1.國際PLC發展
PLC是Richard E.Morley于1968年發明的自動化設備。其核心設計思想是使用軟件編程代替硬連線繼電器控制來建程序控制系統。同年,通用
汽車公司制定了PLC的設計標準。自此PLC廣泛應用于各種工業領域。
20世紀70年代是PLC的崛起期。自羅克韋爾自動化于1977年首次提出基于8位微處理器的PLC以來,許多制造商紛紛效仿并生產基于8位微處理器的PLC產品,如Intel8080和Zilog的Z80。
20世紀80年代,隨著微電子技術和微處理器技術的發展以及PC的應用,PLC技術處于成熟階段。Athani設計了基于8位微處理器8085的PLC,它具有手動編程器和CRT顯示終端,程序段可以顯示在CRT上。
第二十三條 網絡關鍵設備和網絡安全專用產品應當按相關國家標準的強制性要求,由具備資格的機構安全認證合格或安全檢測符合要求后,方可銷售或者提供。
國家互聯網信息辦公室、工業和信息化部、公安部、國家認證認可監督管理委員會。
明確了可編程邏輯控制器(PLC設備)等網絡關鍵設備和網絡安全專用產品的范圍。
20世紀90年代,隨著PLC國際標準IEC61131的正式頒布,PLC技術進入了第三個發展時期。這時,在系統結構上從傳統的單機到多處理器的發展,在控制系統配置上從獨立控制系統到分布式和遠程控制系統的開發;在編程語言中,傾向于多樣化和相互轉化。除自動化生產線以外,還開發了基于PLC的分布式控制系統(DCS)、監控和數據采集系統(SCADA)、靈活多變制造系統(FMS)、安全聯鎖保護(ESD)系統、運動控制系統等,以提高PLC在各方面的應用范圍和水平。
自20世紀90年代末以來,由于信息技術的飛速發展和用戶對開放性的強烈需求,在保留PLC功能的前提下,面向現場總線網絡,采用開放式通信接口。逐步打破每個PLC產品封閉狀態,采用相關的國際工業標準,使用戶開發的應用可以移植到不同的PLC產品之間。
2.國內PLC發展
自20世紀70年代以來,中國開始了PLC的研究和應用。1974年,中國首次復制了在美國生產的第二代PLC。1977年,中國采用美國摩托羅拉公司的mc14500集成芯片,成功開發出第一臺在中國具有實用價值的PLC。1979年,從美國引進MODICON584的PLC首先在電站的輔助設備成功應用。
20世紀80年代起,業內以北京機械工業自動化研究所、上海工業自動化儀表研究所、成都機床電器研究所、上海自力電子設備廠為代表的科研單位和工廠開始了PLC的研發生產,具有代表性的PLC產品包括北京機械工業自動化研究所研制出的國產PLC一位機、上海工業自動化儀表所推出的TCMS-300/D等。
20世紀90年代,行業標準制定工作開始進行,中國工業過程測量和控制標準化技術委員會——可編程序控制器及系統分技術委員會SAC/TC124/SC5于1993年成立,該標準化技術委員會基于國外PLC技術、產品以及國際電工委員會發布的IEC61131等相關標準,結合中國工業控制領域的PLC應用需求,制定了GB/T 15969可編程序控制器系列國家標準,在行業標準化進程中取得重要進展,為中國PLC行業發展奠定了重要基礎。
2001年至今,隨著計算機技術、通信技術、自動控制技術等高新技術水平的逐步提高,PLC行業下游應用領域的多樣化發展,PLC應用范圍也呈現出擴大的趨勢,PLC由最初進入中國時局限于大規模設備系統的應用逐步發展為適用于大、中、小型設備系統。
3.PLC技術發展現狀
目前,隨著大規模和超大規模集成電路等微電子技術的發展,PLC已由最初一位機發展到現在的以16位和32位微處理器構成的微機化PC,而且實現了多處理器的多通道處理。如今,PLC技術已非常成熟,不僅控制功能增強,功耗和體積減小,成本下降,可靠性提高,編程和故障檢測更為靈活方便,而且隨著遠程I/O和通信網絡、數據處理以及圖象顯示的發展,使PLC向用于連續生產過程控制的方向發展,成為實現工業生產自動化的一大支柱。
可編程控制器(PLC)是工廠自動化控制系統中的關鍵部件之一,中國PLC 市場份額仍主要被西門子、三菱、歐姆龍、羅克韋爾等外資巨頭占據,業內具有品牌力和知名度的本土品牌數量較少。國內廠商的主要產品偏向于OEM市場的中小型 PLC。整體而言,本土研發生產PLC的企業規模小、產業基礎薄弱、行業集中度較低、技術研發水平不足、競爭力較弱。本土品牌的PLC產品更多地面向專用而零散的細分市場,在產品通用性方面表現不足。在技術水平方面,本土品牌的PLC技術水平偏低,在系統軟件研發、編程語言、可靠性技術等方面與外資品牌差距較大。但是,隨著中國制造業的相關技術迅速發展,本土品牌對PLC的研發和生產投入逐年增加,市場占有率也在穩步提升。
4.PLC制造核心難點
PLC制造的核心難點包括:一是在數據量不斷擴大的背景下,對PLC硬件背后算法要求的提升;二是配套編程軟件簡便化程度;三是對具體下游應用工程師操作習慣的理解。
首先,PLC的一大難點是為處理愈加龐大的生產數據而日益復雜的算法。PLC需要存儲更多生產數據是工業化發展的必然,一方面伴隨消費升級趨勢的日益明顯,終端消費者對產品的需求多樣化和定制化程度均在不斷提升,因此生產環節、工藝難度和制造水平都在相應增加,隨之而來的就是底層控制系統需要處理規模愈加龐大的生產數據和邏輯關系。另一方面,現代半導體、計算機和通信技術的發展也為控制系統存儲大量數據提供了強大的技術支持,當前CPU和存儲器已經發生了巨大的進步:CPU的運算速度提升顯著;存儲器的存儲規模逐漸擴大,使得PLC具備存儲大量實時數據的能力。雖然PLC的硬件制造對于各大廠商來講,已經不構成主要障礙。然而,為了處理大量的生產數據,對PLC硬件背后的算法提出了較高的要求,該環節仍然存在一定的技術門檻。
其次,PLC的另一重要難點在于配套編程軟件設計簡潔性的提升。由于當前工業生產復雜程度日益提升,需要PLC完成諸如PID控制、網絡通信、高速計數器、位置控制、數據記錄、配方和文本顯示器等功能,功能的增加意味著編程難度在不斷增加,編程的過程既繁瑣又容易出錯。并且,各大廠商PLC的編程語言不盡相同,這就使得用戶需要掌握多種編程語言,對用戶而言,難度較大。因此,PLC行業的競爭在于盡快設計出簡捷方便的編程軟件。
最后,PLC制造的難點在于對下游具體應用場景下工程師操作習慣的理解。由于PLC是硬件與軟件相結合的產品,這也意味著根據不同應用場景,需要對PLC的軟件做相應調整以適應具體的應用環境,另外應用場景的差別通常會衍生出工程師操作習慣的不同,這就需要PLC供應商針對下游客戶具體的應用場景及工程師操作習慣對通用的PLC軟件進行重構,因此往往PLC供應商想要開拓一個新的下游行業的難度會較高,而已經形成供貨關系的客戶粘性也會較強。
二、PLC發展趨勢
1.PLC技術趨勢
PLC技術發展趨勢是高集成度、小體積、大容量、高速度、易使用、高性能。具體表現在以下幾個方面:
1.小型化、專用化、低成本——低檔PLC向微型、簡易、價廉方向發展,使之能以更優異的性能、更低廉的價格、更廣泛地取代繼電器控制系統。
2.大容量、高速度、多功能——中、高檔PLC向大容量、高速、多功能方向發展,使之能取代工業控制微機的部分功能,對大規模、復雜控制系統進行綜合控制。
3.模塊化——開發各種功能明確的專用擴展模塊,使專用化的復雜功能由專門模塊來完成,主機僅僅通過通訊設備向模塊發布命令和測試狀態,從而更方便用戶系統根據自己的要求構成需要的控制系統。
4.多樣化、標準化——生產PLC產品的各廠家都在大力度地開發自己的新產品,以求占據市場的更大份額,因此產品向多樣化方向發展,出現了歐、美、日多種流派。與此同時,為了推動技術標準化的進程,一些國際性組織,如國際電工委員會(IEC)不斷為PLC的發展制定一些新的標準,如對各種類型的產品作一定的歸納或定義,或對PLC未來的發展制定一種方向或框架。
5.增強網絡與通訊能力——計算機與PLC之間以及各個PLC之間的聯網和通訊的能力不斷增強,使用工業網絡可以有效地節省資源、降低成本、提高系統可靠性和靈活性,致使網絡的應用有普遍化的趨勢。
6.工業軟件發展迅速——與可編程序控制器硬件技術的發展相適應,工業軟件的發展非常迅速,它使系統應用更加簡單易行,大大方便了PLC系統的開發人員和操作使用人員。
2.PLC應用趨勢
微型PLC普及度提升
PLC微型化是行業未來的一大發展趨勢。微型PLC是I/O點數小于64點的PLC,具有價格低、集成度高、體積小、高效率而低能耗等優勢。在技術方面,微電子技術、自動控制技術等高新技術水平的持續革新為微型PLC的發展提供必備的技術前提和保障,技術驅動力有助于推動CPU、存儲器等PLC組成模塊的小型化且還能夠維持PLC較高的性能和可靠性。
在市場應用方面,微型PLC主要應用于下游OEM市場,如機床、工程機械、包裝機械、電子設備制造等設備生產制造領域,微型PLC因為外部接線簡單、可裝配性較強而適用于簡單設備的自動化控制,包括設備起停控制、動作順序控制、傳動控制、運動控制等。受惠于“智能制造”推動的生產控制系統改造和升級,OEM市場增速較快,未來行業對微型PLC的市場需求有望進一步增大,微型PLC的普及度有望進一步提升。
PLC與“智能制造”的融合發展
工業4.0、物聯網等新型工業業態模式近年來呈現出良好的發展態勢,未來PLC將會在工業互聯網、物聯網、智能工廠等發展大勢下,在設備通信、控制、數據采集等功能上得以提升,實現與“智能制造”的融合發展,推動制造生產控制系統的自動化,進而助推工業企業的信息化、智能化進程。
在大數據、云計算、人工智能等新興信息技術的支撐下,“智能制造”具有制造生產環節智能化、生產設備聯網互通、數據傳輸流暢高效等特點,對于生產制造的成本、效率、速度、質量和靈活性均具有高要求,對工業控制系統的性能、功能方面的可靠性、穩定性和精確性較為依賴。作為工業自動化控制的核心,PLC在通信、數據采集等方面的功能有望進一步提高,以更加準確、穩定、可靠和快速的性能特點應對“智能制造”的高要求,實現與“智能制造”的融合發展。
對于PLC信息安全的重視度提升
隨著PLC行業的發展,嵌入于“智能制造”、物聯網等發展圖景中的PLC將在網絡通信功能方面得以提升,因此PLC的開放性將逐漸提高,在接入、輸出更多數據以助力設備通信、端對端通信的同時,PLC控制系統也將愈加暴露于信息泄露的威脅之下。因此行業對于PLC的信息安全性能和安全防護機制將愈加重視,以保證網絡通信的穩定可靠和數據交換的精準無誤,以及確保PLC以安全可控的方式進行對工業生產進行自動化控制。如為實現PLC通信和數據的完整性和保密性,PLC控制系統設備和網絡通信安全的問題將得到更多關注;為確保PLC網絡的安全訪問,控制系統環境的可信狀態判定處理、可信狀態評估等方面的研究力度將加強,以提升PLC的安全性、為PLC實現自動控制功能提供安全保障。
三、PLC題主要應用場景
1.強大的通信控制功能
現如今的工業自動化領域,數據傳輸的效率影響著最終工業化生產的效益。PLC系統是計算機控制和通信領域所衍生的技術,其能通過通信接口和終端相連,完成保存和記錄工作,一方面有利于進行后續的升級改進,另一方面通信控制可以更好地幫助企業完成智能化建設,從而推進人工智能系統對工業設備的控制管理。PLC技術的通信控制的發展也可以加快物聯網的進程,提高計算機對于工業設備的監管能力。
2.控制開關量的邏輯
PLC技術應用場景最頻繁的便是開關量的控制,PLC控制系統在抗干擾方面和后期的維護工作上都具備較高的優勢,通過運行速度達到降低時間消耗以及人工成本,如果將PLC系統和網絡相結合,可以達到開關量順序控制以及邏輯控制的最大化。PLC控制系統在開關量控制領域對于工業自動化生產帶來了質的飛躍。
3.模擬量的控制
PLC系統的一大重要功能便是可以根據控制管理對象的基本特征進行功能模塊重構,實現模擬量控制。通常在企業的模擬量控制中,PLC系統的模擬量控制是核心,首先它可以很好的把握對整個過程的進程,其次可以在模擬過程中對儀表運轉進行控制。最后PLC系統可以根據模擬控制中記錄的溫度變化、電壓電流的對應關系進行分析評估,從而使得企業工業自動化生產的質量與安全系數得以保障。
4.運動量控制、變速調頻
工業自動化領域中的位置控制實現,主要是使用PLC設備來控制其運動。在現實生產過程中,PLC技術通過脈沖量的大小控制機械設備的運動軌跡,配備專有的控制運動模塊,實現高精確度的運動控制,以便于適應各種工作環境。此外,PLC系統還可以實現變速調頻,通過豐富的指令集利用脈沖大小對機械設備發出精確命令,從而達到變速調頻的細節功能。
05
系統集中控制
PLC技術不但能夠完成對于系統的控制,還能對其自身進行集中控制。這一應用領域主要體現在系統的自檢機制和故障檢測上。通過編寫代碼進行邏輯自檢監控是能夠實現集中控制的根本原因。工業自動化生產每一個流程都需要花費一定的時間,在系統運轉時,PLC可以通過工步檢查以及定時裝置進行集中控制,加裝警報設置,可以在系統出現邏輯錯誤時提醒,從而大大降低了故障發生率,對于要求穩定的自動化生產是非常重要的保障。
從應用領域來看,小型PLC主要應用于紡織機械、電子、包裝機械、食品飲料、動力電池、塑膠機械、制藥、3C等細分行業。大型PLC主要應用于動力電池、物流、汽車、冶金、紡織機械等行業。
PLC屬于技術密集型產品,從小型到大型,技術壁壘逐漸提高,進口替代難度也逐級上升。
四、PLC市場狀況
目前,世界上有PLC企業200多家,PLC產品按地域可分成三個流派——美國、歐洲、日本。美國是PLC生產大國,有100多家PLC企業,其中著名的有Rockwell、GE、Emerson等;歐洲的主要知名廠商有德國Siemens、法國Schneider、瑞士ABB;日本的小型PLC具有較高的性價比,占有較高的市場份額主要有三菱、歐姆龍、富士機電、恩基士等。
中國PLC市場的參與廠商主要包括歐美品牌、日韓臺品牌和本土品牌:
(1)歐美品牌以西門子、羅克韋爾、施耐德、GE為代表,在大型、中型PLC中應用較多,其中西門子在中國PLC市場占據領先的市場地位,其PLC產品門類較為齊全,大型、中型、小型PLC產品的可靠性、穩定性等性能較為良好,在大型、中型PLC細分市場中具有較強的競爭優勢。
(2)日韓臺品牌以三菱、歐姆龍、LG、臺達為代表,主要依靠較高的性價比和渠道優勢占據一定的市場份額,其中以三菱和歐姆龍為代表的日本PLC在小型控制系統、機床、OEM設備等細分領域中應用較多。
(3)本土品牌以信捷電氣、匯川技術、麥格米特、和利時為代表,市場規模相對較小,主要以小型PLC產品為主,本土品牌的發展策略是以技術研發門檻較低的小型PLC進入市場,通過產品定制、成本、服務、響應速度等方面的優勢提升行業影響力和市場占有率,在積累一定的技術實力和競爭力后,逐漸由小型PLC向中型、大型PLC產品轉型。