OpenPLC--可編程控制器的發展趨勢

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工業計算機，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門為了消除既復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，并要求能夠在工業環境中生存，也能夠方便地編程，并且可以重復使用。該控制系統將大大減少機器的停機時間，并為未來提供了可擴展性。該招標由DEC公司中標，這套系統于1969年研制出來，這是第一臺可編程控制器，型號為PDP-14，應用取得成功。其后，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制成功。這些早期的控制器滿足了最初的要求，并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、通信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．初級階段：從第一臺PLC問世到20世紀70年代中期

由于第一代PLC是為了取代繼電器的，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。第一階段就采用了梯形圖語言作為編程方式，盡管有些枯燥，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．通信階段：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信的發展有關，形成了分布式通信網絡。但是，由于各制造商各自為政，通信系統也是各有各的規范。由于在很短的時間內，PLC就已經從汽車行業迅速擴展到其它行業，作為繼電器的替代品進入了食品、飲料、金屬加工、制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，可靠性進一步提高。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

由于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。主要表現為通信系統的開放，使各制造廠商的產品可以通信，通信協議開始標準化，使用戶得益。此外，PLC開始采用標準化軟件系統，增加高級語言編程，并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)頒布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于專門為在工業環境下應用而設計的數字運算操作的電子裝置。它采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作的指令，并能通過數字式或模擬式的輸入和輸出，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于與工業控制系統形成一個整體，易于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：

采用新的、先進的微處理器和電子技術達到快速的掃描時間；
小型的、低成本的PLC，可以替代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，以低成本提供了節省空間的接口；
基于微處理器的智能I/O接口，擴展了分布式控制能力。典型的接口如：PID，網絡，CAN總線，現場總線，ASCII通信，定位，主機通訊模塊，和語言模塊（如BASIC，PASCAL）；
包括輸入輸出模塊和端子的結構設計改進，使端子更加集成；
特殊接口允許某些器件可以直接接到控制器上，如熱電偶、熱電阻、應力測量、快速響應脈沖等；
外部設備改進了操作員界面技術，系統文檔功能成為了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，并與辦公網絡相連。整個PLC的產品系列概念對于用戶來說，是一個非常節約成本的控制系統概念。

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引入了面向對象的編程工具，并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，并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復雜的軟件功能；
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復雜計算；
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、跟蹤和存取的復雜控制和數據采集和處理功能。
盡管PLC比原來復雜了很多，但是，他們依然保持了令人吃驚的簡單性，對操作員來說，今天的高功能的PLC與三十年前一樣那么容易操作。

2．PLC的特點

PLC發展如此迅速的原因，在于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，因此可靠性得到提高；

b) 可編程控制器采用一系列可靠性設計方法進行設計，例如冗余設計，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，提高了MTBF，降低了MTTR，使可靠性得到提高；

c) 可編程控制器有較強的易操作性，它具有編程簡單，操作方便，編程的出錯率大大降低，而為工業惡劣操作環境設計的硬件使可靠性大大提高；

d) 可編程控制器的硬件設計方面，采用了一系列提高可靠性的措施。例如，采用可靠性高的工業級元件，采用先進的電子加工工藝（SMT）制造，對干擾采用屏蔽、隔離和濾波等；存儲器內容的保護，采用看門狗和自診斷措施，便于維修的設計等。

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，占93%，其次，才是性能和維修方面的原因。

② 易操作性

PLC的易操作性表現在下列三個方面：

a) 操作方便：對PLC的操作包括程序的輸入和程序更改操作，大多數PLC采用編程器進行程序輸入和更改操作。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，然后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，對現場電氣人員來說，由于梯形圖與電氣原理圖相似，因此，很容易理解和掌握。采用語句表語言編程時，由于編程語句是功能的縮寫，便于記憶，并且與梯形圖有一一對應的關系，所以有利于編程人員的編程操作。功能圖表語言以過程流程進展為主線，十分適合設計人員與工藝專業人員設計思想的溝通。功能模塊圖和結構化文本語言編程方法的應用尚未普及，但由于它們具有功能清晰，易于理解等優點，而且與DCS組態語言統一，正受到廣大技術人員的重視。

c) 維修方便：PLC所具有的自診斷功能對維修人員的技術要求較低，當系統發生故障時，通過硬件和軟件的自診斷，維修人員可以根據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，為迅速排除故障和修復節省了時間，降低了MTTR。

為便于維修工作的開展，有些PLC制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于維修的位置，信號燈設置在易于觀察的位置，接線端子采用便于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。采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采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。使用者只要掌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。由于PLC內部采用軟連接，因此，在生產工藝流程更改或者生產設備更換后，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比擬的。正是由于編程的柔性特點，使PLC成為工業控制領域的重要控制設備，在柔性制造系統FMS，計算機集成制造系統（CIMS）和計算機流程工業系統（CIPS）中，PLC正成為主要的控制設備，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、應用和控制范圍的擴展。它不僅可以通過增加輸入輸出卡件增加點數，通過擴展單元擴大容量和功能，也可以通過多臺PLC的通信來擴大容量和功能，甚至可以與其它的控制系統如DCS或其它上位機的通信來擴展其功能，并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) 操作的靈活性：操作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。操作變得十分方便和靈活，監視和控制變得很容易。在繼電器順序控制系統中所需的一些操作得到簡化，不同生產過程可采用相同的控制臺和控制屏等。

④ 機電一體化

為了使工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，它是專門為工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，它已經成為當今數控技術、工業機器人、離散制造和過程流程等領域的主要控制設備，成為工業自動化三大支柱（PLC，機器人，CAD/CAM）之一。

可編程控制器現在已經成為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成為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，制造與生產企業所采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制的。無論是DCS，PLC還是FCS，雖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。在許多情況下，當用戶要想進行功能上的擴展或變化時，都必須求助于系統的提供商，如想把特殊要求融入到控制系統中去時，由于它們的封閉特性那是不可能的。再者，由于采用了專用的控制系統，如制造廠家想轉化一種控制系統也將變得極為困難。諸如此類，無形中不僅提高了制造企業的成本，也成為控制系統升級換代的"瓶頸"。

市場全球化的后果是競爭空前劇烈，從而要求制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制造系統的需求已逐步超過對大型單一功能的制造系統的需求。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，而且為制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，美國國防部為了減少軍備制造對日本控制系統的依賴性，開始了名為“下一代控制器（NGC）”的計劃，并成立了“美國國家制造科學中心（NCMS）”，其主要目的是擬訂并推進關于新一代開放式控制系統的詳細分析與規范。作為NGC的后續工作，美國國防部啟動了OASYS項目，其目的是建立并安裝8套控制器，并在6種不同場所對其進行測試。其后有許多相關的研究計劃在世界各國相繼啟動，其中影響較大的有美國的OMAC、歐洲的OSACA和日本的OSEC等計劃。但因為這些計劃的發起者是用戶而不是制造商，因此，進程比較緩慢。

2．國際大型PLC制造商的開放路線

2003年，全球自動化行業的控制系統市場大約為每年100億美元左右，其中99%被傳統的不開放系統所占據。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，基于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于傳統的控制系統。

資金永遠是向高利潤的方向流動的，那么，國際的大型PLC制造商當然不會對這么大的市場坐視不理。但是，分析這些PLC的制造商面對開放性的大趨勢所采取的策略，卻是微妙而饒有趣味的。

首先，國際大型控制系統雖然絕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。什么原因呢？

幾乎所有的制造商都已認識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信，并非真正意義上的開放。不要說控制器的底層，就是在操作站這一層，他們在實現與外界通信方面還存在著重重困難。這種狀況的產生并不是由于他們無法開發出全開放的系統，而是出于其產品戰略考慮，不愿也不能這樣做。以西門子為例，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年的工業控制產品的銷售額約為140億馬克，如果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，而新的系統能否為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，盡管這個市場的增長率較高，但西門子絕對不可能為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。

那么，這些公司對于開放式系統市場是否只能坐視不理、無能為力呢？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“不僅僅是基于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后于他人，同時又不想失去老用戶的復雜情結。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“為用戶量身定做（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”的標簽，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盡量多地銷售出去。

以上分析可以得出結論，在開放式系統的市場競爭的初級階段，國外各大控制系統制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為基礎，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。因為這樣做，對他們現有系統的市場所帶來的損失是他們不愿承受的。

3．目前開放式系統開發存在的問題

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征，仍有許多需要改進之處。

首先，開放式控制系統的概念不清晰，沒有解決開放控制系統的平臺問題。各系統所采用的體系結構和通信協議并不一致，仍是自成體系，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于具體實現層，沒有提高到理論的、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作性。

其次，沒有充分利用像Windows、UNIX、OS/2等新型操作系統。軟件開發思想與技術落后，始終處于甚至低于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、修改和維修仍然依賴于生產廠家，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入到系統中去。

問題是，目前各大控制系統制造商并非不了解這些問題現狀，而是不愿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為了實現企業內部的信息流動的無縫化和軟件、硬件的標準化和通用化，目前各廠家所采取的措施充其量是幫助用戶向前邁了一小步，而且用戶必須為此付出高昂的費用，如西門子的S7400僅通信模件所花的費用就占整個系統的1/3以上，開放式系統應有的性能價格比的提高用戶無法享受到。這種表面的開放性并不能代表真正的開放性，不少專家已毫不客氣地指出了這一點，許多明眼的用戶也認識到了這個問題。

目前，全力致力于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。這些公司沒有過去的包袱，所開發的產品的市場目標也不存在搶自己飯碗的問題，所以他們可以沒有后顧之憂地宣傳。由于他們的產品是充分考慮了開放性的，今后將成為開放性控制系統的新的生力軍。但目前，這些公司普遍沒有信心對目前的市場領導者所占據的傳統控制系統市場進行全面進攻，一般還是在鉆一些大公司不愿或忽視做的空白市場，在國際上沒有對現有的市場領導者構成威脅，因此，大公司對這些公司也沒有采取什么對策。

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后，如占到了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，因為即使他們自己不去取代老產品，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。這些大公司的轉向，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，大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望在開放式系統普及后被打破。

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是誕生最早的工業控制器，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，到嵌入式控制系統。這種情況的產生，一方面是由于早期的PLC的不開放造成的，但另一方面，也是由于PLC在工業控制領域所占的比重份額太大引起的。但技術和應用發展的結果是，隨著新的技術越來越多，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，在流程工業，過去DCS占了絕對的統治地位，但現在，在中小型的工業裝置方面，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也面臨著高端PLC的威脅。這種現象的原因，一方面是由于PLC的技術不斷發展，DCS過去所獨有的一些復雜控制功能現在PLC基本上全部具備；第二是由于PLC的操作的簡單性所決定的；第三，也是最重要的一點，就是，PLC的價格和成本是DCS系統所無法比擬的。

在低端設備，比如許多工業設備的控制器，過去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。從材料成本上來說，PLC的成本比單片機要高，但是，由于PLC所具有的編程的靈活性，使得用戶在開發新機型的時候，不必為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成本。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作為機械設備的主要控制器。

在原來大量采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作站的層面。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、最方便的操作、最低的成本。因此，逐漸開始在越來越多的地方采用。可以說，工控機的誕生不僅沒有削減PLC的份額，卻因為工控機的運算功能、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，在離散制造業，PLC作為一種設備控制和數據采集的方便器件，在企業實施ERP和CIMS系統時，為實時數據的采集、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作為控制系統和數據采集系統的首選。

因此，至少從現在來看，PLC在各類控制系統的競爭中逐漸占了上風。但是，隨著競爭的白熱化，PLC也面臨著一個發展瓶頸，那就是各類系統的不開放，或者說假開放。

2．工業以太網——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：采用從操作系統到通訊協議都是通用的系統。目前，操作系統其實只有WINDOWS、UNIX等少數幾種，而通訊總線問題，則沒有什么疑義。在工控界爭論不休的問題，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，它占了全球所有計算機通訊總線的96%！而其余所有的總線只占了不到4%。因此，工業界所有的總線向以太網的方向靠攏，是不以人們的意志為轉移的。

眾所周知，以太網最初是為辦公自動化設計的，因此沒有考慮到工業自動化應用的一些要求。特別是，它采用的CSMA/CD介質訪問控制機制，具有通訊延時不確定的缺點，不能滿足工業自動化控制的實時通信需求。因此，在20世紀90年代以前，很少有人將以太網應用于工業自動化領域。

近幾年來，隨著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提高、以太網交換技術的發展，給解決以太網的非確定性問題帶來了新的契機：首先，以太網的通信速率一再提高，從10Mbps，到100Mbps甚至到10Gbps，在相同通信量的情況下，通信速率的提高意味著網絡負荷的減輕和碰撞的減少，也就意味著提高確定性；其次，以太網交換機為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，這就相當于每個設備獨占一個網段；第三，全雙工技術又為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沖突大大降低（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，從而為它應用于工業自動化控制消除了主要的障礙。

與其它現場總線或工業通信網絡相比，以太網具有應用廣泛、成本低廉、通信速率高、軟硬件資源豐富、易于與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管理層網絡，而且在過程監控層網絡也得到了廣泛應用，并有直接向下延伸，應用于工業現場設備層網絡的趨勢。

從通訊網絡的角度來看，采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，如果能夠實現數據通信，其實，要求上下所有的硬件采用同樣的操作系統是不經濟的。比如，在上位機，用于顯示和數據存儲的功能是主要的功能。這時，采用WINDOWS的操作系統是沒有什么問題。而在底層控制端，則只要采用類似RTOS或VXWORKS這樣的操作系統會更好，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，易操作性，和靈活性。這些特點是PLC必須要保留的。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志。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，在工業應用中，需要實時控制而同時又需要處理大量信息的場合雖然存在，但并不多見。因此，只要能解決PLC的通訊問題，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將最常見也是今后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，可以低成本地具備通訊的功能。而且，專門開發了靈活而方便的通訊模塊，用這些通訊模塊，只要簡單地輸入各類協議，就可以將這些模塊作為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，也可以通過移動通信系統，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信。這些通訊，使用戶可以最及時地了解到設備的運行狀況，可以進行遠程診斷和遠程監控，對于生產過程控制、制造過程的信息化、生產過程和管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盡量保留了傳統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完全相同的生產工業，這樣，使得原來的PLC用戶在使用開放式PLC的時候并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局，尤其是對于現有PLC的制造商來說，將在市場和應用方面產生巨大的沖擊。

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工業應用中產生的。1995年，在中國的馬鞍山鋼鐵公司的動力調度中心，面臨一個問題，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，電廠是類似于DCS的結構，水廠和氣廠是PLC結構，動力廠是SCADA結構，對集成人員理解系統也形成了較大的困難。該項目最后雖然沒有用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制造業普遍存在的，各類控制要求不同的系統的互連的問題，本文作者提出了設計一個新型的開放式控制系統的構想。因為該系統的目的是要盡可能地適用各類不同的應用場合，因此，定名為開放式可編程控制系統，而英文則是OpenProgrammableLogicController，縮寫為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技術為基礎的系統，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，操作界面，數據監測，文件記錄和打印等），工作由以PC為基礎的系統來承擔；

② 在底層，需要高可靠和實時控制時，由分散控制系統承擔，但它不同于現場總線，它不是基于儀表的系統，而是基于系統的系統，儀表仍是普通儀表，只是將I/O和控制單元放在了現場，傳回中央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，可以采用類似于DCS或PLC的機柜或機架，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布性，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），為此，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；因此他們采取了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，涌現出了一批熱衷于開放式系統的公司（但沒有一家是有名氣的大公司）。該系統一開始曾經受過日本橫河公司的CENTUMCS的概念的啟發，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。最終，對OpenPLC影響最大的，是美國SOFTPLC的概念，OpenPLC的研究小組希望將SOFTPLC的概念成功在更廣的領域內應用，為了擺脫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的誕生所采用的是***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，盟立公司準備打入大陸市場，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煉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，但又加入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管理部門，形成了信息化制造系統的雛形。隨后，隨著TCS在云南個舊化肥廠、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為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，進入了CAM應用領域。

因為TCS的概念的先進性和實用性，中國儀器儀表學會于2000年8月對該系統進行了專家鑒定和評審，會議由中國的原子彈和氫彈元勛、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，系統被認為具有國際先進水平，隨后，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的研究小組認為TCS的概念仍然太過籠統，并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，重新審視OpenPLC的概念，認為開始以開放式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。隨后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產品于2003年底終于重新面世。隨后，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，開辟了在機械OEM系統等離散制造業中的應用。

2004年，OpenPLC在加拿大阿爾伯達省的LANDPETROLEUM公司的一個天然氣處理廠和天然氣田作為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央控制室外（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，不僅可以了解氣田的實時銷售狀況，也便于總部的工程師隨時了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，結合采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，標志著OpenPLC作為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入使用，該項目由美國EMERSON公司在深圳的工廠招標采用，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的技術優勢

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占據，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。雖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于各種原因都未做到完全通暢。許多制造業用戶特別是大型企業為了避免過分依賴一家系統提供商而形成的商業和技術風險，通常會同時采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、系統升級和管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管理決策人員的無縫的雙向信息流，是許多企業自動化和信息人員以及領導層關心的問題，而對于這個問題，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、通信標準都不能共用，這樣，一旦用戶購買了某一種專用系統，就被迫繼續采用，因為當他們由于某些原因想改換PLC時，工程師不得不學習另外的新的編程語言。這是為什么要指定IEC61131-3，為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，造成其生產成本以及售價都居高不下。

今天制造企業對自動化系統的維護升級等技術支持的要求很高，同時要求系統供應商了解工廠的制造工藝，并需要一個專業的技術支持，對制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訓練的維護隊伍成本很高，這個原因導致了控制系統的技術服務難以令人滿意，即使有服務，其備件和人工費也都很昂貴。由于系統是專用的，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，因此制造企業迫切需要一個高靈活性的、兼容能力強、低成本、可靠并具有強大的通信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問題上尚未做到令人滿意。

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，其長處在于具有開放性和通用性的特點，它并非專為某一個或兩個行業所設計的，而是可以適合許許多多不同的行業，并應用在不同的場合。而且，由于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，并不斷地升級和延伸，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雖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信，并非真正意義上的開放；而OpenPLC把PC兼容的技術引入到現場控制器內部，系統采用WINTEL芯片和軟件結構，通訊采用全球通用的Ethernet協議TCP/IP作為網絡協議和現場控制總線協議，并且內部可以內置Web-Server因此具有很大的競爭優勢。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并實行控制，反過來，供應商也可以通過Internet對用戶的系統進行遠程診斷，從而實現全天候的低成本的24小時的技術支持服務。

OpenPLC的特點是開放性，是將電子、通信、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大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的制造商和系統集成商可以借助國際上所有的IT行業的最新成果，包括INTEL、MICROSOFT、IBM等國際眾多巨型公司的技術和力量來和傳統控制系統的專業公司抗衡，相當于是借助了全球IT行業的技術力量來進行產品的開發。同時，這些技術雖然是通信、電腦、網絡、軟件等行業的通用技術，但也并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工業控制的具體情況等方面進行大量細致的工作。

另外，通過采用通用的產品與技術標準，使OpenPLC的制造商可以低成本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、數據庫軟件使開發成本大大降低，研發周期大大縮短，所用的元器件也由于是與主流技術兼容的產品而可以低成本方便地得到。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由于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還有一個最為重要的特點，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于產品本身的發展，還取決于PLC與其它控制系統和工廠管理設備的集成情況。PLC通過網絡，被集成到計算機集成制造（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、管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，將占據重要的地位。

新的PLC的技術進展包括：更好的操作員界面，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；并支持人工智能，比如邏輯I/O系統等。

軟件進展將采用廣泛使用的通訊標準提供不同設備的連接，新的PLC指令將立足于增加PLC的智能性，基于知識的學習型的指令也將逐步被引入，以增加系統的能力。

用戶對于柔性制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將肯定占據重要的地位，控制策略將被智能地分布開來，而不是集中，超級PLC將在需要復雜運算、網絡通信和對小型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，都取決于一個因素：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占有重要地位；只有開放了，PLC才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，才能采用更多、更復雜的控制策略