传统PLC与现代PLC的区别

PLC 问世于1969 年，它的问世是里程碑式的。在这之前，逻辑控制和顺序控制只能借助于继电器和步进器等机电器件，要构筑一个功能较为复杂的系统，那是很伤脑筋和很花功夫的。一直到今天，PLC仍在发展，我们应该对其生命力之旺盛有足够的估计和认识。与其相比较，PC －based 控制和PAC 只能说是站在PLC巨人肩膀上，进一步吸收了计算机硬软件技术的精华，融合了控制技术的发展成果，适应了自动化市场的需求，而诞生和发展起来的控制技术和机型。

跨入21世纪后，就整体而言，PLC仍呈现全方位发展的态势，谋求在ERP、MES 和PCS 的三层体系结构中立于不败之地，以期更好地满足工业生产、管理及经营系统不断追求降低成本、快速响应、综合和整体高效，从而增强产品竞争力的要求。PLC在工业控制领域长盛不衰，首先得益于它方便而有效地为工控 80% 以上的需求提供了解决方案。有关PLC 发展的报告披露，从2003 年起5 年内，全球预计 PLC 的年综合增长率达4.6%，而同期我国PLC市场预计年综合增长率高达14.1%，是世界发展速度的3倍。这主要是由于中国工业的高速发展的趋势和成为世界制造业基地的趋势依然强劲。

据ARC2005 年发表的PLC 全球展望报告宣称，2004年的PLC 市场(包括离散控制、过程控制和混合控制)已接近70亿美元，预计到2009年会达到90亿美元。这就是说，下一个5年PLC的综合增长率将达5.9%。发展的推动力主要来自经济全球化趋势日益强劲，在着重关注顾客的需求和发展基础设施的同时，促使制造商把投资配置的重点放在通过加强自动化，追求降低成本，提升产品质量。以我国为首的亚洲发展中国家，为缓解基础设施的压力、扩展制造业的基础和谋求工厂现代化等方面的投资努力，是PLC市场发展的重要推动力。在稍后一些时间，如2009年，在日本、南美，PLC供应商也有机会。此外，PLC市场的增长还受到以下关键性因素的推动：节能、环境状态检测、安全、协同制造、实时优化策略等。

一、传统 PLC 基本满足 80% 的工业控制要求。

工业控制方面的专家估计，对于离散制造业的控制要求来说，80% 的PLC都是用于小型系统(I/O 少于128 点)；78% 的PLC 其I/O 都是数字量或者开关量；80% 的PLC 应用采用20 来个梯形图指令就可解决问题。有人把这些概括为“80－20”法则。它从应用的观点揭示了传统 PLC 以其简单适用，价格低廉，稳定可靠的特点满足了80%的工业控制要求。这也告诉人们，从实用的角度来看，传统的PLC至今仍不可能被挤出控制舞台的基本原由。余下 2 0 % 的控制要求用传统的PLC难以满足，需要由现代PLC或者PC控制或 PAC 来满足。

二、传统 PLC 和 PC 控制之间的区别及其存在问题。

传统 PLC 是指按处理逻辑运算和顺序控制的要求设计、采用按经典扫描方式运行的专用硬实时操作系统、具有确定性控制特征、以处理开关量I/O为主，模拟量I/O为辅的程序可编的控制器。按照IEC 61131－3的软模型，传统的PLC 模型见图1。

除了编制控制程序外，使用者无法控制或干预输入采样、输出设置和PLC例行程序。在自动化市场要求 PLC 具有更多的处理功能和联网通信的能力时，它就显得先天不足了。或者说要满足这些要求时，成本过高而又开放性不够。于是，在PC 机日益普及的前提下，由于它先天的开放性，基于PC 的控制方案应运而生。基于PC的控制是指采用PC机的基本硬件软件，实现PLC的控制功能，又充分利用 PC 机在通信、存储、编程等方面的灵活性和性价比较高的系统，其I/O通道可利用各种PC总线插槽，也可以利用现场总线接入。它仅具软实时、非确定性特征。若要实现硬实时、确定性等特性，需将现行操作系统改造为有硬实时的操作系统。由此可见，基于PC 的控制存在的主要问题是与生俱来的。按照微软公司 1995 年发表的文献《Real－Time Systems and Micro soft Windows  NT》的定义，硬实时操作系统“必须无故障地在规定的时间间隔内对某个事件作响应，这种响应必须是可以预测的，而且不受该操作系统所承担的其他活动的影响。”显然，NT并非一种硬实时的操作系统。其他的Windows操作系统如Windows 2000、XP 等也不支持硬实时。Windows CE 3.0 以上、NTe、XPe 等支持硬实时。

硬实时系统必须在预定的时间间隔内不停顿地对其数据或事件进行操作。在硬实时系统中，每个事件都得到响应，从事件起动到任务执行完成，总在一个有界的时间周期内进行(见图2)。与此相反，软实时系统仅在平均的意义上以一种定时的方式对其数据或事件进行操作，而不考虑它被延迟进程调用(DPC)中断而产生的停顿。在软实时系统中，某几个事件可能不会触发任务执行而丢失，因而不能保证任务执行所要求的时间，一定落在在一个有界的时间周期内。显然，如果没有硬实时环境的支撑，控制算法的执行总是处于不稳定状态，其控制质量难以接受。

控制确定性的概念。系统的事件等待时间与确定性密切相关。它与CPU对中断的响应时间与取得总线控制权的时间之和，以及系统将CPU的状态改变为中断处理程序的能力有关。事件等待时间Ttotal＝(Tint +Tbus)＋(Tcpu)式中，Tint 为CPU 对中断的响应时间，Tbus为中断事件取得总线控制权的时间cpu 为系统将CPU的状态改变为中断处理程序的时间。事件等待时间是一个系统对一个异步事件响应能力的度量。只有在硬实时环境下才能保证控制的确定性。计算机的性能和确定性不是等同的概念。计算机的性能是一种微处理器

完成有效工作的能力。一般而言，性能越好表示在一定的时间周期可以处理的指令越多。通常认为提高执行速度便可提高性能，但不一定会成正比地加速事件等待时间。这就是说，计算机CPU的主时钟频率越高，并不等于它在执行控制运算时一定具有确定性。

显然，实现PC控制，必须解决3个主要问题：控制引擎的硬实时特性，是实现确定 性控制的基础；选择适当的编程语言；适应工业现场环境要求的硬件。经过多年的实践，这些问题都得到了一定的解决。但是，直至今日，比较普遍的认识是PC 控制仍然存在一些问题，主要是：①稳定性，通用的操作系统难以实现稳定的控制，不能实现确定性控制，且容易死机，以至不得不实施非计划重启。②可靠性，非工业用加固部件和旋转式硬盘容易产生故障。③陌生的编程环境，应用开发和维护人员熟悉PLC 的编程工具，不熟悉PC 系统的编程环境。④没有统一的开发平台，针对不同的控制任务，PC 常常要求不同的开发环境。因此，目前往往采用PLC+PC 的系统结构，PLC通过串口或以太网口与PC机通信，由PLC进行控制，PC 则联网、作流程显示、数据和文字处理、实时数据库等功能，让它们各自发挥所长。

四、传统PLC 和现代PLC 的主要差别。

IEC 61131－3的软件模型(见图3)是现代PLC的软件基础，是整个标准的基础性的理论工具，帮助人们完整地理解除编程语言以外的全部内容，为PLC 硬件突破原有体系结构(即在一个PLC 系统中装插多个CPU 模块)，并进行相应的软件设计，奠定了理论基础。

软件模型将其最上层解决一个具体控制问题的完整软件概括为一个“配置”。它专指在一种特定类型的控制系统，包括硬件装置、处理资源、I/O通道的存储地址和系统能力的环境下的控制软件。它等同于一个PLC控制系统的应用程序。在一个“配置”中又可定义一个或多个“资源”。可把“资源”看作能执行IEC程序的处理手段，它反映PLC 的物理结构，在程序和 PLC 的物理I/O通道之间提供了一个接口。这就是说每个资源都可拥有一个处理器。传统PLC 与现代 PLC 的本质差别在于它们的软件模型的完全不同。由此形成了现代PLC 的多CPU 模块的架构。表1列出其主要区别。

三、现代 PLC 和 PAC 的主要差别。

为了弄清现代 PLC 和PAC 的区别，有必要对 PAC 的定义有一清晰的认识。2004年美国ARC咨询集团的C.Resnick通过对PAC 特征的描述做出定义：PAC具备多个专业的功能性，在一个平台上可实现包括逻辑和顺序控制、运动控制、驱动控制和过程控制的功能；PAC 具有单一却又满足多专业控制要求的开发平台，采用共用的变量标签(tagging)和统一的数据库；PAC 的软件开发可提供按流程或加工过程的设计工具，设计直接针对若干机器或处理单元，按状态(步)、激活状态(动作块)和转移条件进行；PAC具有开放的、模块化的体系结构，适用于从工厂自动化到流程工业的单元操作；采用事实上的网络接口、编程语言、安全等各种工业标准，使异型和异构的系统之间能实现数据交换。

现代 PLC 的高端产品往往也具备这些特征。只不过这些高端PLC产品在实现这些功能时采用了有别于 PAC 的技术路线。一般而言PAC 只有一个CPU模块，采用具有硬实时特征的商用操作系统；而现代PLC 的高端产品却在PLC的传统背板结构上，即在主机架和扩展机架上插装多个 CPU 模块的新型结构。这些 CPU 模块可分别选用专门用于逻辑控制、顺序控制的CPU模块、运动控制用的CPU模块、过程控制用的CPU模块，甚至内嵌Windows操作系统的CPU模块。在这种PLC系统中每个CPU模块都执行某一种控制任务，控制与其所执行任务相关的I/O模块的存取；它们之间的联锁和协调信息通过同一PLC系的系统总线来交换，而不是由执行不同任务的PLC 系统通过控制网络来交换,速度更快也更可靠。传统的主流PLC供应商宁肯仍然把它称为PLC，而不愿将它们叫做 PAC。现代 PLC 和 PAC 的主要差别应该在于软件，而不是在于功能或其他别的性能，见表2。

现代PLC 秉承传统 PLC 的专用硬实时操作系统的特征，这是PLC工作稳定、可靠的软件保证。在此基础上提高其工作性能和功能性。PAC 的软件则分成两类：(以现有的PLC控制软件为基础，增加其控制的功能性、可靠性和易用性(以PC控制的软件为基本出发点。

基于 PLC 的控制软件最显著的特征是严格按扫描方式组织的控制程序。.即使增加新的功能(如以太网通信、运动控制和先进控制算法)也是让这些新功能插入现有的扫描结构。传统PLC只允许严格按扫描周期执行输入采样、程序执行和输出设置；现代PLC则可以区别不同性质的程序(如仅执行一次的初始化程序、快速执行的控制程序、慢速执行的显示程序等)设置不同的扫描时间，以提高整体的控制响应。这种程序执行方式易于快速构建控制系统，但也使使用者完全不了解 PLC 底层的运行情况，从而造成它缺少灵活性。

基于PC 控制的控制软件具有灵活的通用编程语言，可以对硬件的内部运行作深层的存取，并将可靠性、实现确定性和默认的控制结构加以组合集成。虽然也可以让它按扫描方式运行，但这并不是PC 控制软件所固有的。这样就保证了PC 软件的灵活性，使之更适合于高级结构化的编程技巧的要求，或者更适合于系统级的控制应用。反过来说，对于逻辑控制和顺序控制，用这种方法编程却会带来不便。还要指出的是，基于PC 控制的控制软件如果要具备硬实时特性和控制的确定性，不能用通用的、只能实现软实时的操作系统，而是一定要采用具有硬实时特性的操作系统，如Windows CE(对小系统)、Windows NTe(对大系统)或其他硬实时操作系统，如 Q N X 、V x W o r k s 、Venturcom  RTX、ThreadX、pSOS 等。

PAC的控制软件的组织结构吸收了二者的长处，同时具备二者的特性和强项，因此更便于解决工业控制中传统PLC 不能对付的高端问题(≤20% 的控制任务)。从硬件上来讲，PAC也分为两种不同的结构，即以美国NI为代表的基于PC的结构，其特征是其卡件采用了适合工业环境的PXI总线(即用于仪器的扩展型PCI 总线，把PCI 总线的电路特性和CompactPCI 的坚固的欧卡机械结构结合)，NI、Chroma、LeCroy 和JTAG等目前可以提供1 000多种卡件，除了一般的I/O之外，运动控制、视觉检测识别等特殊功能卡件是其重要特色。另一种则是以GE － FANUC 的 PACSystem 为代表的基于PLC 背板结构(VME64 或PCI总线)的PAC，其控制引擎建立在标准的嵌入式体系结构之上，其高端的RX7i所用的CPU为Intel Pentium III 300MHz(或700 MHz)，其低端的RX3i 采用Celeron300MHzCPU，选用商用的具有确定性的操作系统，支持通过标准的通信网络(如以太网、Profibus、DeviceNet和GE自己的Genius网络)的分布式I/O。在这个意义上，PACSystem 也是基于工业PC的系统。不过还要支持与 GE 原来的PLCSeries 90－70和 Series 90－30的I/O兼容。

四、PAC 的价值所在。

PAC 的所有部件均按软件和硬件集成最灵活、最方便、成本最低为出发点，因此它是跨机械自动化、电气自动化、仪表自动化、计算机等专业的。这些特点使最终用户获得以下收益：设备的生命周期成本较低，资产的投资回率提高，资产所有者总成本下降。

与传统的按专业划分的体系结构

相比，PAC 创造了另外一种商业机会，公共的集成开发环境将降低项目开发成本和实现成本，促使项目的总费用经得起各方面的比较推敲，从而增加了占领更多市场的机会。应用 PAC 将会把着重点从以硬件为核心，持续不断地转向以开放的通信标准和软件集成为核心。PAC将引导用户去关心如何更好地去监控和控制与硬件相连接的机械设备和生产过程，使他们更多地去关注系统的整体性能，而较少地关注硬件本身。反过来这又促使PAC 的供应商更多地去思考系统的优化和性能，而较少地去考虑硬件和元器件等级的差异。PAC制造厂还可通过基于 Web 的监控向运行工厂提供维护服务，操作人员可访问运行厂的网页，维

护技术人员可直接通过 Web 从工厂层获得诊断信息，并找出故障之所在。

五、PAC 对自动化市场的影响。

PLC 稳固的市场地位今天各类制造厂正在将服务范围从与用户协商转向交钥匙工程全程承包。用户则把更多的精力集中在提高核心竞争力，而把自动化和控制的功能委托自动化的供应商。这就创造了对服务和支持的更大需求，而PAC的多功能、多专业的能力正是可利用和可依托的开发、实现和强化服务的工具和环境。PAC 是在PLC 和PC 控制的基础上发展起来的，而 P C 控制也是建立在PLC 的基础上的。所以可以说，PAC 源于PLC，在某些方面高于PLC，或者说是在高端向PLC发起挑战。但它难以取PLC而代之，因为单纯逻辑和顺序控制还是有很大的市场。PLC本身一直在发展推进，有许多近年来推出的PLC新系列就具有 PAC 的特征和多功能，但厂家仍把它叫做PLC 而不称之为PAC。由于PLC 在自动化市场中历经考验而始终在稳固发展，它的特点和特色引起了其他一些控制系统装置如 DCS 开发商的重视和借鉴。最近老牌 DCS 供应商Invensys Foxboro推出了A2 T2550系列就是基于 PLC 的 DCS 系统，其强大的过程控制功能和 PLC 的低价的特点，既可作为独立的系统又有很强的联网能力，使它在 DCS 的解决方案中独树一帜。