PLC在集散控制系统中的作用及其发展趋势

摘 要：阐述了可编程序控制器（PLC）在当今集散型控制系统（DCS）中发挥着越来越大的作用，并分析了PLC今后的发展趋势。
    一、引言
    工业自动化根据生产过程的特点可分为过程控制自动化和制造工业自动化以及各种自动化测量系统。对于这些不同的工业对象发展了相应的控制技术。如对于流程工业的控制一般采用集散型控制系统（DCS）。离散型制造业采用可编程序控制器（PLC），常用于逻辑/顺序控制。而间隙过程工业则以DCS和PLC混合使用为好。在实际生产中，生产过程往往既需要连续控制，又需要逻辑/顺序控制的功能，DCS和PLC都是基于微处理器的数字控制系统装量，它们相互渗透发展，不断扩大自己的应用领域。目前，PLC已广泛地被应用在DCS中。
    二、PLC在DCS中的作用
    PLC的发展起源于70年代，首先在汽车工业中大量应用，80年代走向成熟，奠定了在工业控制中不可动摇的地位。进入90年代，在技术上又有新的突破，把PLC的处理速度、运算和控制功能应用于通信芯片商品，使PLC从专有性控制器向开放性发展，在应用范围和应用水平上，为实现ELC（电气控制、仪表控制、计算机控制）一体化打开了新的局面。在DCS控制系统中，也越来越多地采用了各种智能数字调节器和PLC，新型的数字调节器与PLC不仅容量更大，速度更快，而且都具有较强的联网通信能力，可以采用以廉价的双绞线为传输介质的现场总线网，将作为主结点的现场控制站与作为从结点的数十个数字调节器、PLC或数字化智能变送器连接在一起，也可以将数台PLC通过网点直接接入高速数据公路，组成过程控制级的顺序控制站。这样，使DCS的控制功能进一步分散，控制速度与功能及系统的可靠性又得以进一步的提高。在当今的PLC中，除了提供模拟量控制模块外，PID回路控制也已不再被认为是PLC中的新事物了，它已经成为每一种大型PLC的标准性能，甚至许多新型的小型PLC也能提供PID等控制算法的功能。现在以PLC为基础的PID控制正广泛应用于连续过程和批量过程的控制中。在此基础上，一些PLC生产厂商为其新一代的通用PLC系列又增加了许多专为过程控制而设计的控制功能。除PID运算外，增添了“超前滞后”、工程量变换、报警、斜坡函数和高精度模拟量I/O等特殊处理算法。过去仅限于大型DCS系统中使用的其他一些先进的过程控制功能，也开始在PLC中出现。自整定PID回路、模糊控制等就是最好的一些进展。表1给出的是一些PLC运用自整定PID控制的信息，其中有些自整定算法常驻在PID控制模块中，如AB公司的1171温控模块。而另外一些自整定算法则存放在CPU的协处理的模块中，如GE公司的9030系列。
    　　如从全球控制市场的销售情况看，PLC的销售额也在逐步增长。据美国著名商情公司Frost & Sulliran提出的报告，PLC将在控制市场中获得更多的销售份额，从1993年的46%上升到2000年的50%，销售额以39亿美元上升到76亿美元。从表2可知，PLC的销售额在1993年就比DCS多1/3，预测到2000年将比DCS多1/2。并且，PLC在工业发达国家中的发展余地还很广阔，还有许多新的而应用领域有待于开发，或者已经开发但未充分发展。可见，PLC所特有的高可靠性和不断增强的功能，使它在DCS中发挥着越来越重要的作用。
    三、PLC今后的发展趋势
    从技术发展上讲，目前PLC也不断受到其他基于计算机技术的控制装置及系统越来越多的挑战，受到PLC技术本身软件方面急待更新与发展的挑战，受到一种全新的工业控制结构——不但控制分散化，而且网络也分散化的挑战，受到开放型模块化体系结构控制系统（OMAC）的挑战。于是PLC必然将会向完善其软件和硬件两个方向发展。
    1、继续增加控制算法功能，满足过程控制要求
    Siemens公司为此开发了一个名为“多户应用工具”（Applications Productivity Tool）软件包，简称APT。它实现了满足实力强的用户愿意自己设计过程控制策略和自整定算法的愿望。它是一种在PC机环境下的软件包，允许用户在一个面向对象的编程环境中开发自己的控制策略。然后由APT将此翻译为梯形图语言向下装载至PLC作为可执行的程序。APT还提供连续和顺序功能图功能和许多功能块，用户可以自行连接与组态，来实现任意组合的控制操作，还可以开发超前滞后补偿器、Smith预估器、PID回路自整定算法等。这类工具性软件还有ASA公司的Process-M，加拿大Famic Automation公司的CADE-PA等。在今年三月召开的第三届国际工业自动化与控制技术展览会上，上海船舶运输科学研究所推出的S2000可编程序控制器系列，清华同方推出的RH分布式微机控制系列都具有各种控制算法功能。S2000其单台PLC I/O点可达512个，多台PLC在联网方式下，I/O点可达4096个，可配置成高性能中大型应用系统，以满足各种过程控制的需求。
    2、实现以PC为平台的PLC控制
    以PC为平台的PLC控制，有人称之为：以PC为基础的控制（或简称PC控制）。它就是将经过加固的PC机（或称工业PC）的硬件与控制软件组合在一起，实施通常由专用的PLC执行的控制功能。或者说，将PLC的控制功能“封装”在软件内，运行于PC机中。这样，系统提供了PLC同样的功能，但却具备了PC环境下的各种优点。它将控制器、通信、人机界面以及其他各种特定的应用全都合为一体，可大大简化工厂自动化的体系结构，还可以最大限度的利用PC机日新月异的软硬件发展成果，其前景是很吸引人的。但这并不意味着PC控制将取代PLC控制，PC控制只是替代了PLC的CPU模块，而不是替代I/O模块。I/O模块仍然是PLC原有的I/O系列或者是第三方I/O生产厂的产品，其发展方向必然是运用现场总线、工业控制网络构筑开放系统。
    　　美国AB公司已经推出了Ssftlogi x5控制器新品，实际上它是由工控PC机、PC控制引擎软件包和AB公司的I/O产品构成。日本三菱电机公司开发了A70BDE—ABF总线控制卡件，可以插在任意一个PC/AT兼容机的16位ISA插槽中。通过扩展电缆与A系列/Ans系列的扩展基板相连，这样A70BDE—ABF即可支持3584个I/O点（A系列）或1536个I/O系（Ans系列），在PC机则可运行基于Windows NT40的实时软逻辑控制包。由研华公司所提供的工业电脑ADAM—5510基于PC的可编程序控制器是典型的Soft PLC控制系统结构。它配套Intellution公司的Paradgm—31软件，即是不同于传统PLC的选择组合。Soft PLC是开放的可编程序控制器，在实时控制、网络控制和分级控制领域可获得广泛的应用。Soft PLC是实时多任务操作系统，能提供强有力的指令，更加快速的扫描和安全的操作。开放的结构容易连接各种I/O模块、PID模块、运动控制模块和装置、网络。
    四、结束语
    总之，上面分析的PLC今后的发展趋势无非会在以下几方面寻找冲破：
    （1）为向各种工业领域渗透，适合各种灵活控制方案，一部分PLC将朝着小规模低造价方向发展。
    （2）由于PLC的联网功能不断加强，将使PLC向分散控制方向发展。
    （3）由于超大规模集成电路技术迅猛发展，促使PLC追求更高的处理速度和更大的存储容量。
    （4）由于越来越多的大系统使用PLC，将使一部分PLC向在规模和功能更复杂的方向发展。
    （5）由于计算机软件技术飞速发展，促使PLC编程软件实现多样化和高级化。
    今后，PLC的各种特性提高的速度和各种功能完善的速度越来越快，DCS和PLC的控制功能将进一步融合，DCS必将被由PLC构成的控制系统或被PC为平台的PLC控制系统所取代。