，沒有充分利用像Windows、UNIX、OS/2等新型操縱系統。軟件開發思想與技術落後，始終處於甚至低於結構化程序設計的水平。沒有充分利用面向對象、軟件重用等軟件工程中的新理論、新技術，而這些正是實現開放性控制系統的關鍵所在。

此外，產品的升級、更新、修改和維修仍然依靠於生產廠家，沒有提供相應的開發工具和環境，用戶無法把自己的或任何第三方的思想或產品融進到系統中往。

題目是，目前各大控制系統製造商並非不瞭解這些題目現狀，而是不願意進行實質的改進來真正滿足用戶的要求，用戶要求開放式系統的目的是爲了實現企業內部的信息活動的無縫化和軟件、硬件的標準化和通用化，目前各廠家所採取的措施充其量是幫助用戶向前邁了一小步，而且用戶必須爲此付出高昂的用度，如西門子的S7400僅通訊模件所花的用度就佔整個系統的1/3以上，開放式系統應有的性能價格比的進步用戶無法享受到。這種表面的開放性並不能代表真正的開放性，不少專家已盡不客氣地指出了這一點，很多明眼的用戶也熟悉到了這個題目。

目前，全力致力於真正開放式系統開發的反而是一些新興的相對較小的公司，如美國的OPTO22，SOFTPLC，CONTROLSOFT以及英國的TRANSMITTON等等。這些公司沒有過往的包袱，所開發的產品的市場目標也不存在搶自己飯碗的題目，所以他們可以沒有後顧之憂地宣傳。由於他們的產品是充分考慮了開放性的，今後將成爲開放性控制系統的新的新氣力。但目前，這些公司普遍沒有信心對目前的市場領導者所佔據的傳統控制系統市場進行全面進攻，一般還是在鑽一些至公司不願或忽視做的空缺市場，在國際上沒有對現有的市場領導者構成威脅，因此，至公司對這些公司也沒有采取什麼對策。

值得認真分析的是，經過兩年到三年的時間，開放式系統在目前被市場領導者壟斷的市場中打開了一個缺口後，如佔到了10%或20%左右的份額時，那些目前的市場領導者一定會加以重視，由於即使他們自己不往取代老產品，可能別的新興公司也要取而代之了。這時，他們一定會全力反撲，紛紛推出自己的新一代開放式產品。這些至公司的轉向，可以加速用戶對開放性系統的接受進程，更快地推進開放式系統的市場步伐。這時，至公司和小公司在開放性控制系統方面將站在同一個起跑線上，相對公平地從價格、服務、系統集成經驗等各方面來進行競爭，控制系統長期被數家巨頭所壟斷的局面可看在開放式系統普及後被打破。

四、PLC如何能夠更加開放

1．PLC在競爭中的興起

從控制系統的角度看，各類控制系統的相互融合的情況已經出現了。但認真分析就會發現，PLC在這些控制系統中是比較獨特的一類。在現代各類控制系統中，PLC是誕生最早的產業控制器，每個新的控制器出來都揚言要取代PLC，從DCS，到工控機，到現場總線，到嵌進式控制系統。這種情況的產生，一方面是由於早期的PLC的不開放造成的，但另一方面，也是由於PLC在產業控制領域所佔的比重份額太大引起的。但技術和應用發展的結果是，隨着新的技術越來越多，PLC不僅沒有逐漸被任何一種新的系統取代，反而在逐漸蠶食其它控制系統的市場。

比如，在流程產業，過往DCS佔了盡對的統治地位，但現在，在中小型的產業裝置方面，已經有相當大的控制系統被PLC系統所取代。即便在大型系統中，現在各類DCS也面臨着高端PLC的威脅。這種現象的原因，一方面是由於PLC的技術不斷髮展，DCS過往所獨佔的一些複雜控制功能現在PLC基本上全部具備；第二是由於PLC的操縱的簡單性所決定的；第三，也是最重要的一點，就是，PLC的價格和本錢是DCS系統所無法相比的。

在低端設備，比如很多產業設備的控制器，過往是由單片機開發系統所控制的，現在也越來越多地被PLC所取代。從材料本錢上來說，PLC的本錢比單片機要高，但是，由於PLC所具有的編程的靈活性，使得用戶在開發新機型的時候，不必爲新機型開發一個新的單片機控制器，而只要簡單地在一個PLC的軟件上進行程序更改即可，這大大降低了用戶的開發本錢。因此，越來越多的機械逐步放棄了原來的專用控制器的方式，而改用PLC作爲機械設備的主要控制器。

在原來大量採用工控機系統的場合，工控機也越來越多被PLC取代，而工控機則逐漸從實時控制退到只負責操縱站的層面。而且，大家漸漸發現，這種工控機加PLC的結構，提供了最優良的控制性能、最方便的操縱、最低的本錢。因此，逐漸開始在越來越多的地方採用。可以說，工控機的誕生不僅沒有削減PLC的份額，卻由於工控機的運算功能、圖形處理能力和數據存儲能力彌補了PLC的不足，而PLC的可靠性則大大彌補了工控機的弱點，因此，工控機的誕生反而大大促進了PLC在更多場合的應用。

同樣，在離散製造業，PLC作爲一種設備控制和數據採集的方便器件，在企業實施ERP和CIMS系統時，爲實時數據的採集、處理和傳輸提供了無與倫比的方便性。目前，無論是數控、機械還是傳動、物流等行業，都把PLC作爲控制系統和數據採集系統的首選。

因此，至少從現在來看，PLC在各類控制系統的競爭中逐漸佔了上風。但是，隨着競爭的白熱化，PLC也面臨着一個發展瓶頸，那就是各類系統的不開放，或者說假開放。

2．產業以太網——真正開放的現場控制網絡

從根本上來說，開放式控制系統要具備：採用從操縱系統到通訊協議都是通用的系統。目前，操縱系統實在只有WINDOWS、UNIX等少數幾種，而通訊總線題目，則沒有什麼疑義。在工控界爭論不休的題目，在計算機界早就停息了。事實上，用戶們早已作出了選擇，那就是：以太網總線，它佔了全球所有計算機通訊總線的96%！而其餘所有的總線只佔了不到4%。因此，產業界所有的總線向以太網的方向靠攏，是不以人們的意志爲轉移的。

衆所周知，以太網最初是爲辦公自動化設計的，因此沒有考慮到產業自動化應用的一些要求。特別是，它採用的CSMA/CD介質訪問控制機制，具有通訊延時不確定的缺點，不能滿足產業自動化控制的實時通訊需求。因此，在20世紀90年代以前，很少有人將以太網應用於產業自動化領域。

近幾年來，隨着互聯網技術的普及與推廣，以太網也得到了飛速發展，特別是以太網通訊速率的進步、以太網交換技術的發展，給解決以太網的非確定性題目帶來了新的契機：首先，以太網的通訊速率一再進步，從10Mbps，到100Mbps甚至到10Gbps，在相同通訊量的情況下，通訊速率的進步意味着網絡負荷的減輕和碰撞的減少，也就意味着進步確定性；其次，以太網交換機爲連接在其端口上的每個網絡節點提供了獨立的帶寬，連接在同一個交換機上的不同的設備不存在資源的爭奪，這就相當於每個設備獨佔一個網段；第三，全雙工技術又爲每個設備與交換機端口之間提供了發送與接收的專用通道，因此使不同的以太網設備之間的衝突大大降低（半雙工交換式）或完全避免（全雙工交換式）。因此，以太網成了確定的網絡，從而爲它應用於產業自動化控制消除了主要的障礙。

與其它現場總線或產業通訊網絡相比，以太網具有應用廣泛、本錢低廉、通訊速率高、軟硬件資源豐富、易於與INTERNET連接、可持續發展潛力大等優點，因此，不僅壟斷了工廠綜合自動化的信息治理層網絡，而且在過程監控層網絡也得到了廣泛應用，並有直接向下延伸，應用於產業現場設備層網絡的趨勢。

從通訊網絡的角度來看，採用扁平式和樹型的網絡結構是以太網的主要結構。在這種結構下，假如能夠實現數據通訊，實在，要求上下所有的硬件採用同樣的操縱系統是不經濟的。比如，在上位機，用於顯示和數據存儲的功能是主要的功能。這時，採用WINDOWS的操縱系統是沒有什麼題目。而在底層控制端，則只要採用類似RTOS或VXWORKS這樣的操縱系統會更好，不僅是價格便宜，而且還能夠更可靠地執行實時控制任務。

目前，PLC之所以能夠在越來越多的場合取得應用，同前面所提到的PLC的特點是分不開的。這些特點就是：可靠性，易操縱性，和靈活性。這些特點是PLC必須要保存的。這些特點的形成，是由PLC的結構、內部軟件和硬件的構成特點決定的，同時也是PLC之所以是PLC是不是其它控制系統的標誌。而PLC的缺點，則是在處理大量數據包括圖形等方面的運算能力不足的方面。實際上，在產業應用中，需要實時控制而同時又需要處理大量信息的場合固然存在，但並未幾見。因此，只要能解決PLC的通訊題目，可以讓PLC來擔負現場的實時控制任務，而將數據的處理、存儲、顯示等任務通過通訊網絡，傳到其它系統中，由計算機系統來完成，這是解決開放式控制系統的根本方式。也是開放式PLC的設計的思想基礎。

開放式PLC將最常見也是今後控制系統最常用的通訊接口------以太網和串口內置進了PLC的CPU單元，使PLC在保持傳統各種可靠功能的同時，可以低本錢地具備通訊的功能。而且，專門開發了靈活而方便的通訊模塊，用這些通訊模塊，只要簡單地輸進各類協議，就可以將這些模塊作爲一種專用協議的控制模塊來使用，而價格十分低廉。同時，更令人驚異的是，在OpenPLC內部，還具有JAVA功能，和WebServer功能，也就是說，即使不用上位機，OpenPLC可以將PLC的狀態，包括故障報警信息和事件處理信息通過通訊模塊自動傳送到互聯網上，用戶可以通過電子郵件的方式來接收這些信息，也可以通過移動通訊系統，利用手機的短信方式來接收這些信息，甚至可以通過GPRS、CDMA等先進的通訊方式來進行控制信息的跨越時空的通訊。這些通訊，使用戶可以最及時地瞭解到設備的運行狀況，可以進行遠程診斷和遠程監控，對於生產過程控制、製造過程的信息化、生產過程和治理的優化等都有極大的幫助。

同時，在傳統的控制功能方面，開放式PLC儘量保存了傳統PLC的優點，如模塊式結構，多種編程語言，嚴格的可靠性設計，甚至是與PLC完全相同的生產產業，這樣，使得原來的PLC用戶在使用開放式PLC的時候並不會產生任何不適應的感覺，除了上面所提到的一些新的功能外，其它的方面，如選型、編程、組態等，完全與傳統的PLC一樣。

可以預見的是，OpenPLC的出現，必將改變控制系統的格式，尤其是對於現有PLC的製造商來說，將在市場和應用方面產生巨大的衝擊。

五、真正開放的PLC——OpenPLC

1．OpenPLC概念的由來

OpenPLC的概念也是在實際的產業應用中產生的。1995年，在中國的馬鞍山鋼鐵公司的動力調度中心，面臨一個題目，動力調度中心要監控馬鋼來自發電廠、水廠、煤氣廠和動力廠（負責電力輸送）的各類能源和動力信號，但這四個數據來源，包括這些能源與動力的輸送的管網所涉及的上百個變電所、增壓站和泵站的自身的控制系統是不兼容的，有的還是專用系統，不僅沒有協議，連開發人都已經無法找到。除了通訊不兼容外，連這幾個系統的控制結構也大相徑庭，電廠是類似於DCS的結構，水廠和氣廠是PLC結構，動力廠是SCADA結構，對集成職員理解系統也形成了較大的困難。該項目最後固然沒有用OpenPLC解決（當時還沒有），但該項目的需求導致了OpenPLC的誕生。

針對過程控制和離散製造業普遍存在的，各類控制要求不同的系統的互連的題目，本文作者提出了設計一個新型的開放式控制系統的構想。由於該系統的目的是要儘可能地適用各類不同的應用場合，因此，定名爲開放式可編程控制系統，而英文則是OpenProgrammableLogicController，縮寫爲OpenPLC。該系統從1995年開始構思，到1997年基本明確設計思想，幾條主要的設計原則如下：

① OpenPLC應該是一種以PC技術爲基礎的系統，尤其是在能夠發揮出PC特色的場合（如網絡，與外界的連接，優化，專家系統，操縱界面，數據監測，文件記錄和打印等），工作由以PC爲基礎的系統來承擔；

② 在底層，需要高可靠和實時控制時，由分散控制系統承擔，但它不同於現場總線，它不是基於儀表的系統，而是基於系統的系統，儀表還是普通儀表，只是將I/O和控制單元放在了現場，傳回中心控制室的是數字信號，而不是模擬的4—20mA信號，要求原來的儀表仍然可用；

③ 在I/O點較集中的場合，可以採用類似於DCS或PLC的機櫃或機架，內部模塊用總線或網絡連接，整個系統應該具有較高的可靠性，同時有較好的兼容性和開放性；

④ 系統應該具有真正的分佈性，前端可集中，也可以延續幾百米、幾公里甚至幾千公里（在地球的另一端），爲此，系統必須具備與TCP/IP兼容的協議和WEB服務器；

⑤ 規模也可以從小至幾十點，大至幾千點甚至幾十萬點。系統I/O規模的增加不應該導致系統的大的改變。

OpenPLC的概念的創始人建立了德維森公司，當時公司很小，沒有開發硬件和軟件的實力；因此他們採取了OEM的方式，也就是利用國際上其它公司的合適的軟件和硬件來實現OpenPLC的系統理念。所幸，這時國際上也開始興起了開放式系統的浪潮，涌現出了一批熱衷於開放式系統的公司（但沒有一家是有名氣的至公司）。該系同一開始曾經受過日本橫河公司的CENTUMCS的概念的啓發，也考慮了ROSEMOUNT的DELTA-V的現場總線與PC-BASED的合一的開放概念，也參考過美國OPTO22的SNAPI/O系統的帶有以太網接口的I/O模塊，但上述系統的昂貴的價格使得OpenPLC不得不尋求更新的價格。終極，對OpenPLC影響最大的，是美國SOFTPLC的概念，OpenPLC的研究小組希看將SOFTPLC的概念成功在更廣的領域內應用，爲了擺脫SOFTPLC的品牌關聯，當時決定以柔性控制系統TCS(Tailored Control System)的名稱形成了開放式可編程控制系統的前身系統。

第一套TCS的誕生所採用的是臺灣盟立自動化公司生產的FAMA的PLC的硬件，但在通訊方面做了加強。1998年，盟立公司預備打進大陸市場，在廣州自動化展覽會上，德維森公司發現盟立的硬件結構比較適合實現柔性控制系統的理念，與盟立公司達成了OEM的協議。但在系統構架和市場推廣應用方面，OpenPLC對系統進行了重新設計。

TCS的第一個實際應用是馬鋼第一鍊鐵廠的高爐監控系統，該套系統實際上是一個過程控制系統，但又加進了過程燃燒優化和專家系統，同時，高爐的所有數據都在第一時間通過LAN和WEBSERVER送到了生產調度和廠長辦公室等治理部分，形成了信息化製造系統的雛形。隨後，隨着TCS在雲南箇舊化肥廠、攀鋼熱電廠、邯鄲鋼鐵廠、深圳高科豫電廠、水廠等行業的應用，確立了在連續流程中作爲過程控制系統的技術基礎。2001年，OpenPLC在廣東中山彎管機上實現了與機械的NC技術和運動控制技術的結合，進進了CAM應用領域。

由於TCS的概念的先進性和實用性，中國儀器儀表學會於2000年8月對該系統進行了專家鑑定和評審，會議由中國的原子彈和氫彈元勳、中國政府高技術863計劃的倡議人、中國科學院和中國工程院兩院院士楊嘉墀主持，系統被以爲具有國際先進水平，隨後，在2001和2002年，TCS獲得廣東省和深圳市科學技術進步一等獎。

與此同時，OpenPLC的研究小組以爲TCS的概念仍然太過籠統，並且試圖用一種系統涵蓋所有的應用的想法有些不切實際。因此，重新審閱OpenPLC的概念，以爲開始以開放式PLC的概念從PLC的產品向其它控制系統的應用領域延伸是比較好的想法。隨後成立的加拿大在線控制有限公司和中國的合控電氣（深圳）有限公司繼續在OpenPLC這個概念上研發，新一代的OpenPLC產品於2003年底終於重新面世。隨後，OpenPLC在數控切割機、注塑機、機車監控系統、污水處理設備的應用，開闢了在機械OEM系統等離散製造業中的應用。

2004年，OpenPLC在加拿大阿爾伯達省的LANDPETROLEUM公司的一個自然氣處理廠和自然氣田作爲SCADA系統得到應用。該系統除了通過無線數字電臺將井口的數據傳到氣處理廠的中心控制室外（這是標準的SCADA系統的功能），另外增加了兩個引人注目的功能，一個是將所有的數據通過北美移動公司的網絡上連互聯網，使油田的業主在300公里外的卡加利總部可以看到一分鐘以前的現場數據和流量數據，不僅可以瞭解氣田的實時銷售狀況，也便於總部的工程師隨時瞭解井口和廠區的狀況，對生產情況進行診斷；另一個是在井口的控制器中，結合採油增產工藝對栓塞式增產工藝進行了控制，將增產工藝成功地以軟件功能塊的方式存儲在OpenPLC的井口生產控制器中，達到了增產20%的效果。該套系統的成功使用，標誌着OpenPLC作爲E-PRODUCTION的基礎系統得到了實踐的驗證。同年，OpenPLC在美國通用汽車的別克轎車的大燈開關的壽命測試儀上進行投進使用，該項目由美國EMERSON公司在深圳的工廠招標採用，考慮到世界第一臺PLC就是通用汽車使用的，這一臺OpenPLC在通用汽車的開關生產線的測試設備上使用，也具有特殊的意義。

2．OpenPLC的技術上風

① 傳統系統的不開放帶來的不便

目前，市場上的PLC產品基本上由十幾家公司佔據，這些公司大部分是著名的跨國公司，包括SIEMENS、ROCKWELL、GE、三菱、SCHNEIDER、ABB、KOYO等等。目前，幾乎所有的系統都是由原廠家開發的不兼容系統，當初都是由其各自獨立按自己的標準開發出來的，互相之間不能互連。固然最近各廠家都開發了通訊模件，但都價格昂貴，而且與外界的通訊由於各種原因都未做到完全通暢。很多製造業用戶特別是大型企業爲了避免過分依靠一家系統提供商而形成的貿易和技術風險，通常會同時採用幾家不同的控制系統。而傳統系統的不開放和不兼容令企業難以充分利用自動化技術，對企業內部的系統集成、系統升級和治理帶來了極大的困難。如何將控制系統互連以及與ERP和MES系統相連，形成由生產過程的最低層生產現場到治理決策職員的無縫的雙向信息流，是很多企業自動化和信息職員以及領導層關心的題目，而對於這個題目，傳統的封閉式的控制系統是無法解決的。

此外，各廠家的PLC系統在硬件結構、控制指令、通訊標準都不能共用，這樣，一旦用戶購買了某一種專用系統，就被迫繼續採用，由於當他們由於某些原因想改換PLC時，工程師不得不學習另外的新的編程語言。這是爲什麼要指定IEC61131-3，爲所有的可編程控制器訂立編程語言標準的原因。專用系統的開發、設計、生產、工程、維護都需要專門進行，造成其生產本錢以及售價都居高不下。

今天製造企業對自動化系統的維護升級等技術支持的要求很高，同時要求系統供給商瞭解工廠的製造工藝，並需要一個專業的技術支持，對製造專用系統的公司來說，在一個區域性市場要保持一支經過良好練習的維護隊伍本錢很高，這個原因導致了控制系統的技術服務難以令人滿足，即使有服務，其備件和人工費也都很昂貴。由於系統是專用的，用戶對這種狀況沒有其它選擇。大家知道，設備所造成的停產代價是非常之大的，而且現代工廠需要對生產過程不斷進行調節，因此製造企業迫切需要一個高靈活性的、兼容能力強、低本錢、可靠並具有強大的通訊能力的系統和良好的技術支援服務，傳統的PLC公司在解決這方面的題目上尚未做到令人滿足。

② OpenPLC的開放性給用戶的好處

OpenPLC就是因應這種需求而產生的一種開放式的控制系統平臺，其優點在於具有開放性和通用性的特點，它並非專爲某一個或兩個行業所設計的，而是可以適合許很多多不同的行業，並應用在不同的場合。而且，由於它所具有的開放性特點，還可以和目前的傳統控制系統混合使用，並不斷地升級和延伸，因此受到市場的歡迎。

OpenPLC的自動化平臺也是最徹底的開放式方案，國際上的各大競爭對手固然也推出了開放式系統的概念，但通常都是在原有的系統上層加上一些接口，實現局部的互連和通訊，並非真正意義上的開放；而OpenPLC把PC兼容的技術引進到現場控制器內部，系統採用WINTEL芯片和軟件結構，通訊採用全球通用的Ethernet協議TCP/IP作爲網絡協議和現場控制總線協議，並且內部可以內置Web-Server因此具有很大的競爭上風。用戶還可以通過互聯網或公司內部的Intranet網絡來訪問任何現場數據並實行控制，反過來，供給商也可以通過Internet對用戶的系統進行遠程診斷，從而實現全天候的低本錢的24小時的技術支持服務。

OpenPLC的特點是開放性，是將電子、通訊、計算機、網絡等信息技術（IT）方面的國際最新技術成果在自動控制系統領域的應用。目前，全球的IT業都有一個標準化的趨勢，也就是任何一家公司只要按照標準來設計產品，都可以和世界上任何一家至公司的產品兼容或競爭。所以有關的技術目前在國際各種媒體包括互聯網上可以方便地得到，這就使OpenPLC的製造商和系統集成商可以藉助國際上所有的IT行業的最新成果，包括INTEL、MICROSOFT、IBM等國際衆多巨型公司的技術和氣力來和傳統控制系統的專業公司抗衡，相當於是藉助了全球IT行業的技術氣力來進行產品的開發。同時，這些技術固然是通訊、電腦、網絡、軟件等行業的通用技術，但也並不是可以直接用在自動化行業的，必須對之進行加工、改造，尤其是在抗干擾和可靠性方面以及如何適應產業控制的具體情況等方面進行大量細緻的工作。

另外，通過採用通用的產品與技術標準，使OpenPLC的製造商可以低本錢地利用標準器件和現有技術，如大量的通用軟件如通訊軟件、網絡軟件、圖形軟件、數據庫軟件使開發本錢大大降低，研發週期大大縮短，所用的元器件也由於是與主流技術兼容的產品而可以低本錢方便地得到。使OpenPLC可以做到在價格比傳統控制系統的價格低三到五成的情況下仍然能夠保證較高的邊際利潤。OpenPLC由於其所具有的開放性和靈活的通訊特點，可以構成足以令人眼花繚亂的各種各樣的控制系統，但是，OpenPLC的基本單元是十分簡單的。除了前述的開放性特點之外，OpenPLC還有一個最爲重要的特點，那就是簡單。簡單就是美，OpenPLC所有的解決方案，從設計到應用，從軟件到硬件，從集成到組態，處處都體現出“簡單”的特點。

六、結束語

PLC的未來發展不僅取決於產品本身的發展，還取決於PLC與其它控制系統和工廠治理設備的集成情況。PLC通過網絡，被集成到計算機集成製造（CIM）系統中，把他們的功能和資源與數控技術、機器人技術、CAD/CAM技術、個人計算機系統、治理信息系統以及分層軟件系統結合起來，在工廠的未來發展中，將佔據重要的地位。

新的PLC的技術進展包括：更好的操縱員界面，圖形用戶界面（GUI），人機界面；也包括與設備、硬件和軟件的接口；並支持人工智能，比如邏輯I/O系統等。

軟件進展將採用廣泛使用的通訊標準提供不同設備的連接，新的PLC指令將立足於增加PLC的智能性，基於知識的學習型的指令也將逐步被引進，以增加系統的能力。

用戶對於柔性製造系統的需求將決定未來的控制哲學。可以肯定的是，未來的工廠自動化中，PLC將肯定佔據重要的地位，控制策略將被智能地分佈開來，而不是集中，超級PLC將在需要複雜運算、網絡通訊和對小型PLC和機器控制器的監控的應用中獲得使用。

所有上述的發展，都取決於一個因素：PLC的開放性。只有開放了，PLC才能與其它控制系統集成；只有開放了，PLC才能與CIM、機器人、CAD/CAM、個人計算機、MIS結合，在工廠的未來發展中佔有重要地位；只有開放了，PLC纔可能發展更好的人機界面，才能與其它設備具備更靈活的接口；只有開放了，PLC才能適應更多的通訊標準；只有開放了，才能採用更多、更復雜的控制策略。

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樑卓業 i4CN首席諮詢顧問中國工業4.0、智能製造、無人工廠、工業互聯網專家，華爲ISC、IPD體系專家華爲ISC+項目組成員，智能製造標杆車間項目經理工業4.0十大思想變革、無人工廠建設體系首創人中山大學麻省理工學院雙MBA，廣東工業大學機電學院本科歡迎需要導入華爲ISC、IPD體系，實施工業4.0無人工廠的企業與i4CN合作。

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