可編程邏輯控制器 （PLC） 是一種工業(yè)計算機(jī)，可執(zhí)行以下任務(wù)：

　　監(jiān)測和控制工業(yè)自動化應(yīng)用

　　執(zhí)行與測試和測量工作有關(guān)的任務(wù)

　　執(zhí)行本文所述范圍以外的流程類功能（含與暖通空調(diào)系統(tǒng)有關(guān)的功能）。

　　PLC 從傳感器和輸入設(shè)備接收數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理，然后基于邏輯的作出決定，向機(jī)械或電氣系統(tǒng)發(fā)出控制指令。PLC 是嵌入式系統(tǒng)，將計算機(jī)的處理器、存儲器與輸入輸出 （IO） 設(shè)備組合在一起——很像與之競爭的、基于硬線連接的繼電器邏輯以及基于 PC 的邏輯。

　　就外形而言，今天的 PLC 款式多樣，從具有集成芯片 （IC） 外形的非常簡單的計算機(jī)，到安裝在多個機(jī)箱中的大型機(jī)架式控制器子組件的集合。更簡單的、基于微控制器的 PLC 或那些采用片上系統(tǒng) （SoC） 的 PLC 能夠達(dá)到非常高的可靠性，在非常小的輸入功率下運行。相比之下，最復(fù)雜的 PLC 已經(jīng)模糊了 PLC 和用于實時工業(yè)控制的通用計算機(jī)之間的構(gòu)成界限。.. 盡管前者仍然強(qiáng)調(diào)可靠性和實時性。

　　PLC 最初是為了直接取代基于繼電器和鼓式定序器的硬接線控制邏輯。這些早期的 PLC 只需通過將輸入轉(zhuǎn)化為輸出來執(zhí)行基本操作。任何需要比例積分微分 （PID） 控制的機(jī)器任務(wù)都由外加的模擬電子設(shè)備執(zhí)行?，F(xiàn)在，PID 控制以及甚至更復(fù)雜的運行已都是 PLC 指令集的標(biāo)配。

　　事實上，隨著時間的推移，對 PLC 的預(yù)期功能也在不斷增加，因此，今天的許多 PLC 已經(jīng)相當(dāng)復(fù)雜，能夠執(zhí)行復(fù)雜的自適應(yīng)程序。得益于摩爾定律，半導(dǎo)體芯片的功率在不斷提高，而尺寸卻在不斷縮小，這使得更小的控制器能夠達(dá)到前所未有的智能化。隨著對運動控制、視覺系統(tǒng)和通信協(xié)議的全面支持，這種趨勢仍將持續(xù)。在 PLC 尺寸方面，一些可編程自動化控制器 （PAC） 將 PLC 與 PC 整合在一起，取代 PLC 和專有控制系統(tǒng)（以專有編程語言運行），以適應(yīng)某些應(yīng)用。今天，有更多的 PLC 也被集成到人機(jī)接口（HMI） 中。

　　PLC 參與運行的工業(yè)數(shù)字環(huán)境

　　今天的工業(yè)自動化依賴于機(jī)器反饋、運行數(shù)據(jù)以及數(shù)字設(shè)備之間復(fù)雜的互連來實現(xiàn)。

　　控制數(shù)字設(shè)備。

　　運行高級功能——例如那些與 IIoT 連接和機(jī)器重新配置有關(guān)的功能。

　　讓人們能夠?qū)Ω鞣N機(jī)器和運行條件作出決策。

　　提高整體生產(chǎn)力和工件質(zhì)量。

　　此類自動化裝置包括不同的信息系統(tǒng)來存儲、處理和服務(wù)這些數(shù)據(jù)。

　　材料需求計劃或制造資源計劃 （MRP） 系統(tǒng)提供生產(chǎn)計劃、進(jìn)度、財務(wù)和庫存控制信息。相比之下，歷史數(shù)據(jù)系統(tǒng)保存了來自傳感器和儀表的時間序列數(shù)據(jù)，可用于繪制圖形，幫助操作員和管理系統(tǒng)了解、處理自動化趨勢。統(tǒng)計過程控制 （SPC））是一個歷史數(shù)據(jù)庫應(yīng)用。

　　人機(jī)接口 （HMI） 是機(jī)器控制面板（或以無線方式連接移動設(shè)備的模塊），方便操作員查看數(shù)據(jù)和發(fā)出指令。與 HMI 功能密切相關(guān)的是監(jiān)督控制和數(shù)據(jù)采集 （SCADA） 系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r控制和監(jiān)測自動化機(jī)器與其 HMI 和歷史數(shù)據(jù)庫之間的互動。SCADA 是一種 HMI，可以控制多臺機(jī)器。..并顯示與多個設(shè)備有關(guān)的數(shù)據(jù)。

　　制造執(zhí)行系統(tǒng) （MES） 包括運行進(jìn)度和數(shù)據(jù)收集等功能。在某些方面，該系統(tǒng)可以被看作是介于 MRP 和 SCADA 之間并與二者重疊。

　　企業(yè)資源規(guī)劃 （ERP） 系統(tǒng)整合了與制造業(yè)相關(guān)的 MRP、MES、產(chǎn)品生命周期管理 （PLM） 和 CRM 信息系統(tǒng)。ERP 系統(tǒng)可以是處理所有這些功能的單體軟件套件。.. 或者是一個核心 ERP 系統(tǒng)，連接來自多個供應(yīng)商的專門應(yīng)用。通常情況下，只有高層管理人員與 ERP 進(jìn)行互動——在具體的大企業(yè)中，大多數(shù)人員與其中的某一個組件系統(tǒng)互動。

　　PLC 的運行級別通常低于這些信息系統(tǒng)。PLC 向機(jī)器、電機(jī)和傳感器發(fā)送和接收信息。也可以與上面的信息層互動，向歷史數(shù)據(jù)庫庫或 SCADA 發(fā)送數(shù)據(jù)，或從 SCADA 或 HMI 接收控制輸入信息。更復(fù)雜的 PLC 還可以執(zhí)行 SCADA 和歷史數(shù)據(jù)庫功能。.. 甚至在越來越多的情況下執(zhí)行 HMI 功能。

圖 ：PLC 的運行級別通常低于自動化信息系統(tǒng)。（圖片來源：Jody Muelaner）

　　請注意，PLC 不只是參與自動化：也被用于控制測試平臺（產(chǎn)品開發(fā)）和實驗室測量任務(wù)。

　　如上所述，自動化通常強(qiáng)調(diào)診斷并要求 PLC 進(jìn)行決定性的實時操作以獲得真正的效果。

　　相比之下，在測量任務(wù)中采用的 PLC 更強(qiáng)調(diào)快速和精確地執(zhí)行測量采集和其他形式的數(shù)據(jù)采集。

　　對于機(jī)器自動化任務(wù)來說，PLC 依靠實時處理，其中輸入和響應(yīng)輸出之間的延遲以毫秒為單位。除了最簡單的 PLC 功能外，其他都需要實時操作系統(tǒng) （RTOS）。雖然許多 PLC 仍然使用專有操作系統(tǒng)，但人們對開放標(biāo)準(zhǔn)的操作系統(tǒng)越來越感興趣。例如，VxWorks 是一個專有實時操作系統(tǒng)，已被廣泛授權(quán)用于工業(yè)控制。包括 Kuka 和 ABB 在內(nèi)的多家領(lǐng)先的機(jī)器人制造商在使用該操作系統(tǒng)。或者，在 MIT 開源許可下免費發(fā)布的開源變體版本 FreeRTOS。FreeRTOS 包括各種物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 庫，適用于廣泛的自動化應(yīng)用。有關(guān)這方面的詳細(xì)內(nèi)容，參見 Digi-Key 《使用 Amazon FreeRTOS 快速、安全地將設(shè)計與云端連接》一文。

　　對于測試和測量任務(wù)，PLC 依靠實時處理的方式來完成，其中現(xiàn)場設(shè)備測量和其數(shù)據(jù)收集之間的延遲以毫秒為單位。那個讓工程師們別無選擇，只能采用接口轉(zhuǎn)換器和傳輸通道系統(tǒng)的時代已經(jīng)一步不復(fù)返了。現(xiàn)在，外圍智能設(shè)備和 I/O 組件已經(jīng)通過數(shù)字和模擬輸入提升并簡化了信號收集功能。

　　今天的工程師們也有了更多的選擇。這些選擇基于標(biāo)準(zhǔn)化接口、可互操作的具有跨制造商兼容性的組件。

　　只需考慮具有集成 PLC 功能的 I/O 組件。這些產(chǎn)品兼容那些運行 Windows 或 Linux 操作系統(tǒng)并具有以太網(wǎng)連接功能的可配置人機(jī)接口——但無法方便地重新校準(zhǔn)產(chǎn)生低壓模擬信號的現(xiàn)場設(shè)備，或者沒有為這類設(shè)備提供模擬 I/O。這種 I/O 組件也可配合使用經(jīng)過特定設(shè)置的 PLC，具體設(shè)置為從遠(yuǎn)程 I/O 設(shè)備收集數(shù)據(jù)。.. 通過其板載 I/O 直接從傳感器收集數(shù)據(jù)。

　　T7 多功能數(shù)據(jù)采集設(shè)備 （DAQ） 包括以太網(wǎng)、USB、wifi 和 Modbus 連接功能，可與各種現(xiàn)場設(shè)備以及工業(yè)人機(jī)接口、PLC 配合使用。特別是 Modbus/TCP 連接，通過各種第三方軟件和硬件選項提供了可控性，實現(xiàn)了開放性和靈活性——這反過來讓工業(yè)系統(tǒng)架構(gòu)師、研發(fā)工程師在數(shù)據(jù)收集、自動化應(yīng)用方面進(jìn)行選擇時無需考慮供應(yīng)商。

　　當(dāng)然，PLC 并不是機(jī)器自動化或測試和測量的唯一選擇。由于所有的工業(yè)控制都變得越來越復(fù)雜，一些供應(yīng)商已經(jīng)將某些硬件區(qū)分為可編程自動化控制器 （PAC），以表示具有功能更強(qiáng)。.. 且在許多情況下，一個硬件中會有多個處理器。實際上，PLC 的復(fù)雜性也越來越高——所以對于一些執(zhí)行 PLC 功能的硬件何時構(gòu)成 PAC 并沒有硬性規(guī)定。大多數(shù) PAC 集成了 PLC 和 PC 功能，作為復(fù)雜的自動化系統(tǒng)使用，其特點是具有多個基于 PC 的應(yīng)用以及 HMI 和歷史數(shù)據(jù)庫。一個明顯的區(qū)別是，PAC 對開發(fā)者來說更易采用，因為其擁有比傳統(tǒng)控制技術(shù)更開放的架構(gòu)。

　　然而，今天的另一個選擇是模塊化 PLC。這種 PLC 由執(zhí)行不同功能的模塊組成。所有的 PLC 必須包括 CPU 模塊，其中包括運行操作系統(tǒng)及程序的處理器、存儲器。此外，還可能包括獨立的電源模塊、額外的輸入/輸出 （I/O） 模塊。一個 PLC 可能包括數(shù)字和模擬 I/O 模塊。另一個模塊可能需要用于網(wǎng)絡(luò)通信。

　　PLC 可以是集成的——所有模塊都集中在一個機(jī)箱內(nèi)，也可以是模塊化的。集成 PLC 的結(jié)構(gòu)更緊湊，但模塊化 PLC 則功能更多，通常允許多個模塊通過直接插入彼此或使用公共機(jī)架作為總線輕松連接在一起。各個模塊根據(jù)其在總線上的位置被尋址。盡管機(jī)架的物理支持方面可能符合 DIN 等標(biāo)準(zhǔn)，但數(shù)據(jù)總線通常是 PLC 制造商的專利。

　　PLC 在物聯(lián)網(wǎng)中的作用

　　隨著人們對工業(yè) 4.0（也稱為 IIoT）的興趣越來越大，工業(yè)用戶愈加希望能夠選擇使用互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議將其工業(yè)控制器連到接公司的網(wǎng)絡(luò)。這意味著使用傳輸控制協(xié)議 （TCP） 和互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議 （IP） 或簡單的 TCP/IP 進(jìn)行通信。然而，IIoT 趨勢不僅僅與互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的使用有關(guān)。.. 而且也與機(jī)器學(xué)習(xí)和大數(shù)據(jù)有關(guān)。隨著 PLC 功能越來越強(qiáng)大（更先進(jìn)的控制使 PLC 功能成為一種特色），具有如視覺系統(tǒng)等更多的主機(jī)功能?；ヂ?lián)網(wǎng)連接功能還允許工程師（通過系統(tǒng) PLC）利用基于云的算法來處理極其龐大的數(shù)據(jù)集（也稱為大數(shù)據(jù)），實現(xiàn)機(jī)器學(xué)習(xí)。

　　實際應(yīng)用中，控制自動化技術(shù)的以太網(wǎng) （EtherCAT） 在此類 IIoT PLC 功能方面表現(xiàn)出色。這是一種基于以太網(wǎng)的通信協(xié)議，適用于周期時間小于 0.1 毫秒的實時控制應(yīng)用——是最快的工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，能夠以納秒級精度進(jìn)行同步。另一個重要的優(yōu)勢是 EtherCAT 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)靈活，不需要網(wǎng)絡(luò)集線器和交換機(jī)。設(shè)備可以簡單地以環(huán)狀、線狀、星狀或樹狀配置的形式連在一起。PROFINET 是一個具有類似功能的競爭性標(biāo)準(zhǔn)。

　　結(jié)語

　　當(dāng)前的數(shù)據(jù)收集和工業(yè)控制日益復(fù)雜的趨勢將持續(xù)下去。這意味著用于工業(yè)自動化以及測試、測量的 PLC 將越來越像 PAC.。. 并與 SCADA 和歷史數(shù)據(jù)庫整合在一起。如 EtherCAT 等互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議和開放標(biāo)準(zhǔn)也被穩(wěn)步采納，用于 PLC 通信。這種連接將反過來刺激市場更多地使用工業(yè) 4.0 技術(shù)，如大數(shù)據(jù)分析和機(jī)器學(xué)習(xí)，部分原因是能夠?qū)⑺璧奶幚砟芰蛢?nèi)存分配到：

　　基于云的計算

　　能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的邊緣設(shè)備

　　除了這些趨勢之外，仍然需要更多可靠性最高、能效最優(yōu)的傳統(tǒng) PLC 來執(zhí)行相對簡單的測試、測量以及控制功能。