一文了解工業控制的偉大發明——PLC

在現代工業革命的浪潮中，可編程邏輯控制器（PLC）無疑是引領自動化進程的關鍵角色。這款工業設備憑借其卓越的控制和監測能力，對各種復雜的機器和設備進行精確無誤的操控，成為工業自動化領域中不可或缺的一員。PLC的高效、精確與靈活性，使其在競爭激烈的工業市場中脫穎而出，廣受贊譽。

自上世紀六十年代末誕生以來，PLC便在制造和工業過程控制領域占據了核心地位。它的初衷始終未變：持續穩定地控制工業硬件，推動生產流程的自動化與智能化。PLC的設計提出和發明，可以追溯至1968年，背后是美國Modicon公司（現為施耐德電氣的一部分）的工程師Clark的遠見與Dick Morley的才華。

Clark以其獨特的視角撰寫了關于PLC的最初白皮書，提出了替代傳統機械繼電器的創新理念。而Morley則是將這一想法付諸實踐的關鍵人物。他在實驗室中，僅憑一張酒吧紙巾，便繪制出了首個PLC的藍圖，這一創舉徹底改變了工業自動化的格局。

當時，汽車行業正面臨著生產效率提升的挑戰，急需一種新型的控制系統來優化生產線上的機器和設備管理。Morley的PLC設計應運而生，它不僅滿足了汽車行業的需求，更為整個工業自動化領域帶來了革命性的變革。

時至今日，PLC已成為工業自動化領域的中流砥柱，它的每一次進化與升級，都代表著工業技術的一次飛躍。從最初的替代機械繼電器，到如今的高度智能化和集成化，PLC的發展史就是一部工業自動化的進步史。

什么是PLC？

PLC是可編程邏輯控制器的縮寫，它是一種專門設計用于工業自動化的電子設備，用于監控和控制機器和生產過程。它用于處理輸入數據并做出控制工業設備的決策。它們大量用于控制泵、電機、裝配線設備、機器人和其他此類機器。

PLC可承受灰塵、偶爾的噴水、極端溫度和其他惡劣環境，以提供多年的服務。它們提供實時數據和控制信號，運行迅速。其他硬件可以與PLC集成以存檔數據。

PLC本身具有多個輸入和輸出（I/O）通道，用于收集數據并將控制信號發送到過程設備。如有必要，可以向PLC添加額外的I/O通道。PLC還可能內置信號處理設備，例如噪聲濾波器，以清理電噪聲工業設施中的信號。

PLC的升級

在PLC出現之前，機器控制完全由一系列繼電器執行。泵電機將有一個控制繼電器，該繼電器提供電源為打開泵的功率繼電器供電。鏈中甚至可能有更多的繼電器。這需要大量的繼電器和接線空間。此外，由于繼電器是機械式的，觸點和線圈經常發生故障，使故障排除變得困難。

為了解決這個問題，一些工程師制定了復雜而昂貴的維護計劃，根據時間或周期數與故障時間來更換繼電器。

PLC提供實時決策功能，這使它們比基于PC的控制系統更具優勢。在基于PC的控制系統中，操作系統確定決策優先級，延遲重要的過程控制信號。這意味著在快節奏的工業環境中，PLC的響應速度通常比PC快得多。PLC的另一個明顯優勢是其安全性。與連接到互聯網的PC不同，PLC通常只連接到其他PLC硬件和軟件。這可以大大降低網絡攻擊的機會。

由于實時控制和額外的安全性，PLC在工業控制市場中仍然很受歡迎，并將在未來幾年繼續存在。隨著傳感器技術的突飛猛進，更多的輸入可用于做出過程控制決策，這也導致了PLC的普及。

而近年來與PLC類似卻有升級優化的PAC橫空出世，PAC這個名稱則出現于大概15年前，它的出現也許是為了將功能最強的PLC從其它稍遜一籌的弟兄們中區分開來。

相較于PAC來講，基于PLC的PAC也許是更好的名稱，因為這些控制器融入了過去幾十年中PLC和其它技術所取得的進步。生產制造商已經采用了經驗證、更強大的PLC硬件設計，并將從PC和移動設備領域的最新、低成本技術應用其中。它們融合了這些技術進步，以滿足不斷變化的用戶需求，提供了基于PLC的PAC系統。

PLC和PAC之間最顯著的區別之一是PAC具有多處理器設計。PAC從中受益，因為它的多核處理器允許它一次完成多項工作。

另一個區別是PLC掃描邏輯是順序的；這意味著當CPU檢查一個功能的輸入信號時，它不能檢查另一個功能的輸入信號。PAC使用的掃描邏輯是雙邏輯掃描。這意味著CPU可以在對單個信號進行判斷的同時檢查多個輸入信號。內存空間也是PLC和PAC之間的另一個主要區別。

PLC的分類

PLC產品種類繁多，其規格和性能也各不相同。對于PLC，通常根據其結構形式的不同、功能的差異和I/O點數的多少等進行大致分類。

PLC的另一個明顯優勢是其安全性。與連接到互聯網的PC不同，PLC通常只連接到其他PLC硬件和軟件。這可以大大降低網絡攻擊的機會。

由于實時控制和額外的安全性，PLC在工業控制市場中仍然很受歡迎，并將在未來幾年繼續存在。隨著傳感器技術的突飛猛進，更多的輸入可用于做出過程控制決策，這也導致了PLC的普及。

1.按結構形式分類

（1）整體式PLC

整體式PLC是將電源、CPU、I/O接口等部件都集中裝在一個機箱內，如圖所示。具有結構緊湊、體積小、價格低的特點。小型PLC一般采用這種整體式結構。整體式PLC由不同I/O點數的基本單元（又稱主機）和擴展單元組成，基本單元內有CPU、I/O接口、與I/O擴展單元相連的擴展口以及與編程器或EPROM寫入器相連的接口等；擴展單元內只有I/O和電源等，而沒有CPU。基本單元和擴展單元之間一般用扁平電纜連接。整體式PLC一般還可配備特殊功能單元，如模擬量單元、位置控制單元等，使其功能得以擴展。

（2）模塊式PLC

模塊式PLC將PLC的各組成部分分別做成若干個單獨的模塊，如CPU模塊、I/O模塊、電源模塊（有的含在CPU模塊中）以及各種功能模塊。模塊式PLC由框架或基板和各種模塊組成，模塊裝在框架或基板的插座上，如圖所示。這種模塊式PLC的特點是配置靈活，可根據需要選配不同規模的系統，而且裝配方便，便于擴展和維修。大、中型PLC一般采用模塊式結構。

還有一些PLC將整體式和模塊式的特點結合起來，構成所謂的疊裝式PLC。疊裝式PLC的CPU、電源、I/O接口等也是各自獨立的模塊，但它們之間是靠電纜進行連接的，并且各模塊可以一層層地疊裝。這樣，不但系統可以靈活配置，還可做得體積小巧。

2.按功能分類

（1）低檔PLC

低檔PLC具有邏輯運算、定時、計數、移位以及自診斷、監控等基本功能，還可有少量模擬量輸入/輸出、算術運算、數據傳送和比較及通信等功能，主要用于邏輯控制、順序控制或少量模擬量控制的單機控制系統。

（2）中檔PLC

中檔PLC除具有低檔PLC的功能外，還具有較強的模擬量輸入/輸出、算術運算、數據傳送和比較、數制轉換、遠程I/O、子程序及通信聯網等功能；有些還可增設中斷控制、PID控制等功能，適用于復雜的控制系統。

（3）高檔PLC

高檔PLC除具有中檔PLC的功能外，還增加了帶符號算術運算、矩陣運算、位邏輯運算、平方根運算及其他特殊功能函數的運算、制表及表格傳送功能等。高檔PLC具有更強的通信聯網功能，可用于大規模過程控制或構成分布式網絡控制系統，進而實現工廠自動化。

3.按I/O點數分類

（1）小型PLC：小型PLC的I/O點數小于256，具有單CPU及8位或16位處理器，用戶存儲器容量為4KB以下。例如：三菱FX0S系列。

（2）中型PLC：中型PLC的I/O點數在256～2048，具有雙CPU，用戶存儲器容量為2～8KB。

（3）大型PLC：大型PLC的I/O點數大于2048，具有多CPU及16位或32位處理器，用戶存儲器容量為8～16KB。

三足鼎立的PLC格局

除了以上的產品分類，世界上的PLC產品可按地域分成三大流派，一個流派是美國產品，一個流派是歐洲產品，一個流派是日本產品。美國和歐洲的PLC技術是在相互隔離情況下獨立研究開發的，因此美國和歐洲的PLC產品有明顯的差異性。而日本的PLC技術是由美國引進的，對美國的PLC產品有一定的繼承性，但日本的主推產品定位在小型PLC上。美國和歐洲以大中型PLC而聞名，而日本則以小型PLC著稱。

在全球PLC（可編程邏輯控制器）市場上，西門子、三菱電機、歐姆龍、施耐德和ABB等巨頭長期占據主導地位。

其中，2023年的市場領頭羊無疑是Siemens（西門子），以高達40%的市場份額穩坐榜首，并實現了778億歐元的營收，同比增長11%。緊隨其后的是RockwellAutomation（羅克韋爾自動化）、進化OMRON（歐姆龍）、SchneiderElectric（施耐德電氣）等，這些企業同樣在全球PLC市場中占有舉足輕重的地位。

中國PLC市場的增長潛力

不過隨著工業自動化領域的不斷發展和應用需求的日益增加，中國PLC市場也迎來了前所未有的發展機遇。制造業產業升級、高端裝備的發展以及工業4.0時代的推動，共同推動了中國PLC市場規模的持續擴大。預計到2023年，我國PLC市場規模將達到驚人的165.4億人民幣，其中小型PLC和中大型PLC的市場規模分別為80.72億元和84.68億元。在新技術應用、系統開放性以及價格等多重因素的驅動下，未來中國PLC市場的增長潛力依然巨大。

與全球市場相比，中國PLC市場則呈現出更為復雜和多元化的態勢。這里匯聚了大大小小上百家PLC公司，形成了一個競爭激烈的戰場。國產PLC廠家大致可以分為兩大陣營：項目型和產品型，它們分別服務于離散行業自動化和流程行業自動化。

在這個充滿挑戰和機遇的市場中，國產PLC廠商正努力尋求突破和創新。